Φ4.0 m×60 m回转窑系统提产降耗改造实践

近年来在现有生产线的基础上通过工艺和设备的优化、改造达到提产降耗的目的，已经是许多水泥企业实现节能减排的首选。本文介绍某2 500t/d水泥生产线提产降耗改造实践，该线烧成系统由五级单系列旋风预热器、在线分解炉、Φ4.0m×60m回转窑和LBT3.2×20.6第三代冷却机组成，冷却机有效冷却面积为62.4m2，经过多年的技术探索，熟料产量在3 000t/d。鉴于目前水泥企业发展需要，提出通过技术优化升级，达到提高熟料产量、降低熟料标准煤耗及电耗，最终实现企业碳减排的目的。1、生产线提产瓶颈改造前通过对现场情况的深入了解以及与企业的充分交流，对现有主机设备进行了系统的提产降耗改造分析，目前生产线提产降耗的瓶颈如下：1）预热预分解系统通过对现有预热器系统的规格参数分析及计算，在目前产量下，C1旋风筒的断面风速已达到4m/s以上，C4、C5旋风筒的断面风速达到6m/s，分解炉的断面风速也已经超过11m/s。整体来看，现有预热预分解系统已达到设计能力的极限，常规设计需保证C1旋风筒的断面风速在3~4m/s，C2~C5旋风筒的断面风速在5~6m/s，分解炉主炉的断面风速为10m/s。2）回转窑和三次风管该窑设计熟料产量为2 500t/d，最大转速4.07r/min，主电机功率315kW，在3 000t/d的熟料产量下，计算回转窑容积产量为4.9t/（m3·d），断面热负荷为4.5MW/m2，该数值对于Φ4.0m×60m的回转窑已属于偏高水平，同时窑内物料填充率也偏高，不利于窑内物料的热交换。此外，三次风管外径2.2m，有效内径1.8m，在3 000t/d的熟料产量下，三次风管内的通风风速已偏高，继续提产后三次风管的通风阻力将增加，影响窑炉用风的平衡。3）冷却机现有第三代冷却机的有效冷却面积为62.4m2，在3 000t/d的熟料产量下存在出冷却机熟料温度高、热回收效率差等问题。在现有烧成系统设备都已超过最大设计能力的情况下，低品质的二、三次风会降低窑、炉内的燃料燃烧速度，极大增加窑、炉的煅烧负荷，因而冷却机的改造对烧成系统的提产降耗至关重要。4）高温风机现有高温风机额定风量为40万m3/h，额定风压为8 896Pa，在3 000t/d的熟料产量下已经接近满负荷运行，因此，高温风机需相应改造，以满足烧成系统提产降耗的要求。5）其他辅机设备根据改造目标和现有烧成系统辅机设备能力核算，现有燃烧器、熟料斜拉链机、生料转子秤、生料入窑提升机等设备均需进行相应的优化改造。2、改造方案1）C1旋风筒C1旋风筒在设计上要求具有较高的分离效率（≥95%），本次改造中由于C1的断面风速已经超过设计极限风速，通过改造的方式不仅很难有效降低C1的阻力，更有可能降低其分离效率。考虑到其重要性，将C1旋风筒整体更换，直径由4.6m更换为5.4m，改造后旋风筒的设计断面风速在3.5m/s左右，增加了粉尘在旋风筒中的沉降时间，保证改造后C1最佳的工作状态，为提产降耗改造创造有利条件。同时增加了内筒整流降阻器和锥部尾涡隔离器，再通过旋风筒各关键尺寸的合理、优化设计，可保证95%以上的分离效率（常规入窑生料情况下），旋风筒本体阻力亦可小于800Pa。2）C2~C5旋风筒虽然C2~C5的断面风速偏高（6~8m/s），考虑到下级旋风筒对分离效率的要求低于C1，因此仅做局部改造，目标主要为降低旋风筒阻力，保证适宜的分离效率（86%~90%），同时提高预热器系统的换热效率。（1）通过扩大进口面积和内筒直径实现C2~C5降阻改造。在扩大旋风筒进口面积时，需保证旋风筒进口的宽高比在0.5~0.65之间，因此C2~C5旋风筒进口的改造需将蜗壳外扩增加进口宽度，同时提高旋风筒顶盖增加进口高度。若仅增加进口宽度，在旋风筒断面风速偏高时，会增加短路气流量，影响旋风筒的收尘效率；若仅提高顶盖，则会降低上升管道内的有效换热时间，影响预热器系统的换热效率。（2）C2~C5分离效率的改造。在上述旋风筒降阻改造的同时已兼顾了旋风筒的分离效率，但增加旋风筒的内筒直径后，缩短了含尘气体进入旋风筒后的短路距离，增加了含尘气流的短路风险，易导致旋风筒分离效率的降低。因此，在扩大旋风筒内筒直径的同时，需保证旋风筒进口与旋风筒内筒的距离，这是旋风筒设计中的关键性尺寸，如图1所示。旋风筒改造中需重点考虑蜗壳的流场优化，一定程度上保证旋风筒的分离效率，图2为旋风筒蜗壳改造示意。图1旋风筒关键性尺寸示意（3）提高预热器系统换热效率的改造。经计算，改造后各级旋风筒上升管道处的风速偏高，不仅会降低物料在上升管道内的换热时间，同时上升管道物料加速区内动量传递的阻力损失也会大幅增加，因此在不影响预热器框架结构的基础上将各级旋风筒上升管道做扩径改造，改造前后上升管道尺寸对比见表1。图2旋风筒蜗壳改造示意表1改造前后上升管道尺寸对比3）分解炉扩容及流场优化改造现有分解炉总炉容约763m3，根据计算，分解炉内气体的停留时间将不足4s，无法满足对应产量下生料的分解以及煤粉燃烧的时间要求，因此分解炉的扩容改造是系统提产降耗的关键。本次改造中通过增加分解炉出口鹅颈管高度的方式对分解炉进行扩容改造，将鹅颈管从窑尾框架5L平台绕出预热器框架，在框架外加高至7L平台后下行回到预热器框架内，与C5进口对接。另经计算，现有分解炉主炉的通风风速将达到13m/s以上，过高的主炉风速会降低入窑生料与燃料在主燃烧区的停留时间，导致炉内强制对流的换热效果变差。虽然通过增加鹅颈管高度的方式增加了总炉容，一定程度上降低了分解炉的容积负荷，但截面热负荷偏高（1.88×107kJ/（m2·h））也会影响到分解炉内物料的换热和分解，因此对分解炉主炉进行扩径改造，降低分解炉的截面热负荷，增加生料和燃料在主燃烧区的停留时间。4）烟室及缩口窑尾烟室及缩口的通风量是影响熟料产量的关键因素，因此在提高熟料产量的要求下，必须增加烟室及缩口的最小截面积。由于烟室结构限制，通过局部改造难以达到设计尺寸要求，因此将烟室整体更换，增加烟室最小通风截面积。同时，在保证分解炉锥部不发生塌料的前提下，适当扩大烟室缩口尺寸，保证窑炉用风的阻力平衡。5）回转窑和三次风管改造根据改造目标要求，更换窑主减速机和主电机，使回转窑转速由0.41~4.07r/min提高至0.50~4.5r/min，回转窑辅助减速机和辅助电机利旧，回转窑主电机功率由315kW增加至355kW。此外，三次风管直径由2.2m整体扩径至2.4m。6）冷却机改造将第三代冷却机整体更换为第四代中置辊破冷却机，有效冷却面积90.1m2，改造后冷却机风机由12台减少至9台，风机装机功率比改造前略有增加，改造后第四代冷却机的风机配置参数如表2所示，改造前后冷却机主要参数对照见表3。表2改造后的冷却机风机参数表3改造前后冷却机参数7）高温风机改造本次改造中增加高温风机风量和风压，以满足提产降耗的改造需求，改造后的风机选型压力9 200Pa，额定风量60万m3/h，电机功率1 800kW。8）其他辅机设备改造改造前后烧成系统主要辅机设备参数见表4。表4改造前后的主要辅机设备参数t/h3、改造效果3.1熟料产量本次改造于2021年年初开始施工，历时约53d，改造前后窑尾预热器塔架照片见图3。图3改造前后窑尾预热器塔架对照点火投料以后经过调试优化，熟料平均产量可稳定在4 100t/d，回转窑的容积产量为6.71t/（m3·d），断面热负荷为5.79MW/m2。目前普遍认为小型回转窑的提产难度更高，尤其是小型回转窑的断面热负荷总要小于大型回转窑。不同规格回转窑在目前最高产量下对应的断面热负荷和容积产量对照如表5所示，根据表中数据分析，对于Φ4.0m×60m的回转窑，4 100t/d的熟料产量已是非常高的产量。表5回转窑断面热负荷和容积产量对照3.2生产指标改造前后的生产参数对比见表6。由于改造后石灰石矿山变化，石灰石的CaO含量由48%下降至45%左右，熟料饱和比和硅率均有所降低，熟料28d强度也有小幅下降。预热器系统改造后阻力下降明显，在熟料产量4 100t/d时预热器出口压力约-6 300Pa，相对于新设计的五级预热器系统来说，该数值不算最佳的指标，但本次改造中C2~C5旋风筒断面风速已经远超设计值，在保证旋风筒分离效率和预热器换热效率良好的情况下，预热器系统阻力已在较为合理的水平。预热器系统改造后，C1出口平均温度降幅为15℃，预热器系统的换热效率有一定的提升。分解炉系统改造后，生料和煤粉在分解炉内的温度场、速度场、浓度场分布均匀，分解炉内传热效率有所提高，煤粉在分解炉内完全燃烧，分解炉出口温度降低，同时入窑生料的分解率也可稳定在95%以上，降低了回转窑的煅烧负荷，为烧成系统的提产降耗创造了有利条件。总体来说，本次针对预热器系统的改造是较成功的。表6改造前后生产参数对比冷却机系统改造后，热回收效率有大幅度的提升，二、三次风温有明显的升高，出冷却机熟料温度可保证不高于环境温度+65℃。由于二、三次风温的提高，单位体积热风带入窑系统的热量增加，窑、炉内用煤量减少，煤粉燃烧速度相应提高，进而改善了窑、炉内的煤粉燃烧工况，热力强度更加集中。故而冷却机的改造虽不会直接影响到回转窑系统的熟料产量，但其带来的热回收效率的增加，又为窑系统提产降耗创造了条件。熟料煤耗下降5kg/t，降耗效果显著。主要体现在C1出口废气温度、废气量和含尘浓度的降低，冷却机热回收效率的提高以及提产后高温设备单位熟料表面散热量的降低。目前该窑的容积产量已经突破现有设计的最大极限，大幅度的提产降耗是一个系统的工程，首先要针对生产线特定的原、燃料条件，对烧成系统的预热器、分解炉、冷却机、回转窑及其他辅机设备进行系统性的改造，消除各单体设备自身的限制瓶颈，再从烧成系统整体目标出发，实现前后段烧成设备的性能匹配，各设备相辅相成，最终才能深挖系统潜能，实现烧成系统大幅度提产降耗的目的。