超高温生料入窑提产改造的实践

湖南某公司2 500t/d干法水泥生产线，配套Φ4m×60m回转窑，建成投产至今已近15年。历经多年的精细化管理和技术优化提升，2018年1月~2020年6月回转窑熟料平均台时产量达到128t/h。但是受设备配置陈旧、初建时设计理念落后等影响，与新建二代新型干法水泥生产线相比综合竞争力明显不足。受区域政策和产能过剩大环境的影响，已经没有新建二代新型干法生产线的可能性。决定于2020年6月开始对原生产线进行升级改造，以期降低生产线能耗，提高错峰生产时的熟料产能。针对生产线瓶颈问题进行分析，经过多方面研究，基于提高预烧成工艺的工程化研究理论基础，决定采取提高入窑生料温度的措施来提高产能。在大幅提升熟料产量的同时，期望将吨熟料综合电耗从54kWh/t降到52kWh/t以下，吨熟料标准煤耗从109kg/t降到102kg/t以下。1、升级改造理论基础实践证明，提高生料入窑分解率可以降低回转窑热力负荷，对稳定热工控制和提高熟料产量方面，有立竿见影的效果。研究表明，用提高生料入窑温度来提产的方法，有显著优势。徐迅曾通过煅烧条件的对比模拟发现，生料在1 100℃左右的悬浮状态下煅烧，获得的碳酸盐矿物新生物相活性比900℃下煅烧的碳酸盐矿物新生物相活性高1.31~1.45倍。入窑的生料温度在1 000℃与900℃时比较，其固相反应可以有十倍的速率差，其中C2S反应速率差达2.6~10.7倍，C3A反应速率差达2.0~10.0倍，生料速率差达2.8倍；入窑生料温度1 100℃较1 000℃时，固相反应速率可以提高到二十倍，其中C2S反应速率提高9.0~19.3倍，C3A反应速率提高2.7~26.6倍，生料反应速率提高4.0倍；更高温的入窑生料在进行烧成反应时，熟料各矿物形成反应速率提升幅度更大。以数学模型研究分解炉温度场分布规律，当分解炉喂煤比例由60%提高到70%时，入窑物料温度可以从886℃提高到1 070℃，生料表观分解率可达97.1%，此时产量能够大幅提高，熟料理论热耗也可以降低53.0kJ/kg，熟料形成工艺热耗可以降低236.1kJ/kg，热效率可以提高3.6%。2、存在的问题改造前主要有以下问题：预热器系统阻力大，C1出口压力在-7 000Pa左右，导致高温风机单台设备单位熟料电耗高；窑头罩内风速快，带起飞砂影响火焰燃烧，煤耗与先进企业比还有差距；物料在上升烟道中因老式的撒料盒分散效果差，管道内热交换效率偏低；各级下料管锁风效果不好，内漏风严重，导致旋风筒分离效率低；窑尾烟室及缩口通风阻力大，二次扬尘大；回转窑填充率高；窑系统对物料的易烧性要求高。根据模拟计算，当熟料产量提到4 200t/d时烧成系统主要设备能力受限的有：分解炉预燃室+分解炉+鹅颈管总容积约980m3，明显不足；烟室拱顶的有效面积为2.4m2，提产后断面风速高达25m/s；窑头罩容积145.8m3，提产后截面风速达到11m/s；三次风管外径为2 300mm，提产后截面风速将达到42m/s；篦冷机冷却面积66.66m2，提产后单位面积热负荷高达63t/（d·m2）；提产后废气处理能力以及设备输送能力均不足。3、确定改造项目及方案3.1预热器改造1）C0改造在原设计基础上进行“5改6”，并非传统改造方式（仅增加一级旋风筒），而是在原C1之上增加一级C0旋风筒，在原C5之下增加C6旋风筒，提高换热效果和气固分离效率，以抑制因为采取提高入窑生料温度措施造成的出预热器系统废气增加的问题，降低热损失。新增2个C0下出风式旋风筒，其直径为4 820mm，内筒直径为2 300mm，出风管直径为2 300mm，高度13 720mm，下料管直径900mm。测算增加压损在800~1 000Pa。2）C1改造为降低预热器阻力和系统压损，对C1旋风筒进行扩容、降阻改造，改造方案为：C1旋风筒柱体直径4 700mm和出口管道直径2 300mm保持不变，柱体高度由5 745mm缩短至3 745mm（缩短2 000mm），内筒同步缩短2 000mm；C1旋风筒进风口方向由中间进风改为两侧进风，进口管道宽高比调整后进口截面积由3.53m2增加至4.3m2，进风口设计向下倾角45°；增设阻流导向板防止入口切向气流与筒内旋转气流相互碰撞，减少气流紊流状态影响，改善筒内三维流场，预计可降低压损800Pa。改造前后风速测算如表1所示。表1C1旋风筒改造前后进出口风速m/s3）C2~C5各级旋风筒出口管道改造产量提高后，原各级旋风筒连接管道内的固气比大幅增加，会造成系统压损大，对C2~C5各级旋风筒出风管进行扩径，增大通风截面积，降低进口风速，降低阻力。将C2~C5各级旋风筒入口进行增大调整，将平段改为向下倾角45°的斜坡，以降低通风阻力。在耐火材料选择方面，需充分考虑提高入窑生料温度造成高温和抗结皮的系列影响。各旋风筒出口扩径改造尺寸及测算风速见表2。4）预热器锁风阀和撒料箱的改造为提高锁风效率，减少窜风，提高旋风筒分离效率，对C1~C5各级下料管锁风阀进行改造；为改善物料在管道内分散效果，增加换热时间，对各级撒料箱及其位置进行改造。表2旋风筒出口扩径改造尺寸及测算风速拆除C1~C5所有下料管原锁风阀，下料管角度改为60°，安装新型双翻板锁风阀；更换C1~C5旋风筒出口撒料箱及分解炉撒料箱，调整下料角度，改善撒料效果。经测算，确保不形成物理塌料的情况下，可以将散料盒高度下移，降低撒料盒至旋风筒顶盖高度，提高物料换热时间。各级撒料箱距离旋风筒顶盖高度如表3所示。表3各级撒料箱位置调整mm3.2分解炉及三次风管改造分解炉按4 200t/d窑产能改造，原分解炉预燃室拆除弃用，炉体容积减少210m3；原分解炉柱体Φ5 600mm，容积448m3，主体不动；原分解炉至五级旋风筒鹅颈管道直径由4.1m扩至5m，容积增加至1 566m3。技改后分解炉总容积由980m3扩至2 014m3，产量容积为2.08t/（m3·d）。去除预燃室后，三次风直接从分解炉锥部切向进入分解炉。经测算，未焚烧垃圾与替代燃料时，气体在炉内停留时间由5.2s提高到8.29s。为满足提高入窑物温度而增加窑尾用煤量要求，将三次风风量（工况按三次风风温950℃时计算）从250 000m3/h提高到430 000m3/h，三次风管道扩径到2 800mm，有效截面积由2.83m2增至4.52m2，管内风速由24.5m/s变为26.4m/s。三次风管进口切向进入分解炉，利用原有支撑基础，水平斜度由23.8°改为10.9°。3.3烟室改造原拱门最窄处的有效面积为2.4m2，断面风速为24.68m/s，增加拱门有效面积到3.8m2，测算断面风速为15.58m/s。将烟室左右两侧各往外扩大480mm，烟室长度由3 600mm扩至4 560mm，烟室宽度由2 827mm扩至3 827mm。烟室下料斜坡的角度由51°变为48°。进烟室下料管角度由60°调整为50°，物料的交汇点定在斜坡与溜板交接处。改造后窑尾烟室处的风速为5.6m/s，减少了窑尾压损，减少入窑物料二次飞扬。3.4窑转速提速改造原回转窑最高转速为4.0r/min，根据提产后窑内填充率计算，窑转速需达到5.0r/min，在窑整体改造时将窑主电机由315kW改为420kW，将窑主减速机速比由35.5改为28.01。3.5窑头罩扩容改造熟料产量提升后，二、三次风风量的需求上升，窑头罩取风面积偏小，截面风速过高，容易引起扬尘及飞砂，对火焰燃烧影响大，为此，需对窑头罩进行扩容改造。根据现场位置结合篦冷机改造，将窑头罩截面风速由11m/s降到6m/s。窑头罩宽度4 720mm保持不变，点火孔侧直墙高度由3 568mm提高至5 700mm，进三次风管的斜坡侧水平高度由6 781mm提高至7 973mm。3.6篦冷机改造原三代篦冷机热回收效率低，提产改造后满足不了冷却和输送的需求，将其更换成第四代中置辊破篦冷机，保障出篦冷机熟料温度低于环境温度+65℃，热回收效率≥75%。冷却面积以93m2设计，装机风量为1.8Nm3/kg，配风315 000Nm3，拆换原来所有冷却风机，更换为高效节能风机，确保单机冷却电耗低于6.0kWh/t。改造参数对比见表4。表4篦冷机改造参数对比3.7窑尾收尘器及风机改造1）废气管道原C1出口管道直径为2 800mm，通风截面积6.15m2，截面风速18.12m/s，窑提产至4 200t/d后，测算截面风速将达到20.21m/s，风速过快阻力较大。更换C0出口汇合管道至高温风机进口管道，通过管道扩径降低进口风速，降低阻力。将管道直径由2 800mm扩至3 200mm，通风截面积为8.04m2，截面风速降至18m/s。2）窑尾袋收尘器改造改造后窑尾收尘器处理风量由500 000m3/h提升到600 000m3/h（产量达4 200t/d的处理风量，富裕计算了燃料替代和垃圾焚烧的用风量），粉尘须满足＜10mg/m3的排放要求。将收尘器两侧拓宽1 200mm，原两侧外墙板割除，分室板拓宽，新增外墙板，灰斗两侧拓宽增加支腿、法兰框，净气室拓宽1 200mm，收尘器两侧各增加5排布袋，共增加布袋880条。改造前后对比见表5。表5窑尾袋收尘器改造对比3）高温风机和窑尾排风机改造经标定，高温风机和窑尾排风机效率偏低，不能满足窑系统提产改造后的需求，决定同步进行改造。熟料产量达4 200t/d时，测算分解炉标况风量206 500Nm3/h，风机入口全压-9 500Pa，温度250℃，高温风机入口总风量436 541m3/h，预热器系统以1.15漏风系数计算得所需风量为500 000m3/h。考虑后期窑系统使用RDF替代燃料和CKK垃圾焚烧，风量需求各增加2×4 600m3/h和15 000m3/h，高温风机按富裕15%计算为600 000m3/h。高温风机和窑尾排风机选型风量取600 000m3/h。风机改造参数对比见表6。表6高温风机及窑尾排风机改造参数对比3.8其他设备的改造经过对生产线所有设备性能参数的评估，除入窑胶带提升机、头煤转子秤、窑头燃烧器、熟料输送机满足不了提产以后的生产要求外，其他设备均利旧。（1）依据预热器改造方案，增加入窑胶带提升机提升高度至104m，对斗距等参数进行优化，使用原有驱动装置，输送能力达300t/h以上，可满足技改后物料提升需求。（2）头煤转子秤偏小，购买一台新秤（菲斯特DRW4.12）替换。（3）窑头燃烧器更换为4 200t/d配套产能燃烧器（预留RDF通道）。（4）原熟料斜槽式输送机能力为133t/h，不能满足窑系统提产后需求，输送机需具备175t/h的输送能力。为保障设备正常安全运行，在原基础及动力机构不变情况下，更换更大容量料斗。4、生产管理调整4.1原料用材及配料方案调整以超高温生料入窑的控制，物料碳酸盐矿物新生物相活性成倍增加，对选择原料范围局限性就小了，可以选择易烧性相对较差、价格较低的材料，同时也大幅度提升了石灰石的利用率。较高的硅酸盐矿物总量也会带来熟料28d强度的提升。这些都为提升市场竞争力奠定了基础。技改后，由于控制惯性思维限制，原料选择没有及时改变，生料配料三率值仍按KH=0.89±0.02，n=2.5±0.1，P=1.65±0.1控制。生产过程中出现了结皮严重、堵塞频繁的现象，以至于操作时，相当长时间内不敢采用超高温控制入窑生料温度。经过较长时间的磨合，发现确实如理论分析的一样，系统对易烧性的适应范围很广，逐步将生料配料三率值调整为KH=0.91±0.02，n=2.8±0.1，P=1.5±0.1。结皮堵塞现象消失，可以将入窑生料温度控制在950℃以上。4.2改造前后生产情况改造前后主要操作参数对比如表7所示。5、改造效果及投资改造后熟料产量、质量、能耗都得到改善，改造前后产量及能耗指标对比见表8。熟料强度约提升5MPa，改造前P·O42.5水泥中熟料掺比基本在76%以上；改造后，为提高市场竞争力将P·O42.5水泥的28d抗压强度从48MPa左右提升到50MPa左右，使用同样的非活性混合材，熟料掺比降至73%。表7窑系统主要控制参数对比表8烧成系统产量和主要能耗指标注：使用代替材料及垃圾焚烧时，标准煤耗