超高溫生料入窯提產改造的實踐

湖南某公司2?500t/d干法水泥生產線，配套Φ4m×60m回轉窯，建成投產至今已近15年。歷經多年的精細化管理和技術優(yōu)化提升，2018年1月~2020年6月回轉窯熟料平均臺時產量達到128t/h。但是受設備配置陳舊、初建時設計理念落后等影響，與新建二代新型干法水泥生產線相比綜合競爭力明顯不足。受區(qū)域政策和產能過剩大環(huán)境的影響，已經沒有新建二代新型干法生產線的可能性。決定于2020年6月開始對原生產線進行升級改造，以期降低生產線能耗，提高錯峰生產時的熟料產能。針對生產線瓶頸問題進行分析，經過多方面研究，基于提高預燒成工藝的工程化研究理論基礎，決定采取提高入窯生料溫度的措施來提高產能。在大幅提升熟料產量的同時，期望將噸熟料綜合電耗從54kWh/t降到52kWh/t以下，噸熟料標準煤耗從109kg/t降到102kg/t以下。1、升級改造理論基礎實踐證明，提高生料入窯分解率可以降低回轉窯熱力負荷，對穩(wěn)定熱工控制和提高熟料產量方面，有立竿見影的效果。研究表明，用提高生料入窯溫度來提產的方法，有顯著優(yōu)勢。徐迅曾通過煅燒條件的對比模擬發(fā)現(xiàn)，生料在1?100℃左右的懸浮狀態(tài)下煅燒，獲得的碳酸鹽礦物新生物相活性比900℃下煅燒的碳酸鹽礦物新生物相活性高1.31~1.45倍。入窯的生料溫度在1?000℃與900℃時比較，其固相反應可以有十倍的速率差，其中C2S反應速率差達2.6~10.7倍，C3A反應速率差達2.0~10.0倍，生料速率差達2.8倍；入窯生料溫度1?100℃較1?000℃時，固相反應速率可以提高到二十倍，其中C2S反應速率提高9.0~19.3倍，C3A反應速率提高2.7~26.6倍，生料反應速率提高4.0倍；更高溫的入窯生料在進行燒成反應時，熟料各礦物形成反應速率提升幅度更大。以數學模型研究分解爐溫度場分布規(guī)律，當分解爐喂煤比例由60%提高到70%時，入窯物料溫度可以從886℃提高到1?070℃，生料表觀分解率可達97.1%，此時產量能夠大幅提高，熟料理論熱耗也可以降低53.0kJ/kg，熟料形成工藝熱耗可以降低236.1kJ/kg，熱效率可以提高3.6%。2、存在的問題改造前主要有以下問題：預熱器系統(tǒng)阻力大，C1出口壓力在-7?000Pa左右，導致高溫風機單臺設備單位熟料電耗高；窯頭罩內風速快，帶起飛砂影響火焰燃燒，煤耗與先進企業(yè)比還有差距；物料在上升煙道中因老式的撒料盒分散效果差，管道內熱交換效率偏低；各級下料管鎖風效果不好，內漏風嚴重，導致旋風筒分離效率低；窯尾煙室及縮口通風阻力大，二次揚塵大；回轉窯填充率高；窯系統(tǒng)對物料的易燒性要求高。根據模擬計算，當熟料產量提到4?200t/d時燒成系統(tǒng)主要設備能力受限的有：分解爐預燃室+分解爐+鵝頸管總容積約980m3，明顯不足；煙室拱頂的有效面積為2.4m2，提產后斷面風速高達25m/s；窯頭罩容積145.8m3，提產后截面風速達到11m/s；三次風管外徑為2?300mm，提產后截面風速將達到42m/s；篦冷機冷卻面積66.66m2，提產后單位面積熱負荷高達63t/（d·m2）；提產后廢氣處理能力以及設備輸送能力均不足。3、確定改造項目及方案3.1預熱器改造1）C0改造在原設計基礎上進行“5改6”，并非傳統(tǒng)改造方式（僅增加一級旋風筒），而是在原C1之上增加一級C0旋風筒，在原C5之下增加C6旋風筒，提高換熱效果和氣固分離效率，以抑制因為采取提高入窯生料溫度措施造成的出預熱器系統(tǒng)廢氣增加的問題，降低熱損失。新增2個C0下出風式旋風筒，其直徑為4?820mm，內筒直徑為2?300mm，出風管直徑為2?300mm，高度13?720mm，下料管直徑900mm。測算增加壓損在800~1?000Pa。2）C1改造為降低預熱器阻力和系統(tǒng)壓損，對C1旋風筒進行擴容、降阻改造，改造方案為：C1旋風筒柱體直徑4?700mm和出口管道直徑2?300mm保持不變，柱體高度由5?745mm縮短至3?745mm（縮短2?000mm），內筒同步縮短2?000mm；C1旋風筒進風口方向由中間進風改為兩側進風，進口管道寬高比調整后進口截面積由3.53m2增加至4.3m2，進風口設計向下傾角45°；增設阻流導向板防止入口切向氣流與筒內旋轉氣流相互碰撞，減少氣流紊流狀態(tài)影響，改善筒內三維流場，預計可降低壓損800Pa。改造前后風速測算如表1所示。表1C1旋風筒改造前后進出口風速m/s3）C2~C5各級旋風筒出口管道改造產量提高后，原各級旋風筒連接管道內的固氣比大幅增加，會造成系統(tǒng)壓損大，對C2~C5各級旋風筒出風管進行擴徑，增大通風截面積，降低進口風速，降低阻力。將C2~C5各級旋風筒入口進行增大調整，將平段改為向下傾角45°的斜坡，以降低通風阻力。在耐火材料選擇方面，需充分考慮提高入窯生料溫度造成高溫和抗結皮的系列影響。各旋風筒出口擴徑改造尺寸及測算風速見表2。4）預熱器鎖風閥和撒料箱的改造為提高鎖風效率，減少竄風，提高旋風筒分離效率，對C1~C5各級下料管鎖風閥進行改造；為改善物料在管道內分散效果，增加換熱時間，對各級撒料箱及其位置進行改造。表2旋風筒出口擴徑改造尺寸及測算風速拆除C1~C5所有下料管原鎖風閥，下料管角度改為60°，安裝新型雙翻板鎖風閥；更換C1~C5旋風筒出口撒料箱及分解爐撒料箱，調整下料角度，改善撒料效果。經測算，確保不形成物理塌料的情況下，可以將散料盒高度下移，降低撒料盒至旋風筒頂蓋高度，提高物料換熱時間。各級撒料箱距離旋風筒頂蓋高度如表3所示。表3各級撒料箱位置調整mm3.2分解爐及三次風管改造分解爐按4?200t/d窯產能改造，原分解爐預燃室拆除棄用，爐體容積減少210m3；原分解爐柱體Φ5?600mm，容積448m3，主體不動；原分解爐至五級旋風筒鵝頸管道直徑由4.1m擴至5m，容積增加至1?566m3。技改后分解爐總容積由980m3擴至2?014m3，產量容積為2.08t/（m3·d）。去除預燃室后，三次風直接從分解爐錐部切向進入分解爐。經測算，未焚燒垃圾與替代燃料時，氣體在爐內停留時間由5.2s提高到8.29s。為滿足提高入窯物溫度而增加窯尾用煤量要求，將三次風風量（工況按三次風風溫950℃時計算）從250?000m3/h提高到430?000m3/h，三次風管道擴徑到2?800mm，有效截面積由2.83m2增至4.52m2，管內風速由24.5m/s變?yōu)?6.4m/s。三次風管進口切向進入分解爐，利用原有支撐基礎，水平斜度由23.8°改為10.9°。3.3煙室改造原拱門最窄處的有效面積為2.4m2，斷面風速為24.68m/s，增加拱門有效面積到3.8m2，測算斷面風速為15.58m/s。將煙室左右兩側各往外擴大480mm，煙室長度由3?600mm擴至4?560mm，煙室寬度由2?827mm擴至3?827mm。煙室下料斜坡的角度由51°變?yōu)?8°。進煙室下料管角度由60°調整為50°，物料的交匯點定在斜坡與溜板交接處。改造后窯尾煙室處的風速為5.6m/s，減少了窯尾壓損，減少入窯物料二次飛揚。3.4窯轉速提速改造原回轉窯最高轉速為4.0r/min，根據提產后窯內填充率計算，窯轉速需達到5.0r/min，在窯整體改造時將窯主電機由315kW改為420kW，將窯主減速機速比由35.5改為28.01。3.5窯頭罩擴容改造熟料產量提升后，二、三次風風量的需求上升，窯頭罩取風面積偏小，截面風速過高，容易引起揚塵及飛砂，對火焰燃燒影響大，為此，需對窯頭罩進行擴容改造。根據現(xiàn)場位置結合篦冷機改造，將窯頭罩截面風速由11m/s降到6m/s。窯頭罩寬度4?720mm保持不變，點火孔側直墻高度由3?568mm提高至5?700mm，進三次風管的斜坡側水平高度由6?781mm提高至7?973mm。3.6篦冷機改造原三代篦冷機熱回收效率低，提產改造后滿足不了冷卻和輸送的需求，將其更換成第四代中置輥破篦冷機，保障出篦冷機熟料溫度低于環(huán)境溫度+65℃，熱回收效率≥75%。冷卻面積以93m2設計，裝機風量為1.8Nm3/kg，配風315?000Nm3，拆換原來所有冷卻風機，更換為高效節(jié)能風機，確保單機冷卻電耗低于6.0kWh/t。改造參數對比見表4。表4篦冷機改造參數對比3.7窯尾收塵器及風機改造1）廢氣管道原C1出口管道直徑為2?800mm，通風截面積6.15m2，截面風速18.12m/s，窯提產至4?200t/d后，測算截面風速將達到20.21m/s，風速過快阻力較大。更換C0出口匯合管道至高溫風機進口管道，通過管道擴徑降低進口風速，降低阻力。將管道直徑由2?800mm擴至3?200mm，通風截面積為8.04m2，截面風速降至18m/s。2）窯尾袋收塵器改造改造后窯尾收塵器處理風量由500?000m3/h提升到600?000m3/h（產量達4?200t/d的處理風量，富裕計算了燃料替代和垃圾焚燒的用風量），粉塵須滿足＜10mg/m3的排放要求。將收塵器兩側拓寬1?200mm，原兩側外墻板割除，分室板拓寬，新增外墻板，灰斗兩側拓寬增加支腿、法蘭框，凈氣室拓寬1?200mm，收塵器兩側各增加5排布袋，共增加布袋880條。改造前后對比見表5。表5窯尾袋收塵器改造對比3）高溫風機和窯尾排風機改造經標定，高溫風機和窯尾排風機效率偏低，不能滿足窯系統(tǒng)提產改造后的需求，決定同步進行改造。熟料產量達4?200t/d時，測算分解爐標況風量206?500Nm3/h，風機入口全壓-9?500Pa，溫度250℃，高溫風機入口總風量436?541m3/h，預熱器系統(tǒng)以1.15漏風系數計算得所需風量為500?000m3/h?？紤]后期窯系統(tǒng)使用RDF替代燃料和CKK垃圾焚燒，風量需求各增加2×4?600m3/h和15?000m3/h，高溫風機按富裕15%計算為600?000m3/h。高溫風機和窯尾排風機選型風量取600?000m3/h。風機改造參數對比見表6。表6高溫風機及窯尾排風機改造參數對比3.8其他設備的改造經過對生產線所有設備性能參數的評估，除入窯膠帶提升機、頭煤轉子秤、窯頭燃燒器、熟料輸送機滿足不了提產以后的生產要求外，其他設備均利舊。（1）依據預熱器改造方案，增加入窯膠帶提升機提升高度至104m，對斗距等參數進行優(yōu)化，使用原有驅動裝置，輸送能力達300t/h以上，可滿足技改后物料提升需求。（2）頭煤轉子秤偏小，購買一臺新秤（菲斯特DRW4.12）替換。（3）窯頭燃燒器更換為4?200t/d配套產能燃燒器（預留RDF通道）。（4）原熟料斜槽式輸送機能力為133t/h，不能滿足窯系統(tǒng)提產后需求，輸送機需具備175t/h的輸送能力。為保障設備正常安全運行，在原基礎及動力機構不變情況下，更換更大容量料斗。4、生產管理調整4.1原料用材及配料方案調整以超高溫生料入窯的控制，物料碳酸鹽礦物新生物相活性成倍增加，對選擇原料范圍局限性就小了，可以選擇易燒性相對較差、價格較低的材料，同時也大幅度提升了石灰石的利用率。較高的硅酸鹽礦物總量也會帶來熟料28d強度的提升。這些都為提升市場競爭力奠定了基礎。技改后，由于控制慣性思維限制，原料選擇沒有及時改變，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。生產過程中出現(xiàn)了結皮嚴重、堵塞頻繁的現(xiàn)象，以至于操作時，相當長時間內不敢采用超高溫控制入窯生料溫度。經過較長時間的磨合，發(fā)現(xiàn)確實如理論分析的一樣，系統(tǒng)對易燒性的適應范圍很廣，逐步將生料配料三率值調整為KH=0.91±0.02，n=2.8±0.1，P=1.5±0.1。結皮堵塞現(xiàn)象消失，可以將入窯生料溫度控制在950℃以上。4.2改造前后生產情況改造前后主要操作參數對比如表7所示。5、改造效果及投資改造后熟料產量、質量、能耗都得到改善，改造前后產量及能耗指標對比見表8。熟料強度約提升5MPa，改造前P·O42.5水泥中熟料摻比基本在76%以上；改造后，為提高市場競爭力將P·O42.5水泥的28d抗壓強度從48MPa左右提升到50MPa左右，使用同樣的非活性混合材，熟料摻比降至73%。表7窯系統(tǒng)主要控制參數對比表8燒成系統(tǒng)產量和主要能耗指標注：使用代替材料及垃圾焚燒時，標準煤耗