張少明，劉宏保，張耀智，洪寶

1 引言

某公司現(xiàn)有兩條4 500t/d 水泥熟料生產(chǎn)線，生產(chǎn)工藝基本一致，分別于2008年5月和2009年7月建成投產(chǎn)。兩條生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯規(guī)格φ4.5m×66m，預(yù)分解系統(tǒng)采用MFC 分解爐+五級單系列旋風(fēng)預(yù)熱器，熟料冷卻采用第三代篦式冷卻機。設(shè)計之初擬采用無煙煤，但實際生產(chǎn)中系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，熱耗較高。隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的愈加嚴(yán)格，為打造綠色智能工廠，發(fā)揮環(huán)保標(biāo)桿企業(yè)的引領(lǐng)示范作用，2018年10月，公司決定利用錯峰生產(chǎn)時間，對兩條熟料生產(chǎn)線的預(yù)分解系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，技改后，兩條熟料生產(chǎn)線均達(dá)到了超低排放的要求。

2 技改前存在的主要問題

（1）《河南省2018年大氣污染防治攻堅戰(zhàn)實施方案》中明確規(guī)定，對2018年10月底前穩(wěn)定達(dá)到超低排放限值的水泥企業(yè)，2019年后，不再要求實施錯峰生產(chǎn)。水泥企業(yè)氮氧化物超低排放標(biāo)準(zhǔn)為≤100mg/m3（標(biāo)），而公司當(dāng)前使用的SNCR 脫硝技術(shù)難以達(dá)到這一排放指標(biāo)。

（2）熟料平均產(chǎn)量在4 900t/d左右，存在提產(chǎn)空間,預(yù)熱器C1 出口負(fù)壓高，系統(tǒng)阻力大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。C1旋風(fēng)筒斷面風(fēng)速高，收塵效率低（實際生產(chǎn)統(tǒng)計約91%），入窯提升機的負(fù)荷增加且多處已完全銹蝕，漏風(fēng)嚴(yán)重。

（3）分解爐為離線爐，生產(chǎn)系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，熱耗較高。分解爐容積較?。? 310m3），提產(chǎn)困難，無法應(yīng)用自還原技術(shù)。

（4）采用第三代篦式冷卻機冷卻熟料，冷卻效果不理想，熱回收效率低，出篦冷機熟料溫度高，二次風(fēng)溫度低，煤粉在窯內(nèi)燃燒慢，后燃嚴(yán)重。

（5）窯尾采用石墨塊密封，存在漏風(fēng)大、使用壽命短等問題。

3 改造目標(biāo)

（1）氮氧化合物排放濃度保證值≤100mg/m3（標(biāo)），以滿足河南省新鄉(xiāng)市超低排放限值的要求。

（2）提高產(chǎn)量及生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）降低生產(chǎn)系統(tǒng)的熱耗和電耗。

（4）降低預(yù)熱器C1旋風(fēng)筒出口系統(tǒng)負(fù)壓，提高一級筒收塵效率。

（5）窯尾密封更換為重錘壓緊式密封，減少漏料漏風(fēng)。

改造前后的技術(shù)指標(biāo)對比見表1。

表1 改造前后的技術(shù)指標(biāo)對比

4 設(shè)備現(xiàn)狀及技改方案

4.1 生料粉磨與廢氣處理現(xiàn)狀

4.1.1 生料粉磨現(xiàn)狀

現(xiàn)有生料粉磨采用的是輥磨粉磨系統(tǒng)，型號為MLS4531A，產(chǎn)量430t/h。按熟料產(chǎn)量5 300t/d 計算，生料磨產(chǎn)量需達(dá)到341t/h。燒成系統(tǒng)熟料產(chǎn)量達(dá)5 300t/d 時，生料磨系統(tǒng)相對窯系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率為79.3%，現(xiàn)有生料磨能夠滿足技改后的生產(chǎn)需求。

4.1.2 廢氣處理現(xiàn)狀

現(xiàn)有窯尾袋收塵器處理風(fēng)量800 000m3/h，窯尾排風(fēng)機處理風(fēng)量800 000m3/h，全壓3 400Pa，功率1 120kW，按技改后熟料產(chǎn)量5 300t/d計算，窯尾廢氣的處理能力需達(dá)到740 000m3/h，現(xiàn)有廢氣處理系統(tǒng)能夠滿足技改要求。

4.2 燒成窯尾系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及技改方案

4.2.1 預(yù)分解系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

預(yù)分解系統(tǒng)采用MFC 分解爐+五級單系列旋風(fēng)預(yù)熱器，配套φ4.5m×66m 回轉(zhuǎn)窯和第三代篦冷機，現(xiàn)生產(chǎn)能力4 900t/d，燒成煤耗106.01kg 標(biāo)煤/t熟料，預(yù)分解系統(tǒng)阻力6 700Pa，粉塵濃度107.2g/m3（標(biāo)），采用SNCR 脫硝時氮氧化物排放濃度70～90mg/m3（標(biāo)），氨水用量6.41kg/t熟料。

4.2.2 預(yù)分解系統(tǒng)技改方案

為降低氮氧化物排放濃度和降低阻力及熱耗，擬采用“分解爐改造+自還原脫硝”的方案，擴大分解爐的容積，降低物料流速，延長物料在爐內(nèi)的停留時間。

4.2.2.1 二線主要改造方法

（1）技改前，三次風(fēng)分兩路從懸浮爐底部進(jìn)入，氣流從懸浮爐頂部通過鵝頸管接入混合室中部，經(jīng)多次往復(fù)折返，增加了阻力。改造時，將現(xiàn)有的懸浮爐及配套設(shè)備拆除，保留φ7.3m混合室作為分解爐，通過增加鵝頸管來提高分解爐的容積。鵝頸管從分解爐頂部引出，從框架東側(cè)穿出框架梁，懸挑于窯尾框架東側(cè)，在79.3m平面折向下從框架東側(cè)進(jìn)入C5旋風(fēng)筒（見圖1）。

（2）為配合鵝頸管布置，C5旋風(fēng)筒蝸殼需改變旋向，改造時，拆除現(xiàn)有C5 旋風(fēng)筒蝸殼，按鵝頸管布置，重新制作并施工C5旋風(fēng)筒蝸殼。

（3）將C1、C2、C3、C4 下料管單板閥更換為雙板閥，減少系統(tǒng)漏風(fēng)，現(xiàn)有C5下料管單板閥位置較高，可降低閥門高度。

（4）為減小系統(tǒng)阻力，將C2～C5旋風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口面積加大，改造后，風(fēng)速在18m/s左右。

（5）將三次風(fēng)管靠近窯尾部分改成φ3 100mm，并配合自還原脫硝技術(shù)重新布置，接入分解爐。

（6）為減少預(yù)熱器漏風(fēng)，需更換已損壞的檢修門、翻板閥、回轉(zhuǎn)下料器等。

（7）將C1旋風(fēng)筒由φ5 480mm增至φ6 500mm，以降低旋風(fēng)筒內(nèi)部的斷面風(fēng)速，提高旋風(fēng)筒收塵效率。同時，新旋風(fēng)筒采用內(nèi)保溫。

（8）考慮到現(xiàn)有旋風(fēng)筒頂部采用大蝸殼結(jié)構(gòu)，直筒截面風(fēng)速偏高產(chǎn)生的不利影響在可接受范圍內(nèi)，同時，更換整個旋風(fēng)筒工作量太大，因此，改造中保留現(xiàn)有C2～C5 旋風(fēng)筒的蝸殼、直筒、錐體、底座部分。

技改前，懸浮爐+混合室的有效容積為～1 310m3；技改后，原混合室改為分解爐使用，另增加了鵝頸管，分解爐系統(tǒng)（分解爐+鵝頸管）的有效容積增加到了2 160m3。經(jīng)計算，技改后的分解爐系統(tǒng)氣體停留時間達(dá)7.16s，能夠滿足氣料換熱、CaCO3分解、煤粉燃燒等物理化學(xué)反應(yīng)需要，煤粉燃盡率可得到充分保障。

4.2.2.2 一線主要改造方法

（1）與二線相比，一線預(yù)熱器框架東側(cè)有提升機和煙囪，鵝頸管無法采取與二線一致的布置，因此鵝頸管從分解爐頂部引出，從框架南側(cè)穿出框架梁，懸挑于窯尾框架南側(cè)，在92.26m平面折向下從框架西側(cè)進(jìn)入C5旋風(fēng)筒（見圖2）；

圖1 二線鵝頸管布置示意圖

（2）為配合鵝頸管布置，C5旋風(fēng)筒蝸殼需旋轉(zhuǎn)角度布置。

其余改造內(nèi)容與二線一致。

4.2.3 自還原脫硝機理及脫硝技改方案

4.2.3.1 氮氧化物的形成機理

在水泥熟料煅燒過程中，NOx的產(chǎn)生主要源于高溫燃料中的氮和原料中的氮化合物。德國水泥工業(yè)協(xié)會曾統(tǒng)計得出燃料中的氮含量范圍，煤為0.5%～2.0%。煤粉燃燒過程中所產(chǎn)生的NOx 主要是NO和NO2，NO約占90%以上，NO2占5%～10%。在研究燃煤產(chǎn)生的NOx生成機理時，一般主要討論NO的生成機理。從NO的生成機理來看，NOx主要分為熱力型、燃料型和快速型三種，而水泥窯燃煤過程中產(chǎn)生的有害氣體NOx的主要來源有兩個：燃料型NOx 和熱力型NOx。燃燒溫度＞1 500℃時熱力型NOx 顯著增加，熱力型NOx 形成機理非常復(fù)雜，其生成和破壞過程，與燃料中含氮成分受熱分解后，在揮發(fā)分和焦炭中的比例有關(guān)，隨溫度和氧分等燃燒條件而變。

（1）燃料型NOx

NOx 是燃料中含氮化合物在燃燒過程中氧化而生成的，主要是在燃燒的初始階段生成。

煤中的氮含量一般在0.5%～2.0%左右，主要以有機物形式存在。有機化合物中的C-N 鍵的鍵能比空氣中氮分子N-N 鍵的鍵能小很多，氧容易與C-N中的氮原子生成NO。這種燃料中的含氮化合物，經(jīng)分解和氧化反應(yīng)而生成的NOx，稱為燃料型NOx。

控制燃料型NOx生成的方法有：燃用含N量低的燃料；采用燃料過濃燃燒方式；擴散燃燒時，抑制燃料與空氣的混合。

（2）熱力型NOx

熱力型NOx 由空氣中的N2在高溫下氧化而生成，其生成機理由蘇聯(lián)科學(xué)家策爾多維奇提出。NO的生成速率可用以下一組不分支鏈鎖反應(yīng)來說明：

按照策爾多維奇機理，燃燒過程中，氮的濃度基本上是不變的，影響NO產(chǎn)生量的主要是溫度、氧氣的濃度和停留時間?？刂芅O 產(chǎn)生量的方法有：降低燃燒溫度；降低氧氣的濃度；使燃燒在遠(yuǎn)離理論空氣比條件下進(jìn)行；縮短在高溫區(qū)的停留時間。

4.2.3.2 減少廢氣中NOx含量的技改方案

NOx 的治理方法主要根據(jù)其燃燒特性設(shè)計，NOx的控制技術(shù)可分為燃燒前的控制技術(shù)、燃燒中的控制技術(shù)和燃燒后的控制技術(shù)。燃燒前的控制技術(shù)主要是燃料的脫氮，燃料脫氮技術(shù)至今尚未得到很好的開發(fā)。燃燒中的脫氮技術(shù)主要有采用低NOx 燃燒器的技術(shù)和采用分級燃燒的技術(shù)。燃燒后的控制技術(shù)通常是煙氣脫硝技術(shù)，現(xiàn)生產(chǎn)線已采用了SNCR脫硝技術(shù)。

（1）自還原脫硝技術(shù)

本項目窯尾采用的自還原脫硝技術(shù)是由現(xiàn)行分級燃燒技術(shù)而來，其主要目的都是為了消減熱力型NOx。分級燃燒技術(shù)主要是在窯尾分解爐中增加脫氮管，使燃燒所用空氣分兩次噴入分解爐，減少煤粉燃燒區(qū)域的空氣量。在實際操作過程中，采用脫氮管方案，不易控制分風(fēng)，無法保證還原區(qū)的還原氣氛，因此采取了上移三次風(fēng)管的措施，使三次風(fēng)進(jìn)風(fēng)口下方形成還原區(qū)。根據(jù)熱力型NOx 形成機理，溫度越高，生成的NOx 越多。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒溫度高，窯頭煤燃燒形成大量NOx，此部分NOx與高溫廢氣通過煙室進(jìn)入分解爐，廢氣氧含量約在2%左右，若分解爐底部能夠形成大量的還原物質(zhì)，則可高效還原回轉(zhuǎn)窯高溫煅燒形成的熱力型NOx。

自還原脫硝技術(shù)是在分解爐錐部從煙室縮口至三次風(fēng)管之間建立還原燃燒區(qū)，還原燃燒區(qū)長度要保證氣體在其內(nèi)停留時間約1s；將分解爐用煤在煙室縮口上方噴入，使其缺氧燃燒以便產(chǎn)生CO、CH4、H2、HCN 和C 等還原劑；這些還原劑與窯尾煙氣中的NOx 發(fā)生反應(yīng)，將NOx 還原成N2等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒抑制了自身燃料型NOx產(chǎn)生，從而減少了水泥生產(chǎn)過程中的NOx排放。為防止還原燃燒區(qū)內(nèi)局部溫度過高，形成結(jié)皮堵塞分解爐，將C4 旋風(fēng)筒下料的一部分生料喂入還原燃燒區(qū)。

其主要反應(yīng)如下：

（2）窯尾燃燒器技術(shù)改造要求

本次技改中采用了無外風(fēng)節(jié)能型強旋流入爐燃燒裝置，使煤粉以一定速率旋流進(jìn)入強力還原區(qū)，保證煤粉的分散效果。通過調(diào)整空氣量，保持燃燒器噴口具有一定比例的空氣與煤粉，提高煤粉與廢氣的混合效果，提高煤粉分解率，增強還原氣氛。

（3）三次風(fēng)管接入位置方案

自還原脫硝技術(shù)強力還原區(qū)在分解爐底部形成，其區(qū)域范圍在三次風(fēng)管與窯尾煙室縮口之間。三次風(fēng)管的位置須設(shè)在分解爐形成強力還原區(qū)的上部，風(fēng)管側(cè)旋接入分解爐，利于C4下料管生料的分散。

（4）C4旋風(fēng)筒下料管位置的布置要求

重新調(diào)整C4 旋風(fēng)筒下料管的下料點，一部分生料喂入還原燃燒區(qū)，吸收還原區(qū)內(nèi)高溫，凝聚窯氣中析出的堿硫等有害成分，防止發(fā)生結(jié)皮堵塞；一部分生料喂入分解爐中部，下料點位于三次風(fēng)管之上。

自還原脫硝技術(shù)可有效降低NOx排放，NOx脫除率可達(dá)70%以上；無運行成本，對水泥生產(chǎn)無不利影響；無二次污染，脫硝過程中沒有任何固體或液體的污染物或副產(chǎn)物生成。

4.2.4 窯尾高溫風(fēng)機運行現(xiàn)狀

當(dāng)前使用的高溫風(fēng)機風(fēng)量為750 000m3/h，全壓8 000Pa，電機功率2 500kW。按技改后熟料產(chǎn)量5 300t/d 計算，理論上高溫風(fēng)機風(fēng)量需要達(dá)到730 000m3/h，當(dāng)前風(fēng)機性能滿足要求，可不改造。

4.2.5 生料入窯及計量現(xiàn)狀

入窯采用TGD800 型斗式提升機，設(shè)備表上標(biāo)注的輸送能力為280～330t/h，主傳動電機功率2×90kW，現(xiàn)在實際喂料量可達(dá)371t/h，按技改后熟料產(chǎn)量5 300t/d計算，入窯生料喂料量需要363t/h，入庫斗式提升機能滿足技改后需求，可不改造。

生料入窯及計量采用轉(zhuǎn)子秤，規(guī)格為TWF60，計量能力400t/h，能滿足技改后生料計量要求，可不改造。

4.3 燒成窯中系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及技改情況

4.3.1 回轉(zhuǎn)窯傳動設(shè)備現(xiàn)狀

回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ4.5m×66m，斜度3.5%，主傳電機功率560kW，窯設(shè)計最大轉(zhuǎn)速4.0r/min，實際使用轉(zhuǎn)速為4.4r/min，能滿足技改后需求，可不改造。

4.3.2 窯尾密封改造

技改前，窯尾密封采用石墨塊式密封，存在漏風(fēng)、漏料的缺陷，大量冷空氣進(jìn)入預(yù)分解系統(tǒng)，導(dǎo)致能耗增加。本次技改將石墨塊式密封更換為更先進(jìn)的重錘壓緊式窯尾密封，見圖3。

圖3 窯尾密封技改前后對比

4.4 燒成窯頭系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及技改情況

4.4.1 篦冷機現(xiàn)狀及改造情況

目前使用的是第三代篦冷機，篦床有效面積106m2，采用液壓驅(qū)動。按技改后5 300t/d 產(chǎn)量計算，單位面積負(fù)荷為50t/d·m2，負(fù)荷偏高?？紤]技改時間較短，此次改造中，暫不將第三代篦冷機更換為第四代篦冷機，但對其配風(fēng)進(jìn)行了優(yōu)化，出篦冷機熟料溫度略有降低。

4.4.2 窯頭排風(fēng)機及收塵器現(xiàn)狀

現(xiàn)有窯頭袋收塵器處理風(fēng)量為600 000m3/h，窯頭排風(fēng)機處理風(fēng)量為500 000+110 000m3/h，全壓3 200/4 100Pa，功率600+185kW。

按技改后5 500t/d 的產(chǎn)能要求，技改后窯頭余風(fēng)的處理能力需要達(dá)到580 000m3/h，現(xiàn)有收塵器和窯頭排風(fēng)機的能力均能滿足技改后的生產(chǎn)要求，本次改造將不對此做技改。

4.5 煤粉制備運行現(xiàn)狀及技改情況

現(xiàn)有生產(chǎn)線采用的φ3.4m×（6.0+3.0）m風(fēng)掃式煤磨，產(chǎn)量32t/h 左右，煤粉細(xì)度80μm 篩篩余＜3.0%，水分1.0%。煤粉計量采用菲斯特轉(zhuǎn)子秤（DRW4.12），窯頭最大計量能力14t/h，正常9t/h；窯尾最大計量能力19t/h，正常14t/h。根據(jù)當(dāng)前實際使用情況，窯尾煤粉秤已達(dá)能力極限。

按窯系統(tǒng)熟料產(chǎn)量5 500t/d，煤低位發(fā)熱值26 668.4kJ/kg，煤磨能力富余10%計算，煤粉產(chǎn)量需達(dá)27.6t/h，現(xiàn)有煤磨產(chǎn)量能夠滿足技改后需求。

技改后頭煤計量需要10.1t/h，窯尾煤計量需要15.1t/h。因此，需將窯尾煤粉秤更換為DRW4.14，窯尾煤粉輸送管道按自還原脫硝技術(shù)的要求進(jìn)行重新布置。

4.6 熟料輸送現(xiàn)狀

現(xiàn)在使用的熟料鏈斗輸送機型號為SCD1000×131 334mm，設(shè)備表上標(biāo)注的輸送能力為200t/h，最大輸送能力320t/h，主傳動電機功率為90kW。按技改后窯產(chǎn)量5 500t/d 計算，熟料鏈斗輸送機能力須達(dá)到229.2t/h，現(xiàn)有鏈斗輸送機能滿足技改后的要求。

5 技改效果

停窯前，安排施工人員進(jìn)廠進(jìn)行設(shè)備及非標(biāo)的制作，停窯后進(jìn)行拆除和安裝作業(yè)，在現(xiàn)場項目部的合理安排下，二線50d即具備點火條件，一線60d具備點火條件，兩條生產(chǎn)線均在錯峰生產(chǎn)結(jié)束前完成了改造施工，預(yù)熱器技改前后效果見圖4。

公司兩條熟料生產(chǎn)線分別于2019年1月15日與2019年1月25日一次點火成功，運行一年多來，熟料生產(chǎn)穩(wěn)定，技改前后的指標(biāo)對比見表2。

改造后，窯平均產(chǎn)量＞5 300t/d，年平均產(chǎn)量高出改造前400t/d，年均電耗下降1.62kW·h/t，標(biāo)煤耗下降3.15kg/t；熟料質(zhì)量和易磨性明顯提高，水泥磨產(chǎn)量同步上升，年均產(chǎn)量提高22t/h；在NOx排放控制指標(biāo)日益嚴(yán)格的情況下，氨水消耗量明顯降低，年均3.56kg/t熟料，下降44.5%。

表2 技改前后指標(biāo)對比

圖4 預(yù)熱器技改前后對比

6 結(jié)語

本次改造達(dá)到了預(yù)期技改效果。具體如下：

（1）降低了氮氧化物排放濃度，排放值＜100mg/m3（標(biāo)），達(dá)到了河南省超低排放限值的要求。

（2）提高了熟料的產(chǎn)質(zhì)量和易磨性，生產(chǎn)系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。

（3）降低了熟料綜合熱耗和電耗。

（4）提高了預(yù)熱器C1旋風(fēng)筒收塵效率，降低了預(yù)熱器回料量，減輕了入窯提升機負(fù)荷。

（5）一線和二線鵝頸管布置不同，導(dǎo)致系統(tǒng)壓損不同，但分解爐系統(tǒng)有效容積和氣體停留時間并無差距，兩條生產(chǎn)線的產(chǎn)量基本一致。

本次技改充分挖掘了原有設(shè)備潛力，設(shè)備投資少，降低了生產(chǎn)成本。由于改造時間較短等因素，本次改造未對篦冷機進(jìn)行更新?lián)Q代，在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，熟料冷卻能力不足，造成入AQC鍋爐熱風(fēng)溫度偏高。若更換為第四代篦冷機，可增加熱回收效率，降低系統(tǒng)熱耗。