黃海林，姜樹(shù)豐，郝利煒，劉鵬飛，王小文

隨著水泥工業(yè)的快速發(fā)展，原燃材料資源日趨緊張，水泥生產(chǎn)迫切需要適應(yīng)堿、氯、硫等揮發(fā)性有害成分含量高的原燃料；另外，隨著水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物、生活垃圾、飛灰等各類(lèi)廢棄物量的增加，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的硫、氯、堿等揮發(fā)性有害成分也相應(yīng)增加。這些揮發(fā)性成分在燒成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集，造成窯尾煙室縮口、下料斜坡、C5 旋風(fēng)筒錐體等部位結(jié)皮堵塞嚴(yán)重，影響了燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及熟料質(zhì)量。

為減少揮發(fā)性有害成分在燒成系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)富集，一般采用旁路技術(shù)進(jìn)行控制。旁路技術(shù)主要分為三類(lèi)[1]：一類(lèi)是窯灰旁路技術(shù)。該技術(shù)是指將窯尾收塵器收集的窯灰另作他用，不再入窯，以此減弱有害成分的外循環(huán)。該技術(shù)較為簡(jiǎn)單，但減少窯內(nèi)有害成分的作用不太明顯。另一類(lèi)是熱生料旁路技術(shù)，該技術(shù)是指將部分富含可形成再循環(huán)冷凝化合物的入窯熱生料旁路。該技術(shù)減少窯內(nèi)有害成分的作用較明顯，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)熱耗、料耗增加。第三類(lèi)是旁路放風(fēng)技術(shù)，該技術(shù)是指從窯尾煙室放出部分含有大量硫、氯、堿的煙氣，從而減少硫、氯、堿在燒成系統(tǒng)內(nèi)的富集和循環(huán)。該技術(shù)是目前使用最多，也是減少揮發(fā)性有害成分在燒成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集效果最好的技術(shù)。本文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就旁路放風(fēng)技術(shù)的工藝流程選擇和工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 不同粉塵捕集方式下的旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程

旁路放風(fēng)技術(shù)是指抽取窯尾煙室中部分含有高濃度揮發(fā)性有害成分的煙氣，將有害成分冷凝在粉塵表面，利用收塵裝置捕集后排出，并另行處置的技術(shù)。此技術(shù)可降低硫、氯、堿等有害成分在燒成系統(tǒng)的富集和循環(huán)，避免或減緩結(jié)皮堵塞對(duì)燒成系統(tǒng)的影響。在抽取的氣體中，含塵濃度和有害成分含量均較高，需作進(jìn)一步處理方可排放至大氣中或匯入原窯尾煙氣系統(tǒng)中。

由于窯尾煙室排出的煙氣溫度較高，一般在1 050℃～1 150℃，取風(fēng)管道內(nèi)壁需敷設(shè)耐火材料或使用耐高溫材質(zhì)管道；另外，取風(fēng)管道內(nèi)有害成分較多時(shí)易導(dǎo)致結(jié)皮堵塞，需盡量縮短取風(fēng)管道長(zhǎng)度。為了使旁路煙氣中的有害成分迅速冷凝，防止二噁英再次合成，降低進(jìn)入收塵裝置的煙氣溫度，煙氣從窯尾煙室抽出后，需用冷卻風(fēng)機(jī)將其強(qiáng)制急冷至300℃左右。后續(xù)的粉塵捕集主要采用旋風(fēng)收塵器和袋收塵器兩種方式進(jìn)行。

1.1 使用旋風(fēng)收塵器捕集粉塵

使用旋風(fēng)收塵器捕集粉塵的工藝流程如圖1所示，窯尾煙氣在驟冷室經(jīng)急冷風(fēng)機(jī)冷卻后，先通過(guò)一個(gè)旋風(fēng)收塵器捕集煙氣中的粗顆粒后返回窯尾煙室，再通過(guò)另外一組旋風(fēng)收塵器捕集煙氣中的細(xì)粉，細(xì)粉另行處置。處理后的煙氣由窯尾C1 出口匯入高溫風(fēng)機(jī)管道，利用高溫風(fēng)機(jī)的抽力將氣體抽走，匯入原窯尾煙氣系統(tǒng)。

圖1 旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程-旋風(fēng)筒方案

此種方案中，煙氣中粗顆粒冷凝后的有害成分較少，捕集后的粗顆?？稍俅挝谷敫G內(nèi)，以減少燒成系統(tǒng)的料耗和熱耗；同時(shí)，利用窯尾高溫風(fēng)機(jī)的負(fù)壓抽取煙氣，可節(jié)省風(fēng)機(jī)設(shè)備投資。但配置兩級(jí)旋風(fēng)收塵器會(huì)增加系統(tǒng)阻力，同時(shí)，因旁路放風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有配備風(fēng)機(jī)，只能依靠調(diào)節(jié)風(fēng)管上的閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整所需抽取的風(fēng)量，無(wú)法精確控制放風(fēng)量。

1.2 使用袋收塵器捕集粉塵

袋收塵器濾袋的可承受溫度一般<200℃，>200℃的耐高溫濾袋成本較高，因此需對(duì)急冷后仍有300℃左右的高溫?zé)煔膺M(jìn)行二次冷卻，使之能夠保持在200℃以下，以保證袋收塵器的安全運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，高溫?zé)煔獾亩卫鋮s可選擇冷風(fēng)閥、熱交換器、噴霧冷卻塔等形式。當(dāng)二次冷卻的煙氣溫度降至氯化物的凝結(jié)溫度以下時(shí)，煙氣中的氯化物將大量凝結(jié)并附著于細(xì)小顆粒表面。袋除塵器捕集附著有氯化物的細(xì)小顆粒，除去旁路放風(fēng)煙氣中的氯化物，形成高含氯窯灰。

1.2.1 冷風(fēng)閥二次冷卻

冷風(fēng)閥二次冷卻方案如圖2 所示。使用冷風(fēng)閥進(jìn)行二次冷卻，工藝流程簡(jiǎn)單，無(wú)需新增設(shè)備，不會(huì)增加系統(tǒng)阻力，是首選的高溫?zé)煔舛卫鋮s方案。其缺點(diǎn)是，吸入冷風(fēng)后，系統(tǒng)所需處理的總風(fēng)量增加，導(dǎo)致后續(xù)旁路收塵器和收塵風(fēng)機(jī)的處理能力也需相應(yīng)加大。

圖2 旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程-冷風(fēng)閥二次冷卻方案

1.2.2 熱交換器二次冷卻

熱交換器二次冷卻方案如圖3 所示。使用熱交換器進(jìn)行二次冷卻，沒(méi)有摻加額外的冷風(fēng)，無(wú)需加大后續(xù)旁路收塵器和收塵風(fēng)機(jī)的處理能力，但需新增一臺(tái)熱交換器，熱交換器風(fēng)扇電機(jī)的電耗及新增的系統(tǒng)阻力，將會(huì)增加整個(gè)旁路系統(tǒng)的電耗。目前，國(guó)內(nèi)有些設(shè)計(jì)單位采用多管冷卻器替代熱交換器，雖降低了熱交換器風(fēng)扇電機(jī)的電耗，使用效果與熱交換器類(lèi)似，但其阻力也相應(yīng)增加。

圖3 旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程-熱交換器二次冷卻方案

1.2.3 噴霧冷卻塔二次冷卻

噴霧冷卻塔二次冷卻方案如圖4 所示。使用噴霧冷卻塔進(jìn)行二次冷卻，由于沒(méi)有摻加額外的冷風(fēng)，所以無(wú)需加大后續(xù)旁路收塵器和收塵風(fēng)機(jī)的處理能力，但增加了一座噴霧冷卻塔，噴霧系統(tǒng)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電耗加上新增的系統(tǒng)阻力，也會(huì)增加整個(gè)旁路系統(tǒng)的電耗。

圖4 旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程-噴霧冷卻塔二次冷卻方案

在進(jìn)行旁路放風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，選擇以上冷卻方式中的一種或幾種進(jìn)行組合。如，某工廠為了降低系統(tǒng)料耗和熱耗，在煙氣急冷后，先用旋風(fēng)收塵器將粗顆粒物料捕集并重新送回窯內(nèi)后，又采用熱交換器進(jìn)行二次冷卻，并采用袋收塵器進(jìn)行粉塵捕集；同時(shí)，為了保護(hù)濾袋，在管道上加設(shè)了冷風(fēng)閥作為應(yīng)急閥門(mén)。

2 旁路放風(fēng)系統(tǒng)放風(fēng)量的選擇

當(dāng)生料中的總堿量（K2O+Na2O）>1%，氯（Cl-）含量>0.015%或生料中的硫堿摩爾比SO3/（K2O+0.5Na2O）>1 時(shí)，就可能會(huì)影響燒成系統(tǒng)的正常操作[2]，需采取旁路放風(fēng)措施，解決有害組分循環(huán)富集的問(wèn)題，降低熟料中堿、氯、硫等的含量，滿(mǎn)足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低堿熟料的需要。

采用旁路放風(fēng)會(huì)損失部分熱量，增加系統(tǒng)熱耗，因此旁路放風(fēng)量并非越大越好，需要通過(guò)Weber公式計(jì)算確定。

Weber 基于有關(guān)假設(shè)，推導(dǎo)出的堿循環(huán)系數(shù)K的計(jì)算公式如下[2]：

堿減少量的計(jì)算公式如下：

式中（假定堿全部來(lái)自生料）：

（K-1）——堿循環(huán)量

ε1——生料中堿的揮發(fā)系數(shù)

ε2——循環(huán)堿的揮發(fā)系數(shù)

V——旁路放風(fēng)量（%），占窯尾煙室煙氣量的百分比

ΔA——熟料中堿的減少量

式（1）、式（2）同樣適用于硫化物和氯化物的計(jì)算。

幾種典型物質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)見(jiàn)表1，幾種典型揮發(fā)性有害物質(zhì)在入窯熱生料中的含量上限值見(jiàn)表2，硫與氯共存系統(tǒng)的結(jié)皮程度見(jiàn)圖5[3]。

表1 幾種典型物質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)

表2 幾種典型揮發(fā)性有害物質(zhì)在入窯熱生料中的含量上限值，%

從圖5 可以看出，采取旁路放風(fēng)后，計(jì)算入窯熱生料中的Cl-和SO3的質(zhì)量百分含量時(shí)，若入窯生料中只有Cl-沒(méi)有SO3時(shí)，只需查看Cl-的質(zhì)量百分含量落在圖中縱坐標(biāo)上的判點(diǎn)在哪個(gè)區(qū)域；若入窯熱生料中只有SO3而沒(méi)有Cl-時(shí)，只需查看SO3的質(zhì)量百分含量落在橫坐標(biāo)上的判點(diǎn)在哪個(gè)區(qū)域；若入窯熱生料中Cl-和SO3共存，則需查看以SO3的質(zhì)量百分含量為橫坐標(biāo)、以Cl-的質(zhì)量百分含量為縱坐標(biāo)的判點(diǎn)落在哪個(gè)區(qū)域[3]。若判點(diǎn)在重度結(jié)皮區(qū)域，則需繼續(xù)加大放風(fēng)比例并重新計(jì)算，直到判點(diǎn)落在可接受結(jié)皮區(qū)域或輕度結(jié)皮區(qū)域，此時(shí)的放風(fēng)比例即可作為設(shè)計(jì)放風(fēng)比例。

圖5 硫與氯共存系統(tǒng)的結(jié)皮程度

通過(guò)驗(yàn)算不同放風(fēng)比例下入窯熱生料及熟料中堿、氯、硫的含量，可確保結(jié)皮程度在可控范圍內(nèi)，確定窯尾煙室最小放風(fēng)比例，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)，將熱耗、電耗、料耗等的影響降至最低。

3 旁路放風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

由于窯尾煙氣中含有較高的Cl-、K、SO2等有害成分，在進(jìn)行旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需分別對(duì)其取風(fēng)位置、取風(fēng)截面積、高溫風(fēng)管、驟冷室風(fēng)管及其安全設(shè)計(jì)等進(jìn)行限制性設(shè)置，以確保旁路放風(fēng)系統(tǒng)安全有效運(yùn)行。

3.1 取風(fēng)點(diǎn)設(shè)置

為了能夠抽取到更多有害成分濃度較高的窯尾煙室煙氣，并盡可能地降低所抽取煙氣中的粉塵濃度，根據(jù)流場(chǎng)分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取風(fēng)點(diǎn)宜設(shè)置在窯尾煙室縮口稍下部位，緊鄰回轉(zhuǎn)窯一側(cè)，且與窯中心線重合，如圖6所示。

圖6 旁路放風(fēng)最佳取風(fēng)點(diǎn)位置

現(xiàn)場(chǎng)條件受限時(shí)（尤其是改造項(xiàng)目），取風(fēng)點(diǎn)可適當(dāng)偏移至回轉(zhuǎn)窯一側(cè)、窯中線的兩側(cè)（喂料點(diǎn)之前）或煙室側(cè)面。

放風(fēng)比例<25%時(shí)，取風(fēng)點(diǎn)宜設(shè)置在回轉(zhuǎn)窯一側(cè)中心位置，只有在放風(fēng)比例>25%或布置空間受限時(shí)，才會(huì)考慮將其設(shè)置在煙室后端。

當(dāng)取風(fēng)點(diǎn)設(shè)置在窯尾煙室后側(cè)時(shí)，放風(fēng)效果會(huì)有一定的弱化，需適當(dāng)提高放風(fēng)量。目前尚無(wú)法準(zhǔn)確量化其弱化的程度，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，約需增加1%～2%的放風(fēng)比例，可通過(guò)在設(shè)計(jì)階段適當(dāng)提高設(shè)計(jì)富余系數(shù)解決此問(wèn)題。

3.2 各工況點(diǎn)的風(fēng)速及設(shè)計(jì)要求

3.2.1 位于窯尾煙室的取風(fēng)點(diǎn)

為減少所抽取煙氣中的粉塵濃度（尤其是較大顆粒），國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求取風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速≯11m/s，國(guó)外一般要求取風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速≯7～8m/s，并確保取風(fēng)點(diǎn)與C5卸料點(diǎn)有一定的距離。

3.2.2 驟冷室進(jìn)口管道

從取風(fēng)點(diǎn)至驟冷室進(jìn)口的風(fēng)管長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，以防止該區(qū)域出現(xiàn)積料、結(jié)皮等情況，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

旁路放風(fēng)所抽取的煙氣溫度一般在1 050℃～1 150℃，在進(jìn)入驟冷室之前，風(fēng)管管道內(nèi)壁需敷設(shè)230mm 厚度的澆注料（國(guó)外有要求澆注料厚度為345mm的情況）。

驟冷室進(jìn)口處的風(fēng)速一般按20m/s 設(shè)計(jì)，需同時(shí)考慮多個(gè)放風(fēng)比例時(shí)，最好能將各放風(fēng)比例下的風(fēng)速值均設(shè)置在16～25m/s。

3.2.3 驟冷室本體

（1）根據(jù)取自窯尾煙室的高溫?zé)煔馀c冷風(fēng)機(jī)提供的冷風(fēng)混合后的風(fēng)量，確定驟冷室的截面風(fēng)速。截面風(fēng)速一般按12m/s 設(shè)計(jì)，考慮多個(gè)放風(fēng)比例時(shí)，風(fēng)速宜為9～15m/s。

（2）驟冷室所需冷風(fēng)由風(fēng)機(jī)強(qiáng)制鼓入，冷風(fēng)進(jìn)口處風(fēng)速一般為25～30m/s，沿切線形式進(jìn)入驟冷室。通過(guò)設(shè)置在驟冷室出口后端（一般要求距離5～8m）的測(cè)溫點(diǎn)，反向調(diào)控風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門(mén)開(kāi)度，確定冷風(fēng)供應(yīng)量。

（3）一般按驟冷室有效內(nèi)徑的1.0～1.5 倍考慮驟冷室有效長(zhǎng)度。

（4）驟冷室內(nèi)壁澆注料的厚度為100～150mm?？紤]到旁路放風(fēng)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，窯尾煙室的煙氣溫度或熱輻射會(huì)對(duì)驟冷室產(chǎn)生傷害，安全需求較高時(shí)，該處的澆注料厚度可設(shè)置為230mm。

（5）離開(kāi)驟冷室的混合煙氣溫度一般設(shè)定為300℃左右。驟冷室出風(fēng)口風(fēng)速一般按照18m/s 設(shè)計(jì)，風(fēng)速運(yùn)行區(qū)間宜為16～23m/s。

3.3 安全設(shè)計(jì)要求

3.3.1 驟冷室強(qiáng)制冷卻風(fēng)進(jìn)口管道

驟冷室強(qiáng)制冷卻風(fēng)進(jìn)口管道與冷卻風(fēng)機(jī)連接，二者之間需通過(guò)高溫密封閥（開(kāi)關(guān)型閥門(mén)，電動(dòng)或氣動(dòng)均可）進(jìn)行隔斷。設(shè)計(jì)上，要求該閥門(mén)靠近驟冷室，同時(shí)，閥門(mén)與驟冷室直接連接的管道，包括閥門(mén)本身及閥門(mén)后端（靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)）約0.5m 長(zhǎng)的管道，均需設(shè)置100～150mm 厚度的澆注料。安全需求較高時(shí)，該處的澆注料厚度可設(shè)置為230mm，以防止旁路放風(fēng)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，窯尾煙室的高溫?zé)煔庖绯觥?/p>

3.3.2 驟冷室出風(fēng)口管道

驟冷室出風(fēng)口管道，即與冷空氣混合后的煙氣，離開(kāi)驟冷室后所運(yùn)行的管道。在距驟冷室出風(fēng)口<0.5m 的位置，設(shè)置高溫密封閥（開(kāi)關(guān)型閥門(mén)，電動(dòng)或氣動(dòng)均可）進(jìn)行隔斷。設(shè)計(jì)上，要求該閥門(mén)靠近驟冷室，同時(shí)，閥門(mén)與驟冷室直接連接的管道，包括閥門(mén)本身及閥門(mén)后端（靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)）約0.5m長(zhǎng)的管道，均需設(shè)置100～150mm厚度的澆注料。安全需求較高時(shí)，該處的澆注料厚度可設(shè)置為230mm，以防止旁路放風(fēng)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，窯尾煙室的高溫?zé)煔庖绯觥?/p>

3.3.3 旁路煙氣二次冷卻

確保進(jìn)入收塵器的風(fēng)溫降至濾袋的安全運(yùn)行溫度，并設(shè)置收塵器進(jìn)風(fēng)口處的溫度測(cè)點(diǎn)。根據(jù)不同的二次風(fēng)冷形式，通過(guò)調(diào)節(jié)冷風(fēng)閥開(kāi)度、啟動(dòng)熱交換器冷卻風(fēng)扇的數(shù)量、控制噴霧冷卻塔的噴水量等，反向控制二次冷卻后的煙氣溫度。

3.3.4 混合風(fēng)管

理論上要求混合風(fēng)管的管道角度應(yīng)盡可能接近90°，而實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要求上升段管道角度≮70°，下降段管道≮60°，以防止管道積灰。

3.3.5 驟冷室至收塵器進(jìn)風(fēng)口的煙氣管道

驟冷室至收塵器進(jìn)風(fēng)口的煙氣管道長(zhǎng)度須≮20m，氣體在進(jìn)入袋收塵器前運(yùn)行時(shí)間>1s，冷風(fēng)與高溫?zé)煔獬浞只旌辖禍?，確保收塵器濾袋安全。

圖7為旁路放風(fēng)工程設(shè)計(jì)示例。

圖7 旁路放風(fēng)實(shí)際工程示例

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在增設(shè)旁路放風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，需根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況選擇旁路放風(fēng)工藝流程和取風(fēng)點(diǎn)，同時(shí)，根據(jù)原燃料成分中堿、氯、硫的含量進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，合理確定放風(fēng)比例并進(jìn)行設(shè)備選型，在保證熟料質(zhì)量和系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)，降低系統(tǒng)熱耗、料耗及電耗。需注意的是，即使設(shè)置了旁路放風(fēng)系統(tǒng)，也并不能完全避免結(jié)皮和堵塞現(xiàn)象，應(yīng)精細(xì)操作回轉(zhuǎn)窯和預(yù)熱器，保持系統(tǒng)溫度、風(fēng)壓及喂料量的穩(wěn)定，在易結(jié)皮位置設(shè)置空氣炮清掃裝置，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢，這樣才能將結(jié)皮堵塞風(fēng)險(xiǎn)控制到最小，確保系統(tǒng)工況的穩(wěn)定。