水泥廠設計和生產(chǎn)中簡便易行的節(jié)能降耗技術(shù)

                                                           圖1 復合式密封裝置
 
　　根據(jù)我們的測算，國內(nèi)運行中的各種規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯，其窯頭和窯尾密封處總的漏風量平均在15%左右。而我公司開發(fā)的復合式密封裝置，其漏風量≤2%，當回轉(zhuǎn)窯兩端密封均采用復合式密封時，總的漏風量≤4%。雖然通過我們的努力，在全國已經(jīng)改造了400多條生產(chǎn)線，但據(jù)估計目前還有90%的生產(chǎn)線、大約2.8億噸的熟料生產(chǎn)能力并沒有應用這一先進的技術(shù)，依然采用的是傳統(tǒng)方式的密封。如果這些生產(chǎn)線全部改造成復合式密封，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的總漏風量還可以下降11%。根據(jù)熱工計算結(jié)果，全國每年節(jié)省的標準煤為76.6萬噸，節(jié)省電耗3.07億kwh，每年創(chuàng)造的利潤總額在5億元以上。

　　回轉(zhuǎn)窯的規(guī)格——用較小的規(guī)格可以獲得更高的產(chǎn)量
　　我公司優(yōu)化后的設計方案，無論是對正在運行中的工廠，或是新建工程而言，可以用較小直徑和較短長度的回轉(zhuǎn)窯獲得更高的產(chǎn)量，對生產(chǎn)工藝、設備運行、節(jié)省投資費用等方面均有利，且筒體散熱量在熟料熱耗構(gòu)成中減小，熱耗降低。

　　回轉(zhuǎn)窯的直徑
　　要想挖掘新型干法窯的產(chǎn)量，我們只需分析出新型干法窯的發(fā)熱能力還有多大潛力，就可得出準確結(jié)論。在衡量窯的發(fā)熱能力時，我們經(jīng)常引用的是燒成帶截面熱負荷這一參數(shù)，因為該參數(shù)僅與回轉(zhuǎn)窯有效直徑存在函數(shù)關(guān)系，簡單直觀。

　　目前正在運行中的絕大多數(shù)新型干法窯，其截面熱負荷與同規(guī)格的濕法窯、余熱發(fā)電窯、預熱器窯等燒成帶的截面熱負荷相比，反倒是明顯偏小的，因此提高窯的截面熱負荷，大幅度提高新型干法窯的產(chǎn)量是有很大空間的。對新建工程而言，當生產(chǎn)線建設規(guī)模已經(jīng)確定后，回轉(zhuǎn)窯的直徑可以比傳統(tǒng)的設計方案小。產(chǎn)量提高的原理以及各種窯徑的回轉(zhuǎn)窯提產(chǎn)后的目標產(chǎn)量可以參見筆者在《中國水泥》2004年第四期發(fā)表的有關(guān)文章。

　　用小規(guī)格的窯獲得高產(chǎn)量這一設計方案已在某些規(guī)格的窯徑上得以應用，如我公司設計的SL水泥廠改造項目，φ3.0×48m回轉(zhuǎn)窯的月均熟料產(chǎn)量可達1380t/d，最高日產(chǎn)量可達1500t/d以上；又如我公司設計的FX水泥廠改造項目，φ2.5×43m回轉(zhuǎn)窯的月均熟料產(chǎn)量可以達到650t/d，最高日產(chǎn)量可達720t/d以上。

　　回轉(zhuǎn)窯的長度
　　雖然國內(nèi)長徑比在10～12.5之間的超短回轉(zhuǎn)窯應用由來以久，但還很不普及。到目前為止投產(chǎn)的新型干法窯，絕大多數(shù)的長徑比依然較高，在14～16.5之間，支撐為三檔。

　　1.2.2.1  長度較長的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝和設備運行特點
　　長度較長的新型干法窯，燒成帶距離窯頭端部較近，而其窯尾端部溫度一般在1000℃左右甚至更高，因此剛剛分解入窯后的CaO具有很高的活性，非常容易和SiO₂快速形成活性同樣很高的C₂S，而高活性的C2S和剩余的高活性的游離CaO如果此時能快速運動到燒成帶，在高溫的作用下非常容易形成優(yōu)質(zhì)的C₃S礦物。當窯的長度較長時，物料需要在過渡帶運動較長時間到燒成帶，C₂S和游離CaO的活性降低很多，反到對C₃S的形成帶來不利影響，影響熟料質(zhì)量。

　　從設備運轉(zhuǎn)角度來看，三檔窯屬于靜不定結(jié)構(gòu)，無論如何調(diào)整托輪，也難以保證回轉(zhuǎn)窯在回轉(zhuǎn)過程中各輪帶與托輪受力均勻。三檔窯不易克服筒體彎曲、變形等對設備運轉(zhuǎn)帶來的不利影響，并且對耐火磚使用壽命影響也很大，且傳動裝置電機功率高。

　　從投資角度看，長徑比較高的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，設備、三次風管、耐火材料投資也較高。

　　1.2.2.2  逐步推廣短窯煅燒技術(shù)，節(jié)能降耗
　　由于與回轉(zhuǎn)窯相配套的預熱分解系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、計量和自動控制系統(tǒng)等技術(shù)水平的大幅度提高，科研、設計人員對系統(tǒng)進行個性化設計水平的提高，生產(chǎn)人員對新型干法技術(shù)的不斷掌握和提高，我們已經(jīng)能靈活自如地控制入窯生料的分解率達到95%乃至更高，有能力在窯尾系統(tǒng)適當提高生料的入窯溫度，因此我們認為推廣短窯煅燒技術(shù)條件已經(jīng)成熟。

　　目前我公司正在承擔HY水泥廠的技改工程施工圖設計，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為φ2.8×35m，為兩檔支撐回轉(zhuǎn)窯，設計產(chǎn)量為900t/d，實際產(chǎn)量有望超過1000t/d。實踐效果如何，我們在試目以待。

　　1.2.3  優(yōu)化減小回轉(zhuǎn)窯規(guī)格的意義
　　用較小規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯實現(xiàn)較高的產(chǎn)量，我們認為有如下兩點意義：一是對于已經(jīng)投產(chǎn)的回轉(zhuǎn)窯，繼續(xù)挖掘生產(chǎn)潛力，提高產(chǎn)量，降低熱耗、電耗；二是對于新建工程，在滿足業(yè)主對建設規(guī)模要求的前提下，把回轉(zhuǎn)窯規(guī)格減小。例如對于日產(chǎn)10 000t熟料的生產(chǎn)線，目前的回轉(zhuǎn)窯規(guī)格是φ6.0×95m。通過我們對新型干法窯產(chǎn)量的推導，未來通過應用新技術(shù)，可能采用φ5.2×60m的回轉(zhuǎn)窯就能實現(xiàn)，這樣一來從設備制作、運輸、安裝、系統(tǒng)造價、運轉(zhuǎn)率、能耗、電耗等方面都會帶來十分有利的一面。

　　2  冷卻機系統(tǒng)
　　2.1 復合式的冷卻系統(tǒng)——對老生產(chǎn)線單筒冷卻機改造的理想方案
　　我公司在國內(nèi)外首創(chuàng)的復合式冷卻機是在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線技術(shù)改造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的最新熟料冷卻專利技術(shù)，目前該項技術(shù)在國內(nèi)五十多條生產(chǎn)線得以成功運用。對于采用單筒冷卻機的生產(chǎn)線，改造后可以提高入窯的二次風溫，入爐的三次風溫，降低熱耗。此外復合式冷卻機幾乎吸收了篦式冷卻機的各項優(yōu)點，但電耗只有篦式冷卻系統(tǒng)的50%左右。

圖2 SFL-FB型復合式冷卻機

 　　2.1.1  結(jié)構(gòu)型式
　　復合式冷卻機結(jié)合了篦式冷卻機和單筒冷卻機各自的優(yōu)點，主要結(jié)構(gòu)是采用一段錯流換熱篦床，通過復合式的密封裝置與單筒冷卻機連接，即復合式冷卻機是由篦冷機段和單冷機段兩部分組成。篦冷機段采用防漏料篦板、防紅河篦板、防雪人篦板、不漏料技術(shù)等全新的專利技術(shù)設計，以及與其它篦式冷卻機不同的設計思路，同時在單冷機段采用最新開發(fā)的新型單筒冷卻技術(shù)，主要特點是采用新型揚料板，通過對揚料板布置、筒體斜度、轉(zhuǎn)速等各種參數(shù)的合理設計，使復合式冷卻機達到換熱效率高、運轉(zhuǎn)率高、使用安全可靠的效果。

　　2.1.2  工藝原理
　　從工藝角度來看，篦式冷卻機的主要優(yōu)點體現(xiàn)在它的高溫區(qū)，該區(qū)熟料呈撒落和堆積態(tài)，冷空氣與高溫熟料之間的溫差大，換熱效率和速率均很高，篦床單位長度降溫梯度大，可以實現(xiàn)熟料的急冷，并對出窯熟料熱量進行回收，提高二次風和三次風的溫度；篦冷機的主要缺點體現(xiàn)在它的中低溫區(qū)，雖然篦床面積遠大于高溫區(qū)，但僅是用于熟料的冷卻，回收的熱量隨著空氣排出冷卻系統(tǒng)外，而且由于該區(qū)熟料表面溫度降低，與冷空氣之間的熱交換動力減弱，熟料完全呈堆積狀態(tài)，熟料內(nèi)部導熱過程主導冷卻速率，只有靠大量的冷空氣來冷卻才能保證出窯熟料溫度的降低，因此增加了冷卻機篦床面積、風機和余風排出設施的投資，并增加了電耗。

　　單筒冷卻機的主要優(yōu)點體現(xiàn)在它的中低溫區(qū)，該區(qū)不用砌筑耐火材料，通過采用新型揚料板結(jié)構(gòu)、合理的揚料板布置形式以及合理的筒體斜度、轉(zhuǎn)速，可以提高熟料的懸空率，延長熟料停留換熱時間，熟料內(nèi)部向外導熱時間充足，與單冷機出料端自然進入（不需強制鼓入）的冷空氣進行換熱的效率高，且經(jīng)此區(qū)加熱后的空氣繼續(xù)送往窯頭作二次風和三次風，而不是排出系統(tǒng)外，使得該區(qū)熱回收效率高于篦冷機；單冷機的主要缺點體現(xiàn)在高溫區(qū)，該區(qū)為不帶揚料板的耐火材料區(qū)，揚料效果差，熟料呈堆積態(tài)，由冷卻機熟料出料端進入的冷風到此區(qū)已經(jīng)過換熱升溫，與熟料溫差小，熱交換效率低，熱交換速率低，二次風溫和三次風溫低，不能實現(xiàn)熟料的急冷。復合式冷卻機則結(jié)合了篦式冷卻機和單筒冷卻機的各自優(yōu)勢，出窯高溫熟料首先落入篦冷機段，通過該段強制鼓入的冷空氣實現(xiàn)急冷，并回收大量的熱量來提高入窯二次風溫和入爐三次風溫。急冷后的熟料再落入單冷機段，在回轉(zhuǎn)的筒體內(nèi)以反復拋起、撒落的狀態(tài)與自然進入的冷空氣進行熱交換，進而使復合式冷卻機的熱效率高于其它冷卻形式，而具有更好的節(jié)能效果。

　　2.2 不漏料篦式冷卻系統(tǒng)——比第三代篦冷機更加節(jié)能節(jié)電的冷卻系統(tǒng)
　　我公司開發(fā)成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的不漏料篦式冷卻系統(tǒng)。這種冷卻機的特點是全部篦板為固定式，在冷卻機運轉(zhuǎn)過程中不運動，只負責向熟料供應冷卻用風，而推動熟料運動的任務則全部由埋入熟料中的若干個棒式推動部件完成。由于篦冷機內(nèi)沒有活動篦板，因此不會產(chǎn)生越磨越大的間隙，造成熟料的泄漏，大大簡化了篦下的結(jié)構(gòu)形式。從生產(chǎn)效果來看，這種冷卻機明顯提高了熟料冷卻效率，降低了熟料熱耗，降低了冷卻風機和排風機的電耗，運轉(zhuǎn)率高，維護量少，節(jié)能效果顯著。
該種冷卻機還有一個顯著的特點，就是可以很方便地實現(xiàn)篦床面積的擴大，因此當已經(jīng)投產(chǎn)后的生產(chǎn)線，想通過技術(shù)手段使熟料產(chǎn)量提高時，或想進一步降低熟料出料溫度時，改造起來非常容易。此外，由于該種篦冷機布置高差低，無灰斗、鎖風閥、拉鏈機等，對第三代篦冷機的改造也非常地方便，可以在基本不用改動原有篦冷機的前提下，在出料端增加一小段不漏料的篦冷機，并適當改造鼓風和余風排出系統(tǒng)。

　　目前我公司開發(fā)的不漏料式篦冷機，已在HJS、JQ、HL、XL等四個工廠的冷卻機改造中成功投產(chǎn)運用，規(guī)模為600t/d～1 500t/d，并正在為HY廠制造一臺1 000t/d完整的不漏料式冷卻機。

                                圖3  不漏料篦式冷卻機

　　3  預熱分解系統(tǒng)
　　預熱分解系統(tǒng)是個懸浮換熱系統(tǒng)，不同工廠原燃材料、地理條件、氣候條件均不相同，因此要求預熱分解系統(tǒng)必須要進行個性化設計，不能盲目地照搬照抄圖紙。

　　3.1  對適應生料放粗進行針對性設計
　　我公司開發(fā)的預熱器系統(tǒng)，可以針對生料放粗進行針對性設計。同時我們根據(jù)放粗后的生料粒度分布情況，確定預熱器各部位的合理風速，然后再確定各部位的有效尺寸。優(yōu)化后的個性化預熱器可以取得如下效果：

　?。?）生料放粗后，生料粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量提高，電耗下降；

　?。?）針對生料放粗后的粒度分布，確定上升管道的合理結(jié)構(gòu)，使生料粉在上升管道中有效分級，粗的生料粉運動減緩，生料換熱充分，熱耗降低；

　?。?）根據(jù)生料放粗后的物理性質(zhì)，團聚效應減少，灰花數(shù)量減少，使生料在上升管道中更易分散、懸浮，和熱煙氣接觸面積大，熱耗降低；

　?。?）預熱器對粒度較粗的生料粉捕捉能力強，分離效率高，減少預熱器系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)循環(huán)量，減少頂級預熱器飛灰量，并使預熱分解好的生料盡快入窯，熱耗降低；

　　3.2  降低預熱器阻力的關(guān)鍵措施
　　預熱器阻力決定了窯尾高溫風機的耗電量。影響預熱器阻力的因素很多，降阻的措施也很多，設計時是否要把預熱器變成各種降阻措施的“博覽會”，我們認為要慎重，應用不當可能會適得其反。我們認為降阻的關(guān)鍵是優(yōu)化預熱器系統(tǒng)的工藝參數(shù)，工藝參數(shù)的關(guān)鍵是蝸殼、內(nèi)筒結(jié)構(gòu)及尺寸的優(yōu)化。當上述參數(shù)設計合理時，可不用過多地依賴其它部件，免得變形、損壞、脫落，影響生產(chǎn)。但對于改造工程而言，如果預熱器結(jié)構(gòu)形式很陳舊，且不能進行大的改造時，應用導流板、整流降阻器等是個很好的措施。我公司設計的預熱器系統(tǒng)的主要減阻措施是：

　?。?）以不過分減弱進口旋轉(zhuǎn)動量矩為原則，降低進口風速和出口風速；

　?。?）研究內(nèi)筒直徑對分離效率和阻力的影響，在分離效率不明顯降低時盡量擴大內(nèi)筒直徑；

　?。?）研究內(nèi)筒插入深度對分離效率和阻力影響，在分離效率不明顯降低時縮短內(nèi)筒插入深度。

　　3.3  提高分離效率的關(guān)鍵措施
　　預熱器分離效率的高低，對系統(tǒng)熱量回收，控制廢氣和飛灰?guī)ё邿崃坑忻黠@影響。影響預熱器分離效率的因素很多，我公司設計的預熱器系統(tǒng)提高分離效率的主要措施是：

　　（1）預熱器長徑比合理，避免旋轉(zhuǎn)氣流的尾渦引起分離后的生料粉二次飛揚；

　?。?）大包角、大偏心距的蝸殼結(jié)構(gòu)，合理增加蝸殼的回轉(zhuǎn)半徑，使進口風速降低后，仍能達到較高的旋轉(zhuǎn)動量矩，使低阻力和高效率得以兼顧；

　?。?）內(nèi)筒直徑、進口風速嚴格控制上限，減少生料粉短路的機會，減少生料粉的二次飛揚。

　　3.4  應用小直徑高截面風速預熱器
　　近幾年我公司設計的預熱器全部為高截面風速設計，風速值遠遠超過了傳統(tǒng)的設計參數(shù)，預熱器占地面積和體積均小，預熱器表面積減小，散熱量降低，熱耗降低。設備規(guī)格減小后，布置更加緊湊，土建建筑面積小，設備、耐火材料、土建投資都得以降低。

　　理論研究和實踐均得到相同的結(jié)論，通過對蝸殼和內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，高截面風速的預熱器同樣可以達到低阻力高分離效率的效果。還以我公司設計的SL水泥廠改造項目為例，φ3.0×48m回轉(zhuǎn)窯的月均熟料產(chǎn)量達到1 380t/d，最高時達到1 500t/d，但其二、三、四、五級預熱器的有效直徑與國內(nèi)某些700t/d的新型干法窯預熱器規(guī)格相當。

　　3.5  加強系統(tǒng)的密閉堵漏
　　預分解系統(tǒng)的漏風主要有外漏風和內(nèi)漏風。外漏風會帶來系統(tǒng)熱耗的增加，以及高溫排風機電耗的增加。外漏風主要部位是檢查門、捅料孔、法蘭、熱工檢測孔等處的漏風。內(nèi)漏風主要是由于鎖風閥型式簡單、或生產(chǎn)中變形損壞，動作不靈，使下級熱風經(jīng)下料管直接竄入上級預熱器。當系統(tǒng)內(nèi)漏風比較嚴重時，預熱器系統(tǒng)的分離效率顯著降低，生料粉會隨氣流由內(nèi)筒和上升管道回到上一級預熱器，物料內(nèi)循環(huán)量大，預熱器出口煙氣溫度升高，熱耗加大。加強密閉堵漏的主要技術(shù)措施有：

　?。?）采用鎖風效果好的卸料鎖風閥
　　我公司開發(fā)了兩種效果好的卸料鎖風閥，分別是：①、無缺口料管鎖風單板閥，軸板采用箱外無滾珠滑動軸承，具有密封性能好、使用壽命長、自動卸料靈活等特點；②、具有熱脹補償結(jié)構(gòu)的雙翻板閃動閥，防止由于受熱變形及膨脹導致鎖風閥的工作失靈的特點。

     圖4 單翻板鎖風卸料閥                         

圖5 雙翻板鎖風卸料閥

 　?。?）設計中應盡可能將法蘭聯(lián)接方式改為焊接方式，生產(chǎn)中確有必要進行更換時，采用一次割除再一次性焊死的聯(lián)接方法很方便，可以避免因長期漏風對系統(tǒng)工藝的影響，其長期效益非常大；設計中還要認真設計各種檢修門、捅料孔等設備開孔的位置和數(shù)量，位置應合理有效，盡可能兼顧更廣的檢修和處理范圍，以減少開孔的數(shù)量；此外設計中在可能需要開孔的部位可以進行預留，在生產(chǎn)實踐中證實確有必要時再開孔；

　?。?）安裝和砌筑：應嚴格按照安裝、砌筑等規(guī)范進行施工。重點檢查是否存在漏焊或焊接質(zhì)量缺陷，聯(lián)接部位的密封能否保證氣密性，耐火澆注料灌注孔是否封閉，耐火材料砌筑質(zhì)量是否合格等。

　?。?）生產(chǎn)：要注意對各種密閉鎖風設備的檢查和維護，保證設備經(jīng)常處于良好狀態(tài)，發(fā)揮有效作用；生產(chǎn)中要避免在設備和聯(lián)接管道上隨意開孔，例如一些工廠因粘結(jié)堵塞等問題而先后在預熱器、分解爐等設備上開設大量檢查門、捅料孔等，這種“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的作法，會漏入系統(tǒng)更多的冷風，反倒使系統(tǒng)更易粘結(jié)堵塞，形成惡性循環(huán)，并影響各項生產(chǎn)技術(shù)指標，尤其是熱耗和電耗。