4500t/d 熟料生产线超低排放技改措施及效果

张少明，刘宏保，张耀智，洪宝

1 引言

某公司现有两条4 500t/d 水泥熟料生产线，生产工艺基本一致，分别于2008年5月和2009年7月建成投产。两条生产线回转窑规格φ4.5m×66m，预分解系统采用MFC 分解炉+五级单系列旋风预热器，熟料冷却采用第三代篦式冷却机。设计之初拟采用无烟煤，但实际生产中系统不够稳定，热耗较高。随着环保排放标准的愈加严格，为打造绿色智能工厂，发挥环保标杆企业的引领示范作用，2018年10月，公司决定利用错峰生产时间，对两条熟料生产线的预分解系统进行技术改造，技改后，两条熟料生产线均达到了超低排放的要求。

2 技改前存在的主要问题

（1）《河南省2018年大气污染防治攻坚战实施方案》中明确规定，对2018年10月底前稳定达到超低排放限值的水泥企业，2019年后，不再要求实施错峰生产。水泥企业氮氧化物超低排放标准为≤100mg/m3（标），而公司当前使用的SNCR 脱硝技术难以达到这一排放指标。

（2）熟料平均产量在4 900t/d左右，存在提产空间,预热器C1 出口负压高，系统阻力大，导致生产成本增加。C1旋风筒断面风速高，收尘效率低（实际生产统计约91%），入窑提升机的负荷增加且多处已完全锈蚀，漏风严重。

（3）分解炉为离线炉，生产系统不够稳定，热耗较高。分解炉容积较小（1 310m3），提产困难，无法应用自还原技术。

（4）采用第三代篦式冷却机冷却熟料，冷却效果不理想，热回收效率低，出篦冷机熟料温度高，二次风温度低，煤粉在窑内燃烧慢，后燃严重。

（5）窑尾采用石墨块密封，存在漏风大、使用寿命短等问题。

3 改造目标

（1）氮氧化合物排放浓度保证值≤100mg/m3（标），以满足河南省新乡市超低排放限值的要求。

（2）提高产量及生产系统的稳定性。

（3）降低生产系统的热耗和电耗。

（4）降低预热器C1旋风筒出口系统负压，提高一级筒收尘效率。

（5）窑尾密封更换为重锤压紧式密封，减少漏料漏风。

改造前后的技术指标对比见表1。

表1 改造前后的技术指标对比

4 设备现状及技改方案

4.1 生料粉磨与废气处理现状

4.1.1 生料粉磨现状

现有生料粉磨采用的是辊磨粉磨系统，型号为MLS4531A，产量430t/h。按熟料产量5 300t/d 计算，生料磨产量需达到341t/h。烧成系统熟料产量达5 300t/d 时，生料磨系统相对窑系统的运转率为79.3%，现有生料磨能够满足技改后的生产需求。

4.1.2 废气处理现状

现有窑尾袋收尘器处理风量800 000m3/h，窑尾排风机处理风量800 000m3/h，全压3 400Pa，功率1 120kW，按技改后熟料产量5 300t/d计算，窑尾废气的处理能力需达到740 000m3/h，现有废气处理系统能够满足技改要求。

4.2 烧成窑尾系统运行现状及技改方案

4.2.1 预分解系统运行现状

预分解系统采用MFC 分解炉+五级单系列旋风预热器，配套φ4.5m×66m 回转窑和第三代篦冷机，现生产能力4 900t/d，烧成煤耗106.01kg 标煤/t熟料，预分解系统阻力6 700Pa，粉尘浓度107.2g/m3（标），采用SNCR 脱硝时氮氧化物排放浓度70～90mg/m3（标），氨水用量6.41kg/t熟料。

4.2.2 预分解系统技改方案

为降低氮氧化物排放浓度和降低阻力及热耗，拟采用“分解炉改造+自还原脱硝”的方案，扩大分解炉的容积，降低物料流速，延长物料在炉内的停留时间。

4.2.2.1 二线主要改造方法

（1）技改前，三次风分两路从悬浮炉底部进入，气流从悬浮炉顶部通过鹅颈管接入混合室中部，经多次往复折返，增加了阻力。改造时，将现有的悬浮炉及配套设备拆除，保留φ7.3m混合室作为分解炉，通过增加鹅颈管来提高分解炉的容积。鹅颈管从分解炉顶部引出，从框架东侧穿出框架梁，悬挑于窑尾框架东侧，在79.3m平面折向下从框架东侧进入C5旋风筒（见图1）。

（2）为配合鹅颈管布置，C5旋风筒蜗壳需改变旋向，改造时，拆除现有C5 旋风筒蜗壳，按鹅颈管布置，重新制作并施工C5旋风筒蜗壳。

（3）将C1、C2、C3、C4 下料管单板阀更换为双板阀，减少系统漏风，现有C5下料管单板阀位置较高，可降低阀门高度。

（4）为减小系统阻力，将C2～C5旋风筒的进风口面积加大，改造后，风速在18m/s左右。

（5）将三次风管靠近窑尾部分改成φ3 100mm，并配合自还原脱硝技术重新布置，接入分解炉。

（6）为减少预热器漏风，需更换已损坏的检修门、翻板阀、回转下料器等。

（7）将C1旋风筒由φ5 480mm增至φ6 500mm，以降低旋风筒内部的断面风速，提高旋风筒收尘效率。同时，新旋风筒采用内保温。

（8）考虑到现有旋风筒顶部采用大蜗壳结构，直筒截面风速偏高产生的不利影响在可接受范围内，同时，更换整个旋风筒工作量太大，因此，改造中保留现有C2～C5 旋风筒的蜗壳、直筒、锥体、底座部分。

技改前，悬浮炉+混合室的有效容积为～1 310m3；技改后，原混合室改为分解炉使用，另增加了鹅颈管，分解炉系统（分解炉+鹅颈管）的有效容积增加到了2 160m3。经计算，技改后的分解炉系统气体停留时间达7.16s，能够满足气料换热、CaCO3分解、煤粉燃烧等物理化学反应需要，煤粉燃尽率可得到充分保障。

4.2.2.2 一线主要改造方法

（1）与二线相比，一线预热器框架东侧有提升机和烟囱，鹅颈管无法采取与二线一致的布置，因此鹅颈管从分解炉顶部引出，从框架南侧穿出框架梁，悬挑于窑尾框架南侧，在92.26m平面折向下从框架西侧进入C5旋风筒（见图2）；

图1 二线鹅颈管布置示意图

（2）为配合鹅颈管布置，C5旋风筒蜗壳需旋转角度布置。

其余改造内容与二线一致。

4.2.3 自还原脱硝机理及脱硝技改方案

4.2.3.1 氮氧化物的形成机理

在水泥熟料煅烧过程中，NOx的产生主要源于高温燃料中的氮和原料中的氮化合物。德国水泥工业协会曾统计得出燃料中的氮含量范围，煤为0.5%～2.0%。煤粉燃烧过程中所产生的NOx 主要是NO和NO2，NO约占90%以上，NO2占5%～10%。在研究燃煤产生的NOx生成机理时，一般主要讨论NO的生成机理。从NO的生成机理来看，NOx主要分为热力型、燃料型和快速型三种，而水泥窑燃煤过程中产生的有害气体NOx的主要来源有两个：燃料型NOx 和热力型NOx。燃烧温度＞1 500℃时热力型NOx 显著增加，热力型NOx 形成机理非常复杂，其生成和破坏过程，与燃料中含氮成分受热分解后，在挥发分和焦炭中的比例有关，随温度和氧分等燃烧条件而变。

（1）燃料型NOx

NOx 是燃料中含氮化合物在燃烧过程中氧化而生成的，主要是在燃烧的初始阶段生成。

煤中的氮含量一般在0.5%～2.0%左右，主要以有机物形式存在。有机化合物中的C-N 键的键能比空气中氮分子N-N 键的键能小很多，氧容易与C-N中的氮原子生成NO。这种燃料中的含氮化合物，经分解和氧化反应而生成的NOx，称为燃料型NOx。

控制燃料型NOx生成的方法有：燃用含N量低的燃料；采用燃料过浓燃烧方式；扩散燃烧时，抑制燃料与空气的混合。

（2）热力型NOx

热力型NOx 由空气中的N2在高温下氧化而生成，其生成机理由苏联科学家策尔多维奇提出。NO的生成速率可用以下一组不分支链锁反应来说明：

按照策尔多维奇机理，燃烧过程中，氮的浓度基本上是不变的，影响NO产生量的主要是温度、氧气的浓度和停留时间。控制NO 产生量的方法有：降低燃烧温度；降低氧气的浓度；使燃烧在远离理论空气比条件下进行；缩短在高温区的停留时间。

4.2.3.2 减少废气中NOx含量的技改方案

NOx 的治理方法主要根据其燃烧特性设计，NOx的控制技术可分为燃烧前的控制技术、燃烧中的控制技术和燃烧后的控制技术。燃烧前的控制技术主要是燃料的脱氮，燃料脱氮技术至今尚未得到很好的开发。燃烧中的脱氮技术主要有采用低NOx 燃烧器的技术和采用分级燃烧的技术。燃烧后的控制技术通常是烟气脱硝技术，现生产线已采用了SNCR脱硝技术。

（1）自还原脱硝技术

本项目窑尾采用的自还原脱硝技术是由现行分级燃烧技术而来，其主要目的都是为了消减热力型NOx。分级燃烧技术主要是在窑尾分解炉中增加脱氮管，使燃烧所用空气分两次喷入分解炉，减少煤粉燃烧区域的空气量。在实际操作过程中，采用脱氮管方案，不易控制分风，无法保证还原区的还原气氛，因此采取了上移三次风管的措施，使三次风进风口下方形成还原区。根据热力型NOx 形成机理，温度越高，生成的NOx 越多。回转窑内煅烧温度高，窑头煤燃烧形成大量NOx，此部分NOx与高温废气通过烟室进入分解炉，废气氧含量约在2%左右，若分解炉底部能够形成大量的还原物质，则可高效还原回转窑高温煅烧形成的热力型NOx。

自还原脱硝技术是在分解炉锥部从烟室缩口至三次风管之间建立还原燃烧区，还原燃烧区长度要保证气体在其内停留时间约1s；将分解炉用煤在烟室缩口上方喷入，使其缺氧燃烧以便产生CO、CH4、H2、HCN 和C 等还原剂；这些还原剂与窑尾烟气中的NOx 发生反应，将NOx 还原成N2等无污染的惰性气体。此外，煤粉在缺氧条件下燃烧抑制了自身燃料型NOx产生，从而减少了水泥生产过程中的NOx排放。为防止还原燃烧区内局部温度过高，形成结皮堵塞分解炉，将C4 旋风筒下料的一部分生料喂入还原燃烧区。

其主要反应如下：

（2）窑尾燃烧器技术改造要求

本次技改中采用了无外风节能型强旋流入炉燃烧装置，使煤粉以一定速率旋流进入强力还原区，保证煤粉的分散效果。通过调整空气量，保持燃烧器喷口具有一定比例的空气与煤粉，提高煤粉与废气的混合效果，提高煤粉分解率，增强还原气氛。

（3）三次风管接入位置方案

自还原脱硝技术强力还原区在分解炉底部形成，其区域范围在三次风管与窑尾烟室缩口之间。三次风管的位置须设在分解炉形成强力还原区的上部，风管侧旋接入分解炉，利于C4下料管生料的分散。

（4）C4旋风筒下料管位置的布置要求

重新调整C4 旋风筒下料管的下料点，一部分生料喂入还原燃烧区，吸收还原区内高温，凝聚窑气中析出的碱硫等有害成分，防止发生结皮堵塞；一部分生料喂入分解炉中部，下料点位于三次风管之上。

自还原脱硝技术可有效降低NOx排放，NOx脱除率可达70%以上；无运行成本，对水泥生产无不利影响；无二次污染，脱硝过程中没有任何固体或液体的污染物或副产物生成。

4.2.4 窑尾高温风机运行现状

当前使用的高温风机风量为750 000m3/h，全压8 000Pa，电机功率2 500kW。按技改后熟料产量5 300t/d 计算，理论上高温风机风量需要达到730 000m3/h，当前风机性能满足要求，可不改造。

4.2.5 生料入窑及计量现状

入窑采用TGD800 型斗式提升机，设备表上标注的输送能力为280～330t/h，主传动电机功率2×90kW，现在实际喂料量可达371t/h，按技改后熟料产量5 300t/d计算，入窑生料喂料量需要363t/h，入库斗式提升机能满足技改后需求，可不改造。

生料入窑及计量采用转子秤，规格为TWF60，计量能力400t/h，能满足技改后生料计量要求，可不改造。

4.3 烧成窑中系统运行现状及技改情况

4.3.1 回转窑传动设备现状

回转窑规格为φ4.5m×66m，斜度3.5%，主传电机功率560kW，窑设计最大转速4.0r/min，实际使用转速为4.4r/min，能满足技改后需求，可不改造。

4.3.2 窑尾密封改造

技改前，窑尾密封采用石墨块式密封，存在漏风、漏料的缺陷，大量冷空气进入预分解系统，导致能耗增加。本次技改将石墨块式密封更换为更先进的重锤压紧式窑尾密封，见图3。

图3 窑尾密封技改前后对比

4.4 烧成窑头系统运行现状及技改情况

4.4.1 篦冷机现状及改造情况

目前使用的是第三代篦冷机，篦床有效面积106m2，采用液压驱动。按技改后5 300t/d 产量计算，单位面积负荷为50t/d·m2，负荷偏高。考虑技改时间较短，此次改造中，暂不将第三代篦冷机更换为第四代篦冷机，但对其配风进行了优化，出篦冷机熟料温度略有降低。

4.4.2 窑头排风机及收尘器现状

现有窑头袋收尘器处理风量为600 000m3/h，窑头排风机处理风量为500 000+110 000m3/h，全压3 200/4 100Pa，功率600+185kW。

按技改后5 500t/d 的产能要求，技改后窑头余风的处理能力需要达到580 000m3/h，现有收尘器和窑头排风机的能力均能满足技改后的生产要求，本次改造将不对此做技改。

4.5 煤粉制备运行现状及技改情况

现有生产线采用的φ3.4m×（6.0+3.0）m风扫式煤磨，产量32t/h 左右，煤粉细度80μm 筛筛余＜3.0%，水分1.0%。煤粉计量采用菲斯特转子秤（DRW4.12），窑头最大计量能力14t/h，正常9t/h；窑尾最大计量能力19t/h，正常14t/h。根据当前实际使用情况，窑尾煤粉秤已达能力极限。

按窑系统熟料产量5 500t/d，煤低位发热值26 668.4kJ/kg，煤磨能力富余10%计算，煤粉产量需达27.6t/h，现有煤磨产量能够满足技改后需求。

技改后头煤计量需要10.1t/h，窑尾煤计量需要15.1t/h。因此，需将窑尾煤粉秤更换为DRW4.14，窑尾煤粉输送管道按自还原脱硝技术的要求进行重新布置。

4.6 熟料输送现状

现在使用的熟料链斗输送机型号为SCD1000×131 334mm，设备表上标注的输送能力为200t/h，最大输送能力320t/h，主传动电机功率为90kW。按技改后窑产量5 500t/d 计算，熟料链斗输送机能力须达到229.2t/h，现有链斗输送机能满足技改后的要求。

5 技改效果

停窑前，安排施工人员进厂进行设备及非标的制作，停窑后进行拆除和安装作业，在现场项目部的合理安排下，二线50d即具备点火条件，一线60d具备点火条件，两条生产线均在错峰生产结束前完成了改造施工，预热器技改前后效果见图4。

公司两条熟料生产线分别于2019年1月15日与2019年1月25日一次点火成功，运行一年多来，熟料生产稳定，技改前后的指标对比见表2。

改造后，窑平均产量＞5 300t/d，年平均产量高出改造前400t/d，年均电耗下降1.62kW·h/t，标煤耗下降3.15kg/t；熟料质量和易磨性明显提高，水泥磨产量同步上升，年均产量提高22t/h；在NOx排放控制指标日益严格的情况下，氨水消耗量明显降低，年均3.56kg/t熟料，下降44.5%。

表2 技改前后指标对比

图4 预热器技改前后对比

6 结语

本次改造达到了预期技改效果。具体如下：

（1）降低了氮氧化物排放浓度，排放值＜100mg/m3（标），达到了河南省超低排放限值的要求。

（2）提高了熟料的产质量和易磨性，生产系统运行更加稳定。

（3）降低了熟料综合热耗和电耗。

（4）提高了预热器C1旋风筒收尘效率，降低了预热器回料量，减轻了入窑提升机负荷。

（5）一线和二线鹅颈管布置不同，导致系统压损不同，但分解炉系统有效容积和气体停留时间并无差距，两条生产线的产量基本一致。

本次技改充分挖掘了原有设备潜力，设备投资少，降低了生产成本。由于改造时间较短等因素，本次改造未对篦冷机进行更新换代，在后续的生产过程中，熟料冷却能力不足，造成入AQC锅炉热风温度偏高。若更换为第四代篦冷机，可增加热回收效率，降低系统热耗。