水泥厂设计和生产中简便易行的节能降耗技术

                                                           图1 复合式密封装置
 
　　根据我们的测算，国内运行中的各种规模的回转窑，其窑头和窑尾密封处总的漏风量平均在15%左右。而我公司开发的复合式密封装置，其漏风量≤2%，当回转窑两端密封均采用复合式密封时，总的漏风量≤4%。虽然通过我们的努力，在全国已经改造了400多条生产线，但据估计目前还有90%的生产线、大约2.8亿吨的熟料生产能力并没有应用这一先进的技术，依然采用的是传统方式的密封。如果这些生产线全部改造成复合式密封，回转窑系统的总漏风量还可以下降11%。根据热工计算结果，全国每年节省的标准煤为76.6万吨，节省电耗3.07亿kwh，每年创造的利润总额在5亿元以上。

　　回转窑的规格——用较小的规格可以获得更高的产量
　　我公司优化后的设计方案，无论是对正在运行中的工厂，或是新建工程而言，可以用较小直径和较短长度的回转窑获得更高的产量，对生产工艺、设备运行、节省投资费用等方面均有利，且筒体散热量在熟料热耗构成中减小，热耗降低。

　　回转窑的直径
　　要想挖掘新型干法窑的产量，我们只需分析出新型干法窑的发热能力还有多大潜力，就可得出准确结论。在衡量窑的发热能力时，我们经常引用的是烧成带截面热负荷这一参数，因为该参数仅与回转窑有效直径存在函数关系，简单直观。

　　目前正在运行中的绝大多数新型干法窑，其截面热负荷与同规格的湿法窑、余热发电窑、预热器窑等烧成带的截面热负荷相比，反倒是明显偏小的，因此提高窑的截面热负荷，大幅度提高新型干法窑的产量是有很大空间的。对新建工程而言，当生产线建设规模已经确定后，回转窑的直径可以比传统的设计方案小。产量提高的原理以及各种窑径的回转窑提产后的目标产量可以参见笔者在《中国水泥》2004年第四期发表的有关文章。

　　用小规格的窑获得高产量这一设计方案已在某些规格的窑径上得以应用，如我公司设计的SL水泥厂改造项目，φ3.0×48m回转窑的月均熟料产量可达1380t/d，最高日产量可达1500t/d以上；又如我公司设计的FX水泥厂改造项目，φ2.5×43m回转窑的月均熟料产量可以达到650t/d，最高日产量可达720t/d以上。

　　回转窑的长度
　　虽然国内长径比在10～12.5之间的超短回转窑应用由来以久，但还很不普及。到目前为止投产的新型干法窑，绝大多数的长径比依然较高，在14～16.5之间，支撑为三档。

　　1.2.2.1  长度较长的回转窑生产工艺和设备运行特点
　　长度较长的新型干法窑，烧成带距离窑头端部较近，而其窑尾端部温度一般在1000℃左右甚至更高，因此刚刚分解入窑后的CaO具有很高的活性，非常容易和SiO₂快速形成活性同样很高的C₂S，而高活性的C2S和剩余的高活性的游离CaO如果此时能快速运动到烧成带，在高温的作用下非常容易形成优质的C₃S矿物。当窑的长度较长时，物料需要在过渡带运动较长时间到烧成带，C₂S和游离CaO的活性降低很多，反到对C₃S的形成带来不利影响，影响熟料质量。

　　从设备运转角度来看，三档窑属于静不定结构，无论如何调整托轮，也难以保证回转窑在回转过程中各轮带与托轮受力均匀。三档窑不易克服筒体弯曲、变形等对设备运转带来的不利影响，并且对耐火砖使用寿命影响也很大，且传动装置电机功率高。

　　从投资角度看，长径比较高的回转窑生产线，设备、三次风管、耐火材料投资也较高。

　　1.2.2.2  逐步推广短窑煅烧技术，节能降耗
　　由于与回转窑相配套的预热分解系统、冷却系统、燃烧系统、密封系统、计量和自动控制系统等技术水平的大幅度提高，科研、设计人员对系统进行个性化设计水平的提高，生产人员对新型干法技术的不断掌握和提高，我们已经能灵活自如地控制入窑生料的分解率达到95%乃至更高，有能力在窑尾系统适当提高生料的入窑温度，因此我们认为推广短窑煅烧技术条件已经成熟。

　　目前我公司正在承担HY水泥厂的技改工程施工图设计，回转窑规格为φ2.8×35m，为两档支撑回转窑，设计产量为900t/d，实际产量有望超过1000t/d。实践效果如何，我们在试目以待。

　　1.2.3  优化减小回转窑规格的意义
　　用较小规格的回转窑实现较高的产量，我们认为有如下两点意义：一是对于已经投产的回转窑，继续挖掘生产潜力，提高产量，降低热耗、电耗；二是对于新建工程，在满足业主对建设规模要求的前提下，把回转窑规格减小。例如对于日产10 000t熟料的生产线，目前的回转窑规格是φ6.0×95m。通过我们对新型干法窑产量的推导，未来通过应用新技术，可能采用φ5.2×60m的回转窑就能实现，这样一来从设备制作、运输、安装、系统造价、运转率、能耗、电耗等方面都会带来十分有利的一面。

　　2  冷却机系统
　　2.1 复合式的冷却系统——对老生产线单筒冷却机改造的理想方案
　　我公司在国内外首创的复合式冷却机是在回转窑生产线技术改造的基础上发展起来的最新熟料冷却专利技术，目前该项技术在国内五十多条生产线得以成功运用。对于采用单筒冷却机的生产线，改造后可以提高入窑的二次风温，入炉的三次风温，降低热耗。此外复合式冷却机几乎吸收了篦式冷却机的各项优点，但电耗只有篦式冷却系统的50%左右。

图2 SFL-FB型复合式冷却机

 　　2.1.1  结构型式
　　复合式冷却机结合了篦式冷却机和单筒冷却机各自的优点，主要结构是采用一段错流换热篦床，通过复合式的密封装置与单筒冷却机连接，即复合式冷却机是由篦冷机段和单冷机段两部分组成。篦冷机段采用防漏料篦板、防红河篦板、防雪人篦板、不漏料技术等全新的专利技术设计，以及与其它篦式冷却机不同的设计思路，同时在单冷机段采用最新开发的新型单筒冷却技术，主要特点是采用新型扬料板，通过对扬料板布置、筒体斜度、转速等各种参数的合理设计，使复合式冷却机达到换热效率高、运转率高、使用安全可靠的效果。

　　2.1.2  工艺原理
　　从工艺角度来看，篦式冷却机的主要优点体现在它的高温区，该区熟料呈撒落和堆积态，冷空气与高温熟料之间的温差大，换热效率和速率均很高，篦床单位长度降温梯度大，可以实现熟料的急冷，并对出窑熟料热量进行回收，提高二次风和三次风的温度；篦冷机的主要缺点体现在它的中低温区，虽然篦床面积远大于高温区，但仅是用于熟料的冷却，回收的热量随着空气排出冷却系统外，而且由于该区熟料表面温度降低，与冷空气之间的热交换动力减弱，熟料完全呈堆积状态，熟料内部导热过程主导冷却速率，只有靠大量的冷空气来冷却才能保证出窑熟料温度的降低，因此增加了冷却机篦床面积、风机和余风排出设施的投资，并增加了电耗。

　　单筒冷却机的主要优点体现在它的中低温区，该区不用砌筑耐火材料，通过采用新型扬料板结构、合理的扬料板布置形式以及合理的筒体斜度、转速，可以提高熟料的悬空率，延长熟料停留换热时间，熟料内部向外导热时间充足，与单冷机出料端自然进入（不需强制鼓入）的冷空气进行换热的效率高，且经此区加热后的空气继续送往窑头作二次风和三次风，而不是排出系统外，使得该区热回收效率高于篦冷机；单冷机的主要缺点体现在高温区，该区为不带扬料板的耐火材料区，扬料效果差，熟料呈堆积态，由冷却机熟料出料端进入的冷风到此区已经过换热升温，与熟料温差小，热交换效率低，热交换速率低，二次风温和三次风温低，不能实现熟料的急冷。复合式冷却机则结合了篦式冷却机和单筒冷却机的各自优势，出窑高温熟料首先落入篦冷机段，通过该段强制鼓入的冷空气实现急冷，并回收大量的热量来提高入窑二次风温和入炉三次风温。急冷后的熟料再落入单冷机段，在回转的筒体内以反复抛起、撒落的状态与自然进入的冷空气进行热交换，进而使复合式冷却机的热效率高于其它冷却形式，而具有更好的节能效果。

　　2.2 不漏料篦式冷却系统——比第三代篦冷机更加节能节电的冷却系统
　　我公司开发成功了具有自主知识产权的不漏料篦式冷却系统。这种冷却机的特点是全部篦板为固定式，在冷却机运转过程中不运动，只负责向熟料供应冷却用风，而推动熟料运动的任务则全部由埋入熟料中的若干个棒式推动部件完成。由于篦冷机内没有活动篦板，因此不会产生越磨越大的间隙，造成熟料的泄漏，大大简化了篦下的结构形式。从生产效果来看，这种冷却机明显提高了熟料冷却效率，降低了熟料热耗，降低了冷却风机和排风机的电耗，运转率高，维护量少，节能效果显著。
该种冷却机还有一个显著的特点，就是可以很方便地实现篦床面积的扩大，因此当已经投产后的生产线，想通过技术手段使熟料产量提高时，或想进一步降低熟料出料温度时，改造起来非常容易。此外，由于该种篦冷机布置高差低，无灰斗、锁风阀、拉链机等，对第三代篦冷机的改造也非常地方便，可以在基本不用改动原有篦冷机的前提下，在出料端增加一小段不漏料的篦冷机，并适当改造鼓风和余风排出系统。

　　目前我公司开发的不漏料式篦冷机，已在HJS、JQ、HL、XL等四个工厂的冷却机改造中成功投产运用，规模为600t/d～1 500t/d，并正在为HY厂制造一台1 000t/d完整的不漏料式冷却机。

                                图3  不漏料篦式冷却机

　　3  预热分解系统
　　预热分解系统是个悬浮换热系统，不同工厂原燃材料、地理条件、气候条件均不相同，因此要求预热分解系统必须要进行个性化设计，不能盲目地照搬照抄图纸。

　　3.1  对适应生料放粗进行针对性设计
　　我公司开发的预热器系统，可以针对生料放粗进行针对性设计。同时我们根据放粗后的生料粒度分布情况，确定预热器各部位的合理风速，然后再确定各部位的有效尺寸。优化后的个性化预热器可以取得如下效果：

　　（1）生料放粗后，生料粉磨系统产量提高，电耗下降；

　　（2）针对生料放粗后的粒度分布，确定上升管道的合理结构，使生料粉在上升管道中有效分级，粗的生料粉运动减缓，生料换热充分，热耗降低；

　　（3）根据生料放粗后的物理性质，团聚效应减少，灰花数量减少，使生料在上升管道中更易分散、悬浮，和热烟气接触面积大，热耗降低；

　　（4）预热器对粒度较粗的生料粉捕捉能力强，分离效率高，减少预热器系统内的内循环量，减少顶级预热器飞灰量，并使预热分解好的生料尽快入窑，热耗降低；

　　3.2  降低预热器阻力的关键措施
　　预热器阻力决定了窑尾高温风机的耗电量。影响预热器阻力的因素很多，降阻的措施也很多，设计时是否要把预热器变成各种降阻措施的“博览会”，我们认为要慎重，应用不当可能会适得其反。我们认为降阻的关键是优化预热器系统的工艺参数，工艺参数的关键是蜗壳、内筒结构及尺寸的优化。当上述参数设计合理时，可不用过多地依赖其它部件，免得变形、损坏、脱落，影响生产。但对于改造工程而言，如果预热器结构形式很陈旧，且不能进行大的改造时，应用导流板、整流降阻器等是个很好的措施。我公司设计的预热器系统的主要减阻措施是：

　　（1）以不过分减弱进口旋转动量矩为原则，降低进口风速和出口风速；

　　（2）研究内筒直径对分离效率和阻力的影响，在分离效率不明显降低时尽量扩大内筒直径；

　　（3）研究内筒插入深度对分离效率和阻力影响，在分离效率不明显降低时缩短内筒插入深度。

　　3.3  提高分离效率的关键措施
　　预热器分离效率的高低，对系统热量回收，控制废气和飞灰带走热量有明显影响。影响预热器分离效率的因素很多，我公司设计的预热器系统提高分离效率的主要措施是：

　　（1）预热器长径比合理，避免旋转气流的尾涡引起分离后的生料粉二次飞扬；

　　（2）大包角、大偏心距的蜗壳结构，合理增加蜗壳的回转半径，使进口风速降低后，仍能达到较高的旋转动量矩，使低阻力和高效率得以兼顾；

　　（3）内筒直径、进口风速严格控制上限，减少生料粉短路的机会，减少生料粉的二次飞扬。

　　3.4  应用小直径高截面风速预热器
　　近几年我公司设计的预热器全部为高截面风速设计，风速值远远超过了传统的设计参数，预热器占地面积和体积均小，预热器表面积减小，散热量降低，热耗降低。设备规格减小后，布置更加紧凑，土建建筑面积小，设备、耐火材料、土建投资都得以降低。

　　理论研究和实践均得到相同的结论，通过对蜗壳和内筒的结构参数优化后，高截面风速的预热器同样可以达到低阻力高分离效率的效果。还以我公司设计的SL水泥厂改造项目为例，φ3.0×48m回转窑的月均熟料产量达到1 380t/d，最高时达到1 500t/d，但其二、三、四、五级预热器的有效直径与国内某些700t/d的新型干法窑预热器规格相当。

　　3.5  加强系统的密闭堵漏
　　预分解系统的漏风主要有外漏风和内漏风。外漏风会带来系统热耗的增加，以及高温排风机电耗的增加。外漏风主要部位是检查门、捅料孔、法兰、热工检测孔等处的漏风。内漏风主要是由于锁风阀型式简单、或生产中变形损坏，动作不灵，使下级热风经下料管直接窜入上级预热器。当系统内漏风比较严重时，预热器系统的分离效率显著降低，生料粉会随气流由内筒和上升管道回到上一级预热器，物料内循环量大，预热器出口烟气温度升高，热耗加大。加强密闭堵漏的主要技术措施有：

　　（1）采用锁风效果好的卸料锁风阀
　　我公司开发了两种效果好的卸料锁风阀，分别是：①、无缺口料管锁风单板阀，轴板采用箱外无滚珠滑动轴承，具有密封性能好、使用寿命长、自动卸料灵活等特点；②、具有热胀补偿结构的双翻板闪动阀，防止由于受热变形及膨胀导致锁风阀的工作失灵的特点。

     图4 单翻板锁风卸料阀                         

图5 双翻板锁风卸料阀

 　　（2）设计中应尽可能将法兰联接方式改为焊接方式，生产中确有必要进行更换时，采用一次割除再一次性焊死的联接方法很方便，可以避免因长期漏风对系统工艺的影响，其长期效益非常大；设计中还要认真设计各种检修门、捅料孔等设备开孔的位置和数量，位置应合理有效，尽可能兼顾更广的检修和处理范围，以减少开孔的数量；此外设计中在可能需要开孔的部位可以进行预留，在生产实践中证实确有必要时再开孔；

　　（3）安装和砌筑：应严格按照安装、砌筑等规范进行施工。重点检查是否存在漏焊或焊接质量缺陷，联接部位的密封能否保证气密性，耐火浇注料灌注孔是否封闭，耐火材料砌筑质量是否合格等。

　　（4）生产：要注意对各种密闭锁风设备的检查和维护，保证设备经常处于良好状态，发挥有效作用；生产中要避免在设备和联接管道上随意开孔，例如一些工厂因粘结堵塞等问题而先后在预热器、分解炉等设备上开设大量检查门、捅料孔等，这种“头疼医头、脚疼医脚”的作法，会漏入系统更多的冷风，反倒使系统更易粘结堵塞，形成恶性循环，并影响各项生产技术指标，尤其是热耗和电耗。