劣质煤低挥发分煤在新型干法水泥生产中的应用
水泥 2008-07-21
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预分解窑烧低挥发分煤是近几年水泥生产技术的新成果，是大幅度节能降耗的有效途径之一。利用无烟煤、劣质煤煅烧水泥，是现代水泥厂充分合理利用资源，降低成本的有效途径。我院先于湖南河田白石建材有限公司新建线应用劣质煤煅烧水泥熟料技术，后于云南祥云建材（集团）有限公司改造线中成功应用100%无烟煤煅烧水泥熟料。
一 长沙河田1000t/d新建线
1.1 工程背景
长沙河田白石建材有限公司委托我院建设1000t/d生产线，于2004年3月31日开工建设，于2005年3月31日通过100％烧劣质煤的3d达标考核，至2005年12月熟料最高产量1350t/d，现平均产量1200t/d。
1.2主要设备
新建从石灰石破碎到水泥包装成品出库整条熟料水泥生产线，地址于原有的立窑老线旁建设，在充分利用其地形的基础上，新建线设计紧凑，工艺线简单流畅，其主要设备见表1。
表1 主要设备技术参数
1.3主要生产工艺
1.3.1原燃料储存
由于生产线采用的石灰石和燃煤来料点较多，成分波动大，生产区场地的限制，因而对石灰石和燃煤的储存均采用了预均化堆棚的形式。预均化堆棚为密封混凝土方库，库顶由多条带S型卸料小车的皮带机进行连续布料。每条皮带机对应一个堆取料区，物料在此预均化堆棚可以堆放的高度较高（库高8m堆高边坡5m），使石灰石和燃煤的储存时间都达到设计及使用要求。取料时对应布料的每条皮带机下设多个卸料小仓，仓下带棒条阀，人工控制对阀门的开闭起到横铺竖取的作用，从而对物料起到预均化的目的。此堆棚虽为简易的预均化方式，但是却根据厂里的实际情况因地制宜，取得了理想的效果。
原燃料部分在实施预均化堆棚的措施下，再加上生料均化库的成功使用，使得原料和燃料的成分波动在我方的设计范围内。解决了原燃料段的稳定供应，从一个方面也保障了劣质煤的熟料生产线的达标达产。
1.3.2 废气处理
窑尾废气处理采用的是电收尘器。出预热器废气由高温风机送至增湿塔内调质降温后进入电收尘器，经电收尘器处理后的废气由窑尾排风机送入预热器框架旁烟囱排放至大气。出预热器的废气温度一般为320～350℃，其废气浓度约为80g/Nm3，经增湿塔喷水调质降温后，出口温度控制在140～150℃，粉尘比电阻下降，收尘效率提高。增湿塔的供回水系统通过自动化可根据实际的温度等条件实现自动调节从而控制在设计的条件范围内。
1.3.3 窑尾系统
1. 预热器
本系统中旋风预热器采用三心、270度抱角的螺旋线蜗壳，力求使气流从进口缓慢旋转进入筒内，气流平缓旋转过渡以利于降低阻力，同时，该结构使进口偏离内筒较远以利于提高分离效率。预热器采用等角度变高度的切角斜蜗壳，进风口采用切角形进风口，用斜面代替平面，以求减少物料堆积和降低摩擦阻力，而向下倾斜的螺旋线，顺应了旋风筒内气流向下旋转的需要，同时引导已在蜗壳内分离的物料，谁气流沿着平行于蜗壳与筒体交线形成夹角而贴壁面自然下滑，减少了涡流阻力和二次飞扬。
各级间连接管道尺寸和风速设计合理，进口管道取消平烟道，避免管道积料；各级预热器撒料装置为盒式撤料器，内部用浇筑料打出撒料斜坡，且入出风管部分有一撒料台，此撒料盒结构简单，寿命比普通板式长，而且撒料效果好，更换方便，价格低；各级内筒采用分片挂式内筒，便于安装及检修；C3C4C5锥体设置膨胀仓，在烟室及各级下料管适当位置设置空气炮
2. 内置炉
内置炉为NSF分解炉，由于另使用外挂分解炉，煤喷嘴和三次风都未直接进入内置炉，而是通入外挂炉内。在为保证劣质煤的完全燃烧，故设计上特意增加了NSF炉高度，提高了其有效容积，增大煤粉在炉内的停留时间。
在炉窑的上升烟道中设置平衡窑内和三次风管内压力的缩口，及加一手动的调节闸板，尤其在试生产的初期，通过调节闸板的开度，找到正常生产参数，即可将此缩口尺寸固定下来。
针对燃用劣质煤，本工程采用离线炉和在线炉相结合的方式（见图1）。这种方式采用悬浮、喷腾及流化床的形式强化煤粉与空气的接触，将之混合充分，且可以延长煤粉在分解炉的停留时间，三次风的热气流和C4的高温物料也能够迅速预热煤粉，使其在短时间内燃烧。
3. 外挂炉
图1 窑尾系统流程图
本工程的外挂炉为N-MFC的流化床分解炉，其结构在炉筒体的下部装有流化床，流化床下部设一个空气室，设有进风口，流态化风机鼓入高压风，通过喷嘴吹向流化层。三次风管以45°切向进入炉下部，加料点位于其上部，从而热气流携带流化生料向上形成旋流床区。C4筒卸出生料通过分料阀分成两部分：一部分喂到出窑的上升烟道，降低窑尾废气温度，使废气中碱、硫元素凝聚在生料颗粒上再回到窑内，减少在烟道的结皮。另一部分则喂入N-MFC炉内，试生产时可调节内外生料的比例，正常生产时100％生料投入外挂炉内。煤管无特殊燃烧器，由煤管道直接送入，位于炉底与三次风口之间，相对位置固定，及料、风、煤三者的相对位置合理，从而实现了炉内物料、煤粉与气流的充分混合，从设计上消除炉内压床的现象。炉体在上、中、下部均设有测温、测压点，通过这三个部分的温度压力变化判断炉内煤粉燃烧、物料结皮等情况，便于生产中及时调整。分解炉出口为加长的鹅颈管，与内分解炉NSF涡壳相连，通过对此段管道的容积的加大也增加了煤粉的燃烧时间。
1.3.4 回转窑和熟料冷却系统
回转窑采用的是Φ3.3×50m三档支承窑，生产能力：1200t/d。窑头罩采用大窑头罩方式，三次从窑头罩引出，熟料冷却采用国内成熟的第三代篦式冷却机，出冷却机熟料温度低，冷却效果较好，因而提高了入窑的二次风温，有利于劣质煤的煅烧。
1.3.5 煤粉制备
煤的粉磨功指数Wi=16~30KW/t ，但低挥发分煤除在燃烧性能方面有着火温度高，燃烧速度慢、燃尽率差的特点外，在粉磨性能方面也有较为明显的差别。由于无烟煤较之烟煤通常成矿地质年代更为久远，因而质地变硬，易磨性变差。因此，必须尽可能地降低低挥发分煤地煤粉细度（筛余值）和水分以弥补其燃烧特性的不足。
煤粉制备采用Φ2.6x7.5m风扫式煤磨台时产量12t/h,煤粉细度＜1-3%（0.08mm标准筛筛余），出磨物料湿度＜1%。考虑到原煤的波动,进厂原煤入库后经皮带机送入煤磨系统的两个碎煤仓,经计量称计量后入磨，粉磨后的煤粉随气流经过动态选粉机，分离出的粗粉回磨继续粉磨，细粉随气流进袋收尘器，收出的成品由螺旋运输机送入煤粉仓或回磨头,根据粉磨情况可随时作出调整。煤粉仓的煤粉经过转子粉体称计量，由一次风把煤粉通过四通道燃烧器吹入窑内燃烧。
项目建成后，煤磨系统完全能够满足生产需要,动态选粉机的应用使得系统产能有了较好的保障，台时产量达到10t/h,煤粉细度＜1-3%（0.08mm标准筛筛余），出磨物料湿度＜1%。
1.3.6窑头燃烧器
窑头采用四通道燃烧器，可使燃料周围的一次风非常均匀，火焰沿窑轴向喷射很深，活泼有力，形状长短适宜，对燃烧非常有利，同时可方便的用调节手动碟阀来调节风的比例，以改变火焰的形状。
随着煤质的不断下降，煤粉水分和细度也很不稳定，但四通道煤粉燃烧器却均能适应，满足窑物料煅烧的需要，而且可以最大限度的降低NOX的生成量。由于四通道煤粉燃烧器更易控制火焰形态，避免了对窑的冲刷，窑内物料结粒均匀，有效地保护了窑皮，也避免了窑的前结圈。
1.4 运行技术经济指标
本次工程从开工建设到达标达产历时一年时间。在生产调试阶段，由于对劣质煤煅烧工艺的认识不足，各方人员在调试上走了不少弯路，最终经过建设方、施工方及我设计方的共同努力下，实现完全燃用劣质煤，窑产量稳定在1200t/d。各投产后的数据见下表。
2.1 工程背景
祥云建材（集团）有限责任公司1000t/d新型干法水泥生产线于2001年底建成点火投产。由于各方面的原因，工厂一直不能达标达产。云南澜沧江开发实业公司收购该工厂后，委托我院对生产线烧成段进行使用无烟煤的扩能改造，并满足制成中热水泥的熟料要求。工厂于2005年9月15日停窑改造，2006年1月25日改造完成开窑，于2006年3月燃用100％无烟煤达产达标，且完全满足制成中热水泥的熟料要求。
2.2 技改原则及内容
要求采用成熟可靠的先进技术，使用100％无烟煤为燃料，熟料产量达到1300t/d，且施工周期短，充分利用原有的建筑物和设备以降低投资。
表5 技改前后部分主机配置
2.2.1 生料配料
由于原设计的石灰石预均化堆场未能实际使用，为保证技改后生产原料供应的稳定，在生料配料库中加入在线射线分析仪，实时对生料配料进行调节。
2.2.2 回转窑改造
更换回转窑主减速机大小齿轮，速比i＝30.794改为i＝26.8，从而将窑速提高到4.0r/min降低负荷，从而为系统扩能创造条件。
2.2.3 预热器
经过我方工艺核算（见表6），原五级旋风筒系统可以满足无烟煤燃烧及提产的要求，对系统中部分部位进行了改造。
表6 预热器工艺核算参数表
为增加C1筒收尘效率，增加了其内筒的高度，在进口处增设导流装置。
更新了锁风阀，此种锁风阀为外支撑双轴承式单层锁风阀，阀板活动灵活，考虑其长期受高温生料冲刷情况下，阀板采用耐热钢，且打上浇筑料。
窑尾缩口原尺寸1140X1140mm在1300t/d下风速为34.87m/s偏高，将其改为1200mmX1200mm，且加上闸板，便于生产中对窑内的压力进行方便的调节。此处下料管上翻板阀的位置太高，将其下移到离撒料盒2.5m处。
C4原下料分为2部分，原分料阀为手动阀，现改为执行器接入中控。下到窑尾缩口出的料管保留，而另一部分分到内炉现改为下到外挂炉内。下料管以60°穿过预热器各楼层，在其中段楼层面处设一翻板阀。原内分解炉的喷煤管道取消，改到外挂炉底部分两处喷入。
由于使用无烟煤，在预热器的部分下料管及锥体处增设了空气炮。
2.2.4 分解炉
在同一规格的系统配置下，想大幅度提产，可以提高入窑物料的分解率，另需应用无烟煤的正常煅烧熟料，在河田厂的设计及投产的基础上，我方仍使用加外挂N-MFC炉的方式（见图2，工艺参数见表7）。此炉型为独立的的框架结构，土建上不与原有预热器框架发生影响，土建投资低，而且在建设前期原系统仍可以正常生产，当两个系统接口安装时才需停窑改造，从而大大缩短施工生产投产时间。
图2 分解炉布置图
N-MFC炉顶出口鹅颈管支撑在原预热器框架上连接，由于原框架为钢结构，在通过结构上的许可后，也通过钢结构与之相连接。与原内炉的接口处，尺寸通过浇筑料对其进行适当的调整。
表7 分解炉有关参数
2.2.5 窑中三次风管改造为Φ1570mm（有效内径），在靠近窑尾处接风管对称分两处进入分解炉，取消原进入内分解炉的三次风接口，已改为外挂N-MFC炉鹅颈管进口。
2.2.6 窑头对原有的单筒冷却机进行拆除，在原有的土建基础上立篦冷机基础，节省了投资。新加篦冷机，需余风收尘系统，本次技改设计的为电收尘器，适当的增大了收尘风量，在生产运行及操作方面有一定优势。篦冷机长度比单筒冷却机短，因而在其下部增设一台熟料槽式输送机接到原有的熟料输送设备上。
窑头拆除原有一次风机和三通道燃烧器，新增罗茨风机和四通道燃烧器。燃烧器采用了NH四通道燃烧器。其尾部进风系统可免贴瓷片,彻底解决了煤粉通道入口的磨损问题；不对称出风防止煤粉未燃尽前沉落,强化传热、燃烧燃尽过程，特别适合无烟煤；新型倒焰罩避免窑中有害气体对燃烧器头部的腐蚀，有效延长燃烧器的使用寿命；且一次风用量低，占燃烧空气量的10%以下；燃烧效率高，消除了不完全燃烧，实现高强度的燃烧，焰强劲有力，结构合理，调节便捷，火焰形状可满足各种窑工况的需要，有利于水泥熟料的结粒及f-CaO的吸收，从而达到提高水泥熟料质量的目的。
2.2.7 煤粉制备系统改造
在Φ6X9m原煤储存库下增加两台皮带计量称，从而可以根据原煤的波动作出不同煤种的配比调整，达到较好的粉磨效果。将原有粗粉分离器改为动态选粉机，取消粗粉分离器及细粉分离器的循环风道，调整磨内钢球级配，从而使系统在高产的同时提高粉磨细度，以达到无烟煤的燃烧要求。
2.3 建设效果
本次工程从停窑改造到改造完成开窑仅历时4个月时间，而仅经过一周时间即达标达产，实现100％燃用无烟煤，窑产量提产到1300t/d，制成中热水泥完全满足各方面指标。各投产后的数据见下表。
三 小结
通过河田劣质煤煅烧再到祥云100％无烟煤的煅烧成功，表明我院在低挥发分煤及劣质煤煅烧水泥熟料技术上的成熟可靠，其产品质量优质，生产投资成本低，这对于我国缺乏烟煤资源的地区，如何利用当地无烟煤及劣质煤煅烧水泥熟料提供优质水泥，实现水泥行业的低耗高产，提供了一个有效的途径。
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