高海拔地區(qū)4 000 t/d生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)的設(shè)計

  摘要：青海宏揚水泥公司4 000 t/d熟料預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線海拔高度3 315 m，設(shè)計時實施高海拔校正，該項目燒成系統(tǒng)熱耗比平原地區(qū)增加15%左右，海拔系統(tǒng)產(chǎn)量修正系數(shù)約為0.73。燒成系統(tǒng)設(shè)計采用了一套改進(jìn)型雙列五級CDC二代預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、Φ4.8 m×72 m回轉(zhuǎn)窯和第四代S型篦式冷卻機等設(shè)備組成的窯外分解煅燒系統(tǒng)，日產(chǎn)熟料4 000 t，熟料燒成熱耗3 554.36 kJ/kg（850 kCal/kg）。本配置在平原地區(qū)，其熟料生產(chǎn)能力可達(dá)到5 500 t/d左右。建議業(yè)主在適當(dāng)時機增設(shè)窯頭膜法富氧助燃節(jié)能裝置，但增氧方式值得認(rèn)真論證，不可盲目照搬其他工業(yè)的成功經(jīng)驗。

  0 引言

  青海宏揚水泥公司4000t/d熟料預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線位于青海省格爾木市以西、109國道K2796km處，距格爾木市區(qū)約50km，緊臨青藏公路（109國道）和青藏鐵路，地處青藏高原，場地海拔高度3315 m。該生產(chǎn)線日產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料4000t，年產(chǎn)P·O 52.5級普通水泥、P·O42.5級普通水泥和P·C32.5級復(fù)合水泥共計165.78萬t，采用當(dāng)?shù)氐膬?yōu)質(zhì)煙煤作為熟料燒成燃料。生產(chǎn)線于2012年11月投產(chǎn)后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，平均日產(chǎn)熟料4200t，最高4800 t，達(dá)到和超過了設(shè)計能力。現(xiàn)將該項目燒成系統(tǒng)設(shè)計的成功經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，以資借鑒。

  1 設(shè)計條件

  1.1 原燃料

  該項目采用石灰石、板巖、粉煤灰和鐵粉四組分原料配料，它們的品質(zhì)指標(biāo)符合預(yù)分解窯熟料生產(chǎn)的控制要求。

  擬建廠區(qū)地形較平坦，占地面積約20公頃，場地海拔高度3 315 m，場地高差約10 m。年平均氣溫4.3 ℃（最高35.0 ℃，最低-33.6 ℃），年平均相對濕度33%，年平均降雨量40.2 mm，平均風(fēng)速3.1 m/s（最大風(fēng)速40 m/s）。

  根據(jù)該項目的海拔高度（3 315 m）計算出的大氣參數(shù)如下：大氣壓力505×0.133 3 kPa（為0海拔大氣壓力的66.45%），空氣重度0.93 kg/m³，大氣溫度-1.55 ℃，氧氣的絕對量約為0海拔的74.81%左右。

  海拔高度升高、空氣氣壓降低，空氣變得稀薄，相同體積下的空氣質(zhì)量降低，氧含量也就隨之減少。氧氣的絕對量變小，由此導(dǎo)致了相對缺氧。這些氣候特性對該項目的熱力設(shè)備系統(tǒng)、氣力輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、風(fēng)機、電動機、電氣柜等設(shè)計選型時均會產(chǎn)生較大的影響?？紤]不周就會影響設(shè)備能力的發(fā)揮，不能達(dá)標(biāo)、達(dá)產(chǎn)；考慮過多又會增加項目的建設(shè)投資，降低企業(yè)的經(jīng)濟效益。

  1.3 熟料生產(chǎn)能力

  熟料平均產(chǎn)量：設(shè)計保證值4 000 t/d。

  2 高海拔對燒成系統(tǒng)設(shè)計的影響

  高海拔地區(qū)空氣稀薄、高寒缺氧，對燒成系統(tǒng)的影響可以體現(xiàn)在燒成系統(tǒng)的各個方面，在設(shè)計中必須考慮大氣壓力對燒成系統(tǒng)的綜合影響。

  2.1 高海拔對碳酸鹽分解反應(yīng)的影響

  根據(jù)該項目所處的海拔高度，經(jīng)計算：碳酸鹽分解溫度為870 ℃，分解熱為380.3×4.18 kJ/kg，與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的相應(yīng)參數(shù)相比，分解溫度降低29 ℃左右，同時分解熱的提高很少，可忽略不計。這對于燒成系統(tǒng)，尤其是預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)的工藝設(shè)計和設(shè)備選型來說，應(yīng)當(dāng)引起注意。

  2.2 高海拔對回轉(zhuǎn)窯的影響

  （1）對窯內(nèi)風(fēng)速的影響：高海拔地區(qū)大氣密度小，相應(yīng)的單位體積中氧含量也減少，為滿足窯內(nèi)煅燒的需要，所用的工況空氣量比低海拔地區(qū)的量大，廢氣量也增加，窯尾飛灰有所增多。飛灰增多對窯內(nèi)的對流傳熱有利，但對回轉(zhuǎn)窯后續(xù)設(shè)備的運行有影響。

  （2）對窯內(nèi)傳熱的影響：該項目CO2分壓P

  CO2和水蒸氣分壓PH2O絕對值在高海拔地區(qū)有一定程度的降低，故其黑度及輻射傳熱能力分別以0.333和0.8次方減少，結(jié)合兩者在廢氣中的體積含量，就能得到窯內(nèi)CO2和水蒸氣的輻射傳熱情況。同時，由于窯內(nèi)含有大量的懸浮粉塵，這部分組分的傳熱能力并沒有受到高海拔因素的太大影響。

  當(dāng)窯氣在質(zhì)量、流量不變的情況下，空氣稀薄使窯內(nèi)傳熱效果較低海拔地區(qū)差。同時，溫度對輻射傳熱強度的影響比CO2分壓和水蒸氣分壓更為顯著，所以選擇性能優(yōu)良的燃燒器和高效篦冷機對于高海拔地區(qū)煤粉的燃燒至關(guān)重要，適當(dāng)提高火焰燃燒溫度能有效改善窯內(nèi)的輻射傳熱能力。

  （3）對窯內(nèi)煤粉火焰燃燒的影響：在高海拔地區(qū)，由于空氣稀薄、缺氧，會降低窯內(nèi)煤粉燃燒的反應(yīng)速率和燃燒溫度。燃燒溫度的降低對燃燒速度產(chǎn)生很大的影響，因此必須強化燃燒強度來提高燃燒溫度。在設(shè)計中，可以采取如下措施：一是采用性能先進(jìn)的燃燒器和高壓風(fēng)機，使燃燒器噴出的氣流有足夠大的動能；二是采用先進(jìn)的篦冷機，盡可能提高助燃空氣的溫度，改善煤粉的燃燒環(huán)境。

  因此，該項目采用高效大推力燃燒器和第四代S型高效篦冷機等設(shè)備，同時提高煤粉細(xì)度，能有效改善窯內(nèi)的燃燒溫度和燃燒速率，并確保入窯二次風(fēng)溫度，從而有效提高窯內(nèi)的燒成溫度。

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  2.3 高海拔對分解爐的影響

  高海拔對爐內(nèi)的對流傳熱和輻射傳熱都是有影響的。因此，針對該項目的需要，在分解爐的設(shè)計中，重點考慮了滿足爐內(nèi)煤粉的完全燃燒，即要求分解爐內(nèi)有較高的燃燒溫度和較強的燃燒強度，保證有足夠的三次風(fēng)量。在分解爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮彌補空氣稀薄對爐內(nèi)煤粉燃燒速度和燃燒溫度的影響，要求形成良好的噴—旋結(jié)合的流場，以保證爐內(nèi)有足夠的煤粉燃燒時間和物料停留時間。

  2.4 高海拔對預(yù)熱器的影響

  該項目設(shè)計的旋風(fēng)筒連接風(fēng)管，已能滿足所需的熱交換時間，所以從傳熱的角度考慮，如高海拔地區(qū)系統(tǒng)內(nèi)的工況風(fēng)速能較低海拔地區(qū)適當(dāng)提高，將不會影響系統(tǒng)的傳熱效果，適當(dāng)高的風(fēng)速也可避免設(shè)備規(guī)格過大增加。

  但是高海拔會引起整個燒成系統(tǒng)工況風(fēng)量有較大幅度的增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的工況料粉濃度有較大幅度的減少。在一定的料粉濃度范圍內(nèi)，旋風(fēng)筒的分離效率會隨著系統(tǒng)內(nèi)的工況料粉濃度降低而降低，所以從料粉濃度的角度來看，高海拔旋風(fēng)筒的分離效率有一定幅度的減少，這一點在設(shè)計過程中已適度進(jìn)行了考慮。

  2.5 高海拔對篦冷機的影響

  在高海拔地區(qū)，篦式冷卻機工作氣壓下降，氣體體積增加。在該項目設(shè)計時，我們適當(dāng)加大篦冷機規(guī)格，保持氣流通過篦床的流體阻力不變。

  在設(shè)計時，如維持篦冷機規(guī)格與低海拔時不變，這時需保持通過單位篦板面積的空氣質(zhì)量、流量不變，氣體流速和密度將隨氣壓的下降而下降。同時，考慮到氣體流量的增加量，篦冷機下風(fēng)機的功率增幅較大。綜合考慮，對于高海拔地區(qū)，篦冷機的設(shè)計應(yīng)適當(dāng)加大規(guī)格較為合適。

  如前文所述，通過高海拔校正，該項目燒成系統(tǒng)熱耗比平原地區(qū)增加15%左右，海拔系統(tǒng)產(chǎn)量修正系數(shù)約為0.73。依據(jù)這些分析的設(shè)計既滿足生產(chǎn)要求，又有合理的經(jīng)濟性。

  3 燒成系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)備配置

  根據(jù)該項目的建設(shè)規(guī)模和地處高海拔地區(qū)這一特殊情況，熟料燒成系統(tǒng)設(shè)計采用了一套改進(jìn)型雙列五級CDC二代預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、Φ4.8 m×72 m回轉(zhuǎn)窯和第四代S型篦式冷卻機等設(shè)備組成的窯外分解煅燒系統(tǒng)，日產(chǎn)熟料4 000 t，熟料燒成熱耗3 554.36 kJ/kg（850 kcal/kg）。本配置在平原地區(qū)其熟料生產(chǎn)能力可達(dá)到5 500 t/d左右。系統(tǒng)主要設(shè)備配置見表1。

  4 燒成系統(tǒng)的操作控制參數(shù)

  項目投產(chǎn)后，燒成系統(tǒng)的主要操作及控制參數(shù)見表2。

  從熟料燒成系統(tǒng)的運行參數(shù)看，產(chǎn)量能穩(wěn)定在4 200 t/d。

  5 結(jié)束語

  生產(chǎn)運行情況表明，該項目熟料燒成系統(tǒng)的設(shè)計是成功的，適應(yīng)了高海拔的特殊氣候條件，達(dá)標(biāo)時間短，技術(shù)指標(biāo)較為先進(jìn)，取得了良好的經(jīng)濟效益。為了最大地發(fā)揮系統(tǒng)潛能，建議業(yè)主在適當(dāng)時機增設(shè)窯頭膜法富氧助燃節(jié)能裝置，可將當(dāng)?shù)氐目諝夂趿坑?5.65%增加到21%左右（達(dá)到0海拔的含氧量水平），進(jìn)行窯頭燃燒器的增氧助燃，以彌補高海拔地區(qū)氧氣含量不足，解決煤粉燃燒不完全的問題，可進(jìn)一步提高熟料產(chǎn)量。當(dāng)然，增氧方式值得認(rèn)真論證，不可盲目照搬其他工業(yè)的成功經(jīng)驗。