技术 | 预分解窑配置六级预热器的利弊分析与对策

引言

预热器系统作为预分解工艺装备的核心组成部分之一，伴随着水泥工业的迅猛发展，其结构性能不断得到优化，各大水泥设计院均围绕“高效、低阻、节能、环保”的设计创新理念，从上世纪80年代的四级预热器系统、90年代以后的五级预热器系统，再到如今的六级预热器系统，技术进步有目共睹。目前六级预热器系统被列为新建预分解窑水泥生产线的标配之一，但放眼国内新近建设的生产线，并未掀起采用六级预热器的热潮，说明各方业主理念存在差异，存在种种顾虑因素，尤其是近几年水泥行业效益相对较好的大背景下，既常规又不承担决策风险的五级预热器依然是主流。为此，笔者结合某公司新线建设前前后后的经历，对采用六级预热器系统的必要性进行简要论述，并针对出现的弊端，介绍采取的配套技术措施，仅供同仁们参考。

该公司产能置换6000t/d生产线于2018年底正式开工建设，之前对如何确定预热器系统的结构形式选择成为焦点问题之一，采用六级预热器还是五级预热器，公司为此还专门召集各方专业人士进行论证，倾向于采用常规成熟的五级预热器系统的意见也不少，尤其是余热发电技术的全面推广，让不少人在提出使用五级预热器系统时，理由显得比较充分，易颠覆熟料生产和余热发电孰轻孰重的问题，往往会把相对偏低的六级预热器出口烟气温度对发电的直接影响扩大化。为此，公司还专门成立了考察小组到国内各大水泥集团部分生产线进行了实地借鉴学习，通过多方学习以后，进一步确认了六级预热器是今后水泥生产线降低综合能耗尤其是煤耗的必备条件之一，运行效果并不差。

在当前国家强力推进碳达峰碳中和目标任务的大背景下，今后水泥窑系统终归还是要以节煤为主旋律，生产线煤耗得到降低以后，单位电耗自然会落入良性循环，也才符合绿色低碳可持续发展的产业政策。因此，公司最终决定采用六级预热器系统。

2.1 降低预热器出口废气带走热量

当前国内水泥生产线以4000～7000t/d五级预热预分解窑为主，根据各方报道的热工标定数据，C1筒出口温度平均在310～335 ℃，废气带走的热量比例普遍占到了熟料热耗的20%～23%，应该说损失不小。按照第二代新型干法水泥熟料生产工艺纯理论推算，如果C1筒出口温度能够下降到260 ℃左右，预热器出口废气带走热量比重可低至17%以下，目前国内确实也有少量生产线达到此水平。

采用六级预热器后，C1筒出口温度能降低到什么水平，各大水泥设计院给出的理论计算结果低至260～270℃，但是在实际生产过程中，受制于各种因素的影响，从国内目前已投产的生产线数据来看，绝大部分生产线维持在270～290℃，相比常规五级预热预分解窑生产线下降大约35～40℃。按照烟气成分理论推算得出的经验值，C1筒出口温度每降低10℃，熟料热耗可下降22kJ/kg.cl左右，由此可知废气温度降低后，吨熟料标煤耗可节约3kg左右，这是采用六级预热器最核心的价值所在。

2.2 取消窑尾增湿塔设计

业内人士都知道，窑尾增湿塔是水泥生产线中单体较大、占地面积较大、日常故障维护风险极高的工艺设备之一，建设投资也比较大，设计环节能够将其取消是求之不得。采用六级预热器后，随着废气温度的降低，尤其是纯低温发电系统近95%以上的同步运行，电站故障情况下将废气温度调整到生料磨正常热风200℃左右就相对容易很多，无需再独立设置增湿塔，而采用管道增湿，在纯低温发电投运、退炉时以及窑况不正常的情况下就可进行温度调节。

2.3 节约水资源

常规五级预热预分解窑生产线运行中，为满足后续生料磨及其收尘设备正常运行，窑尾废气增湿降温消耗的水不少，尤其是生料磨能力偏大、窑磨同步运转率偏低的生产线，由此专门配套设计了一个庞大的增湿塔及其喷水系统。水资源短缺是我国的基本国情，该公司新线建设所在地缺水尤为突出，如何节约水消耗始终要贯穿于生产线设计、建设和生产维护全过程。

2.4 可有效改善高温风机的运行环境

窑系统高温风机是核心设备，一般情况下都要求入口废气温度不能超过350℃，短时最大承受温度应在450℃以内。但众多生产线实际情况并非如此，异常故障情况下高温风机入口温度往往会超过450℃，对设备造成重大冲击。采用六级预热器以后，临时故障开停窑过程中高温风机入口温度超高的情况微乎其微，达到450℃以上的可能性就更小了，可有效保证核心设备的完好性能。

2.5 减少窑尾袋收尘器高温烧袋损毁情况

窑尾袋收尘器作为生产线的重要设备，滤袋损坏除了含尘烟气的正常冲刷磨损以外，非正常情况下出现高温烟气造成烧袋或受损也是时有发生。窑尾滤袋一般要求烟气温度不能超过260℃，经过六级预热器处理后排出的废气温度更安全可靠，高温烧损滤袋问题基本可以杜绝。

2.6 窑尾发电SP炉规格型号变小

废气温度降低后，窑尾锅炉负荷明显变小，相比常规生产线，锅炉规格减小，建设投资得到节省。

表1列出了6000t/d六级预热预分解系统部分工艺参数。

表1 6000t/d六级预热预分解部分工艺参数表

（1）由于相比常规预分解窑多增加了一级旋风筒及其连接风管，系统通风阻力会相应增大500Pa左右。

（2）根据各大水泥集团已投产的一些生产线电耗数据，随着系统运行阻力的增加，高温风机吨熟料电耗略有上升。但是经过综合窑尾废气处理系统设备减少、通风阻力不同程度降低、吨熟料煤耗下降使得煤粉制备耗电减少等等产生的节电效果加权以后，窑系统吨熟料电耗基本持平。

（3）预热器出口废气温度下降，直接影响的是窑尾电站锅炉的发电效率，温度越低，热回收利用越困难，根据各条线废气温度高低不同，六级预热器比五级预热器窑尾锅炉少发电5～8kWh/t.cl。

（4）预热器框架高度必然增加，但是从各大设计院新近开发的预热器系统布局来看，从旋风筒锥体偏锥设计、下料管走向优化、分解炉柱体与高温级旋风筒之间的连接管道从侧面出风等等多方面进行优化布局以后，框架高度增加部分可控制在15m以内。

（5） 预热器出口废气温度降低对生料制备物料烘干带来了新的问题，热源经过窑尾锅炉发电利用以后，用于物料烘干的热量并不充裕。

（6）预热器高度增加以后，位于高处的中低温级旋风筒一旦发生生产故障，处理难度相应会有所增加。

表2列出了国内部分6000～7000t/d的五级、六级预热器系统指标对比。

表2 六级预热器与五级预热器系统对比

（7）篦冷机热量分配捉襟见肘，除了入窑二次风、入炉三次风的质量和数量优先确保以外，对中温的需求极大，煤磨制备煤粉烘干热风、垃圾焚烧飞灰无害化处置烘干热风、窑头AQC炉发电基本热源等等，都要靠中温区提供热量，需求明显大于可供应量。

4.1 正确认识余热发电在水泥生产中的位置

从水泥窑配套建设的余热发电装备技术的发展演变过程可以看得出来，从早期的中温发电到如今的纯低温余热发电，说明了余热发电原则上不能多用水泥熟料生产过程中的热源，毕竟目前水泥窑配套的电站发电效率总体都是比较低，靠牺牲煤耗来发电不可取。尤其是当今以碳达峰、碳中和为主旋律的时代，电站发电用的热量自然来源于燃煤燃烧产生的热，从碳排放降低的角度考虑，显然得不偿失。因此，对余热电站的定位一定要以“利用多余的热量发电”为根本宗旨，电站系统能够与窑系统同步并网运行即可。

4.2 增设简易管道增湿装置

早些年建设的新型干法水泥生产线，在窑尾高温风机后面专门配套设计了增湿塔系统，达到降温、调节比电阻、沉降粉尘等目的。随着余热发电的配套使用，尤其是六级预热器的投运，废气降温压力明显减弱。为此，把C1筒出口到高温风机的连接风管的中下段，将风管截面积扩大为常规风管的2.5倍左右，设置喷雾系统后即为简易管道增湿装置，充分利用预热器框架作为支撑载体，管道底部设置积灰斗及其卸料输送设备入库，还设置有紧急外排口。

值得注意的是，废气增湿后，含湿量较大的烟气进入窑尾SP炉时，会增加换热管束表面粉尘粘附现象，造成电站不能有效运行。因此，入SP炉的烟气接口必须放在管道扩径增湿之前。

4.3 选用适应性能较优的立式辊磨

随着近些年来生料辊压机终粉磨技术的不断成熟和推广应用，新建大型水泥生产线，针对生料制备系统通常绕不开两个问题，一是用立磨还是辊压机，二是两磨供一窑还是一磨一窑。采用辊压机制备生料相对于立磨的优缺点都是比较明显的：优点主要体现在吨生料制备电耗比立磨低3～5度，备品备件费用相对较低；主要缺点就是对物料水分比较敏感，烘干能力有限，主机设备不具备在线检修条件，由此产生的故障停机会增多，生产连续性不足。

我国水泥工业发展到今天，“均衡稳定连续运转”已成为生产共识，是生产线高效低耗运行的最终途径，为此，生料磨的选型指导原则应该是以单台磨为主，设备维护简单可靠，对物料水分及硬度适应能力强。基于该原则，该公司选择了1台四辊式立磨。

4.4 精细优化预热器C1筒隔热保温措施

从当前已投产的多数六级预热器预分解窑数据来看，预热器出口温度普遍在270～290℃，通过测算可知，如果SP炉入口烟气温度从260℃提高到270℃时，在其余条件不变的情况下，吨熟料发电量可提高1.5～2.0kW·h。为此，对C1筒总共4个旋风筒耐火材料进行了特殊处理，由常规的“硅酸钙板+耐火砖”优化为“隔热纳米材料+耐火砖”，以努力提升入SP炉烟气温度。

4.5 篦冷机中低温区域之间进行强制隔离

针对篦冷机中温供应压力比较大、低温区鼓入的冷却风容易掺入到发电及其煤磨热风之中造成风质下降的情况，在不影响篦冷机正常运行的前提下，在中、低温区域之间增设了活动式隔离挡风板，用以稳定抽取热风的温度，以满足纯低温余热电站对AQC炉烟气温度的最低要求。

以第二代新型干法水泥生产工艺技术标准为基础，对新生产线进行选型设计，总体上不会有大的问题，但就具体的子系统工艺及设备选型，还需根据工厂实际情况，考虑良好的适应性和可靠性。第二代生产线窑系统在运行中暴露出的一些弊端，针对性地采取相应的措施后，应该可以将其对生产组织的影响降到最低。发电系统首先是保证能够跟窑系统同步并网运行，只要确保窑头余风温度足够低，窑尾废气没有出现无谓的浪费，电站系统自身相对完好，就无需过度要求余热发电非要有多高的发电量。

作者：何文明，马林文

来源：《云南红塔滇西水泥股份有限公司》

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