分解炉替代燃料木屑入炉系统的优化

分解炉替代燃料木屑入炉系统的优化

陈国炳1潘素永2

1. 云南西南水泥有限公司，云南昆明650599；2.新天山普洱西南水泥有限公司

来源：《新世纪水泥导报》

0引言

《水泥单位产品能源消耗限额标准》（GB 16780-2021）规定：2022年11月1日以后，运营生产线能源消耗至少要达到3级能耗要求。新天山普洱西南水泥公司现有1条2 500 t/d熟料预分解窑水泥生产线，配套Ф5.2 m的NC型在线管道式分解炉，2015年对分解炉进行扩容优化成Ф5.8 m NC-SST型管道－喷腾式分解炉。烧成系统经过多次优化，熟料煤耗一直偏高，达不到《水泥单位产品能源消耗限额标准》（GB 16780-2021）的3级能耗要求，所以在进行系统降耗优化的同时，公司积极寻找替代燃料[1]。在进行优化的过程中由于考虑不周全，发生了斗式提升机爆炸事件。本文对该事件的原因进行分析，并介绍分解炉替代燃料木屑入炉系统的优化方法及效果。

1生物质燃料的使用过程

普洱地区由于地理环境优势，生产制造生物质燃料——木屑条（成型前的木屑渣）的商家有10家以上，其主要原料是木材加工厂或是家具厂的废料（见表1所示），其产品主要供给产茶企业进行烤茶使用。其产品经云南省煤炭产品质量监督检验站检测，收到基发热量为4 079 kcal/kg（见表2所示）。

2木屑用作替代燃料入炉工艺的第一次优化

2.1优化前的基本情况

我国水泥工业熟料煅烧使用的燃料都是化石燃料煤，使用替代燃料会对水泥窑的性能和操作带来影响[2]。公司使用生物质替代燃料的最早方案是使用电动葫芦由人工将木屑条吊装到预热器塔架四42.8 m平台的储存仓内，经皮带秤计量后从分解炉的中部喂入，喂入量为1.5 t/h[3]。

2.2对木屑使用工艺的调整

1.5 t/h木屑条的喂入量不能满足上级公司提出的替代窑尾用煤量30%以上的要求。熟料产量按2 900 t/d、熟料标煤耗按3级标准109 kg/t熟料计算，窑尾用煤量每小时为：2 900/24×109×7 000/5 500×0.6≈10 058 kg（注：7 000是标煤发热量，5 500为入窑煤粉发热量，0.6是尾煤正常用煤比例），按生物质燃料进厂平均热值在3 850 kcal/kg计算（因为供应商使用材料的和进厂的水分变化，所以平均热值与送省煤炭产品质量监督检验站热值有区别），如果是同等热量替代，则每小时需要喂入生物质燃料（10 058×30%×5 500）÷3 850=4 310 kg，即4.31 t/h木屑的喂入量。

为了在生产中持续使用木屑，且喂量≥4.31 t/h，公司技术人员根据现场位置又重新进行了工艺设计：木屑条在原煤储存库堆放，用铲车铲装到下料斗中进行下料，下料口下部工序安装一套规格TDG80135的调速定量给料机，经计量后的木屑条经定量给料机输送到双级粉碎机进行破碎(破碎后的颗粒大部为3~5 mm,部分细粉状，与木屑条成型前的木屑渣相似),经粉碎后的木屑落到斗式提升机，提升机的出料口与木屑在分解炉锥部喂入点管道相连，管道上用高温分格轮进行锁风以防系统正压回火造成提升机设备事故。工艺流程如图1所示，现场安装如图2所示，选用设备见表3所示。

2.3第一次优化后运行发生爆炸事故及原因分析

2.3.1斗式提升机爆炸过程

木屑条破碎系统于2023年5月18日21:30开始投入运行，到5月19日早上7:00,木屑使用量可以加到3 t/h,系统运行较稳定。从投料运行效果来看，工艺流程布置非赏合适，但是运行到5月19日下午16:20,输送木屑渣的斗式提升机在没有任何征兆下发出一声巨响，爆炸导致提升机尾部壳体炸裂，整个壳体变形鼓起，还有一块壳体飞出6 m之外，木屑渣被喷得更远，如图3所示。

2.3.2原因分析

(1)木屑渣中的细粉尘是具有粉尘爆炸危险性物质分类中的第7类——林产品类4。

经过破碎后的木屑形成了大量的细小粉尘，粉尘在提升机壳体内形成循环(提升机的料斗和出料舌板存在安全距离，颗粒细小的粉尘就会因离心力不足而不能被卸出到出料舌板上，从而在壳体内往复运行),浓度在持续生产中越来越高，最后突破爆炸极值。未破碎的木屑在转运、铲装以及提升机内部循环也会形成非常大的粉尘量(图4所示为破碎机调整到提升机出料口与分解炉之间的后运行约24 h打开底部检修门清除的细粉)。

(2)粉尘爆炸发生的要素之一——点火源。

一是板链提升机的链条与尾轮或是头轮的长时间摩擦产生高温，产生的温度达到了生物质燃料高挥发分自燃的条件(根据相关资料介绍，木屑的燃点根据材质不同在200～400℃),如表4所示，1～4月份之前进厂木屑的挥发分也在78.08%～79.06%,但未能在系统中产生自燃或是爆炸，没有发生安全隐患，主要是这个系统中没有破碎和破碎后输送这道工序。这道工序是5月份为了提高替代量而增加的。当月木屑挥发分达到79.28%,是烟煤的3.5倍，众所周知，燃料的挥发分越高，比表面积越大，自燃就越容易发生。

二是系统的静电产生火花为爆炸提供火源(安装时未对系统的壳体做静电跨接)。

1. 所做的防爆门偏小、偏少，对生物燃料的爆炸威力预估不足，在提升机安装运行之前配置一个300×400的防爆阀，如图5所示。

2.4整改措施及效果

2.4.1整改措施

针对分析出来的原因进行整改及工艺优化：

(1)要解决提升机内粉尘的循环问题，就需要把破碎机的位置进行调整，从原来的生物燃料颗粒破碎后进入到输送提升机调整为出提升机后再进行破碎。这样提升机内的粉尘浓度就会大幅度减少或降低到爆炸积限范围以外，同时要求岗位人员每24 h对底部进行一次粉尘清理，降低提升机内粉尘循环浓度。

(2)增加防爆阀的面积。对爆炸事故现场进行分析，爆炸威力最大的位置在尾轮处，所以从尾轮处开始要有足够的泄爆面积。根据新提升机壳体的结构特性，对下部每节壳体配设一个500 mm×1000 mm的自动闭合式防爆阀门(尾部做3个、上部1个),总泄爆面积为2m²,如图8所示。

(3)在提升机的每个节段处和破碎机的上下连接处全部敷设防静电跨接线，以消除静电隐患。

2.4.2整改效果

整改后，在6月份的运行中同样使用挥发分为76.35%的木屑，没有出现爆炸事故，实现了连续可靠运行。

3木屑入炉系统的再优化

为了能够进一步降低碳排放，降低熟料的能耗指标以及降低燃料成本，积极探索新的使用方案，根据生物质燃料——木屑条的生产工艺来看，未压制成型前的形状(木屑渣)和经过破碎后形状相差不大(如图9所示),我们决定直接采购木屑渣。于是，木屑渣入炉工艺优化成：在提升机的出料口处做一个旁路，木屑渣不经过破碎机就进入到分解炉锥部，分解炉锥部与下料管之间用锁风翻板阀进行锁风控制，如图10所示。此次替代品种和工艺的改变从2023年8月开始试用到2023年10月结束，未发生爆炸和其他安全事故，替代量也是逐月增加，从5月份最大量495t增加到10月份的2357 t,分解炉锥部对木屑渣的使用量增加到现在8 t/h左右，如图11所示。

因为采购的木屑渣(供就商不再进行压制成型，所以烘干过程中就没有严格要求)造成进厂水分偏大，平均热值只有15257 kJl/kg左右，不考虑其他因素进行同热值替代煤粉(煤粉热值按22990 kJ/kg,则替代量：8×(3650÷5500)≈5.3 t,替代比例5.3÷(5.3+6.7)≈44.16%)。替代比例超出了上级公司下达30%的任务目标。经过10月份15天的运行，公司的熟料单位产品综合煤耗和综合能耗达到1级限额标准企业。

4结束语

如上所述，我公司使用替代燃料木屑属于摸着石头过河，走了弯路，这为兄弟单位积累了经验。生物质替代燃料的工艺选择，以及使用过程中的预防措施必须要提前谋划。特别是在使用破碎机的流程中更要注意系统中就会产生一些未知的因素，甚至会有没有预判到的情况出现，从结果再找起因就会很被动。现在每个水泥企业都在寻找合适的替代燃料，就需要提前了解其(物理和化学)特性以防止发生产安全事故。

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