浅析我国现有预热预分解窑改造技术

　　改革开放二十年，我国水泥工业产量的增长是引人瞩目的。但是产品产业结构的不合理，现代化技术水平的不均衡，可持续发展的目标要求不明确，是冷静进入21世纪需要考虑的。面对现实，资金筹措困难，新建扩建不容易，技术改造成为热潮。然而如何判定、如何选择、如何开拓新的工作思路，使技改工程体现出必要性、可行性和最优化是水泥行业工作者面临的挑战。

　　1、诊断性工作

　　我国水泥产业结构不合理的突出表现是回转窑少，新型干法窑更少，新型干法窑不仅是预分解窑(以下简称NSP窑)也包括预热器窑(简称SP窑)，立筒预热器窑，旋风预热器窑都属于此。我国新型干法窑有大有小是符合国情的，不同规模选用不同型式也是合理的，不必急于改小增大或改SP为NSP。笔者以为我国现有预热预分解窑可分为80年代中期前后两类，80年代中期以后建设的SP窑和NSP窑由于资料信息比较充裕，试验实践条件也好，技术水平都不低。例如大量的300t/d、600 t/d SP窑和1000t/d、2000 t/d NSP窑，还有3000～7000t/d规模的NSP窑等等，有国产的亦有引进的。尽力使它们达到应有的性能指标，充分发挥他们的潜能是首要的。维护、使用、认识和掌握是关键，最好不要轻易改动。在实现达标达产，长期稳定运转的基础上，节能降耗，降低成本，提高竞争力，体现优越性。一般设备的产量富裕能力都有10%甚至20%，可以挖掘。冷静地使用掌握好这一批窑型，待驾轻就熟之后再作考虑，可以更上一层楼，非小改小革可以比拟。

　　关于80年代中期以前的预热预分解窑由于历史的原因，确实存在问题。真正需要投入进行技术改造的应是这一类，也是本文想要阐述的重点。

　　众所周知，NSP窑是在SP窑的基础上发展起来的，相距约20年，有一个积累经验，掌握和提高技术的过程和时间。而我国几乎是跳过SP发展NSP，且当时的技术环境与条件也比较差，许多初期建设的中小型新型干法窑生产中出现的问题，实际是SP的问题，也交错着炉子问题。这些预热预分解窑的规模在2000 t/d以下，大部分在1000 t/d以下。窑规格在Φ2.4～Φ4.0m范围内。长期达不到设计产量是基本状况，也有勉强达到但难维持稳定。当前，这些工厂纷纷提出改造要求，做好改造前的诊断对症下药是决定改造方案的成功可能性与投资效果最佳性的关键。

　　1.1、原有生产状况分析

　　在改造前必须对原有系统状况作详细的分析，具体应包括：工艺设备配套情况；工程土建、电气情况；操作管理、生产实绩及技术水平发挥状况；还有现场问题反映，曾采取的措施以及处理效果等。对原燃料的供应、制备、控制、均化条件亦必须关注，总之了解掌握系统问题所在是考虑改造的基础资料，也是改造前期的工作准备。

　　1.2、改造的目标值必须充分明确

　　为什么改造和要求改造的目标值必须清楚，要求在什么基础上提高，期望提高到什么程度，有没有可能性和可行性，工厂上下意见是否一致，厂院结合双方认识必须充分明确。改前应有标定数据认可，作为改后的对比基础。

　　1.3、正确估计投资额及投资到位可能
                  　　在尽可能低投资高效益的主导思想下多方案比较，使技改工程的技术经济指标、所需费用及工程量达到最佳结合，综合效果最优。根据资金情况，可分期分步进行，亦可一次到位。目的是做到收支平衡，得益相当。通过改造把企业搞好，而不要负债累累。

　　2、技术思路开拓

　　面对分布较广的中小型预热预分解窑技改需求，笔者认为在改造的思路上可以有这样几点：①具体情况具体分析，避免千篇一律，一哄而上；②结合国情，借鉴国外技改革新的有用经验；③将引进技术中的可用部分和大型国产化预分解窑设计技术中的适宜部分运用到中小型技改项目。

　　首先举两个国外的改造例子：

　　例1：一台原设计为610 t/d的Φ3.5 m×48 m SP窑，技术改造的第一步是挖潜革新使产量提高到900t/d(不含加把火)。主要是改善预热器系统热效率，使表观分解率由30%提高到50%，出系统废气温度降低约80℃，篦冷机由普通料层改为厚料层。第二阶段才是由SP窑改为NSP窑，但考虑的思路可以借鉴。既不是由原设计610t/d按常规再立一列相同的预热器并加分解炉，也不是在已提高的900t/d基础上再翻一番，当然也没有推倒重来，而是在充分核算检验了原预热器框架的应力数据后，提出一个可行的容纳在原框架空余空间内的新一列预热器系统，比原系统预热器规模稍小。外加Pyroclon分解炉，能力在450～600t/d。对于改造后的整体1220～1300t/d来说，新系统既分担了一部分产能，也为原系统减轻了负荷使生产更稳妥，运行更可靠。冷却机没有更换而是改进。值得注意的是两列系统都可以加把火。新一列有正规的分解炉，有单独的三次风管，纯空气燃烧，加入的燃料量约为该系统产量的40%，原有一列在窑尾上升管道内加入该系统产量的19%左右的燃料，在窑气中燃烧。亦可适当通一些新鲜三次风(根据需要)。改造工作很细致，很实用。并没有片面追求高产量，而是在原有条件基础上的充分发挥，灵活运用。

　　例2：一台Φ4 m×58mSP窑通过改造，产量一步步提高，由900t/d→1 500t/d→2200t/d。这种逐步改造为NSP窑的方式实际上是一种掌握完善提高的过程，也是对新型干法窑的认识过程。对于我国中小型厂家是十分必要的。目前有一些工厂已经这样做了，也取得了一定成果。从减缓一次性投资压力来看，充分发挥SP系统的功能，分期分步进行NSP窑的改造亦是有利的。

　　新型干法窑的优越性不仅在产量，更应体现在各项性能指标的先进和系统各部工艺设备的合理配置上。下面拟从窑系统的几个方面作一一叙述：

　　2.1、分解炉的设置

　　在原有SP系统上做NSP的文章，设置一个二次燃烧装置即分解炉是十分必要的，但是什么样的分解炉要根据技改目标值而定，可简可繁。如果增产幅度不大，可以是窑尾烟室上升管道的延伸或扩大，燃烧空气由窑内通过；如果增产幅度较大，则需单独设置分解炉、联接管道和整个分解区域，燃烧空气由专设三次风管供给。前者的增产幅度一般不超过设备性能产量的35%，后者可增至100%不等，甚至可更大。依据窑炉燃料量的分配以及改造工程的需要与可能而定。

　　改造工程的难点在于能在原有预热预分解系统框架结构布局的限定条件下设计一个适宜的能满足改造要求的预分解装置。使进气进料进煤位置分布恰当，流向顺畅，能确保物料尽快地均匀分散，燃料有效地燃烧和生料分解。炉型配置不拘泥于某种形式，例如我国早期的炉型主要是RSP和SF。现在可针对需要用适宜的新炉型放在框架内或单独设在框架外，亦或管形与罐形的结合。

　　也需从延长料气停留时间、强化流动形式、改善炉内环境气氛等方面着手，特别要注意适应性强的问题。地方厂的原燃料情况复杂，质量差是客观存在。除要求工厂尽量做到均匀搭配，适量存放，例如简易的均化堆棚均化措施外，设计上针对偏差的煤质，相对变化大一些的范围，考虑炉子的适应性是必要的。所谓适应性强一是要针对改造厂的基本煤质，二是有变动灵活的可能性如：入炉料量的分配可调性，喂煤点位置及数量的可变性；三是最好为纯空气点燃，部分纯空气燃烧，同时充分利用窑气。

　　分解炉尺寸要足够大，并配以能力足够的预热器和风机是改造增产的关键。

　　2.2、预热器系统改造

　　目的是改善系统的功能，增大气固量的处理能力，尽可能地降低阻力，并使抗变稳定性好。我国早期的SP系统都是4级，旋风筒的形式比较单一陈旧，使用效果不好。近年来国内预热器设计已有很大的进步，为此应将技术发展的基本观点和实用措施运用到改造项目中。

　　(1)高效低阻是预热器设计改造的目标。凡不利于收聚效率的降阻措施或可能危及生产可靠性的附加装置降阻措施等都是不可取的，资料表明低压损旋风筒已经历了从简单到复杂又到新的更深一步的简单这样一个发展过程。国内外大型设计中已经采用是成熟的技术，可以运用于中小型技改之中。

　　(2)实验研究和对国内外有关资料的分析表明，影响旋风筒单体效率、阻力的结构因素主要是总高、进出口面积、进口形状和内筒深度(以下所指皆为有效尺寸)。 
 　　①总高与筒径之比H/D，都是C1＞其他级。国内外各种型式旋风筒C1的H/D范围约在2.0～3.2。C1总高并不是越高越好，也不经济，能满足效率高而阻力不过高为准。但需注意在原有旋风筒的基础上改造时，随意截短(因布置关系)或过分放大直径而高度不变致使H/D不合理也是不适宜的。提供的参考数据为：C1的H/D最低值2左右，最佳值2.6左右，其他各级的H/D在1.8～2.3范围内。
　　②进出口面积(F1和F0)增大已成趋势，对原旋风筒的改造更有必要。以往旋风筒各处的风速特点是截面风速小，进出口风速大。新的改进型数据是适当增大截面风速(从流场观点并不代表真实意义的风速)，减小进出口风速，可以在保证收聚效率的前提下降低阻力，增大处理能力，体积仅少有增加。为此改造旧有旋风筒可根据改造目标值重新核算截面风速和进出口风速，尽可能利用原有支承，保持主平台位置不动。而需在上部结构上改变进口蜗壳尺寸和角度，以满足扩大进出口面积的要求。 原有进口是方形的必须改为长方形，对效率阻力都有好处。外下角倾斜50°可避免低风速时的物料沉积，参考数据宽高比b/c≈0.5～0.6 F1和F0的参考数据：前者与旋风筒直径的平方比值为0.16～0.32；后者该比值为0.20～0.45，选用时C1高效级偏于下限，其他各级取向上限。注意当SP改为NSP后，最下一级效率也很重要，仅次于顶级。旋风筒的关键尺寸调整后，其它各部位尺寸可根据情况作相应调整。
　　③内筒加大后，对降低阻力有利，维持适当的深度是保证效率的关键。采用大型设计中挂板式和挂片式内筒结构和材质，对维护检修、使用都有利。

　　(3)联接管道与旋风筒组成的换热单元里，气固热交换主要在管道，阻力损失也相当一部分在管道。为增加处理能力和延长气固停留时间，也为降低实际生产阻力，改造厂的各级联接管道必须扩大，改后的管道风速应比改前低。在有撒料装置能使粉料分散的管道内，风速可在大于12m/s、小于16 m/s的范围内(过去的数据是16＜v＜24)。

　　(4)细微结构需改进、完善和强化，特别要强调锁风阀、撒料装置和防堵清堵设施等的完好使用，充分认识主体设备确定后，这些都是关键的小设备，起到事半功倍的作用，必须用新技术装备。

　　(5)改造后的各级料管尺寸、走向角度也要给予关注，以保证料流顺畅，生产稳定，事故少。尽量使溜角大于65°或不小于60°，这对小厂尤为重要。

　　(6)用大型国产化预分解系统的设计和加工技术，强化密闭堵漏和保温隔热，解决中小型系统废气带走热和胴体散失热损失大的严重缺陷。强调衬料性能和砌筑质量的重要。

　　(7)不必要求过高的自动化水平，但必要的仪器仪表必须齐备好用，能反映系统状况，方便操作。

　　2.3、关于回转窑的问题

　　一般SP窑改造为NSP窑是在窑规格不变的情况下实施。由于预热预分解系统的技术改进和强化，提高了入窑物料分解率，相同产量时窑的负荷大大减轻。所以技改工程可沿用原有窑体尺寸，不必改动而达到增产目的。但应注意窑速范围，SP窑一般不超过2r/min，国内有些小SP窑甚至窑速小于1.5r/min。改造为NSP窑必须根据需要核算应有的传动功率，调整窑速范围，从发展的角度，建议传动功率、转速系统的调整一次性到位为宜。

　　对于原有NSP窑的增产改造，窑体尺寸及转速可不变动，但传动功率需由设备设计人员核查确认。

　　此外还有一种思路，笔者认为窑体规格可以变动由三档支承变为两档的改造，例如Φ3m× 48m或Φ3.2m×50m在原窑空间位置上变为Φ4m×48m～50m，其他类推。产量上一个新层次，此为抛砖引玉，本文不作详谈。

　　关于窑头窑尾即使在窑规格不变的情况下，仍需视技改方案涉及的部位进行相应的变动。如窑尾烟室喂料斜坡的变动；冷却机、燃烧器、三次风管等牵涉窑头罩的变动；窑头窑尾密封及护板的改进完善等等。这里笔者建议中小型窑由窑头抽取三次风更有利，一则大窑门的砌筑难度相对比大型小，二则也是主要的三次风温可提高约200 ℃，计算约相当于增加10%的分解炉燃料量，对预分解有利，尤其对烧劣质煤有利。

　　2.4、关于冷却机的改造

　　冷却机的配套完好是SP窑改造为NSP窑以及新型干法窑增产节能的关键因素之一，一般国内中小型SP和NSP窑的冷却机型式为单筒或篦式，使用效果都不太令人满意。冷却效率和热回收效率低，热损失大，妨碍了窑系统产能的发挥。为确保冷却机的性能与技改后窑系统指标相适应，并保证供应窑及预分解系统所需的高温助燃空气，冷却机的改造应如下述：

　　(1)单筒或篦式冷却机各有优缺点，不必强求一致，可以各自加以改进。
　　(2)单筒机的型式可视需要与可能由直筒改为鼓形，内部装置的结构形式、排布应改进。采用耐热、耐磨材质和抗热震性好的衬料，进出料部位需改造，用斜坡式进料较好，且有利于热端密封结构的改进完善。
　　(3)篦式冷却机的新型化，能一次到位采用空气梁的小型样机最好，若不行，则再次提高料层厚度和篦下压力，改换或增设必要的新鼓风机，适当加长冷却机长度，冷却区段重新划分，考虑是否加装熟料破碎机等。

　　2.5、关于燃烧装置

　　窑头必须采用多通道喷煤管是新型干法窑的操作要求之一，便于火焰的调整对煤质的适应。我国没有象国外那样专业的燃烧器生产厂家供应水泥工厂各种规模生产的需要。国内大型厂的燃烧器基本都是引进，中小型SP窑的燃烧器除极个别引进技术设备外，其他采用国产化多通道喷煤管的有之，简易多通道的有之，甚至还有用单通道喷煤管。为此技改工程需重视燃烧装置的改造，总结经验，开发设计适宜的多通道喷燃器并配以相关的操作使用说明使工厂真正掌握。

　　3、结束语

　　技改工程项目是技术含量不低、难度较大的工作，是新世纪水泥工业致强措施之一，稳定的政策指导是关键。最终效益的判定在于工作前的深思，而不是工作后的反思。