高海拔地区4 000 t/d生产线烧成系统的设计

  摘要：青海宏扬水泥公司4 000 t/d熟料预分解窑水泥生产线海拔高度3 315 m，设计时实施高海拔校正，该项目烧成系统热耗比平原地区增加15%左右，海拔系统产量修正系数约为0.73。烧成系统设计采用了一套改进型双列五级CDC二代预热预分解系统、Φ4.8 m×72 m回转窑和第四代S型篦式冷却机等设备组成的窑外分解煅烧系统，日产熟料4 000 t，熟料烧成热耗3 554.36 kJ/kg（850 kCal/kg）。本配置在平原地区，其熟料生产能力可达到5 500 t/d左右。建议业主在适当时机增设窑头膜法富氧助燃节能装置，但增氧方式值得认真论证，不可盲目照搬其他工业的成功经验。

  0 引言

  青海宏扬水泥公司4000t/d熟料预分解窑水泥生产线位于青海省格尔木市以西、109国道K2796km处，距格尔木市区约50km，紧临青藏公路（109国道）和青藏铁路，地处青藏高原，场地海拔高度3315 m。该生产线日产硅酸盐水泥熟料4000t，年产P·O 52.5级普通水泥、P·O42.5级普通水泥和P·C32.5级复合水泥共计165.78万t，采用当地的优质烟煤作为熟料烧成燃料。生产线于2012年11月投产后，系统运行稳定，平均日产熟料4200t，最高4800 t，达到和超过了设计能力。现将该项目烧成系统设计的成功经验进行总结，以资借鉴。

  1 设计条件

  1.1 原燃料

  该项目采用石灰石、板岩、粉煤灰和铁粉四组分原料配料，它们的品质指标符合预分解窑熟料生产的控制要求。

  拟建厂区地形较平坦，占地面积约20公顷，场地海拔高度3 315 m，场地高差约10 m。年平均气温4.3 ℃（最高35.0 ℃，最低-33.6 ℃），年平均相对湿度33%，年平均降雨量40.2 mm，平均风速3.1 m/s（最大风速40 m/s）。

  根据该项目的海拔高度（3 315 m）计算出的大气参数如下：大气压力505×0.133 3 kPa（为0海拔大气压力的66.45%），空气重度0.93 kg/m³，大气温度-1.55 ℃，氧气的绝对量约为0海拔的74.81%左右。

  海拔高度升高、空气气压降低，空气变得稀薄，相同体积下的空气质量降低，氧含量也就随之减少。氧气的绝对量变小，由此导致了相对缺氧。这些气候特性对该项目的热力设备系统、气力输送系统、液压系统、风机、电动机、电气柜等设计选型时均会产生较大的影响。考虑不周就会影响设备能力的发挥，不能达标、达产；考虑过多又会增加项目的建设投资，降低企业的经济效益。

  1.3 熟料生产能力

  熟料平均产量：设计保证值4 000 t/d。

  2 高海拔对烧成系统设计的影响

  高海拔地区空气稀薄、高寒缺氧，对烧成系统的影响可以体现在烧成系统的各个方面，在设计中必须考虑大气压力对烧成系统的综合影响。

  2.1 高海拔对碳酸盐分解反应的影响

  根据该项目所处的海拔高度，经计算：碳酸盐分解温度为870 ℃，分解热为380.3×4.18 kJ/kg，与标准大气压下的相应参数相比，分解温度降低29 ℃左右，同时分解热的提高很少，可忽略不计。这对于烧成系统，尤其是预热预分解系统的工艺设计和设备选型来说，应当引起注意。

  2.2 高海拔对回转窑的影响

  （1）对窑内风速的影响：高海拔地区大气密度小，相应的单位体积中氧含量也减少，为满足窑内煅烧的需要，所用的工况空气量比低海拔地区的量大，废气量也增加，窑尾飞灰有所增多。飞灰增多对窑内的对流传热有利，但对回转窑后续设备的运行有影响。

  （2）对窑内传热的影响：该项目CO2分压P

  CO2和水蒸气分压PH2O绝对值在高海拔地区有一定程度的降低，故其黑度及辐射传热能力分别以0.333和0.8次方减少，结合两者在废气中的体积含量，就能得到窑内CO2和水蒸气的辐射传热情况。同时，由于窑内含有大量的悬浮粉尘，这部分组分的传热能力并没有受到高海拔因素的太大影响。

  当窑气在质量、流量不变的情况下，空气稀薄使窑内传热效果较低海拔地区差。同时，温度对辐射传热强度的影响比CO2分压和水蒸气分压更为显著，所以选择性能优良的燃烧器和高效篦冷机对于高海拔地区煤粉的燃烧至关重要，适当提高火焰燃烧温度能有效改善窑内的辐射传热能力。

  （3）对窑内煤粉火焰燃烧的影响：在高海拔地区，由于空气稀薄、缺氧，会降低窑内煤粉燃烧的反应速率和燃烧温度。燃烧温度的降低对燃烧速度产生很大的影响，因此必须强化燃烧强度来提高燃烧温度。在设计中，可以采取如下措施：一是采用性能先进的燃烧器和高压风机，使燃烧器喷出的气流有足够大的动能；二是采用先进的篦冷机，尽可能提高助燃空气的温度，改善煤粉的燃烧环境。

  因此，该项目采用高效大推力燃烧器和第四代S型高效篦冷机等设备，同时提高煤粉细度，能有效改善窑内的燃烧温度和燃烧速率，并确保入窑二次风温度，从而有效提高窑内的烧成温度。

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  2.3 高海拔对分解炉的影响

  高海拔对炉内的对流传热和辐射传热都是有影响的。因此，针对该项目的需要，在分解炉的设计中，重点考虑了满足炉内煤粉的完全燃烧，即要求分解炉内有较高的燃烧温度和较强的燃烧强度，保证有足够的三次风量。在分解炉的结构设计上，考虑弥补空气稀薄对炉内煤粉燃烧速度和燃烧温度的影响，要求形成良好的喷—旋结合的流场，以保证炉内有足够的煤粉燃烧时间和物料停留时间。

  2.4 高海拔对预热器的影响

  该项目设计的旋风筒连接风管，已能满足所需的热交换时间，所以从传热的角度考虑，如高海拔地区系统内的工况风速能较低海拔地区适当提高，将不会影响系统的传热效果，适当高的风速也可避免设备规格过大增加。

  但是高海拔会引起整个烧成系统工况风量有较大幅度的增加，从而导致系统内的工况料粉浓度有较大幅度的减少。在一定的料粉浓度范围内，旋风筒的分离效率会随着系统内的工况料粉浓度降低而降低，所以从料粉浓度的角度来看，高海拔旋风筒的分离效率有一定幅度的减少，这一点在设计过程中已适度进行了考虑。

  2.5 高海拔对篦冷机的影响

  在高海拔地区，篦式冷却机工作气压下降，气体体积增加。在该项目设计时，我们适当加大篦冷机规格，保持气流通过篦床的流体阻力不变。

  在设计时，如维持篦冷机规格与低海拔时不变，这时需保持通过单位篦板面积的空气质量、流量不变，气体流速和密度将随气压的下降而下降。同时，考虑到气体流量的增加量，篦冷机下风机的功率增幅较大。综合考虑，对于高海拔地区，篦冷机的设计应适当加大规格较为合适。

  如前文所述，通过高海拔校正，该项目烧成系统热耗比平原地区增加15%左右，海拔系统产量修正系数约为0.73。依据这些分析的设计既满足生产要求，又有合理的经济性。

  3 烧成系统的设计和设备配置

  根据该项目的建设规模和地处高海拔地区这一特殊情况，熟料烧成系统设计采用了一套改进型双列五级CDC二代预热预分解系统、Φ4.8 m×72 m回转窑和第四代S型篦式冷却机等设备组成的窑外分解煅烧系统，日产熟料4 000 t，熟料烧成热耗3 554.36 kJ/kg（850 kcal/kg）。本配置在平原地区其熟料生产能力可达到5 500 t/d左右。系统主要设备配置见表1。

  4 烧成系统的操作控制参数

  项目投产后，烧成系统的主要操作及控制参数见表2。

  从熟料烧成系统的运行参数看，产量能稳定在4 200 t/d。

  5 结束语

  生产运行情况表明，该项目熟料烧成系统的设计是成功的，适应了高海拔的特殊气候条件，达标时间短，技术指标较为先进，取得了良好的经济效益。为了最大地发挥系统潜能，建议业主在适当时机增设窑头膜法富氧助燃节能装置，可将当地的空气含氧量由15.65%增加到21%左右（达到0海拔的含氧量水平），进行窑头燃烧器的增氧助燃，以弥补高海拔地区氧气含量不足，解决煤粉燃烧不完全的问题，可进一步提高熟料产量。当然，增氧方式值得认真论证，不可盲目照搬其他工业的成功经验。