高能效熟料烧成技术与装备的研发及应用

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慧工全妒慧工谂妙芦高能效熟料烧成技术与装备的研发及应用中建材(合肥)热工装备科技有限公司张自力一、前言众所周知，新型干法水泥生产技术已成为当今最先进的水泥生产工艺，水泥生产已不再是原来传统意义上的水泥产业，而是注入了大量高新技术的资源节约和环境友好的绿色现代工业。熟料烧成技术关系到水泥熟料生产过程中资源消耗、能耗、环境污染等重要问题，是涉及和影响我国水泥及相关行业可持续发展的重大问题。对新型干法水泥生产核心技术与装备一预分解系统、熟料冷却机和煤粉燃烧器的研究，始终是水泥工业领域中的重要研究内容之一。为提高资源利用率，减少大气污染物排放，保护生态环境，推动水泥工业结构调整和产业升级，走新型低碳工业化发展道路，研发新形势下满足水泥生产的高能效烧成技术及装备，进一步节能降耗，是水泥工业实现可持续发展的永恒主题。因此，国家将《高能效熟料烧成技术与装备的研究和开发》列为国家重大科技支撑计划课题(课题号2006BAF02A24)。《高能效熟料烧成技术与装备的研究和开发》2011年通过中国建筑材料联合会科技成果鉴定，2012年获中国建材联合会建材行业科技进步一等奖，2013年获安徽省科技进步二等奖。二、国内生产水平与示范线生产情况随着国民经济健康快速发展，我国水泥产量以年近12％的速度递增，截止2012年底全国共有新型干法水泥生产线1637条，设计熟料产能16亿吨，2012年中国水泥产量达到21．84亿吨，我国水泥产量已连续20多年居世界第一位。中国水泥呈现产量大、能耗高的局面，是国家节能减排的重点行业。但是，我国新型干法水泥生产发展很不平衡，技术水平参差不齐，生产指标差异较大，同规模生产线由于技术路线、系统配置、适应性能、生产管理等的不同，各项生产指标也存在优、良、差之分。据不完全统计，国内5000t／d新型干法生产线熟料烧成系统实际生产指标平均如下(见表一)：124 艇瓷妙露c誊；5000t／d新型干法生产线熟料烧成系统指标表一熟料烧成热耗C1出口风温三次风温冷却机出料温冷却机冷却风(kj／kg—c1)(℃)(℃)度(℃)且里(Nm3／kg—c1)31803309551622．1宝鸡众喜金陵河水泥公司5000t／d新型干法生产线，是国家“十一五"科技支撑项目《高能效熟料烧成技术与装备的研究和开发》示范线，该生产线于2009年10月投产，生产线中采用了高能效熟料烧成技术与装备，包括：HF型高能效预热预分解系统、WHEC型第四代步进式高效冷却机、HP型强涡流型高效节能燃烧器。经国家建筑材料工业水泥能效环保评价检验检测中心标定，示范线烧成系统熟料产量5816t／d，冷却机热回收效率76．18％，各项指标如下：(见表二)，宝鸡众喜5000t／d示范线熟料烧成系统指标表二熟料烧成热耗C1出口风温三次风温冷却机出料温冷却机冷却风(kj／kg—c1)(℃)(℃)度(℃)且里(Nm3／kg-c1)2941．252801080931．8238由此可见，高能效熟料烧成技术与装备的研究开发及成功使用，进一步提高了预分解系统的换热效率和冷却机的冷却效率，使熟料烧成热耗、熟料温度、废气温度等有较大幅度下降，进一步优化了系统各项参数，在实际生产中取得了明显效果，各项技术指标又上了一个新台阶。三、研究内容及解决的主要问题通过对预热器、冷却机、燃烧器等烧成技术与装备，采用高科技研发手段一计算机模拟仿真研究和SOLIDWORKS三维软件设计，通过对示范线采用的石灰石、煤粉进行分解反应和燃烧的热重动力学特性分析、研究，采用流体动力学基本原理模拟旋风筒、分解炉内的气流速度场、温度场、颗粒浓度场及气相组份场等分布状况，研究煤粉在分解炉炉内燃烧和石灰石分解过程及其规律，为预分解系统设备的设计、燃烧装置的正常运行和控制燃烧过程提供理论基础。通过对预热预分解系统等进行冷、热态仿真模拟实125 艇◇声慧工谂妙声验研究，取得了最佳流场和热动力学几何模型，进一步优化了系统各项参数。(一)、HF型高能效预热预分解系统的研发通过研究和优化预热器、分解炉、换热管道、撒料装置的结构改善燃烧及换热状况，提高换热效率。采用计算机模拟仿真系统对预热器进行流场分布、颗粒运动轨迹进行仿真模拟，对分解炉进行燃烧状况及氧含量分布、二氧化碳分布、温度分布、仿真模拟，从而优化预分解系统。1、预热器结构设计及模拟仿真的应用预热器是由若干级换热单元所组成(一般为5级，个别为6级)。换热单元是由旋风筒及其换热管道所构成。生料粉经过下料管和撒料装置进入换热管道，生料随即高度分散在上升气流中。此时，由于悬浮态时的气、固之间的接触面积极大，对流换热系数也较高，生料在极短的时间内完成本级的有效换热。生料的预热主要是在换热管道中完成，旋风筒主要承担着气固分离的任务。HF5000t／d预热器的五级旋风筒计算机模拟结果：■飘隅=：：二融麟国斟—■篓逐墨誊强罴豢旋风筒流场矢量图Z轴上不同截面的速度分布矢量图126 慧◇艇镱妙刚舅翼{一I■曩‘雌}{■瑚}i嚣藿嵯．I薹J湍动能分布直径为20lam的颗粒运动轨迹2、分解炉结构设计及模拟仿真的应用分解炉是预分解技术的核心设备和关键技术，属高温气——固多相反应器。分解炉主要功能是完成燃烧与分解反应；所涉及的过程可归纳为固体流动、气固分散、换热、燃料燃烧、分解、传质和输送等。对分解炉来说，物料的分散是前提，燃料的燃烧是关键，碳酸盐的分解是目的。这些任务能否在高效的状态下顺利完成，主要取决于生料和燃料能否在炉内很好的分散、混合和均布；燃料能否在炉内迅速的完全燃烧，并把燃烧热及时的传递给物料；生料中的碳酸盐组分能否迅速的吸热、分解，逸出的二氧化碳能否及时排出。以上这些要求能否达到，又在很大程度上取决于炉内气、固流动方式。目前采取的有效分散措施大多以流体力学方法为主，利用旋流效应、喷腾效应、流态化效应、湍流效应、粉体冲击效应等来达到分散的目的。而这些效应无一例外不与结构有关，因此合理的结构设计和工艺过程控制是实现上述目标的唯一途径。囊爨—．囊．。』量羲黔鏊譬嚣氪孵旁掌疆疆∞霾霉一}●}；；j，，。#{#l■}*瓞穸一。～《_；|；}I|!：|鍪l飘■■恩誓孽_溢臻瓣鬻鏊■●一嚣篡瓮篡黧篡篡～篡篡鬈{f”：_t，，鹣缈铲二～截面上速度分布填充图速度矢量放大图(分解炉锥体处)p127 慧工◇F妪论妙F■I蘩__露憋一遴震麓麓鍪■．■嚣篡篇篇!l麓裟篡篡笼¨。黪||；||∽滏—_一‘?一．置。+t分解炉的温度分布的填充图截面上的CO：的质量分数分布填充图一5000t／d分解炉(带鹅颈管部分)计算机模拟结果，在分解炉下锥体左侧部三次风切向旋转进入分解炉，三次风管边部及对面各设有一燃料喷嘴，在下锥体上部两侧设有撒料装置。3、结构设计及解决的主要问题①旋风筒内主流是双层旋流，外部是向下旋转的外旋流，中一II,是向上旋转的内旋流，它们的旋转方向是相同的。从而减轻短路流效应，提高分离效率，解决了内筒插入深度与压力损失的矛盾。②旋风筒内，切向速度和轴向速度远大于径向速度，切向速度在预热器流场中起主导作用。③旋风筒内湍动能和湍动能耗散率的分布趋势并不完全一致，湍动能边旋转边向下运动，其值越来越小，在内筒下部的空间内，湍动能变化较大，所消耗的能量就大。锥体部位，湍动能的变化值很小。而湍动能耗散率只有在排气管下部的分离空间内有变化，而其他部位趋向于零。此结构形式减小了阻力损失。④除了少量2pm、20IJm的小颗粒随着向上的内旋流从内筒逃逸外，绝大部分的2um、20um以及所有64um的大颗粒从进入旋风筒后始终保持原来的运动轨迹通过偏锥体进入灰斗而被捕集。在旋风筒底部没有颗粒向上回流，全部沿壁面螺旋下滑至底部灰斗，旋风筒底部的运动轨迹与顶部的几乎保持一致。由此说明旋风筒的底部倾斜下料口结构的合理性，更适用于旋风筒的下料，防止堵料。此结构形式提高了分离效率，较好地解决了下料堵塞问题。⑤分解炉速度分布看出，缩I：1具有明显的喷射流特征，三次风切向而入与喷射而入128 惫露CCEF惫薹瓷援耄．露N≯的窑气在锥体部形成叠加的强流场，并有强的旋流运动，且靠近三次风管一面比另一面有强的速度场，由于三次风的作用在靠近分解炉的柱体处出现负的速度分布，说明有下降气流出现，即有环状立涡，这些速度的变化有利于增加物料停留时间、提高换热效率和碳酸盐的分解率，增加了分解炉的容积利用率。⑥分解炉内温度分布较均匀，炉膛温度分布符合喷旋分解炉燃烧的规律。运动轨迹符合旋流喷腾的设计要求。⑦气体组分模拟结果表明：三次风、煤粉的进入点的布置合理，分解炉内的燃烧和碳酸盐分解非常完全。这说明一个三次风入口，只要布局合理，同样可以保证分解炉内燃烧效果。(二)、WHEC型第四代步进式高效冷却机的研发WHEC型第四代步进式高效冷却机由上壳体、下模块组、出料装置，熟料破碎机、液压系统，润滑系统、冷却风机及控制系统等组成。由KID、驱动等十个模块组成的下模块组构成篦床，篦床由6道平行的可通风移动底板构成，称为“输送道”，熟料在篦床中按如下输送方式工作：r_—1l[=冷早后厂]l匕==>]3、6后退．准备同时向前．2、4后退1————————1一rl[≥l[==>1<：==]1、WHEC型第四代步进式高效冷却机技术参数型号：W9651产量：5500t／d进料温度：1400。C出料温度：65。C+环境温度出料粒度：≤25mm单位用风量：1．9Nm3／kg—cl篦床有效面积：129．4m2单位面积产量：42．5t／m2．d设计冲程：100’420mm冲程次数：l、4次／min热回收效率：≥75％2、关键技术及部件的研究设计①WKID系统的研究设计129 慧工◇芦艇谂渺芦wKI卜熟料进料口分布系统，即在冷却机的进料端前几排是固定篦床，国外新一代冷却机技术领先制造商与合肥院WHEC冷却机的KIDS特点比较如下(见表三)：熟料进料口分布系统特点比较表三序号制造商名称篦板形式排列形式分区供风方式1FLSACROSSBAR凹槽阶梯无流量阀2KHDPYROFI．00R细缝斜平面无流量阀3CPETA细缝斜平面有风管4HCRDIWHEC细缝斜平面有流量阀+风管I昨IEC冷却机采用斜平面，中心区独立供风，环形区流量阀调节供风。②流量控制阀的研究设计流量控制阀是新一代冷却的的重要部件，是提高冷却效率和热回收效率的重要手段。当篦床上熟料颗粒变化时，料层对风室内的气体的阻力就会变化，气体流量也会变化，严重时可能导致气体短路。为使篦板处的冷却空气流量保持恒定，可在篦板下方设置若干补偿熟料流阻变化的流量调节阀，可使整个篦床的冷却空气的流量就可达到稳定。黪—＼选爹／图1图2图3国外公司先后研制出流量控制阀用于其冷却机，如德国的KHD公司研制圆筒式流量控制阀(图1)，丹麦F．L．SMIDTH公司研制摆动板式(图2)和富士摩根的多筒式流量130 慧z◇艇谂妙控制阀(图3)。在研究比较国外公司的流量控制阀后，设计出了满足WHEC冷却机特殊要求的控制阀，已获国家专利，如下图：各种流量阀特点比较表如下：序号制造商名称流量调节主风量调节使用地点lFLS摆动板式连续不可调固定篦床2KHD圆筒式连续不可调活动篦床+固定篦床3FM多筒式不连续可调活动篦床+固定篦床4HCRDI圆筒式连续可调活动篦床+固定篦床③液压传动系统：采用一套液压传动，采用跟踪式节能液压驱动系统，每一纵向列输送道几个液油缸提供动力，液压缸带有精确的位置反馈。采用多模式控制驱动系统，避免了因个别液压系统故障引起的事故停车，在生产中可以关停个别液压系统，其他组液压系统继续工作，可保证设备长期连续生产，液压系统还可实现在线检修更换，使整机的运转率大幅提高。④智能现场总线控制系统设计步进高效冷却机设备控制算法复杂，六个输送道之间运行转换频繁，要求控制系统具备高速、控制算法丰富的特点；基于现场控制便利的要求，还需要配置现场彩色触摸操作监视屏，并具备标准现场总线通讯功能。基于此，我们选用了高性能的西门子S7—300系列控制产品，主控CPU选用S7—300系列中的高端产品CPU315—2DP，具备PROFIBUS131 悬工◇甑论妙标准总线通讯功能。六个运行道可以单独设定其运行范围，从lOOmm’420ram运行长度，并可任意组合。六道模式设定墩《止幕’1奠为E止帛fLanel<-L抓e2《=L盏n电4>=L瓣eS>=■■■■■■■■■■■■●■■■■■■■■SI_ISOIi$2_150l■■■■■■■■■■■■■■■■■IIiI]●[亘亘：：】[甄亘][蔓蔓]：【蔓逼：：】羹翻i邈翻j塑幽!懑型isl—00I；s2_200l：_----●-■-_-_-■■■_■戳-200i1Ss_200i、J■■■■■■■■■■●■●■●■■●■■I■■■●■■■■■■■■■■■■■■$4_150i{S5一150l{_■■_■■--__■■●■■■■●-■■_●■●■■●■■■■■■■●■■■■■■●一兰!兰塑I；墼兰塑|。s4二50Is5_250l一一一一一一一一一√_■■■■■■■■■■■■■■■■■一一一一一一一一一兰!=童璺璺I；兰兰=量211s4_300Is5_300ljsI_350is2_350I{s4—；sol；$5_350l：d■---■●■■-■■■■o-·--_■■■■■■■_■_●-o■o■--■_■■■■■■_■■■■_■■■■■■_●■■■■■■■■_■■■■■_■_slj20l’s2420Is4J20ls5j20l，J■■■H_■∞■q■■■■■■■■棚·■■■■■■■■■■“■■■■■■■柚(--)lip型强涡流型高效节能燃烧器的研发所谓多通道燃烧器，就是由中心风风道、内部的旋流风道、中间的煤流风道、外部的轴流风道构成的燃烧器。煤粉从多通道燃烧器喷出燃烧，除输送煤粉的空气与煤粉的预混合外，还要经过三次扰动、混合。首先是煤粉喷出时遇到来自内流风道径向旋转气流的扰动，接着又遇到轴向高速流动的外流风，最后，由于内外流风出口相对于二次空气具有相当高的速度，在火焰中心形成一个相对的低压区，使已与煤粉混合的内外流风与温度较高的二次风混合。这三次扰动与混合，都是由于气流的速度、方向和压力的不同造成的，从而使煤、风混合更均匀。二次空气的回流又及时补充煤粉燃烧所需要的新鲜空气，使煤粉完全燃烧。改变内外流风的比例，可以调节火焰的形状。1、燃烧器外流风出口为排成环形结构的各自分开的喷嘴口，煤粉入口处设有非金属的耐磨保护层。这种新型的结构及材质确保燃烧器有极好的耐磨耐，其结构属国内首创。2、燃烧器可以将不同的内风旋流器和不同的外流喷嘴口进行组合，使内外流风风速得到大幅度调节，从而使该燃烧器对煤种的适应性大大优于其他型式的燃烧器。它能烧水分大热值低的褐煤、灰分高的劣质煤、低挥发份(<15％)的煤及无烟煤(挥发份<4％)。3、燃烧器的一次风量仅占理论燃烧空气量的7％。132 瓢《》CCEF慧z谂域鬈．·露N≯四、取得的知识产权及技术创新1、取得的知识产权和成果：获国家实用新型专利授权7项，发表论文22篇，参与专著编写一部。获“安徽名牌”产品l项，建材机械行业名牌产品1项。2、技术创新点：①研发了新型结构的扩散式撒料装置和偏心、线接触式锁风阀，并创新设计旋风筒、分解炉结构，烧成效率达到60．15％；撤料装置和锁风阀分获两项国家专利。②研发的旋喷结合、二次喷腾的新型流场技术，使分解炉具有容积利用率高、对燃料的适应能力强、抗波动性能好等特点。研究了三次风、进料点、喂煤点之间关系和三次风位置对分解炉内环境影响，得到了适合不同燃料条件下的相互位置关系。③采用先进的步进式输送原理，研发的第四代步进式冷却机，热回收效率高(76．18％)，冷却用风量小(1．8238Nm3／kg—c1)，运行成本低。其核心部件一一篦床冷却机用自动调节阀获国家专利授权。④研发的HP强涡流高效燃烧器，采用可更换的外风喷嘴结构及内风旋流器，适应性强，适合劣质煤、无烟煤(挥发份<4％)的燃烧，一次风量小(<7％)。其中有三项技术获国家专利授权。五、成果推广及评价1、成果推广应用高能效熟料烧成技术与装备在示范线成功投入使用，提高了烧成系统的热效率，降低了能耗。得到了南方水泥、华润水泥、中联水泥、西南水泥、亚洲水泥、红狮水泥、祁连山、青松建化、春驰集团、声威水泥、宝鸡众喜等大型企业的信任和青睐，上述企业的六十余条生产线建设和改造采用了本技术；包括中钢集团、中国有色、中国铝业等众多大型企业采用本成果设备，并作为新型节能技术广泛应用于球团、镍铁、氧化铝等有色金属深加工行业中，另外本技术成果、设备还出口越南、缅甸、巴西、伊朗、苏丹等多个国家，已经产生重大经济和社会效益。2、第三方评价：①行业评价：中国建筑材料联合会鉴定意见：本项目技术经济指标达到国际先进水平。该技术成果的研发成功，对新型干法水泥生产线的建设和技术改造具有示范作用，社会、经济效益显著，对我国水泥工业的技术进步、节能减排及结构调整意义重大。133 敷忿带妪姥妙②用户评价华润水泥：华润水泥运营部在漳平振鸿2500t／d无烟煤煅烧生产线经验交流会上，在对南京工业大学热工标定报告解读时指出：台产高：熟料日产3184吨，热耗低：吨熟料标准煤耗103．9Kg，电耗低：吨熟料综合电耗55．43KWh，各项指标均居华润水泥领先水平。漳平振鸿被华润控股授予“华润水泥标杆企业”南方水泥：江西玉山南方2500t／d生产线烧成系统采用本成果改造后：实现了19230kj／kg劣质无烟煤煅烧；窑产量3217t／d；吨熟料标准煤耗103．6公斤；被南方水泥公司授予“南方水泥示范线”春驰集团：春驰新丰水泥公司2条日产2500吨生产线采用本项目成果改造后，每台窑熟料日产量提高400吨，吨熟料标准煤耗比改造前降低10公斤以上，熟料质量显著提高。春驰集团董事长专程来院致谢，称赞合肥院是“研发能手、业界标兵”六、效益和对行业科技进步的推动作用l、本项目成果与《水泥工业产业发展政策》指标相比：5000t／d线年节约标煤10343吨、年节电475万kWh、年减少C02排放2．69万吨、年节约煤、电成本1436万元。2500t／d线年节约标煤6230吨、年节电205万kwh、年减少C02排放1．62万吨、年节约煤、电成本826万元。2、对行业科技进步的推动作用本项目不仅解决了影响预分解系统、冷却机、燃烧器及烧成系统运行的关键技术，更重要的是解决了水泥行业节能减排的重大需求，同时完善的研发体系，形成的自主知1：34 慧王◇CEF慧王论坛霉—唾C≮≯识产权，增强了我国水泥行业的国际竞争力，支撑了我国水泥行业可持续发展。所研发出的技术和装备不仅新建生产线需要，还可以为现有生产线节能技改提供有力支撑，此外还带动了国内相关制造业、材料科学和配套件的研究开发，对我国装备制造业水平的提升起到了积极的推动作用。采用本项目成果改造现有日产5000吨和日产2500吨生产线各200条，年可节约标准煤331．46万吨、年节电13．6亿度、年减少C02排放862万吨、年节约煤、电成本45．24亿元。本项目成果具有广阔的市场前景，必将为我国的节能减排发挥重要作用。135