水泥窑协同处置对烧成系统运行影响探究及优化实践.pdf

中图分类号：TQ72.625.3 文献标识码：B 文章编号：008-0473(2024)0-000-05 DOI编码：0.6008/ki.008-0473.2024.0.00水泥窑协同处置对烧成系统运行影响探究及优化实践王 明 陶从喜 王 浩 沈序辉 何明海 周远翔2 蒋文伟 莫少喜2（.华润水泥技术研发（广西）有限公司，广西 南宁 530409；2.华润水泥（合浦）有限公司，广西 北海 5369）摘 要 通过理论计算典型生活垃圾、烟煤燃烧的耗氧量及产生的废气量，系统论述水泥窑协同处置生活垃圾对预热预分解系统阻力的干扰。通过对预热器系统提质降阻技改优化实践，有效降低了烧成系统的阻力，提高了预热器的换热效率，为水泥生产线协同处置项目的投产创造了良好的前提条件。关键词 水泥窑协同处置 提质降阻 烧成系统0 引言根据生态环境部发布的中国生态环境状况公报数据，我国城市垃圾产量逐年上升，2022年产量已达2.576亿t。城市垃圾总量大且占用大量土地，导致部分地区甚至出现了“垃圾围城”现象，如何解决“垃圾围城”问题以及实现生活垃圾减量化与资源化，尚需采取多种技术和措施并满足国家政策要求。水泥窑协同处置是水泥工业提出的一种废弃物处置手段，它是指将满足或经过预处理后满足入窑要求的固体废弃物投入水泥窑，在进行水泥熟料生产的同时实现对固体废物的无害化处置过程。华润水泥（合浦）有限公司（以下简称“合浦公司”）位于广西壮族自治区北海市合浦县公馆镇，于208年建成投产条4 500 t/d的预分解窑水泥生产线，设计年产熟料50万t。为协助合浦县实现“美丽广西清洁乡村”，解决合浦县生活垃圾处置问题和实现废弃物的资源化，合浦公司联合华润水泥技术研发（广西）有限公司（以下简称“广西研发公司”）开展水泥窑协同处置城乡生活垃圾技术研究，并形成研发成果产业化应用，项目投产后年无害化处置合浦县及周边县市城乡生活垃圾能力达6.42万t。本文以合浦公司日处理500 t“原生态”生活垃圾生产线为例，主要通过风量计算、新增阻力评估、降阻优化方案实施等方面，阐述了水泥窑协同处置生活垃圾对烧成系统运行的影响和干扰，并通过对预热器系统提质降阻优化技改，有效降低了系统阻力，为协同处置项目的投产创造了良好的前提条件。协同处置对水泥窑系统运行的影响.水泥窑协同处置特点水泥窑协同处置生活垃圾能够实现废弃物的处置和水泥窑正常生产的有机结合，既提高了水泥工业处置废弃物的经济效益，又节约废弃物处置的成本，通过水泥生产和废物处置利用的协同，降低了污染物和温室气体总体排放水平。与传统的填埋法、堆肥、垃圾发电和焚烧炉处置垃圾相比，水泥窑协同处置生活垃圾具有处理成本低、稳定性强、减少土地占用及资源最大化等亮点优点，可以有效防止二次污染2。同时水泥窑中处理温度高、焚烧停留时间长、焚烧状态稳定，有机物可彻底分解，有效避免了二噁英等有害气体的生成，垃圾经过预处理后其热值可以降低一部分化石燃料消耗，无机组分尤其是重金属化合物等污染物可固化至水泥熟料中，真正实现生活垃圾“减量化、资源化、无害化”。2024年第1期 新世纪水泥导报 No.1 2024 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛2.2 对烧成制度的干扰和烟煤、无烟煤等常规高热值化石燃料相比，生活垃圾具有水分高、热值低、燃烧特性差等特点，在水泥窑协同处置过程中需要更多的助燃风，并形成更多的烟气3，会对水泥窑系统的总能耗和产量产生直接影响。合浦公司曾于202年8月对分解炉进行了局部扩容改造，烧成系统产量及煤耗指标明显改善，但是也存在系统阻力偏高的问题，C筒出口负压达6 200 Pa。考虑到协同处置生活垃圾生产线投入使用后，因废气量的增加，系统阻力及高温风机负荷将进一步增大，因此有必要提前对现有预热器系统进行降阻优化，降低对烧成系统的影响。.3 废气增加量核算典型生活垃圾、烟煤检测数据如表所示，以此为基准来进行耗氧量及产生废气量核算，评估对预热器阻力的影响。以 kg“原生态”生活垃圾和烟煤为基准展开耗氧量计算，具体为C、H、S、N元素完全燃烧或氧化产物分别为CO2、H2O、SO2、NOx（以NO计）所需氧减去燃料自身带入的氧，再折算为生活垃圾、烟煤理论燃烧所需要的空气量。由表2计算结果可知，燃烧 kg生活垃圾需氧量为0.289 Nm3/kg垃圾，折算成空气体积为.420 Nm3/kg垃圾（空气中O2体积分数20.38%）；燃烧 kg烟煤需氧量为.030 Nm3/kg烟煤，折算成空气体积为5.053 Nm3/kg烟煤。生活垃圾燃烧新增的废气主要由两部分组成，分别为C、H、S、N元素完全燃烧或氧化产生的CO2、SO2、H2O，NOx，蕴含的水分在燃烧过程中蒸发形成的水蒸气；在水泥工业中，烟煤使用前已在煤磨中进行烘干，因此烟煤燃烧新增的废气主要为C、H、S、N元素完全燃烧或氧化产生的CO2、SO2、H2O、NOx。单位质量生活垃圾和典型烟煤燃烧新增废气量见表3所示，理论计算处置 kg生活垃圾新增废气量为.02 Nm3/kg垃圾，kg烟煤完全燃烧新增废气量为.32 Nm3/kg烟煤。生活垃圾中有机质含有一定热值，可降低原煤消耗量从而降低原煤燃烧产生的废气量，按热值计9.48 t“原生态”生活垃圾可降低 t原煤消耗量，以此来计算生活垃圾、烟煤燃烧增加废气量。以处置500 t/d生活垃圾规模为例，生活垃圾焚烧新增废气量为4.48万Nm3/h，降低煤炭消耗减少废气量为.8万Nm3/h，即新增废气量为3.30 万Nm3/h，风量增幅达9.85%（根据合浦公司现场热工检测数据，预热器出口废气总风量为33.5 万Nm3/h）。2 预热器降阻优化方案及实施预热器系统的压损主要产生在旋风筒上，管道系统所占的比例小，因此预热器系统的降阻主表3 生活垃圾、烟煤燃烧废气量计算表表 生活垃圾、烟煤化学分析及元素分析检测表2 生活垃圾、烟煤耗氧量计算2024年第1期 No.1 2024 王明，等：水泥窑协同处置对烧成系统运行影响探究及优化实践 烧成论坛3外预热预分解生产工艺，其烧成系统主机配置如表6所示。除分解炉曾于202年进行过局部扩容改造外，未曾进行其他方面降阻技改。表6 预热分解窑系统主机规格及参数2.2 预热器降阻改造方案由于工期短改造难度大原因，广西研发公司根据前期计算和现场检测结果，提出了在不明显影响分离效率的前提下，选择适当扩大合浦公司要考虑从降低旋风筒的阻力损失着手4。旋风筒压力损失是气体介质在流经旋风筒的过程中形成的动量损失，其大小直接影响熟料烧成的成本和经济效益。旋风筒的压力损失P取决于旋风筒内部尺寸、结构形式、内壁的粗糙程度，其数学模型关系式详见式（）5。式中：阻力系数，是旋风筒进出口截面积、漩涡指数、内壁表面粗糙度的函数；进入旋风筒的混合流体的密度，kg/m3；混合流体进入旋风筒的风速，m/s；f(Ci)混合流体中物料浓度对压力损失的修正函数，是气体密度的正比例函数。表5为合浦公司预热器各旋风筒、分解炉、烟室压力及压损情况，和常规5 000 t/d生产线相比，各级旋风筒压损均偏高，分解炉压力损失达883 Pa。协同处置项目实施后，增加的废气量将进一步提高旋风筒的入口风速，进而显著增加旋风筒阻力。按照式（）公式所述旋风筒阻力和风速平方呈正比例相关，初步估算各级旋风筒压力损失将增大约20%，因此为降低协同处置生活垃圾对原有烧成系统的干扰，采取增大旋风筒入口截面积以降低旋风筒入口风速是十分有必要的。2.烧成系统配置合浦公司生产线采用国际先进的新型干法窑表4 生活垃圾、烟煤废气增加量计算表表5 合浦公司预热器系统关键参数（喂料量40 t/h）?CC5旋风筒的进口面积，并优化部分蜗壳结构，降低进口风速从而降低各级旋风筒压损的改造方案，部分旋风筒改造示意图如图所示。图 旋风筒改造示意图C旋风筒外扩50 mm，进口尺寸扩大到3 260 mm，C2、C3、C4旋风筒外扩300 mm，进口尺寸扩大到2 990 mm，C5旋风筒外扩200 mm，进口尺寸扩大到2 890 mm，并对相应的进风管道进行调整，另调整C5进风口底板，将高度降低500 mm。为了减少旋风筒入口积料，在CC5旋风筒入口处新增倒角，避免旋风筒入口平段积料导致通风面积减小造成系统阻力上升。合浦公司已于202年对分解炉进行了局部扩容改2024年第1期 新世纪水泥导报 No.1 2024 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛4造，扩容后含鹅颈管分解炉有效容积达3 700 m3，分解炉出口煤粉燃尽率较高（现场检测基本无CO），C5旋风筒热生料分解率达95%以上，因此本次预热器降阻优化对分解炉改动较小，仅对炉体中部缩口处耐火材料进行了优化。水泥工业中常用隔热材料硅酸钙板800 下导热系数为0.5W/(mK)，显著高于同等温度条件下纳米隔热材料0.035 W/(mK)的导热系数，因此可以通过改用纳米隔热板作为缩口处耐火材料，在相同保温效果的前提下，降低耐火材料的厚度。使用纳米隔热板后，合浦公司有效扩大了分解炉中部缩口面积，将其有效内径扩大至5 600 mm，于分解炉压损的降低也有一定的促进效果。合浦公司各级旋风筒均采用老式单阀板锁风阀，阀体笨重、锁风效果差，为改善锁风效果，预防后期处置生活垃圾因有害元素可能导致的结皮、热膨胀、阀体移位等，合浦公司将所有锁风阀更换为双阀板锁风阀。改造后锁风阀阀体灵敏度明显提高，没有出现卡死现象，有效降低了可能出现的内漏风、下料管结皮等风险，有利于提高预热器换热效率。2.3 预热器降阻改造效果合浦公司于2022年7月2日停窑开展降阻技改，同年9月日投料恢复生产，改造前后预热器和分解炉的相关压力参数和其他工艺参数见表7所示。技改完成恢复生产后，在烧成系统产量略有提升的前提下，预热器出口负压有所降低，由-6 250 Pa降低至-5 497 Pa，减少了753 Pa，降阻技改取得了良好效果。由于停窑施工工期及现场条件限制，暂未对C等各旋风筒蜗壳结构进行换代升级，仅对旋风筒入口在有限的条件内进行了适当扩大，技改取得的效果和方案预期相符，在产量较高的生产工况下，合浦公司优化技改后C筒出口负压处于国内平均水平。预热预分解系统主要技术性能指标为系统出口温度及压力，华润水泥陶从喜先生结合其几十年的水泥窑研发和实践经验，提出了评价预热预分解系统技术性能的综合分值F6，可以较为全面地评价一个预热预分解系统的技术优劣，分值F越大，表明该预热预分解系统技术性能越好。F=(t基准/t实际)50%+(P基准/P实际)30%+(P基准/P实际)5%+(t实际/t基准)0%+(Pc基准/Pc实际)5%)00 （2）式中：t实际 预热器系统出口温度，；P实际 预热器系统出口压力，Pa；t实际 分解炉出口至预热器系统出口的温度差，；P实际 分解炉出口至预热器系统出口的压力差，Pa；?表7 降阻优化技改前后预热器负压及其他工艺参数 Pc实际分解炉压降，Pa。其他符号注释见表8所示。表8 技术指标的权重和基准值对技改前后预热预分解系统技术性能的综合分值F进行计算。F改前=(300/38)50%+(4 500/6 250)30%+(4 000/4 988)5%+(550/560)0%+(500/883)5%)00=85.4F改后=(300/3)50%+(4 500/5 497)30%+(4 000/4 260)5%+(558/560)0%+(500/766)5%)00=90.7通过对技改前后预热预分解系统技术性能的综合分值计算，可以看出本次技改取得了一定的效?2024年第1期 No.1 2024 王明，等：水泥窑协同处置对烧成系统运行影响探究及优化实践 烧成论坛5果，由一般水平提升至良好水平，其中C筒出口负压、分解炉出口至预热器出口的压力差P实际均有一定程度下降。提质增效降阻技改后熟料产量较技改前略有提升，因此实际降阻改造效果应略优于本次计算取值，可在一定程度上降低后期协同处置项目投产后带来的烧成系统阻力变大的干扰。2.4 下一步预热器优化方向合浦公司本次预热器降阻升级改造已取得预表9 技改前后预热器负压及其他工艺参数期效果，预热器及分解炉系统改造前后各点压力参数见9所示，各级预热器及分解炉压力损失和技改前相比均有一定下降，旋风筒降阻潜力得到了较为充分的挖掘。为进一步降低系统阻力，为协同处置生产线的投入及稳定运行提供前提保障，合浦公司计划于协同处置项目投产前择机开展进一步优化改造，主要从优化各级撒料箱位置、撒料板角度，进一步优化分解炉缩口尺寸为主，结?合加强操作管理，平衡系统用风，降低烧成系统各点的内外漏风，预期通过现场优化结合工艺管理，进一步降低合浦公司预热预分解系统压损。3 结束语（）通过理论计算表明，水泥窑协同处置生活垃圾将显著增大烧成系统废气量，500 t/d处置规模新增废气量达3.30万Nm3/h，从而加大系统阻力。通过扩大旋风筒入口面积，可有效降低旋风筒压力损失，于降低烧成系统总体阻力有利。（2）合浦公司通过预热器降阻优化技改，预热器系统阻力降低了753 Pa，达到了国内五级预热器良好水平，为降低烧成系统工段电耗及后期协同处置生产线的顺利投产打下了良好基础。（3）合浦水泥协同处置项目投产后，可进一步通过控制生料喂料量，稳定烧成系统工况，结合协同处置热工装备的使用，使预热预分解系统阻力乃至烧成工段电耗、煤耗维持在一个较好水平。参考文献 生态环境部.2022年中国生态环境状况公报R.2 孙承斌,安延生,王玉楷,等.水泥窑协同处置城市污泥探 讨及试生产总结J.水泥,2022(2):9-23.3 高敏,马旭.浅析替代燃料应用对水泥窑的影响J.新世纪 水泥导报,2023(2):38-41.4 彭学平,陶从喜.旋风预热器阻力特性机理的研究J.水泥,2008(6):-5.5 蔡玉良.水泥生料预热预分解系统集成优化控制技术研 究与工程应用D.南京:南京工业大学,204.6 陶从喜.预热预分解系统的技术指标及评价方法J.水 泥,2020(8):6-8.（收稿日期：2023-2-05）2024年第1期 新世纪水泥导报 No.1 2024 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛