技术 | 浅谈超低排放与节能降耗并重的技改实践

摘要：Φ4.3m×62m新型干法回转窑系统超低排放、节能降耗、扩容提产综合技术改造，通过应用大温差预热预分解工艺、石灰渣与热生料内循环脱硫、蒸汽还原脱硝、窑尾袋收尘扩容、高效节能风机等技术组合，确定了工艺优化和改造方案。项目实施后，生产调整灵活、操作弹性大，系统运行稳定，废气排放、熟料产质量、煤电消耗都得到了有效的改善，技改成效显著，超低排放和节能降耗等各项指标达到了预期。

在宏观经济层面，国家的安全、环保、节能、减排等高压态势没变，特别是在“双碳”、“双控”背景下，每生产一吨熟料累计生成0.863t CO2，水泥行业自然是全球碳减排重点控制行业。我国政府也对水泥生产实行以能耗定产量的1+N“碳达峰”、“碳中和”的新政策，诸多因素的叠加，导致了水泥行业真正的“寒冰时期”的到来，这是当前中国水泥企业都面临着的影响企业生存的大问题。面对碳达峰、碳中和这场硬仗和大考，亟须认清大势，顺势而为， 推动发展建立在气候友好、资源节约、生态环保的基础上，赢得未来发展主动权和长久竞争优势。为此推行水泥行业烟气超低排放改造，减少碳排放，力争环境空气质量和生产能耗达标的技术改造势在必行。

我公司在确定超低排放和节能降耗总目标的基础上，经多次论证后确定技术改造路线和方案，使技改项目得以顺利实施。

1 技改前的现状

生产线的主机配置为：HFCG180-130生料辊压机终粉磨系统，单系列预热预分解系统、Φ4.3m×62m回转窑、LBF4000第四代篦冷机、HXCLM4300水泥立磨。生产线于2012年点火投产至今，生产运行正常，但主要技术指标与同行业先进水平相比还有一定的差距。熟料生产线改造前的主要技术指标见表1。

随着我国经济发展方式的转变，对生态环境和业态发展提出了新的要求，为水泥工业的发展既带来良好机遇，又带来了严峻挑战，水泥行业的节能降耗和超低排放改造成为大势所趋。这也是推进水泥行业绿色高质量发展、调整产业结构、淘汰落后产能的重要举措，我国部分省市已早年率先推行了水泥行业烟气超低排放改造工作，从而实现了污染物排放总量大幅削减，确保实现环境空气质量根本好转的目标。

我公司熟料生产线超低排放、节能降耗改造项目是在原有基础上，抓住关键环节和节点的问题，通过采用先进工艺和环保技术，采取技术组合拳方式分步实施技改项目，从而使整个熟料生产线稳定高效运行。

本次技改的目标为：熟料产量提高480t/d以上，标准煤耗降低3.5kg/t，熟料综合电耗下降3.9kWh/t，颗粒物、SO2、NOx排放浓度分别低于10mg/Nm3、50mg/Nm3和100mg/Nm3。

2 技改的内容及技术理念

2.1 大温差预热预分解工艺技术

大温差预热预分解工艺技术最大的特点是在分解炉容积不变的情况下，进行增产提质和节能降耗改造。其核心关键技术是“增大了气固换热温差”，强化了料气换热效率，实现入窑物料的快速换热和充分分解，大幅度提高产、质量，同时，保证了低质煤（或无烟煤）在炉内的充分燃烧，对高海拔和原燃材料的适应性增强，热稳定性提高，操作弹性增大，对预热分解系统的稳定操作，提高熟料产、质量、节能降耗效果显著。主要改造方案为：

（1）窑尾烟室改造。原设计窑尾烟室缩口为Φ2.3m，将缩口改造为特殊结构的方形，增加空气炮喷嘴及捅料孔等，保证扩容提产后的工艺要求和现场安全清理。

（2）分解炉改造。采用专有技术对分解炉进行改造。改造后，分解炉总容积（分解炉+鹅颈管=814+509=1323m3）不变，气体停留时间由5.17s降低到4.78s，在产量提高到4100t/d以上的情况下，入窑生料分解率仍然保持改造前的91%，满足生产要求。

（3）C2、C3大温差系统改造。对C2、C3旋风筒系统进行技术改造。其核心是通过增大料气换热温差，提高生料换热效率和分解速率。

（4）分解炉高效低氮燃烧系统改造。针对原煤的燃烧特性，将入炉的风、煤、料多点分布，在分解炉锥部建立还原区，还原来自窑头及主燃区内产生的氮氧化物，在中部建立再燃区，保证炉内全断面均匀分布和燃烧，提升燃烧速度及燃尽率。因此，在实现煤粉充分燃烧，提升窑炉温度，提高生料分解率的同时，进一步提高脱硝效率。

（5）旋风筒降阻改造。鉴于改造前C1出口负压已经达到了6100 Pa以上，高温风机进口负压达到7800Pa，因此，对C1、C3～C5旋风筒进口及其连接风管进行改造，降低系统阻力。改造后，C1出口负压在6100～6300Pa，高温风机进口压力在7800～8100Pa，基本保持在改造前的水平。

（6）翻板锁风阀更换。C1旋风筒锥部增加高效分离器。更换C2～C5翻板锁风阀，提高锁风性能，减少系统漏风。

（7）分解炉隔热材料经优化改造，采用天津南极星隔热材料有限公司的纳米隔热板，分解炉扩容32 m3，并且分解炉胴体外部温度平均75.3℃，外壳体表面温度比原来下降约5℃，降低外壳体表面散热损失。

采取上述改造措施后，预热器系统控制参数见表2。

2.2 更换窑头燃烧器及送煤管道

将窑头燃烧器更换为大推力、大速差四通道煤粉燃烧器，该燃烧器主要设计理念是内风、外风单独风机供风，便于调节；提高推力，提高烧成热力强度，直流风压力≥80kPa，旋流压力≥45kPa；降低煤风，从而降低一次风比例。同时，将窑头煤粉输送管道更换为Φ168mm×8mm，煤粉输送的实际速度为27m/s。见图1。

2.3 石灰渣与热生料内循环脱硫

石灰石中SO3在0.25%～0.85%之间波动，含硫较高，搭配后石灰石硫含量仍高达0.37%，见表3。改造前窑尾废气中SO2排放在68～186mg/Nm3之间，必须采取针对性的有效措施。因此，本次技术改造采用了石灰渣+热生料内循环+氨水脱硫的三重技术措施：一是利用化工厂的废料石灰渣代替部分石灰石配料的同时，起到脱硫剂（CaO+SO3→CaSO4）的作用，脱硫效率在40%以上；二是在预热器上通过分料阀及管道采用热生料内循环工艺技术进行降硫；三是在尾排风机出口合适位置安装氨水脱硫系统，把住脱硫的最后关口。改造后，SO2排放降低到50mg/Nm3以下。

2.4 蒸汽还原脱硝

在采用分解炉高效低氮燃烧系统还原来自窑头产生的NOx的基础上，将余热发电的蒸汽引入分解炉燃烧器中产生水煤汽还原气氛（见图2），水煤气是炽热的碳与水蒸气反应生成的， 主要由CO和H2组成，在分解炉内起到还原脱硝的效果。同时，将脱硝氨水喷射点调整到适宜的反应温度区段，实现了对预热器脱硝系统的技术优化和升级改造。蒸汽管道布置见图2。

2.5 窑尾袋收尘器超低排放技术改造

窑尾大布袋收尘器升级改造方案是利用原有窑尾袋式收尘器的框架结构，将收尘器本体加高，滤袋长度由6m增加到8m，改造后，收尘袋过滤面积增加约3376m2，总过滤风速降低到0.75m/min，收尘器处理能力增加，阻力降低。见表4。同时，对窑头收尘器也做了相应的改造。

2.6 高效节能风机应用

窑系统综合技改其煤、料、风的平衡，其风的匹配是关键。在实施了预热器系统技术改造后，整个烧成系统达到满负荷稳定运行的情况下，通过对大型风机风量和风压等参数进行热工标定，确定合理的工艺运行参数，决定对高温风机和尾排风机进行节能改造。

在充分考虑某品牌型号新风机稳定性、高效性、耐磨处理，以及系统温度变化、粉尘含量、工况变化等多种因素，经过反复论证，选用WYGXGW高效节能高温风机和尾排风机。经运行后对其性能，包括效率、匹配性、震动、噪音进行全方位评估，改造后的高温风机效率＞83.8%、尾排风机效率＞84.7%，在满足提产需要同时，风机节能效果非常显著。

3 改造效果

3.1 环保超低排放改造效果

（1）通过实施大布袋收尘器升级技改后，窑头窑尾袋收尘器处理能力大大提高，颗粒物排放稳定在7.5mg/Nm³以下，实现烟气含尘≤10mg/Nm³稳定排放要求，粉尘浓度达到排放标准限值以下。

（2）水泥生产线执行超低排放标准技术改造后，脱硫吨熟料氨水消耗量为1.45kg/t，比技改前的4.75kg/t降低3.3kg/t；脱硝吨熟料氨水消耗量4.14kg/t，比技改前的3.89kg/t仅仅增加0.25kg/t。

通过对袋收尘器、脱硫、脱硝超低排放技术改造方案的实施，实现了公司确定的颗粒物、SO2、NOx排放浓度分别低于10mg/Nm3、50mg/Nm3和100mg/Nm3的改造目标，达到了超低排放的环保要求，顺利通过了环保专家的评估验收。改造前后排放情况见表5。

3.2 节能降耗改造效果

改造前后熟料主要技术指标见表6。

3.3 大风机节能改造2020年1～12月实物煤耗136.51kg/t，比2019年同期的150.47kg/t下降13.96kg/t，降幅9.28%。比2017年同期的166.56kg/t下降30.05kg/t，降幅18.04%；平均标准煤耗108.57kg/t，比2019年同期的114.91kg/t下降8.08kg/t，降幅6.93%。熟料电耗由技改前的72.88kWh/t下降到技改后的58.27kWh/t，降幅19.43%；熟料产量技改前一般投料230t/h，技改后投料可达到265t/h，熟料日产量达到4100t/d，增产550 t/d，增幅15.16%。

尾排风机技改效果很好，节电率达52.08%，风机振动减小，很好地解决了尾排风机长期振动大、能耗高的问题。高温风机电耗下降0.8kWh/t。

3.4 综合效益

该项目自2019年实施综合技改以来，累计节约电能3027万kWh，节约标准煤15419t，减少CO2排放量40398t，减少NOx排放量114t，企业环保税下降了60.14%，节约了大量的资源和能源，为改善当地环境质量做出了贡献，经济效益、环境效益和社会效益显著。

4 结束语

水泥行业的节能减排是一个永恒的课题，从水泥行业自身来看，在颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等减排方面还有进一步改造的空间，超低排放目标并非遥不可及，这预示着水泥行业推行超低排放将是大势所趋，也是无可阻挡的。

科技创新与技术改造永无终点。“碳达峰”、“碳中和”已经上升为国家绿色、安全发展的战略，水泥企业为了今后的生存和发展，必须持续进行超低排放技术改造，否则将会被淘汰出局。

所以，为了实现“双碳”、“双控”战略，提高生产和能源效率，将会是水泥行业长期工作目标，并为之持续推进。

作者单位：四川宏云建材有限公司