海南某公司1998年投产的2000t/d新型干法水泥生产线烧成系统采用的是单系列五级旋风预热器、Φ4.52m×22.7m离线分解炉、Φ3.95m×56m回转窑、第三代篦冷机等设备，燃料采用热值为6000×4.18kJ/kg的烟煤。该生产线为早期设计的新型干法水泥熟料线，原设计熟料产量为2000t/d，投产20年来，通过加大分解炉容积和增加流化床等技术改造及采取优化操作等措施，2016年熟料产量平均值已达到2229t/d。但存在系统能耗高、对煤质的适应性差、系统运行不稳定、操作控制困难、频繁塌料造成安全、环保隐患等问题，因此对预热、预分解系统，三次风管实施技术改造，以稳定运行，降低能耗。
技改前该水泥生产线所用煤的工业分析见表1，入窑生料及出窑熟料成分及率值见表2。
表1 入窑煤粉工业分析
表2 入窑生料及出窑熟料成分及率值
生产运行中该系统存在以下问题：
(1)系统能耗高。预热器C1出口废气温度高，达到360～370℃，出口负压大，达到5600～5700Pa，C1旋风筒的分离效率低，仅为91.18％。2016年标煤耗为110.42kg/t，2017年上半年标煤耗为111.22kg/t，平均值为110.67kg/t，系统煤耗高；2016年单位熟料工序电耗为31.21kWh/t，2017年上半年熟料工序电耗为33.08kWh/t，平均值为31.79kWh/t，煤耗及电耗指标均落后于该集团的水泥生产线平均水平。
(2)系统不稳定，操作控制困难。受结皮、积料的影响，窑、分解炉两路风难以平衡，且结皮、积料点难以查找，常造成频繁塌料或分解炉出口温度长时间超过1000℃，塌料时为避免压床，操作员分料入窑，超温时大幅减尾煤，均造成窑产量的大幅降低。
(3)对煤质的适应性差。在使用低热值燃料时，窑系统无法达到正常熟料产能。
(4)存在安全、环保隐患。塌料严重时，为避免流化床压料，必须进行排料，外排的高温物料造成大面积扬尘，严重影响现场环境及周边设备及员工的安全。
根据业主要求，并结合生产线的实际情况，在不更换煤磨、生料磨、回转窑和篦冷机等主机设备的前提下，充分利用现有的可靠设备和设施，针对影响烧成系统能耗和运行稳定性的因素，在投资省、周期短的前提下，对预热器，预分解系统和三次风管进行相应的技术改造。通过本次改造，达到节能降粍、稳定系统运行的目标，并降低安全、环保的风险。
2.1 预热器及分解炉
改造前预热器旋风筒及分解炉结构与运行参数见表3。
表3 旋风筒和分解炉结构与运行参数
由表3可以看出，现有预热器各级旋风筒规格小，表观截面风速高，部分旋风筒进口风速高，系统阻力大；各级旋风筒温度分布不合理，出C1废气温度高，预热器整体热效率低。针对存在的问题，并结合生产线的实际情况，经过反复论证，确定预热、预分解系统改造方案如下。
2.1.1旋风筒及连接风管改造
(1)C1旋风筒及C2-C1连接风管。保留C1旋风筒锥部和部分直筒段Φ5.3m，扩大C1旋风筒涡壳，相应直筒段上部直径加大至4m，适当缩小进口面积，提高进口风速，旋风筒内部增加尾涡隔离器，内筒增加整流器，内筒底部加一倒锥，从而提高C1旋风筒分离效率及降低阻力，如图1所示。同时局部改造C2-C1连接风管。
图1 C1旋风筒改造前后示意图
施工时，在现有的旋风筒不拆除的情况下，就可先行扩大涡壳和上部直筒段，待该扩大部分外克施工完成后，再拆除原有涡壳及直筒段的直墙部分及内部耐火材料，可节约改造时间及改造费用。
(2)C2、C3、C4旋风筒。通过重新设置导流板，增大旋风筒有效进口面积，降低进口风速，以降低旋风筒阻力，如图2所示。
图2 C2，C3，C4旋风筒改造前后示意图
(3)C5旋风筒、分解炉至C5连接风管。保留C5旋风筒锥部和直筒部分，涡壳部分重新设计，外扩C5旋风筒涡壳，增大进口面积,在降低阻力的同时，保持旋风筒分离效率，如图3所示。同时配合分解炉改造，新增分解炉至C5旋风筒连接风管。
图3 C5旋风筒改造前后示意图
(4)更换锁风翻板阀、料管改造。更换C1~C5旋风筒料管上的锁风翻板阀及部分膨胀节，以提高锁风效果，减少系统内漏风，提高旋风筒的分离效率及热效率；同时适当调整提高C1，C2，C3翻板阀的安装位置，以增加料的冲力，改善物料在旋风筒连接管内的分散效果。配合分解炉改造，C4旋风筒下料管整体改造。配合锁风翻板阀的更换及安装高度调整，C1、C2、C3料管作相应改造。
(5)更换撒料箱。预热器部分旋风筒之间温差偏小，显示物料在旋风筒连接管道内分散不好、换热效率偏低。为增强物料和热气体的混合效果，用新型扩散式撒料箱更换生料入口、C1~C4料管上原有的撒料箱。撒料装置的结构设计上采用扩散式箱体，内加凸弧型多孔导料分布板，该种结构既具有防堵功能又可确保物料在气固换热管道内分散的均匀性，有利于提高系统的换热效率。
2.1.2分解炉改造
现有分解炉为带流化床的管道式离线分解炉，总容积348m。该分解炉存在的主要问题有：
(1)离线炉阻力大，导致系统阻力增大；受结皮、积料的影响，窑、炉两路风难以平衡，系统操作控制较困难；
(2)对煤质适应性差，煤质对系统产量影响大；
(3)塌料频繁，严重影响系统的稳定运行，同时存在较大的安全、环保隐患；
(4)流化床引入冷风，导致系统热耗增加；
(5)入窑物料表观分解率低，只有93％。
因此，本次改造拟将带流化床的管道式离线分解炉改为在线喷旋管道式分解炉。根据现有生产线的具体情况，分解炉的改造拟充分利用现有的窑尾框架，尽可能增加分解炉的容积将新分解炉置于现有的窑尾框架内，在不影响窑尾土建框架梁的前提下，采用灵活布置方式，部分分解炉体截面采用方形以保证截面积，不仅有利于窑尾土建框架结构的安全、节省土建投资，而且易于安装，有利于缩短改造周期。具体改造方案见图4。
图4 分解炉改造示意图
本次技改拟将三次风从分解炉锥部单股旋切引入，合理设置C4料及煤粉入炉位置及方式来改善煤粉初始燃烧条件。改造后，炉体压力损失小，有利于窑、三次风两路风的平衡,易于操作控制；改造后，分解炉炉容达到约810m，气体在炉内停留时间可达到5.85s，可保证煤粉在炉内充分燃烧，降低分解炉出口气体温度，入窑物料表观分解率可达95%以上，以利于系统提高产量、降低能耗及稳定运行。
2.2 三次风管
现有的三次风管规格为Φ2.0m，为有效内径为Φ1.556m，三次风从窑头罩上抽取，向下倾斜于流化床连接。本次技改因分解炉改为在线炉，为避免三次风管布置成“V”型，拟整体改造三次风管，利用原有三次风管部分土建支撑并作适当改造，出窑头罩后倾斜向上,然后经高温闸阀后旋切进入分解炉锥部(布置见图5)。
图5 三次风管改造前后示意图
预热、预分解系统和三次风管经过60天的停窑，紧张的施工安装改造，该生产线已于2018年5月初顺利投产。经过一段时间的生产调试，烧成系统安全稳定运行，各项指标均有较大改善，详见表4。
表4 技术改造前后烧成系统运行参数
本次技术改造解决了原离线炉系统阻力大，易结皮，塌料频繁，存在安全、环保隐患等问题，达到了增产降耗、稳定系统操作和合同要求的保证指标，取得了良好的节能降耗效果。
来源：1中国中材国际工程股份有限公司(南京)；
2苏州中材建设有限公司
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