黄海林，姜树丰，郝利炜，刘鹏飞，王小文

随着水泥工业的快速发展，原燃材料资源日趋紧张，水泥生产迫切需要适应碱、氯、硫等挥发性有害成分含量高的原燃料；另外，随着水泥窑协同处置固体废弃物、生活垃圾、飞灰等各类废弃物量的增加，进入回转窑内的硫、氯、碱等挥发性有害成分也相应增加。这些挥发性成分在烧成系统内循环富集，造成窑尾烟室缩口、下料斜坡、C5 旋风筒锥体等部位结皮堵塞严重，影响了烧成系统的稳定运行及熟料质量。

为减少挥发性有害成分在烧成系统内的循环富集，一般采用旁路技术进行控制。旁路技术主要分为三类[1]：一类是窑灰旁路技术。该技术是指将窑尾收尘器收集的窑灰另作他用，不再入窑，以此减弱有害成分的外循环。该技术较为简单，但减少窑内有害成分的作用不太明显。另一类是热生料旁路技术，该技术是指将部分富含可形成再循环冷凝化合物的入窑热生料旁路。该技术减少窑内有害成分的作用较明显，但会导致系统热耗、料耗增加。第三类是旁路放风技术，该技术是指从窑尾烟室放出部分含有大量硫、氯、碱的烟气，从而减少硫、氯、碱在烧成系统内的富集和循环。该技术是目前使用最多，也是减少挥发性有害成分在烧成系统内循环富集效果最好的技术。本文根据实际设计经验，就旁路放风技术的工艺流程选择和工程设计要点进行介绍。

1 不同粉尘捕集方式下的旁路放风系统工艺流程

旁路放风技术是指抽取窑尾烟室中部分含有高浓度挥发性有害成分的烟气，将有害成分冷凝在粉尘表面，利用收尘装置捕集后排出，并另行处置的技术。此技术可降低硫、氯、碱等有害成分在烧成系统的富集和循环，避免或减缓结皮堵塞对烧成系统的影响。在抽取的气体中，含尘浓度和有害成分含量均较高，需作进一步处理方可排放至大气中或汇入原窑尾烟气系统中。

由于窑尾烟室排出的烟气温度较高，一般在1 050℃～1 150℃，取风管道内壁需敷设耐火材料或使用耐高温材质管道；另外，取风管道内有害成分较多时易导致结皮堵塞，需尽量缩短取风管道长度。为了使旁路烟气中的有害成分迅速冷凝，防止二噁英再次合成，降低进入收尘装置的烟气温度，烟气从窑尾烟室抽出后，需用冷却风机将其强制急冷至300℃左右。后续的粉尘捕集主要采用旋风收尘器和袋收尘器两种方式进行。

1.1 使用旋风收尘器捕集粉尘

使用旋风收尘器捕集粉尘的工艺流程如图1所示，窑尾烟气在骤冷室经急冷风机冷却后，先通过一个旋风收尘器捕集烟气中的粗颗粒后返回窑尾烟室，再通过另外一组旋风收尘器捕集烟气中的细粉，细粉另行处置。处理后的烟气由窑尾C1 出口汇入高温风机管道，利用高温风机的抽力将气体抽走，汇入原窑尾烟气系统。

图1 旁路放风系统工艺流程-旋风筒方案

此种方案中，烟气中粗颗粒冷凝后的有害成分较少，捕集后的粗颗粒可再次喂入窑内，以减少烧成系统的料耗和热耗；同时，利用窑尾高温风机的负压抽取烟气，可节省风机设备投资。但配置两级旋风收尘器会增加系统阻力，同时，因旁路放风系统没有配备风机，只能依靠调节风管上的阀门开度调整所需抽取的风量，无法精确控制放风量。

1.2 使用袋收尘器捕集粉尘

袋收尘器滤袋的可承受温度一般<200℃，>200℃的耐高温滤袋成本较高，因此需对急冷后仍有300℃左右的高温烟气进行二次冷却，使之能够保持在200℃以下，以保证袋收尘器的安全运行。根据实际运行情况，高温烟气的二次冷却可选择冷风阀、热交换器、喷雾冷却塔等形式。当二次冷却的烟气温度降至氯化物的凝结温度以下时，烟气中的氯化物将大量凝结并附着于细小颗粒表面。袋除尘器捕集附着有氯化物的细小颗粒，除去旁路放风烟气中的氯化物，形成高含氯窑灰。

1.2.1 冷风阀二次冷却

冷风阀二次冷却方案如图2 所示。使用冷风阀进行二次冷却，工艺流程简单，无需新增设备，不会增加系统阻力，是首选的高温烟气二次冷却方案。其缺点是，吸入冷风后，系统所需处理的总风量增加，导致后续旁路收尘器和收尘风机的处理能力也需相应加大。

图2 旁路放风系统工艺流程-冷风阀二次冷却方案

1.2.2 热交换器二次冷却

热交换器二次冷却方案如图3 所示。使用热交换器进行二次冷却，没有掺加额外的冷风，无需加大后续旁路收尘器和收尘风机的处理能力，但需新增一台热交换器，热交换器风扇电机的电耗及新增的系统阻力，将会增加整个旁路系统的电耗。目前，国内有些设计单位采用多管冷却器替代热交换器，虽降低了热交换器风扇电机的电耗，使用效果与热交换器类似，但其阻力也相应增加。

图3 旁路放风系统工艺流程-热交换器二次冷却方案

1.2.3 喷雾冷却塔二次冷却

喷雾冷却塔二次冷却方案如图4 所示。使用喷雾冷却塔进行二次冷却，由于没有掺加额外的冷风，所以无需加大后续旁路收尘器和收尘风机的处理能力，但增加了一座喷雾冷却塔，喷雾系统泵驱动电机的电耗加上新增的系统阻力，也会增加整个旁路系统的电耗。

图4 旁路放风系统工艺流程-喷雾冷却塔二次冷却方案

在进行旁路放风系统设计时，可根据实际运行情况，选择以上冷却方式中的一种或几种进行组合。如，某工厂为了降低系统料耗和热耗，在烟气急冷后，先用旋风收尘器将粗颗粒物料捕集并重新送回窑内后，又采用热交换器进行二次冷却，并采用袋收尘器进行粉尘捕集；同时，为了保护滤袋，在管道上加设了冷风阀作为应急阀门。

2 旁路放风系统放风量的选择

当生料中的总碱量（K2O+Na2O）>1%，氯（Cl-）含量>0.015%或生料中的硫碱摩尔比SO3/（K2O+0.5Na2O）>1 时，就可能会影响烧成系统的正常操作[2]，需采取旁路放风措施，解决有害组分循环富集的问题，降低熟料中碱、氯、硫等的含量，满足生产优质低碱熟料的需要。

采用旁路放风会损失部分热量，增加系统热耗，因此旁路放风量并非越大越好，需要通过Weber公式计算确定。

Weber 基于有关假设，推导出的碱循环系数K的计算公式如下[2]：

碱减少量的计算公式如下：

式中（假定碱全部来自生料）：

（K-1）——碱循环量

ε1——生料中碱的挥发系数

ε2——循环碱的挥发系数

V——旁路放风量（%），占窑尾烟室烟气量的百分比

ΔA——熟料中碱的减少量

式（1）、式（2）同样适用于硫化物和氯化物的计算。

几种典型物质的挥发系数见表1，几种典型挥发性有害物质在入窑热生料中的含量上限值见表2，硫与氯共存系统的结皮程度见图5[3]。

表1 几种典型物质的挥发系数

表2 几种典型挥发性有害物质在入窑热生料中的含量上限值，%

从图5 可以看出，采取旁路放风后，计算入窑热生料中的Cl-和SO3的质量百分含量时，若入窑生料中只有Cl-没有SO3时，只需查看Cl-的质量百分含量落在图中纵坐标上的判点在哪个区域；若入窑热生料中只有SO3而没有Cl-时，只需查看SO3的质量百分含量落在横坐标上的判点在哪个区域；若入窑热生料中Cl-和SO3共存，则需查看以SO3的质量百分含量为横坐标、以Cl-的质量百分含量为纵坐标的判点落在哪个区域[3]。若判点在重度结皮区域，则需继续加大放风比例并重新计算，直到判点落在可接受结皮区域或轻度结皮区域，此时的放风比例即可作为设计放风比例。

图5 硫与氯共存系统的结皮程度

通过验算不同放风比例下入窑热生料及熟料中碱、氯、硫的含量，可确保结皮程度在可控范围内，确定窑尾烟室最小放风比例，确保系统正常运行的同时，将热耗、电耗、料耗等的影响降至最低。

3 旁路放风系统设计要求

由于窑尾烟气中含有较高的Cl-、K、SO2等有害成分，在进行旁路放风系统工艺设计时，需分别对其取风位置、取风截面积、高温风管、骤冷室风管及其安全设计等进行限制性设置，以确保旁路放风系统安全有效运行。

3.1 取风点设置

为了能够抽取到更多有害成分浓度较高的窑尾烟室烟气，并尽可能地降低所抽取烟气中的粉尘浓度，根据流场分析及实践经验，取风点宜设置在窑尾烟室缩口稍下部位，紧邻回转窑一侧，且与窑中心线重合，如图6所示。

图6 旁路放风最佳取风点位置

现场条件受限时（尤其是改造项目），取风点可适当偏移至回转窑一侧、窑中线的两侧（喂料点之前）或烟室侧面。

放风比例<25%时，取风点宜设置在回转窑一侧中心位置，只有在放风比例>25%或布置空间受限时，才会考虑将其设置在烟室后端。

当取风点设置在窑尾烟室后侧时，放风效果会有一定的弱化，需适当提高放风量。目前尚无法准确量化其弱化的程度，根据实际生产经验，约需增加1%～2%的放风比例，可通过在设计阶段适当提高设计富余系数解决此问题。

3.2 各工况点的风速及设计要求

3.2.1 位于窑尾烟室的取风点

为减少所抽取烟气中的粉尘浓度（尤其是较大颗粒），国内标准要求取风点风速≯11m/s，国外一般要求取风点风速≯7～8m/s，并确保取风点与C5卸料点有一定的距离。

3.2.2 骤冷室进口管道

从取风点至骤冷室进口的风管长度应尽可能短，以防止该区域出现积料、结皮等情况，确保系统平稳运行。

旁路放风所抽取的烟气温度一般在1 050℃～1 150℃，在进入骤冷室之前，风管管道内壁需敷设230mm 厚度的浇注料（国外有要求浇注料厚度为345mm的情况）。

骤冷室进口处的风速一般按20m/s 设计，需同时考虑多个放风比例时，最好能将各放风比例下的风速值均设置在16～25m/s。

3.2.3 骤冷室本体

（1）根据取自窑尾烟室的高温烟气与冷风机提供的冷风混合后的风量，确定骤冷室的截面风速。截面风速一般按12m/s 设计，考虑多个放风比例时，风速宜为9～15m/s。

（2）骤冷室所需冷风由风机强制鼓入，冷风进口处风速一般为25～30m/s，沿切线形式进入骤冷室。通过设置在骤冷室出口后端（一般要求距离5～8m）的测温点，反向调控风机转速或风机进口阀门开度，确定冷风供应量。

（3）一般按骤冷室有效内径的1.0～1.5 倍考虑骤冷室有效长度。

（4）骤冷室内壁浇注料的厚度为100～150mm。考虑到旁路放风系统停止运行时，窑尾烟室的烟气温度或热辐射会对骤冷室产生伤害，安全需求较高时，该处的浇注料厚度可设置为230mm。

（5）离开骤冷室的混合烟气温度一般设定为300℃左右。骤冷室出风口风速一般按照18m/s 设计，风速运行区间宜为16～23m/s。

3.3 安全设计要求

3.3.1 骤冷室强制冷却风进口管道

骤冷室强制冷却风进口管道与冷却风机连接，二者之间需通过高温密封阀（开关型阀门，电动或气动均可）进行隔断。设计上，要求该阀门靠近骤冷室，同时，阀门与骤冷室直接连接的管道，包括阀门本身及阀门后端（靠近风机一侧）约0.5m 长的管道，均需设置100～150mm 厚度的浇注料。安全需求较高时，该处的浇注料厚度可设置为230mm，以防止旁路放风系统停止运行时，窑尾烟室的高温烟气溢出。

3.3.2 骤冷室出风口管道

骤冷室出风口管道，即与冷空气混合后的烟气，离开骤冷室后所运行的管道。在距骤冷室出风口<0.5m 的位置，设置高温密封阀（开关型阀门，电动或气动均可）进行隔断。设计上，要求该阀门靠近骤冷室，同时，阀门与骤冷室直接连接的管道，包括阀门本身及阀门后端（靠近风机一侧）约0.5m长的管道，均需设置100～150mm厚度的浇注料。安全需求较高时，该处的浇注料厚度可设置为230mm，以防止旁路放风系统停止运行时，窑尾烟室的高温烟气溢出。

3.3.3 旁路烟气二次冷却

确保进入收尘器的风温降至滤袋的安全运行温度，并设置收尘器进风口处的温度测点。根据不同的二次风冷形式，通过调节冷风阀开度、启动热交换器冷却风扇的数量、控制喷雾冷却塔的喷水量等，反向控制二次冷却后的烟气温度。

3.3.4 混合风管

理论上要求混合风管的管道角度应尽可能接近90°，而实际设计时，要求上升段管道角度≮70°，下降段管道≮60°，以防止管道积灰。

3.3.5 骤冷室至收尘器进风口的烟气管道

骤冷室至收尘器进风口的烟气管道长度须≮20m，气体在进入袋收尘器前运行时间>1s，冷风与高温烟气充分混合降温，确保收尘器滤袋安全。

图7为旁路放风工程设计示例。

图7 旁路放风实际工程示例

4 结语

综上所述，在增设旁路放风系统时，需根据企业的实际情况选择旁路放风工艺流程和取风点，同时，根据原燃料成分中碱、氯、硫的含量进行详细计算，合理确定放风比例并进行设备选型，在保证熟料质量和系统正常运行的同时，降低系统热耗、料耗及电耗。需注意的是，即使设置了旁路放风系统，也并不能完全避免结皮和堵塞现象，应精细操作回转窑和预热器，保持系统温度、风压及喂料量的稳定，在易结皮位置设置空气炮清扫装置，并加强现场巡检，这样才能将结皮堵塞风险控制到最小，确保系统工况的稳定。