水泥廠節能技術措施探討

蔣韜

（貴州省建材科研設計院，貴州 貴陽 550007）

1 國內外新型干法水泥生產線能耗狀況

目前,國產裝備的大中規模新型干法預分解窯生產線總體技術如下:最大生產線規模為10000t/d,但絕大部分為6000t/d 及以下規模;熟料熱耗<3180kJ/kg,先進的低于3010kJ/kg;水泥綜合電耗<110kWh/t,先進的低于90kWh/t(不摻混合材);窯系統年運轉率約85%,先進的接近90%;粉塵排放量<50mg/m3(標),先進的小于30mg/m3(標);業廢棄物用作原料和混合材,生產中低標號的普通硅酸鹽水泥和礦渣水泥;用作燃料剛起步。

我國新型干法技術雖然取得了令人矚目的成績,但總體技術裝備水平仍然落后于世界先進水平,技術最為先進的國產裝備6000t/d 生產線,其能耗、控制水平、運轉率及可靠性方面與國外先進水平相比仍有一定差距,應盡快通過科研開發和技術創新手段提高新型干法技術水平,以節能降耗、環保、改善水泥質量和提高勞動生產率為中心,逐步實現清潔生產和高效集約化生產,實現水泥工業的可持續發展。我國水泥工業在高速發展過程中,存在的主要問題有:

1)結構仍不合理,技術落后的立窯和傳統回轉窯的總產量,還占總數的38%左右,有待調整

2)新型干法工藝裝備技術的平均生產水平和國際先進技術相比,尚有較大差距,有待提高

3)具有自主知識產權的原創性工藝技術裝備較少。

2 新型干法水泥生產線的節能技術

從設計的角度來看,新型干法水泥生產線的節能技術主要包括燒成系統節能技術、粉磨系統節能技術、廢棄物的處置和利用高效純低溫余熱發電技術等。目前，許多科研院所及設備制造廠家正在積極研發和推出新一代水泥工廠的技術裝備,其燒成系統主要由帶高效分解爐的新一代六級預熱器系統、兩檔短窯、新一代步進式穩流高效冷卻機以及新型大推力的煤粉燃燒器等組成。粉磨系統節能技術裝備主要是原料粉磨采用輥磨、水泥和混合材粉磨采用輥磨終粉磨或大輥壓機小球磨的聯合粉磨技術。

2.1 新一代新型干法燒成系統節能技術

對于水泥工業窯爐的研究,國內外主要研究機構均依據水泥熟料形成熱、動力學機制,研究水泥窯爐工藝過程,并對各設備子系統工作機理和料氣運動、換熱規律進行探討;通過建立單級和多級粉體懸浮熱交換器熱力學理論模型和分解爐系統熱穩定性理論模型,建立全系統的熱效率模型,系統研究了懸浮預熱器和分解爐的熱效率及其影響因素、懸浮預熱器系統特性組合流程、流場、溫度場、濃度場的合理分布和碳酸鹽分解及固液相反應動力學特性,并在此理論成果的指導下,開發出新型干法水泥熟料生產技術裝備。由新一代六級新型預熱預分解系統、兩檔支撐回轉窯、步進式穩流新型冷卻機、新型大推力的窯頭燃燒器組成新一代燒成系統,其技術經濟指標將較正常水泥生產線有大幅度提高,其主要技術經濟指標為:熟料熱耗2885kJ/kg(690kcal/kg);系統年生產平均熱耗3136kJ/kg(750kcal/kg);熟料電耗≤58kWh/t;環保要求接近國際先進水平,NOx 排放量<500mg/m3(標)。

2.1.1 新一代帶高效環保分解爐的六級預熱器系統

目前,國內常規五級預分解系統正常生產時,預熱器出口廢氣的平均溫度為310～330℃,可滿足綜合水分7%原料烘干的需要。而國內常用砂巖配料,原料綜合水分一般低于3%,從而導致大量預熱器出口廢氣熱量沒有得到有效利用就排至大氣,造成整個系統能量的浪費。若窯尾預熱器系統提升為六級,預熱器級數增加,有利于系統熱交換,降低預熱器出口廢氣溫度。

上述技術措施實施后,預熱器出口廢氣溫度可降至≤280℃,仍可滿足原料綜合水分4%的烘干要求,降低預熱器出口溫度30～50℃,熱耗降低約每公斤熟料83.6～104.5kJ/kg。新一代六級預熱器預分解系統的特點和關鍵技術是:通過計算機仿真技術和冷態模型實驗,對窯尾預熱器系統氣固熱交換過程進行研究;對提高多級熱交換效果措施進行研究,提高預熱器的熱交換效率,降低廢氣溫度;優化預熱器及部件結構,降低系統阻力,提高熱效率;在提高換熱效率的前提下,適當降低系統內裝備高度。另外,窯尾預熱器級數增加,廢氣溫度相應降低,廢氣排放前的噴水降溫的噴水量下降,常規的增濕塔可改為管道噴水,基建投資和生產用水量均有所下降,為窯尾廢氣處理袋收塵器取消增濕塔創造了較好的條件。

2.1.2 新型大推力的煤粉燃燒器

回轉窯燃燒器是燒成系統的重要工藝設備。它不僅影響窯系統的熱耗及操作性能,還對熟料質量和有害物質排放量產生影響。目前國內外燃燒器的種類繁多,國外公司主要為Pillard、FLS、KHD 等,國內則生產企業眾多。一臺好的燃燒器首先要有足夠高的火焰溫度生產質量好的熟料;同時又要求火焰峰值溫度穩定,以保持窯皮穩定,延長耐火磚的使用周期;火焰形狀調節靈活,保證燃料燃燒完全,減少窯尾CO 的生成量;同時燃燒器設計時盡可能降低一次風量,以降低熱耗及減少NOx 的排放。

2.1.3 行進式穩流篦式冷卻機

從目前水泥熟料的冷卻技術發展來看,篦式冷卻機應是水泥熟料冷卻的主要裝備,這從國外各大水泥公司的裝備開發情況也可得知。篦冷機的發展使用目前已經歷了所謂的四代的歷程,但總體要求是一致的:高效、節能、低消耗、低成本等。第四代冷卻機在裝備結構及性能上有大幅提升,因此推廣應用也是大勢所趨。新型篦冷機具有依料床變化自動敏感地恒定冷卻風量(設計篦板下采用STAFF 閥)、無漏料等特點,使冷卻機真正實現了高效、低故障率,其主要特點如下:

(1)較高的熱回收率,較低的能耗。

(2)模塊化設計,便于施工安裝。冷卻機全部模塊化設計,尺寸標準化,各部件間實現最大限度通用,大幅減少業主的儲備備件種類及占壓資金;模塊車間預組裝發貨,減少現場安裝難度和工作量,縮短安裝時間。

(3)設備高度降低,土建費用大幅減少。由于設備下部無漏料,不需另設收塵灰斗、漏料鎖風裝置和鏈斗輸送設備,對于5500t/d 規模的冷卻機較第三代同規模冷卻機低3m 左右,燒成系統整體高度降低,窯頭、窯中、窯尾土建高度均可下降3m,冷卻機地坑工作量也可大幅降低,節約大量土建及鋼結構投資。

2.2 粉磨系統節能技術

2005 年全國水泥制造業共消耗電能918億kWh,同比增長12.68%,而同年水泥年產量106885 萬噸,同比增長9.85%。水泥綜合電耗的不降反升,主要是因為新型干法水泥比例的上升,機械化程度的提高,這說明水泥制造業節約電能的任務非常繁重。

2.2.1 料床粉磨技術

假設水泥中熟料的比例80%,生料理論料耗1.520kg/kg 熟料,熟料熱耗3135kJ/kg,煤熱值22990kJ/kg,則每噸水泥需粉磨生料1.22t,需制備煤粉0.11t,即每生產1 噸水泥需粉磨物料2.33t。需要的電耗按兩種情況估算:

(1)水泥用圈流球磨系統單位電耗40kWh/t,生料用中卸烘干磨系統單位電耗22kWh/t,煤粉用風掃球磨單位電耗40kWh/t,合計噸水泥粉磨電耗71kWh/t,約占水泥生產綜合電耗108kWh/t的66%;(2)水泥用輥壓機聯合粉磨系統單位電耗33kWh/t,生料用輥磨系統單位電耗16kWh/t,煤粉用輥磨系統單位電耗30kWh/t,合計噸水泥粉磨電耗56kWh/t,約占水泥生產綜合電耗93kWh/t 的60%。粉磨作業綜合電耗從71kWh/t水泥降低到56kWh/t 水泥,料床粉磨技術的應用起了主要作用。料床粉磨指的是固體物料以料床或料層的形式在粉碎機械工作面上受到高壓作用而被粉碎,壓力使得顆粒之間相互擠壓,直到大部分顆粒發生破碎或者至少產生裂縫或裂紋。在料床粉碎中每個顆粒都受到擠壓力或剪切力的作用,顆粒被選擇粉碎的幾率明顯提高,粉碎機械的施力全部作用在物料上,能量利用率得到提高。

3 結束語

《水泥工廠節能設計規范》的頒布和實施是對國家節能減排政策落實的一項重大舉措,我們科研設計人員將通過不斷的技術研發和創新,以大幅度地降低新型干法水泥廠的熱耗和電耗為目標,實現清潔生產，節約能源，來切實履行《水泥工廠節能設計規范》和實現國家對水泥行業的節能減排的要求,同時提高我國水泥行業的整體技術水平,逐步實現主要技術經濟指標全面達到同一時期的世界先進水平。

[1]胡宏泰,宋天民.濕法水泥廠節能技術改造應考慮的幾個問題.水泥技術.1991-01-25.

[2]凌士鍵.有關小水泥廠節能技術改造的幾點看法.水泥技術.1991-05-25.