水泥生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)電能消耗指標(biāo)分析

狄東仁，孟軍，肖靜

1 概況

水泥生產(chǎn)過程是典型的高耗能過程，其中電能消耗在產(chǎn)品能耗和生產(chǎn)成本中占比很大，電耗指標(biāo)代表了生產(chǎn)線的綜合技術(shù)水平，燒成系統(tǒng)電耗更是水泥廠標(biāo)志指標(biāo)之一。經(jīng)過對(duì)水泥生產(chǎn)線工藝過程及裝備技術(shù)長(zhǎng)期的深入研究、精心設(shè)計(jì)和精細(xì)管理，我公司執(zhí)行的項(xiàng)目在技術(shù)指標(biāo)及節(jié)能環(huán)保方面均取得了優(yōu)異成績(jī)。在近期執(zhí)行完成的國(guó)內(nèi)某大型水泥集團(tuán)EPC總承包項(xiàng)目的性能考核中，燒成系統(tǒng)電耗16.6kW·h/t熟料，熟料綜合電耗37kW·h/t熟料，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。本文根據(jù)此項(xiàng)目燒成系統(tǒng)各主要設(shè)備的電耗考核結(jié)果，分析了電耗指標(biāo)的構(gòu)成及燒成系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的措施。

2 燒成系統(tǒng)電耗考核結(jié)果

本項(xiàng)目生產(chǎn)線規(guī)模為5 000t/d，正常產(chǎn)量下燒成系統(tǒng)電耗平均為16.6kW·h/t熟料，考核范圍包括生料出庫(kù)至熟料入庫(kù)的整個(gè)熟料燒成過程。主要包括生料入窯計(jì)量與輸送、預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、熟料冷卻機(jī)、熟料冷卻廢氣處理、煤粉計(jì)量與輸送等系統(tǒng)，不包括窯尾排風(fēng)機(jī)。其中，高溫風(fēng)機(jī)、篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)和窯頭排風(fēng)機(jī)電耗是影響燒成系統(tǒng)電耗的關(guān)鍵，一般占到系統(tǒng)電耗的60%以上，這幾個(gè)主要風(fēng)機(jī)的電耗低，體現(xiàn)出燒成系統(tǒng)電耗指標(biāo)先進(jìn)，其他設(shè)備（如窯主機(jī)）電耗和低壓設(shè)備電耗變化不大。具體電耗如表1所示。

從表1可以看出，該項(xiàng)目燒成系統(tǒng)電耗優(yōu)于國(guó)內(nèi)一般水平，比一般水平電耗少5kW·h/t熟料以上，其中高溫風(fēng)機(jī)的節(jié)電效果最為顯著。

3 燒成系統(tǒng)先進(jìn)電耗指標(biāo)的分析

下面對(duì)影響燒成系統(tǒng)電耗指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備——高溫風(fēng)機(jī)、篦冷機(jī)及冷卻風(fēng)機(jī)和窯頭排風(fēng)機(jī)的電耗逐項(xiàng)進(jìn)行分析。

3.1 高溫風(fēng)機(jī)電耗

眾所周知，高溫風(fēng)機(jī)電耗是衡量預(yù)熱器系統(tǒng)技術(shù)水平的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其運(yùn)行電耗由風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)量、壓力和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率決定，直接與預(yù)熱器C1出口風(fēng)量、壓力及含塵濃度有關(guān)。本項(xiàng)目采用了工藝先進(jìn)、技術(shù)成熟的窯尾6級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)，使高溫風(fēng)機(jī)電耗僅為3.7kW·h/t熟料，優(yōu)于國(guó)內(nèi)一般水平，比一般水平電耗少2kW·h/t熟料以上，優(yōu)勢(shì)明顯。

（1）預(yù)熱器系統(tǒng)降阻效果顯著

經(jīng)過多年深入研究，我公司研制出了先進(jìn)的低渦流6級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)，取得了低阻高效的顯著效果。6級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)出口壓力與傳統(tǒng)5級(jí)低阻型預(yù)熱器系統(tǒng)基本相當(dāng)甚至更低，對(duì)降低風(fēng)機(jī)電耗起到了決定作用。

（2）預(yù)熱器出口廢氣量低

6級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)具有良好的燃燒換熱性能，熱耗低于93kg標(biāo)煤/t熟料，因此，預(yù)熱器出口廢氣量較低。同時(shí)，高溫風(fēng)機(jī)按C1出口O2含量＜2%控制拉風(fēng)，避免拉大風(fēng)，嚴(yán)格控制安裝和耐火澆注料施工，減少系統(tǒng)漏風(fēng)和散熱，標(biāo)定C1出口風(fēng)量達(dá)到了1.2～1.25m3（標(biāo)）/kg熟料先進(jìn)水平，風(fēng)量較常規(guī)低10%以上，也對(duì)降低風(fēng)機(jī)電耗起到了決定作用。

（3）預(yù)熱器分離效率高

標(biāo)定C1出口含塵濃度～38g/m3（標(biāo)），證明預(yù)熱器分離效率高達(dá)95%以上，減少了廢氣中飛灰?guī)ё叩臒崃浚诮档蜔岷牡耐瑫r(shí)，提高了高溫風(fēng)機(jī)的全壓運(yùn)行效率。

從高溫風(fēng)機(jī)設(shè)備廠家提供的選型計(jì)算中可以看出，風(fēng)機(jī)全壓效率與含塵量關(guān)系很大，按含塵量60g/m3（標(biāo)）修正后的全壓效率相比凈含塵量效率低2.4%～2.7%，見表2。含塵濃度越低，氣體密度也越低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率隨之提高，有助于降低風(fēng)機(jī)電耗。

（4）高溫風(fēng)機(jī)電耗計(jì)算

本項(xiàng)目與常規(guī)生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)計(jì)算電耗對(duì)比如表3所示。

本項(xiàng)目高溫風(fēng)機(jī)入口風(fēng)量、風(fēng)壓較常規(guī)生產(chǎn)線明顯降低，廢氣中含塵濃度也較低，因此提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，電耗3.7kW·h/t熟料，節(jié)電效果顯著。

（5）高溫風(fēng)機(jī)選型特點(diǎn)

設(shè)備廠商提供的高溫風(fēng)機(jī)選型參數(shù)見表2。

從表2可以看出，高溫風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型分為窯尾SP鍋爐開和鍋爐關(guān)兩種狀態(tài)。每種狀態(tài)又按工作狀態(tài)和設(shè)計(jì)選型提供了兩組參數(shù)，以便風(fēng)機(jī)廠商選型時(shí)在鍋爐開的長(zhǎng)期工況點(diǎn)上達(dá)到效率最佳，同時(shí)又能滿足不同工作狀態(tài)的運(yùn)行，并留出一定的富余系數(shù)，滿足企業(yè)提產(chǎn)需求。廠商提供的風(fēng)機(jī)選型，實(shí)現(xiàn)了鍋爐開這種長(zhǎng)期工況點(diǎn)下全壓效率均達(dá)到85%以上的理想效率水平。按介質(zhì)含塵量60g/m3（標(biāo)）修正后全壓效率均＞82%，筆者按介質(zhì)含塵量38g/m3（標(biāo)）換算，估算全壓效率應(yīng)＞83%。采用變頻調(diào)速，能使鍋爐開的兩種狀態(tài)風(fēng)機(jī)效率相差不大，基本達(dá)到了最佳，對(duì)照高溫風(fēng)機(jī)的電耗考核結(jié)果和工況參數(shù)，可以推測(cè)此臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率在83%以上，說明風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造均較為先進(jìn)。

表1 燒成系統(tǒng)考核時(shí)主要設(shè)備電耗，kW·h/t熟料

表2 高溫風(fēng)機(jī)選型參數(shù)表

因此，在設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)機(jī)的選型參數(shù)應(yīng)包括長(zhǎng)期、短期工況運(yùn)行和設(shè)計(jì)選型參數(shù)，以便風(fēng)機(jī)廠商了解風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，選擇合適的高效風(fēng)機(jī)。

3.2 篦冷機(jī)及冷卻風(fēng)機(jī)電耗

本項(xiàng)目采用了我公司自主開發(fā)的第四代中置輥破篦冷機(jī)，運(yùn)用了新型篦板、篦床分區(qū)供風(fēng)、薄料層、中置輥破前移等一系列先進(jìn)技術(shù)。

篦冷機(jī)電耗主要取決于冷卻風(fēng)機(jī)，在單位熟料冷卻風(fēng)量1.9m3（標(biāo)）/kg的條件下，只能通過降低供風(fēng)壓力來降低風(fēng)機(jī)電耗。由于第四代篦冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了較薄料層操作，料層厚度降低了100mm，使得篦床通風(fēng)阻力降低，風(fēng)室風(fēng)壓降低約10%，電耗降低＞10%約0.6kW·h/t熟料，達(dá)到了篦冷機(jī)電耗＜5.5kW·h/t熟料的顯著節(jié)能效果。本項(xiàng)目篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)單位熟料裝機(jī)功率為6.9kW/t熟料，一般項(xiàng)目為7.0～9.0kW/t熟料，具體對(duì)比見表4。

根據(jù)篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，將需要經(jīng)常調(diào)整的后幾室冷卻風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，挖掘節(jié)電潛力；將基本全開、幾乎不需要調(diào)節(jié)的前幾室風(fēng)機(jī)采用固定調(diào)速，減少了變頻器自身～5%的電能損失。

表3 高溫風(fēng)機(jī)計(jì)算電耗對(duì)比

表4 篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率及電耗對(duì)比

表5 窯頭排風(fēng)機(jī)參數(shù)及電耗計(jì)算對(duì)比

表6 風(fēng)機(jī)廠商提供的窯頭排風(fēng)機(jī)選型參數(shù)表

3.3 窯頭排風(fēng)機(jī)電耗

窯頭排風(fēng)機(jī)電耗主要與風(fēng)機(jī)入口風(fēng)量和壓力有關(guān)，入口壓力受AQC鍋爐阻力和袋收塵器阻力的影響，本文不討論AQC鍋爐阻力。

窯頭采用了我公司提供的新型低壓脈沖袋收塵器，利用CFD技術(shù)對(duì)此袋收塵器及其進(jìn)出口連接風(fēng)管進(jìn)行了氣流分布優(yōu)化，使收塵器及連接管道內(nèi)部風(fēng)速均勻；根據(jù)氣體性質(zhì)，選用了合適的覆膜濾料，對(duì)袋收塵器換袋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將漏風(fēng)率控制在3%以下。生產(chǎn)線投產(chǎn)后，此袋收塵器運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)定窯頭排風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)量～1.02m3（標(biāo)）/kg熟料，進(jìn)出口壓差～530Pa，實(shí)現(xiàn)了粉塵超低排放。本項(xiàng)目與常規(guī)生產(chǎn)線窯頭排風(fēng)機(jī)參數(shù)及電耗計(jì)算對(duì)比見表5。

窯頭排風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型與高溫風(fēng)機(jī)類似，分為窯頭AQC鍋爐開和鍋爐關(guān)兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)又按工作狀態(tài)和設(shè)計(jì)選型提供了兩組參數(shù)，以便風(fēng)機(jī)廠商選型時(shí)在鍋爐開的長(zhǎng)期工況點(diǎn)上達(dá)到效率最佳，并留出一定的富余系數(shù)，滿足提產(chǎn)需求。廠商提供的風(fēng)機(jī)選型實(shí)現(xiàn)了在鍋爐開的長(zhǎng)期工況點(diǎn)下全壓效率86.8%的理想結(jié)果，由于采用變頻調(diào)速，各種狀態(tài)全壓效率均＞86%。風(fēng)機(jī)廠商提供的窯頭排風(fēng)機(jī)選型參數(shù)見表6。

對(duì)照此臺(tái)風(fēng)機(jī)的考核結(jié)果和工況參數(shù)，該風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率應(yīng)在86%左右高效運(yùn)行，與設(shè)計(jì)基本一致。此臺(tái)風(fēng)機(jī)的效率很高，選型非常理想，較一般風(fēng)機(jī)效率高出～6%。

4 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目先進(jìn)的電耗指標(biāo)反映出我公司在燒成系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。隨著水泥行業(yè)對(duì)資源節(jié)約、節(jié)能環(huán)保的要求越來越高，以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，圍繞水泥行業(yè)核心技術(shù)燒成系統(tǒng)，在降低能耗、提高熱回收效率和減少排放等方面，仍需持續(xù)深入研究和優(yōu)化改進(jìn)；對(duì)于影響電耗的關(guān)鍵設(shè)備風(fēng)機(jī)等，還應(yīng)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)選型，提高風(fēng)機(jī)效率；喂料、喂煤等輔機(jī)設(shè)備和環(huán)節(jié)均有改進(jìn)和提升的空間，需要精益求精挖掘潛力。只有不斷創(chuàng)新、改進(jìn)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。