新型干法水泥生產線設備選用與分析

□□ 付貴珍，張津葉

(山西西山華通水泥有限公司，山西 古交 030000)

引言

隨著GB 50443—2016《水泥工廠節能設計規范》、GB 16780—2012《水泥單位產品能源消耗限額》、《國務院關于進一步加強淘汰落后產能工作的通知》和《國務院關于化解產能嚴重過剩矛盾的指導意見》等文件的頒布實施及市場競爭的需要，水泥企業加大科技投入，提高生產效率，提升資源利用率，不斷加強企業創新能力的培養，開發新興和高端業務，把握機遇實現技術升級，才能在競爭中發展。

《建材行業節能減排先進適用技術目錄》要求水泥行業技術升級，在此對新型干法水泥生產線的工藝設備類型和設備性能逐一分析，以供新建水泥生產線企業設備選型或是現有生產線技術改造時參考。

1 生料制備系統設備選用

1.1 分析設備

元素分析儀主要是基于5種技術：LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，激光誘導擊穿光譜儀)、LIFS(Laser Induced Fluorescence Spectroscopy，激光感生熒光光譜儀)、XRF(X Ray Fluorescence，X射線熒光光譜儀)、PGNAA(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis，瞬發輻射中子活化分析儀)、NITA(Neutron Inelastic Scatter and Thermal Neutron Capture，中子非彈性散射和熱能中子捕捉分析儀)。

當前使用較多的鈣鐵分析儀、四元素分析儀、多元素分析儀、熒光分析儀都是基于前三種技術，只能用于化驗室分析，結果比較準確、穩定。QCS自動配料系統大部分是基于這幾種設備檢測出元素成分來完成，是一個典型滯后反饋控制系統，控制效果較差，易使生料形成不均勻料層。化驗室分析需要人工瞬時取樣，這種取樣方法的代表性難以保證，造成出磨生料成分合格率低，嚴重影響熟料的煅燒和質量，只能采用預均化堆場和生料均化庫彌補。

基于后兩種技術的在線分析儀設置在進預均化堆場的皮帶上，1 min可以實時分析一次石灰石成分，以“當前分析值”、“滾動平均”、“累計平均”、“間隔平均”四種形式顯示在屏幕上，將分析儀的顯示數據反饋到礦山調度，使質量控制人員準確了解原料成分，對開采面進行質量控制，對不同開采區的石灰巖進行合理搭配，實現均化開采。同時根據成分的不同，在進預均化堆場前進行分選并分級堆放，按工藝要求搭配入庫或直接入磨，使得入生料磨前原料成分的波動較小。在線分析儀安裝在入磨原料皮帶機上，每1 min檢測出入磨原料的化學成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、NaO、MgO、K2O、SO3，將其傳送給生料質量控制系統，系統根據入磨原料產量累計積分和對應批次的化學成分，計算出入磨混合料LSF(或KH)、SM、IM，同時比較三個率值的檢測值與設定值(目標值)，通過優化計算，連續不斷地調節各原料配比，使得入窯原料的三個率值LSF(或KH)、SM、IM接近設定值。由于這個閉環控制幾乎是實時進行的，這就使得出磨生料的LSF(或KH)、SM、IM控制非常穩定。在線分析儀在合理利用礦山資源、簡化或改變預均化堆場功能、弱化或取消生料均化庫、提高水泥生料合格率等方面都取得了不錯的效果，但其價格較高。

在線分析技術儀可測定原料中各種成分含量，二級衍生數據有：LSF、C3S、C2S、C3A、濕度等，可連續測定傳送帶上物料成分，無需樣品制備。可對傳送帶上物料進行整體分析，實現原料的全分析，分析結果用于生料的控制。幾種常用線分析儀的原理和特點見表1。

表1 在線分析儀的原理及特點

1.2 生料配料

生料配料需要考慮配料秤和軟件控制方式兩個方面。

配料秤種類繁多，常用的有：恒速電子皮帶秤、調速電子皮帶秤、螺旋電子秤、鏈板秤、失重秤、沖板流量計、轉子秤、科氏力秤、核子秤等。由于水泥行業物料種類的多樣性，所以各種秤都有應用。生料配料中石灰石、砂巖、鐵粉(鐵礦石)一般多用調速電子皮帶秤，生料粉、粉煤灰和微礦粉多用轉子秤或螺旋電子秤，石膏和大塊物料多用鏈板秤，熟料用鏈板秤或采用耐高溫的調速電子皮帶秤，在物料粉磨回磨粗粉處只需用精度不高的沖板流量計。所有計量設備的選擇應根據所計量物料要求達到的計量精度來配置，同時要求工作穩定可靠、不易損壞、宜于管理、價格便宜等。

配料秤的控制方式大致可分為4種類型：傳統數控系統(只有現場儀表和專用系統)、“PC嵌入NC”(PC或PLC加載專用控制軟件)結構開放式數控系統、“NC嵌入PC”(專用控制儀表加載開放系統平臺軟件)結構開放式數控系統、SOFT型(PC或PLC與DCS系統加載開放系統平臺)開放式系統。后3種控制方式便于網絡信息化及DCS系統的控制，所以應用較多。

為了保證生料配料系統的均衡穩定，一般需要DCS系統、QCS系統、配料秤系統等三大系統間的相互配合，如圖1所示。

圖1 水泥生料質量控制系統

當系統采用圖1的控制方式時，當QCS系統與配料系統通訊中斷時，可通過DCS系統自動完成所有功能，DCS系統分析完數據后將結果反饋回中控室，并自動加載到配料系統。同理，當DCS系統與配料系統或DCS與QCS系統中斷時，另一個系統也能完成全部功能。三個系統應同時具備4～20 mA的電流信號和總線協議功能，此兩種功能能夠相互切換，保證使用過程中的連續性。

1.3 生料粉磨

隨著輥式磨技術的成熟，從單位電耗、鋼材單位消耗、設備維護、購置費用、對使用環境的要求等各方面的性能都充分證明了立磨的使用優越性，所以立磨在水泥行業中得到了廣泛應用，特別是在生料粉磨上完全代替了管式磨。立式磨種類很多，結構區分主要在于磨盤與磨輥的形狀各有特點。典型的5 000 t熟料生產線配套的生料立磨有：HRM4800(胎形磨輥、凹形磨盤)、TRM5341(平盤、錐輥)、FLSAtox50(平面磨盤、圓柱狀輥)，三種立磨的產量均在420 t/h以上。

2 燒成系統設備選用

2.1 在線氣體分析儀

在線氣體成分分析儀的作用主要體現在三個方面：

(1)通過對爐窯氣體中CO、NOx、O2等的準確連續測量，可以了解窯內的燃燒溫度和燃燒完全程度，實現燃燒的優化控制，提高燃燒效率，實現企業產品質量提升和節能減排，給企業帶來很好的經濟效益。

(2)在煤磨和細煤倉處安裝在線氣體分析儀，檢測CO濃度，預防煤粉自燃或爆炸。

(3)監測燃燒過程中的廢氣排放情況。當前所用的氣體分析儀具備自標定功能，可脫離標準樣氣自行標定，大大降低了維護難度，提高了使用壽命。

各種在線氣體分析儀的主要區別在于原理不同，如質譜儀、氣相色譜儀、紅外線氣體分析儀、熱導式氣體分析儀、電化學式氣體分析儀、半導體激光氣體分析儀、拉曼激光氣體分析儀。以激光氣體分析儀為主流，該儀器易維護，可分析的氣體種類多，配套的取樣探頭有3種，各類探頭的特點見表2。

表2 激光氣體分析儀取樣探頭的特點

2.2 脫氮系統

GB 4915—2013《水泥工業大氣污染物排放標準》中將NOx化合物排放標準由800 mg/m3降低到400 mg/m3，部分地區為320 mg/m3。脫硝是控制氮氧化物污染的一個重要途徑。

煙氣脫硝技術按治理工藝可分為濕法和干法兩種。濕法脫硝包括酸吸收法、堿吸收法、氧化吸收法、絡鹽吸收法等；干法脫硝包括選擇性催化還原法(SCR)、非選擇性催化還原法(SNCR)、吸附法、等離子體活化法等。此外，國內外一些科研人員還開發了用微生物來處理含氮氧化物廢氣。

濕法煙氣脫硝是利用液體吸收劑將氮氧化物(NOx)溶解的原理來凈化燃煤煙氣，其最大的障礙是NO很難溶于水，往往要求將NO首先氧化為NO2，然后NO2被水或堿性溶液吸收，實現煙氣脫硝。濕法脫硝技術的優點是脫硝效率較高。因吸收劑種類較多，來源廣泛，適應性強，能以硝酸鹽等形式回收NOx，達到綜合利用的目的。但其技術比較復雜，易造成溶液的二次污染。

干法脫銷技術中的SCR脫硝原理是利用NH3和催化劑將NOx還原為N2。NH3具有選擇性，只與NOx發生反應，基本上不與O2反應，所以稱為選擇性催化還原脫硝。在水泥廠由于含塵濃度、溫度窗口、惡劣工況的影響，容易造成催化劑中毒，雖然有脫硝效率高的優點(可達到95%)但投用較少。與SCR法相比，SNCR法除不用催化劑外，基本原理和化學反應基本相同。該方法在分解爐和五級煙道內有兩個溫度反應窗口，且不受工況和含塵濃度影響，在水泥廠應用廣泛。該法的優點是無需催化劑，投資較SCR法小，但氨液消耗量大，NOx的脫除率也不高(30%～70%)。

與濕法相比，干法脫銷主要優點是基本投資低，設備及工藝簡單，脫除NOx的效率也較高，無廢水和廢棄物處理，不會造成二次污染。其他脫硝方法近年也有較快發展，但還存在一定的缺陷，未能廣泛應用。

2.3 回轉窯

回轉窯有兩檔窯和三檔窯兩種規格，兩種窯型的特點對比見表3。相對于相同生產線規模的三檔長窯，兩檔短窯具有直徑稍大、長度短、長徑比小的特點。一般兩檔窯較三檔窯直徑擴大了200 mm左右，窯內通風截面積大，因而燒成帶提產能力強，同時，兩檔窯表面積縮小10%～15%，窯筒體表面散熱相應減少，具有節能效果。由于兩檔窯具有低能耗、安裝維護方便、受力合理等優勢，因此國內市場二檔窯的占有率呈現增加的趨勢。

表3 兩檔窯和三檔窯的技術指標

2.4 煤粉秤

煤粉計量與控制對穩定窯的熱工制度，提高熟料的產量和質量，增強水泥生產的自動化，節約能源和減少有害氣體的排放等方面都起到積極的作用。燒成系統喂煤量的波動、失控，會導致煤粉不完全燃燒，造成能源浪費。使CO超標，進而引起窯尾廢氣溫度及氣體成分變化，還有可能造成預熱器結皮、堵塞，甚至造成停窯事故，直接影響窯的運轉率和臺時產量。因此，選用的煤粉秤應精度高，計量準確，連續喂煤量穩定、可調，響應速度快，對煤粉適應能力強。現在市場上有許多種類的煤粉秤，如申克秤、菲斯特秤、沖板式、螺旋計量秤、環狀天平秤，常用的是申克秤和菲斯特秤，二者的技術指標見表4。

表4 兩種常用煤粉計量秤的技術指標

2.5 篦冷機

篦冷機作為熟料熱回收的主要設備，擔負著熱回收、熟料冷卻與輸送、改善熟料質量的任務。篦冷機先后經歷了四代，第一代篦冷機篦下風室數量較少，篦板梁呈縱向布置，篦板為室供風，采用薄料層工作；第二代篦冷機篦下風室數量較多，篦板梁呈橫向分布，篦板為室供風，采用厚料層工作；第三代篦冷機是在第二代篦冷機的基礎上，在入口段增加了充氣梁，同時料層進一步加厚；第四代篦冷機總體特點為熟料輸送和空氣分布系統分離，取消密封空氣，每塊篦板均帶有空氣動力平衡式的空氣流量調節器，優化在各種操作條件下的空氣分布，采用了模塊化設計，便于安裝維護，幾種第四代篦冷機的特點對比見表5。

表5 四代篦冷機的特點

2.6 余熱發電

GB 16780—2012《水泥單位產品能源消耗限額》中規定了新建水泥廠的準入條件，要求可比熟料綜合熱耗為≤108 kgce/t,可比熟料綜合電耗60 kW·h/t,可比水泥綜合電耗為≤88 kW·h/t,可比水泥綜合能耗為≤93 kgce/t。一般新建水泥生產線均配套余熱發電以達到標準要求。在水泥生產系統與電站系統生產協調配合上應遵循“水泥生產是主業，發電是副業，副業不能影響主業，主業兼顧副業”的方針。余熱發電主要有三種模式：單壓系統(技術落后，基本淘汰)、復合閃蒸系統、雙壓補汽系統。以7.5 MW為例對目前應用較多的復合閃蒸系統和雙壓補汽系統作比較，見表6。

表6 余熱發電系統的工藝特點

2.7 高溫成像測溫系統

窯頭看火和窯內測溫是回轉窯操作有一定幫助，一直是采用獨立設備，但由于存在各種缺陷，所以不能作為直接判定儀器使用，只能輔助定性或作為參考依據。最新的高溫成像設備結合了窯頭高溫看火攝像機和窯內高溫比色計技術，克服了窯內粉塵濃度高對高溫比色結果干擾大的缺陷，可以快速直觀測量窯內所有畫面上的各點溫度(可同時顯示32個點的溫度)，如圖2所示。從成像畫面上可以反映出肉眼無法準確分辨的火焰不良癥狀，這些癥狀歸納見表7。

圖2 高溫成像設備的成像畫面

表7 高溫成像監測儀觀測火焰特征

該高溫成像測溫系統的優點如下：

(1)可以及時準確地判斷火焰是否處于最佳狀態。

(2)使用此儀器通過觀察溫度的分布及變化情況、調節前后的對比，可以客觀地判斷燃燒器的性能及調節效果。

(3)通過各監測點溫度的變化可以掌握煤粉是否完全燃燒，還可發現因料量或成分不穩而造成的溫度波動。

(4)可以快速反映出煤粉質量(細度、水分等)的穩定程度。

3 水泥制備及其他設備選用

3.1 水泥粉磨

對于水泥粉磨設備來講，傳統的管磨機能耗高，物料在磨內的停留時間長，噪聲大；而以輥壓方式實施粉磨的立磨和輥壓機，其能耗低，能量有效利用率高，結構緊湊，占地面積小。但立磨機械結構復雜，系統通風費用高；輥壓機輥壓高，結構復雜，振動大，維修費用高，系統通風能力低。

現在水泥粉磨的流程有管磨與輥壓機、輥壓機終粉磨、立磨終粉磨、立磨與管磨幾種。管磨雖然電耗高，但粉磨出的水泥成品顆粒形狀有利于強度發揮，與輥壓機或立磨半終粉磨配合綜合電耗也較低，應用較多。現在立磨和輥壓機終粉磨后水泥成品形狀在技術不斷革新后得到了改善，能滿足工藝要求，單位電耗和鋼材消耗低，應用領域也在不斷擴展。幾種輥式磨的性能指標見表8。

表8 三種輥式磨的性能對比

3.2 DCS系統

DCS系統在保證生產安全可靠、提高產品質量及產量、降低能耗及成本、控制環境污染、降低工人勞動強度、提高設備運轉率、實現科學管理等方面起著重要的作用。在選擇DCS系統時應考慮幾點：

(1)水泥廠污染大，要求DCS結構簡單，抗靜電能力強、發熱量小，I/O卡件封裝不裸露。

(2)抗干擾強，DI與DO用220 VAC電壓，模擬量要求隔離，每路均有A/D、D/A轉換器。

(3)占地面積大，地形復雜(使用光纖)。

(4)需要與一些動力設備相配合，如變頻器、PLC等通訊設備。

(5)開發適合水泥行業的流程圖等軟件，充分考慮行業特點，簡單適用易掌握。

第四代DCS系統的進步體現在兩個“I”，即Information(信息化)和Integration(集成化)。主要功能塊有工廠SCADA(監控)功能，也是最基本的DCS系統功能；專家優化系統功能、能源管理中心(MES)、全廠計量調度系統、全廠監控系統、設備管理和智能維修功能、質量管理系統(QCS)、全廠網絡系統等。在開放的系統平臺上，依賴標準的數據接口與第三方ERP、SCM、CRM等軟件完美的結合，實現了上層管理經營層的功能。

3.3 收塵器

GB 4915—2013《水泥工業大氣污染物排放標準》規定，允許排放的粉塵濃度由原來的80 mg/m3降低到10 mg/m3，原來一直使用的旋風收塵器現在只能用作多級除塵中的一級除塵，電除塵已很少使用或改為電袋混合收塵。袋收塵作為能達到環保要求的收塵設備得到大力推廣。但在技術上有了很多要求，為了適應出口排入濃度的要求，將過濾風速從原來的1.2 m/s降為0.7 m/s，同時增大過濾面積。為了延長設備使用壽命、提高除塵效率，收塵器生產企業采用了先進的濾袋(P84聚亞酰胺纖維濾料)和敷膜技術(在P84濾料的基礎上覆上一層PTFE、PU高效過濾制作而成的一種高效過濾濾料)，更先進的技術為：在內部結構上增加煙氣和粉塵分布系統，在濾袋頂端加裝螺旋裝文氏管和鋼制保護套，采用這兩項新技術，使用普通濾袋和濾料達到較好的除塵效果和使用壽命，結構如圖3所示。

圖3 袋收塵內部結構示意圖

3.4 輸送設備

輸送設備基本上向大型化發展，近年來普及最快的是鋼絲膠帶提升機。目前使用機械輸送設備代替氣力輸送泵和移動輸送設備可以大幅降低電耗已在業內形成共識。因此，可將入窯喂料設備由氣力提升泵改為鋼絲膠帶提升機，能夠使用輸送皮帶的盡量不使用汽車、鏟車等移動設備，盡量避免使用水平輸送設備加提升機的工藝。

垂直提升設備可以選用新型的中央鏈提升機，該提升機的特點為：單機提升量大，且單套殼體內可實現兩套運行系統即通常所說的雙斗雙驅動；單機提升高度可達到60 m(頭尾輪中心距離)；超強耐高溫，能瞬間承受400 ℃的物料溫度；主動輪采用無齒摩擦傳動；安裝維修方便，運行維修成本低。中央鏈提升機為無齒摩擦傳動，不適合粘附性強或小顆粒等容易卡的物料輸送。該提升機因牽引結構為一條鏈，應特別注意兩側平衡問題，要保證物料在斗內的均勻。

新型的水平輸送設備有管狀皮帶輸送機，該輸送機密閉輸送物料，尤其適合輸送煤、爐渣、礦石等物料；分別利用膠帶的上下分支往返輸送物料，輸送線可沿空間曲線布置，結構緊湊，斷面小，節省空間；可實現大傾角(提升)輸送，節省空間位置，降低設備成本。使用時應注意冬季打滑和雜物的進入。

4 結語

當前國內新建水泥廠大多為日產5 000～10 000 t的生產線，設備投資比例占總投資一半左右，設備選型是否合理直接關系到生產線建成后企業的運行費用和經濟效益。國家環保要求和安全標準不斷提高，全國產能過剩使得企業間競爭加劇都在倒逼企業進行技術升級，了解水泥行業的新技術、新要求有助于企業進行合理的設備選型，為企業騰飛提供助力。