水泥厂节能技术措施探讨

蒋韬

（贵州省建材科研设计院，贵州 贵阳 550007）

1 国内外新型干法水泥生产线能耗状况

目前,国产装备的大中规模新型干法预分解窑生产线总体技术如下:最大生产线规模为10000t/d,但绝大部分为6000t/d 及以下规模;熟料热耗<3180kJ/kg,先进的低于3010kJ/kg;水泥综合电耗<110kWh/t,先进的低于90kWh/t(不掺混合材);窑系统年运转率约85%,先进的接近90%;粉尘排放量<50mg/m3(标),先进的小于30mg/m3(标);业废弃物用作原料和混合材,生产中低标号的普通硅酸盐水泥和矿渣水泥;用作燃料刚起步。

我国新型干法技术虽然取得了令人瞩目的成绩,但总体技术装备水平仍然落后于世界先进水平,技术最为先进的国产装备6000t/d 生产线,其能耗、控制水平、运转率及可靠性方面与国外先进水平相比仍有一定差距,应尽快通过科研开发和技术创新手段提高新型干法技术水平,以节能降耗、环保、改善水泥质量和提高劳动生产率为中心,逐步实现清洁生产和高效集约化生产,实现水泥工业的可持续发展。我国水泥工业在高速发展过程中,存在的主要问题有:

1)结构仍不合理,技术落后的立窑和传统回转窑的总产量,还占总数的38%左右,有待调整

2)新型干法工艺装备技术的平均生产水平和国际先进技术相比,尚有较大差距,有待提高

3)具有自主知识产权的原创性工艺技术装备较少。

2 新型干法水泥生产线的节能技术

从设计的角度来看,新型干法水泥生产线的节能技术主要包括烧成系统节能技术、粉磨系统节能技术、废弃物的处置和利用高效纯低温余热发电技术等。目前，许多科研院所及设备制造厂家正在积极研发和推出新一代水泥工厂的技术装备,其烧成系统主要由带高效分解炉的新一代六级预热器系统、两档短窑、新一代步进式稳流高效冷却机以及新型大推力的煤粉燃烧器等组成。粉磨系统节能技术装备主要是原料粉磨采用辊磨、水泥和混合材粉磨采用辊磨终粉磨或大辊压机小球磨的联合粉磨技术。

2.1 新一代新型干法烧成系统节能技术

对于水泥工业窑炉的研究,国内外主要研究机构均依据水泥熟料形成热、动力学机制,研究水泥窑炉工艺过程,并对各设备子系统工作机理和料气运动、换热规律进行探讨;通过建立单级和多级粉体悬浮热交换器热力学理论模型和分解炉系统热稳定性理论模型,建立全系统的热效率模型,系统研究了悬浮预热器和分解炉的热效率及其影响因素、悬浮预热器系统特性组合流程、流场、温度场、浓度场的合理分布和碳酸盐分解及固液相反应动力学特性,并在此理论成果的指导下,开发出新型干法水泥熟料生产技术装备。由新一代六级新型预热预分解系统、两档支撑回转窑、步进式稳流新型冷却机、新型大推力的窑头燃烧器组成新一代烧成系统,其技术经济指标将较正常水泥生产线有大幅度提高,其主要技术经济指标为:熟料热耗2885kJ/kg(690kcal/kg);系统年生产平均热耗3136kJ/kg(750kcal/kg);熟料电耗≤58kWh/t;环保要求接近国际先进水平,NOx 排放量<500mg/m3(标)。

2.1.1 新一代带高效环保分解炉的六级预热器系统

目前,国内常规五级预分解系统正常生产时,预热器出口废气的平均温度为310～330℃,可满足综合水分7%原料烘干的需要。而国内常用砂岩配料,原料综合水分一般低于3%,从而导致大量预热器出口废气热量没有得到有效利用就排至大气,造成整个系统能量的浪费。若窑尾预热器系统提升为六级,预热器级数增加,有利于系统热交换,降低预热器出口废气温度。

上述技术措施实施后,预热器出口废气温度可降至≤280℃,仍可满足原料综合水分4%的烘干要求,降低预热器出口温度30～50℃,热耗降低约每公斤熟料83.6～104.5kJ/kg。新一代六级预热器预分解系统的特点和关键技术是:通过计算机仿真技术和冷态模型实验,对窑尾预热器系统气固热交换过程进行研究;对提高多级热交换效果措施进行研究,提高预热器的热交换效率,降低废气温度;优化预热器及部件结构,降低系统阻力,提高热效率;在提高换热效率的前提下,适当降低系统内装备高度。另外,窑尾预热器级数增加,废气温度相应降低,废气排放前的喷水降温的喷水量下降,常规的增湿塔可改为管道喷水,基建投资和生产用水量均有所下降,为窑尾废气处理袋收尘器取消增湿塔创造了较好的条件。

2.1.2 新型大推力的煤粉燃烧器

回转窑燃烧器是烧成系统的重要工艺设备。它不仅影响窑系统的热耗及操作性能,还对熟料质量和有害物质排放量产生影响。目前国内外燃烧器的种类繁多,国外公司主要为Pillard、FLS、KHD 等,国内则生产企业众多。一台好的燃烧器首先要有足够高的火焰温度生产质量好的熟料;同时又要求火焰峰值温度稳定,以保持窑皮稳定,延长耐火砖的使用周期;火焰形状调节灵活,保证燃料燃烧完全,减少窑尾CO 的生成量;同时燃烧器设计时尽可能降低一次风量,以降低热耗及减少NOx 的排放。

2.1.3 行进式稳流篦式冷却机

从目前水泥熟料的冷却技术发展来看,篦式冷却机应是水泥熟料冷却的主要装备,这从国外各大水泥公司的装备开发情况也可得知。篦冷机的发展使用目前已经历了所谓的四代的历程,但总体要求是一致的:高效、节能、低消耗、低成本等。第四代冷却机在装备结构及性能上有大幅提升,因此推广应用也是大势所趋。新型篦冷机具有依料床变化自动敏感地恒定冷却风量(设计篦板下采用STAFF 阀)、无漏料等特点,使冷却机真正实现了高效、低故障率,其主要特点如下:

(1)较高的热回收率,较低的能耗。

(2)模块化设计,便于施工安装。冷却机全部模块化设计,尺寸标准化,各部件间实现最大限度通用,大幅减少业主的储备备件种类及占压资金;模块车间预组装发货,减少现场安装难度和工作量,缩短安装时间。

(3)设备高度降低,土建费用大幅减少。由于设备下部无漏料,不需另设收尘灰斗、漏料锁风装置和链斗输送设备,对于5500t/d 规模的冷却机较第三代同规模冷却机低3m 左右,烧成系统整体高度降低,窑头、窑中、窑尾土建高度均可下降3m,冷却机地坑工作量也可大幅降低,节约大量土建及钢结构投资。

2.2 粉磨系统节能技术

2005 年全国水泥制造业共消耗电能918亿kWh,同比增长12.68%,而同年水泥年产量106885 万吨,同比增长9.85%。水泥综合电耗的不降反升,主要是因为新型干法水泥比例的上升,机械化程度的提高,这说明水泥制造业节约电能的任务非常繁重。

2.2.1 料床粉磨技术

假设水泥中熟料的比例80%,生料理论料耗1.520kg/kg 熟料,熟料热耗3135kJ/kg,煤热值22990kJ/kg,则每吨水泥需粉磨生料1.22t,需制备煤粉0.11t,即每生产1 吨水泥需粉磨物料2.33t。需要的电耗按两种情况估算:

(1)水泥用圈流球磨系统单位电耗40kWh/t,生料用中卸烘干磨系统单位电耗22kWh/t,煤粉用风扫球磨单位电耗40kWh/t,合计吨水泥粉磨电耗71kWh/t,约占水泥生产综合电耗108kWh/t的66%;(2)水泥用辊压机联合粉磨系统单位电耗33kWh/t,生料用辊磨系统单位电耗16kWh/t,煤粉用辊磨系统单位电耗30kWh/t,合计吨水泥粉磨电耗56kWh/t,约占水泥生产综合电耗93kWh/t 的60%。粉磨作业综合电耗从71kWh/t水泥降低到56kWh/t 水泥,料床粉磨技术的应用起了主要作用。料床粉磨指的是固体物料以料床或料层的形式在粉碎机械工作面上受到高压作用而被粉碎,压力使得颗粒之间相互挤压,直到大部分颗粒发生破碎或者至少产生裂缝或裂纹。在料床粉碎中每个颗粒都受到挤压力或剪切力的作用,颗粒被选择粉碎的几率明显提高,粉碎机械的施力全部作用在物料上,能量利用率得到提高。

3 结束语

《水泥工厂节能设计规范》的颁布和实施是对国家节能减排政策落实的一项重大举措,我们科研设计人员将通过不断的技术研发和创新,以大幅度地降低新型干法水泥厂的热耗和电耗为目标,实现清洁生产，节约能源，来切实履行《水泥工厂节能设计规范》和实现国家对水泥行业的节能减排的要求,同时提高我国水泥行业的整体技术水平,逐步实现主要技术经济指标全面达到同一时期的世界先进水平。

[1]胡宏泰,宋天民.湿法水泥厂节能技术改造应考虑的几个问题.水泥技术.1991-01-25.

[2]凌士键.有关小水泥厂节能技术改造的几点看法.水泥技术.1991-05-25.