實(shí)現(xiàn)新二代水泥節(jié)能指標(biāo)的技術(shù)方案及措施

肖 靜，朱明秀，殷昭波

（1.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400；2.中國中材國際工程股份有限公司，江蘇南京211000）

1 新的二代水泥示范線主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

中國建筑材料聯(lián)合會于2012年提出了開展第二代新型干法水泥和第二代中國浮法玻璃（簡稱“兩個二代”）技術(shù)裝備創(chuàng)新研發(fā)攻關(guān)工作，組織成立了“兩個二代”技術(shù)裝備研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)小組和工作小組，先后制訂了《第二代新型干法水泥技術(shù)裝備研發(fā)達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)》、《第二代新型干法水泥技術(shù)裝備研驗(yàn)收規(guī)程》（2014-10）等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。

2018年04月，中國建筑材料聯(lián)合會組織召開了“兩個二代”示范線項(xiàng)目遴選會議，會議提出了新的第二代新型干法水泥示范線主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)要求（詳細(xì)指標(biāo)見表1）。為實(shí)現(xiàn)和達(dá)到水泥生產(chǎn)線新要求中的節(jié)能技術(shù)指標(biāo)，在生產(chǎn)線項(xiàng)目建設(shè)，尤其是在前期設(shè)計(jì)選型過程中，設(shè)計(jì)方務(wù)必選擇和采用成熟、可靠、節(jié)能的工藝技術(shù)方案及措施，以確保在生產(chǎn)線建成投產(chǎn)后達(dá)到和實(shí)現(xiàn)新二代要求中的節(jié)能技術(shù)指標(biāo)值。

表1 新的第二代新型干法水泥示范線主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)要求

2 實(shí)現(xiàn)新二代水泥節(jié)能指標(biāo)生產(chǎn)工藝應(yīng)具備的先進(jìn)技術(shù)及采取的措施

2.1 高能效、低氮氧化物的燒成系統(tǒng)技術(shù)

（1）高能效預(yù)熱、預(yù)分解、（部分）自脫硝的系統(tǒng)技術(shù)。預(yù)熱、預(yù)分解系統(tǒng)是新型干法水泥熟料燒成系統(tǒng)的核心,其性能對整個燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、熱耗以及電耗等技術(shù)指標(biāo)的影響至關(guān)重要。各設(shè)計(jì)院的預(yù)熱、預(yù)分解系統(tǒng)擁有自己的技術(shù)措施及優(yōu)勢，但其都應(yīng)具有以下共同的特點(diǎn)及特征：

①低阻力、低動力消耗、高分離效率的旋風(fēng)筒系統(tǒng)；對目前應(yīng)用較多的六級預(yù)熱器系統(tǒng)來說，其一級筒（C1）出口壓力一般要控制在5300Pa及以下；一級筒（C1）的分離效率應(yīng)高于90%，其目標(biāo)分離效率要到達(dá)95%。

②預(yù)熱、預(yù)分解系統(tǒng)對不同的原料、燃料和應(yīng)用環(huán)境有較寬泛的適應(yīng)性及易操作控制性，入窯碳酸鈣分解率應(yīng)高于95%。

③采用分煤、分風(fēng)等的技術(shù)措施，使分解爐具有較強(qiáng)的自脫硝能力，使氮氧化物（NOx）濃度在采取其它脫硝技術(shù)前的濃度降至400mg/m3及以下。

（2）回轉(zhuǎn)窯。眾所周知，回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)的重型熱工核心設(shè)備，窯的總體設(shè)計(jì)原則為在確保安全、可靠的基礎(chǔ)上，追求機(jī)械結(jié)構(gòu)、產(chǎn)能技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性?；剞D(zhuǎn)窯的能力與回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)參數(shù)、耐火材料的性能、動力配置有關(guān)，更與配套的預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、冷卻機(jī)、燃燒器性能有關(guān)，而且也與所處地區(qū)的自然環(huán)境、原燃料情況、熟料質(zhì)量要求密切有關(guān)，同時還與生產(chǎn)人員的操作及系統(tǒng)控制水平相關(guān)。因此，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，都需要根據(jù)生產(chǎn)線的綜合條件及情況，在回轉(zhuǎn)窯規(guī)格限定的條件下，合理把握調(diào)控回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際產(chǎn)量，以達(dá)到和實(shí)現(xiàn)燒成系統(tǒng)產(chǎn)量高、能耗低的目標(biāo)要求。

目前，就長、短窯來說，在上述條件、情況基本一致及爐容大小也基本相同時，我們掌握了解的實(shí)際情況，其產(chǎn)量和能耗也無實(shí)質(zhì)的差別，設(shè)計(jì)選型的主要影響因素更在于政策或場地的特殊情況和條件。

（3）冷卻機(jī)。水泥裝備技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步不可或缺的組成部分之一，其技術(shù)的進(jìn)步及發(fā)展既處于水泥裝備技術(shù)的核心關(guān)鍵位置，也為實(shí)現(xiàn)新二代水泥節(jié)能技術(shù)指標(biāo)提供了條件、奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段成熟可靠、普遍使用的第四代冷卻機(jī)主要有步進(jìn)式（列式）和十字棒式兩類，因熟料的厚料層水平輸送，提高了熟料的熱回收效率，降低了成品熟料的溫度。四代冷卻機(jī)的熱回收效率已保證在75%左右，單位熟料的冷卻用風(fēng)量已降低到1.8～2.0m3/kg之間。

第四代冷卻機(jī)技術(shù)還包括熟料輥式破碎機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用。熟料輥式破碎機(jī)具有使用壽命長，熟料粒度均勻，無大塊熟料的優(yōu)勢特點(diǎn)；若采用中置式，還可有效回收大塊熟料的中間熱量，提高余熱發(fā)電熱回收效率，并能保證相對較低的熟料溫度。

（4）窯用燃燒器。在窯用燃燒器的選擇上，應(yīng)選擇低的一次風(fēng)風(fēng)量、高動量、高旋流強(qiáng)度的多通道燃燒器，也稱為大推力低NOx燃燒器；低一次風(fēng)風(fēng)量應(yīng)控制在8%以下。低一次風(fēng)風(fēng)量可以降低煤粉氣流的著火熱度；高動量可以增加火焰卷吸高溫氣量，提高初始煤粉的著火和燃燒速度；高旋流強(qiáng)度的氣流也加強(qiáng)了煤粉與二次風(fēng)的混合強(qiáng)度；以形成集中穩(wěn)定有效的火焰形狀，并可減少氮氧化物有害氣體的形成。

（5）燒成系統(tǒng)新型保溫隔熱材料的應(yīng)用。燒成系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)、預(yù)熱器及分解爐、以及連接管件等設(shè)備不僅溫度高，而且面積大，其表面散熱損失在熟料生產(chǎn)的熱能消耗中占有不可忽視的分量；因此，為有效降低生產(chǎn)熱耗，燒成系統(tǒng)設(shè)備選用新型先進(jìn)低導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱保溫材料、耐火材料，以最大限度地減小燒成系統(tǒng)設(shè)備的表面散熱損失，從而有效降低熟料熱耗，為熟料生產(chǎn)的低熱耗指標(biāo)提供條件及保障。新型隔熱保溫材料主要有納米隔熱板，新型低導(dǎo)熱性耐火磚等可選用。

（6）低氮氧化物的燒成系統(tǒng)技術(shù)集成。低氮氧化物的燒成系統(tǒng)技術(shù)集成目前主要為降低燒成溫度法、低NOx燃燒器法、分級燃燒法（自脫硝）、非選擇性催化還原法（SNCR）組成；基本可滿足排放的窯尾煙氣中氮氧化物（NOx）濃度達(dá)到100 mg/m3的要求。隨著環(huán)境保護(hù)意識及環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，在集成中需要采用選擇性催化還原法（SCR）替換非選擇性催化還原法（SNCR），使排放的窯尾煙氣中氮氧化物（NOx）濃度低于100 mg/m3的要求。

2.2 高效節(jié)能的料床粉磨技術(shù)

水泥生產(chǎn)為耗能大戶，其粉磨系統(tǒng)電耗要占到約60%以上。目前，原料粉磨、煤粉制備、水泥粉磨幾個工藝環(huán)節(jié)都有最具節(jié)能性能的料床粉磨技術(shù)系統(tǒng)可供選用。

原料粉磨系統(tǒng)由管磨系統(tǒng)發(fā)展到輥式磨系統(tǒng)，再到目前普遍采用的輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)，生料單位電耗由管磨的約23kWh/t左右，降低到輥壓機(jī)終粉磨約12 kWh/t左右。在原料水分不高于10%的情況下，原料粉磨系統(tǒng)應(yīng)首先選用輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)；在原料水分高于10%的情況下，原料粉磨系統(tǒng)宜優(yōu)先選用輥式磨粉磨系統(tǒng)，充分發(fā)揮利用輥式磨集烘干與粉磨一體的技術(shù)優(yōu)勢及性能。

在無其它特定條件情況下，煤粉制備應(yīng)優(yōu)先采用輥式磨系統(tǒng)，輥式煤磨系統(tǒng)的煤粉單位電耗約25～30 kWh/t左右，與風(fēng)掃球磨系統(tǒng)相比要低約100kWh/t左右。

對水泥粉磨系統(tǒng)來說，國內(nèi)以輥壓機(jī)加管磨的水泥粉磨系統(tǒng)為主，國外采用輥式磨系統(tǒng)的則更多，另還有輥磨加管磨的水泥粉磨系統(tǒng)在發(fā)展運(yùn)用中。這些系統(tǒng)的共性都是采用了高效節(jié)能的料床粉磨技術(shù)，其P·O42.5普通硅酸鹽水泥的單位粉磨系統(tǒng)能耗也都可達(dá)到28 kWh/t以下，即已基本達(dá)到了第二代新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的要求。

2.3 原、燃料均化技術(shù)及生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制

（1）原、燃料預(yù)均化。原、燃料成分的相對均勻穩(wěn)定性是穩(wěn)定燒成系統(tǒng)工況，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥熟料的重要條件。在充分考慮建設(shè)項(xiàng)目原、燃料情況下，石灰石、輔助原料、原煤一般都需要采用預(yù)均化效果好的堆場預(yù)均化及儲存。

若石灰質(zhì)原料礦山采用數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)建設(shè)及開采，即進(jìn)廠石灰質(zhì)原料的均勻穩(wěn)定性已有了保證，在工藝方案選擇時，以考慮生產(chǎn)工段的銜接物料的儲存量為主，選擇簡單的工藝過程及環(huán)節(jié)以節(jié)省電耗。

（2）生料質(zhì)量控制。為確保生料質(zhì)量穩(wěn)定，穩(wěn)定燒成系統(tǒng)的運(yùn)行和熟料的質(zhì)量，現(xiàn)以生料質(zhì)量控制采用雙閉路自動配料控制系統(tǒng)進(jìn)行自動檢測控制和生料均化庫均化措施來調(diào)控入窯生料的質(zhì)量。生料配料一級閉路自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)由入磨物料在線分析儀根據(jù)原料的成分波動實(shí)時調(diào)整原料的配比；出原料粉磨系統(tǒng)的成品生料采用X-熒光分析儀生料質(zhì)量控制系統(tǒng)自動分析檢測，并反饋調(diào)整在線儀配料系統(tǒng)，形成生料質(zhì)量的二級閉路自動監(jiān)控系統(tǒng)。

考慮到原、燃料預(yù)均化系統(tǒng)及生料質(zhì)量控制系統(tǒng)的有效性的充分發(fā)揮，在出磨系統(tǒng)生料質(zhì)量已保證滿足入窯生料質(zhì)量要求的情況下，在原料粉磨系統(tǒng)與入窯喂料系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)中，要設(shè)計(jì)有出磨系統(tǒng)生料能直接入窯的流程，可免去生料提升入庫及均化過程的電能消耗。

2.4 通用設(shè)備節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

（1）高效風(fēng)機(jī)、變頻技術(shù)及永磁電機(jī)。在水泥生產(chǎn)中，僅次于粉磨能耗的電能消耗為風(fēng)機(jī)，其占水泥生產(chǎn)電能消耗約40%左右。因水泥生產(chǎn)工藝系統(tǒng)工況的復(fù)雜性和多樣性，風(fēng)機(jī)的選型必須滿足各工況的生產(chǎn)要求，目前工藝風(fēng)機(jī)已全部采用電動機(jī)變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，既滿足生產(chǎn)工藝變化的要求，也節(jié)省了電能消耗；在工藝風(fēng)機(jī)選型時，風(fēng)機(jī)長期正常的工作效率點(diǎn)應(yīng)要求在80%以上。

因輸送轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存等普通除塵系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)為已定型的通用風(fēng)機(jī)，其選用的效率點(diǎn)要注意在75%以上；同時對風(fēng)機(jī)配備功率37 kW以上電機(jī)時，應(yīng)采用變頻電機(jī)調(diào)節(jié)，以節(jié)省能耗。

對于高能耗的普通羅茨風(fēng)機(jī)，在條件成熟允許時，應(yīng)選用磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，既節(jié)省了能耗，又減小了噪聲污染；在當(dāng)前可優(yōu)先考慮一次風(fēng)機(jī)、煤粉輸送用風(fēng)機(jī)選用磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)。

空氣壓縮機(jī)也是高能耗設(shè)備，對熟料線而言壓縮空氣單位熟料能耗基本在2kWh/t左右；因此空氣壓縮機(jī)節(jié)能處理也是一重要課題，為降低能耗空壓機(jī)建議應(yīng)選用磁懸浮二級離心壓縮機(jī)并配置智能化管理系統(tǒng)。

隨著永磁電機(jī)技術(shù)的發(fā)展及普遍應(yīng)用，對水泥生產(chǎn)系統(tǒng)來說無疑是一個有效節(jié)能的利好條件及措施，在現(xiàn)行情況下，工藝要求設(shè)備變速調(diào)節(jié)如動態(tài)選粉機(jī)等應(yīng)選用永磁調(diào)速電機(jī)直驅(qū)；現(xiàn)采用減速器加電機(jī)的輸送設(shè)備傳動裝置，若條件允許宜盡可能采用永磁電機(jī)直驅(qū)傳動方式，以有效減少傳動過程的電能損耗，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（2）輸送系統(tǒng)的節(jié)能。除煤粉入窯、入爐輸送采用氣力輸送外，其它物料全部采用帶式輸送機(jī)、提升機(jī)、空氣輸送斜槽等輸送方式以節(jié)能。物料輸送系統(tǒng)的能耗主要消耗在提升高度上，因此在工藝配置時盡可能減少物料的提升倒運(yùn)環(huán)節(jié)，并視建設(shè)項(xiàng)目情況，盡可能簡化工藝流程，如采用預(yù)均化或儲存直接配料的工藝流程，減少了工藝環(huán)節(jié)，即節(jié)省了能耗，也減少了建設(shè)費(fèi)用。

（3）磁力耦合器的應(yīng)用。傳動裝置中采用磁力耦合器替代傳統(tǒng)的液力耦合器。磁力耦合器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維護(hù)工作量小、維護(hù)費(fèi)用極低、過載保護(hù)功能，還可以減少傳動過程中的電能損耗的特點(diǎn)。

（4）采用高效環(huán)保的濾料技術(shù)。建設(shè)綠色環(huán)保型水泥工廠，提升企業(yè)形象，有效降低粉塵排放量；在各工藝過程如窯頭、窯尾、煤磨、水泥粉磨系統(tǒng)中，其含塵廢氣均要選擇袋式除塵器凈化處理后排放，以保證排放氣體粉塵濃度（標(biāo)況下）滿足≤10 mg/m3的高標(biāo)準(zhǔn)要求，而且可避免采用電除塵器因事故排放對環(huán)境污染的影響。對不同使用位置及用途的袋式除塵器，要按其處理氣體性質(zhì)及工況，選擇運(yùn)行阻力低、清灰性能好的新型濾料，在保證除塵效果的同時，也有效減少濾料阻力對電能的消耗。

2.5 生產(chǎn)過程的智能數(shù)字化

智能數(shù)字化水泥生產(chǎn)線，最大限度地實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)過程實(shí)時準(zhǔn)確的掌握和了解，同時也最大限度地減少了生產(chǎn)線技術(shù)人員的人工干預(yù)，即最大限度地減免了因操作人員的不同對生產(chǎn)過程產(chǎn)生的影響，提高了整個生產(chǎn)過程的可控性、連續(xù)性、穩(wěn)定性，從而減少了非正常生產(chǎn)過程的能源消耗和損耗，降低了生產(chǎn)成本，同時也提高了企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

綜上所述，在生產(chǎn)線中采用一系列現(xiàn)行先進(jìn)、成熟可靠的節(jié)能技術(shù)措施，可以實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)線新“二代”節(jié)能指標(biāo)的目標(biāo)。水泥生產(chǎn)線技術(shù)的先進(jìn)、節(jié)能、環(huán)保性，產(chǎn)品的優(yōu)良性，以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益可以說與工藝設(shè)計(jì)直接緊密相關(guān)，作為水泥行業(yè)的一線從業(yè)者，尤其是所從事的工作為水泥生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)者，我們還有很多的工作要做，很長路的要走。