狄東仁，陶從喜，柴星騰

1　前言

21世紀以來，我國水泥工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得了明顯進展，生產(chǎn)技術(shù)水平有了顯著進步。截至2017年上半年，全國有水泥企業(yè)3 465家，其中熟料生產(chǎn)企業(yè)46家，含熟料生產(chǎn)的水泥生產(chǎn)企業(yè)1 234家，水泥粉磨站企業(yè)2 173家，水泥配置站企業(yè)12家，全國熟料實際總產(chǎn)能20．2億噸，水泥產(chǎn)能38．30億噸。在國家的相關產(chǎn)業(yè)政策和國家標準GB 16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》的引導下，目前我國水泥工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有了明顯改善，產(chǎn)業(yè)集中度、能耗水平以及技術(shù)發(fā)展水平都有了明顯提高。通過推廣先進燒成、節(jié)能粉磨、有害氣體減排及廢渣綜合利用等技術(shù)，水泥行業(yè)能耗水平、固體廢物利用量和配置脫硫脫硝裝置的生產(chǎn)線數(shù)量等方面有了明顯進步，水泥生產(chǎn)的能耗與2012年標準制訂時的指標相比發(fā)生了較大變化，原標準中的能耗限額指標滿足不了目前水泥工業(yè)節(jié)能減排的要求。從我們長期對水泥企業(yè)運行情況的跟蹤來看，雖然最近幾年我國水泥企業(yè)能耗逐年降低，但是企業(yè)之間能耗水平相差較大，少數(shù)水泥企業(yè)的能耗水平達到了國際先進水平，但仍存在大量水泥企業(yè)能耗偏高，能源利用效率低，CO2、NOX及SO2、粉塵等有毒有害氣體和物質(zhì)超標排放的情況。

從目前水泥工業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢分析，國家標準GB 16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》已經(jīng)不能適應水泥工業(yè)發(fā)展的要求，需要對標準中的部分內(nèi)容進行修訂。通過實施新修訂的標準，淘汰一些能耗較高的水泥生產(chǎn)線，可全面提升生產(chǎn)工藝、設備和質(zhì)量等方面的管理水平，促進水泥生產(chǎn)企業(yè)采用先進的節(jié)能降耗技術(shù)與裝備，促進水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

下面將擬修訂的水泥能耗標準的主要內(nèi)容，結(jié)合目前先進的節(jié)能降耗技術(shù)作一介紹。

2　水泥能耗標準的修訂

2．1　水泥工業(yè)高能耗現(xiàn)狀

水泥行業(yè)作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，也帶來了高能耗、高排放的問題。2014年，我國能源消費總量為37．6億噸標準煤，其中，建材行業(yè)總能耗為2．87億噸標準煤，占全國能源消耗總量的7．63%；水泥行業(yè)能源消耗總量約為1．87億噸標準煤，占全國能耗總量的4．97%，占建材行業(yè)能耗總量的65%。

2．2　水泥能耗標準修訂的主要內(nèi)容

國家標準GB 16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》（在當時國內(nèi)不同規(guī)模水泥生產(chǎn)線的實際運行情況及對有代表性的生產(chǎn)線熱工標定的基礎上）確定了現(xiàn)有水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品能耗限額限定值、新建水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品能耗準入值和水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品能耗先進值。具體見表1、2、3。

隨著現(xiàn)代新型干法技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)裝備的不斷創(chuàng)新，帶來了燒成系統(tǒng)煤耗及電耗、粉磨系統(tǒng)電耗的持續(xù)降低，無論是現(xiàn)有水泥企業(yè)還是新建水泥生產(chǎn)線，其能源利用水平都有大幅提升。河南孟電兩條5 500t/d生產(chǎn)線、泰安中聯(lián)5 000t/d生產(chǎn)線的系統(tǒng)標準煤耗均在95kg/t熟料以下，有的生產(chǎn)線熟料電耗＜45kWh/t，上述表中的相關數(shù)值均需結(jié)合目前生產(chǎn)線的實際情況做必要的修訂。

距水泥能耗標準GB 16780-2012實施已過五年，期間存在的一些問題也很有必要做出相應的修訂，以適應時代發(fā)展的要求。

表1　現(xiàn)有水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品能耗限額限定值

表2　新建水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品能耗限額準入值

表3　水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品能耗限額先進值

3　水泥工業(yè)節(jié)能降耗技術(shù)

水泥工業(yè)生產(chǎn)包括石灰石等原料開采、破碎、水泥生料粉磨、水泥熟料燒成、燃料粉磨制備、水泥粉磨及水泥成品出廠等一系列生產(chǎn)過程，經(jīng)歷了從能耗高的濕法制造工藝到目前能耗較低的新型干法制造工藝的發(fā)展歷程。所謂新型干法水泥技術(shù)，是指以懸浮預熱和預分解技術(shù)為核心，利用現(xiàn)代流體力學、燃燒動力學、熱工學、計算流體力學、粉體工學等現(xiàn)代科學理論和技術(shù)，并采用計算機及其網(wǎng)絡化信息技術(shù)進行水泥工業(yè)生產(chǎn)的綜合技術(shù)。該生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)點是高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、節(jié)約資源，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。

水泥熟料燒成系統(tǒng)和粉磨系統(tǒng)是新型干法水泥生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，該過程消耗的能量占水泥生產(chǎn)總能量的97%，提高該過程能量利用率至關重要，也是水泥行業(yè)節(jié)能降耗的核心。降低水泥生產(chǎn)的能耗，主要是減少燒成系統(tǒng)及粉磨系統(tǒng)的能耗，相應的節(jié)能降耗技術(shù)為水泥生產(chǎn)能耗標準《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》的修訂提供了很好的技術(shù)支撐。下面介紹水泥燒成系統(tǒng)及粉磨系統(tǒng)主要的節(jié)能降耗技術(shù)。

3．1　燒成系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)

水泥熟料燒成系統(tǒng)包括窯尾預分解系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、熟料冷卻系統(tǒng)及煤粉燃燒系統(tǒng)，主要的能耗是燃料及電能的消耗。以5 500t/d規(guī)模的生產(chǎn)線為例，常規(guī)的五級預熱器系統(tǒng)燒成熱耗一般為2 884～3 260kJ/kg熟料，電耗為18～30kWh/t熟料，按照GB 16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》的要求，燒成系統(tǒng)節(jié)能降耗的重點是降低系統(tǒng)的燃料消耗。

3．1．1新型高效低氮的預熱預分解技術(shù)

預熱器系統(tǒng)的主要功能在于充分利用回轉(zhuǎn)窯及分解爐排出的熾熱氣流中所具有的熱焓加熱生料，使生料預熱及部分分解，然后進入分解爐或回轉(zhuǎn)窯繼續(xù)加熱分解，完成熟料燒成任務。因此它必須具備使氣固兩相充分混合均布、迅速換熱、高效分離等功能。系統(tǒng)中連接管道的設計應以保證換熱時間和空間，并使物料良好均勻分布為重點；旋風筒的主要功能是使氣固分離，分離效率的高低直接關系到系統(tǒng)的熱效率，因此系統(tǒng)設計的著眼點首先是高效，以降低系統(tǒng)熱耗和無用循環(huán)，同時降低壓損，節(jié)省系統(tǒng)能耗。分解爐是預分解系統(tǒng)的核心，直接影響回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)質(zhì)量。分解爐內(nèi)主要完成燃料燃燒、碳酸鹽分解、氣固兩相的輸送、混合（分散）、換熱、傳質(zhì)等一系列過程，并且伴有物料濃度、顆粒粒徑的變化以及氣體流量、成分和溫度場的變化。

天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司以現(xiàn)代流體力學、燃料燃燒學和氣固兩相流原理為基礎，通過分析高效低氮預熱預分解系統(tǒng)單體設備原理，提出了單體設備結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，并在此基礎上進行了冷熱態(tài)試驗研究及計算機反求計算（或仿真），對分解爐內(nèi)的反應過程進行了多因素相關分析，在國內(nèi)首次提出了原燃料特性與預熱預分解系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)間的相關性關系，開發(fā)出了結(jié)構(gòu)簡單適應于不同原燃料的噴騰型高效分解爐。針對目前預分解系統(tǒng)的特點，開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡單的大蝸殼旋風筒、懸掛分片式的耐熱鋼內(nèi)筒、滾動軸承結(jié)構(gòu)的鎖風閥和箱式結(jié)構(gòu)的撒料盒等新型結(jié)構(gòu)預熱器系統(tǒng)設備。

預熱器系統(tǒng)的開發(fā)主要考慮提高其換熱效果，降低系統(tǒng)阻力；分解爐的開發(fā)主要考慮對煤質(zhì)的適應性，要充分考慮分解爐對各種煤質(zhì)燃燒特性的適應，協(xié)同考慮對各種廢棄物處置的適應性。另外還必須考慮自脫硝功能，即通過三次風及燃料的分級最大限度地降低系統(tǒng)NOx的排放濃度。

通過理論研究、大量試驗及工程實踐的優(yōu)化，采用分離效率高、阻力低、結(jié)構(gòu)型式合理的大蝸殼型式的旋風筒，能有效提高預熱器系統(tǒng)換熱效果并降低系統(tǒng)阻力。為了進一步提高預熱器換熱效率，降低預熱器出口溫度，天津院推薦采用六級預熱器系統(tǒng)，可使其出口溫度由常規(guī)五級預熱器系統(tǒng)的320℃降至260℃以下，而系統(tǒng)阻力處在5 200Pa以下，達到甚至低于常規(guī)五級預熱器系統(tǒng)。通過數(shù)值模擬CFD的研究進一步優(yōu)化旋風筒預熱器系統(tǒng)（圖1），從而實現(xiàn)預熱器系統(tǒng)的高效低阻。

同樣，天津院也采用CFD仿真研究分解爐（圖2），不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)型式，使其既能滿足煤粉燃燒及生料分解的需求，實現(xiàn)50%以上的自脫硝效率，又能適應廢棄物處置的要求。

圖1　旋風筒的數(shù)值模擬研究

圖2　分解爐CFD模擬溫度及速度分布

3．1．2強化煅燒的兩支承短回轉(zhuǎn)窯技術(shù)

預分解技術(shù)的發(fā)展進步為回轉(zhuǎn)窯提供了很好的預燒條件，新型高效篦冷機及高效燃燒器的應用為回轉(zhuǎn)窯的煅燒提供了保證。采用長徑比L/D＜12．5的兩檔短窯，理論上完全能滿足水泥熟料煅燒的產(chǎn)質(zhì)量要求，且兩檔短窯的一個顯著特點是節(jié)能，相同規(guī)格窯的散熱損失相差約20．9kJ/kg熟料，此外還具有裝備、土建費用低等一系列優(yōu)點。

兩檔短窯主要有以下優(yōu)點：

（1）能耗降低。研究表明，在CaCO3分解過程中形成的新生態(tài)CaO，具有很高的活化能和很強的反應性。在兩檔窯中，物料在過渡帶僅停留5～6min即進入燒成帶，新生態(tài)的CaO反應活性得到了充分而及時的利用，可以降低燒成溫度，減少廢氣的熱損失，降低熱耗。在這種情況下所形成的熟料礦物結(jié)粒好，多呈微晶和微孔結(jié)構(gòu)，不僅可以提高熟料28d強度，而且易磨性獲得改善，降低了水泥的粉磨電耗。此外，窯體長度減小，筒體的散熱損失隨之減少，以5 500t/d的φ5m×60m兩檔窯和φ 4．8m×72m三檔窯比較，兩檔窯的表面散熱損失可降低～20．9kJ/kg熟料。

（2）熟料質(zhì)量提高。在主要礦物C3S穩(wěn)定形成之前，物料在過渡帶停留時間越長，C2S礦物生長越多，但剩余的fCaO就有機會再結(jié)晶而使其結(jié)粒增大、活性降低。C3S形成過程為固液相反應，其形成速率即燒成時間取決于CaO的粒度和活性。CaO晶粒越小、活性越強，則越有利于C3S的形成，熟料28d強度越高。此外，升溫速率越快，CaO的吸收速率也越快，越有利于C3S的形成。兩檔窯內(nèi)的煅燒情況滿足上述要求。因此，理論上兩檔短窯所生產(chǎn)的熟料質(zhì)量較好。

（3）磚耗顯著降低。由于燒成帶溫度可以降低，窯內(nèi)氣體速率亦隨之降低，不僅傳熱得到改善，而且可減少熟料粉塵的再循環(huán)，加之機械方面的有利因素，耐火磚壽命大大提高，磚耗顯著降低。對一般預分解窯，磚耗的國際先進指標為0．5～0．6kg/t熟料，而兩檔窯可降到 0．15～0．2kg/t熟料，降低約60%。

（4）設備可靠性提高，避免了機件超負荷。由三檔支承改為兩檔支承后，結(jié)構(gòu)由“靜不定”變成“靜定”系統(tǒng)。這樣，無論基礎下沉或窯筒體變形和彎曲等，都不會引起筒體、托輪、輪帶和傳動機構(gòu)等機件超負荷，也不會造成托輪與輪帶的不均勻接觸和各檔及每個支承兩側(cè)托輪受力的不均衡，從而避免了筒體斷裂、托輪斷軸、軸承超溫和燒瓦、托輪與輪帶過快和不均勻磨損、燒毀傳動電動機、主減速器的異常損壞等機械事故發(fā)生，大大提高了可靠性。

3．1．3新型低一次風量低NOx燃燒器技術(shù)

天津院有限公司通過大量的工程實踐、試驗及數(shù)值模擬研究，提出了新型大推力的低一次風量低NOX煤粉燃燒器，其主要特點是推力大，可達1 500m/s．%以上，對各種煤質(zhì)的適應性好，有利于各種劣質(zhì)燃料的使用；另一顯著特點是一次風用量少，凈風比例為8%，較老燃燒器減小3．5%～6．5%，相應系統(tǒng)熱耗可降低19．0～35．3kJ/kg熟料。我們利用CFD仿真模擬研究，不斷優(yōu)化改進燃燒器的結(jié)構(gòu)型式（圖3），針對不同煤質(zhì)燃燒特性，開發(fā)了更加適應工況、系統(tǒng)能耗更低的燃燒器，。

圖3　燃燒器的CFD優(yōu)化研究

3．1．4帶中置輥式破碎機的第四代行進式篦式冷卻機技術(shù)

篦冷機是水泥制造工業(yè)的重要設備，其主要功能是冷卻高溫熟料、回收熱量和輸送熟料，篦冷機的發(fā)展經(jīng)歷了第一代的大風室通風、第二代的小風室通風、第三代的充氣梁供風及第四代的縱向單元通風的歷程。目前大量應用的第三代充氣梁篦式冷卻機存在著設備故障率高、結(jié)構(gòu)復雜、系統(tǒng)運行阻力高、篦床占用空間高度大、冷卻風難于控制等缺點，鑒于此，天津院有限公司從減少篦冷機故障率、提高運轉(zhuǎn)率、提高熱回收率、簡化裝備結(jié)構(gòu)、降低裝備高度等方面進行了深入研究和模擬試驗，推出了第四代行進式篦式冷卻機。該設備采用模塊化設計，具有依料床變化自動穩(wěn)定冷卻風量、無漏料等特點，應用了空氣流量控制TC閥、特殊四聯(lián)桿機構(gòu)、拖輪傳動支撐系統(tǒng)等多項專利技術(shù)，采用國際先進的Walking floor行進式原理，通過一系列優(yōu)化設計，真正實現(xiàn)了篦冷機的高效、低故障率。

目前第四代篦冷機的熱回收效率＞75%，較目前實際運行的第三代篦冷機節(jié)省61．9～92．8kJ/kg的熱耗。