馬嬌媚，彭學平，狄東仁，趙亮，陳昌華，李波，王偉

1 概述

水泥是國民經濟重要的基礎原材料，也是典型的高耗能產品，2014年我國能源總消耗量為37.6億噸標準煤，水泥產業(yè)能源消耗總量約為1.87億噸標準煤，占全國能源消耗總量的4.97%，占建材行業(yè)能源消耗總量的65%，其中水泥窯系統(tǒng)能耗約占水泥生產能耗的90%，如何降低水泥燒成系統(tǒng)的能耗、提升燒成技術的水平成為水泥工業(yè)發(fā)展的重中之重。目前，中國水泥總產能占世界總產能的50%以上，2016年發(fā)布的《建材工業(yè)“十三五”發(fā)展指導意見》指出，到2020年60%的水泥生產線要達到世界領先水平。截至2018年底，全國新型干法水泥生產線累計1 681條（注：剔除部分2 018年已拆除生產線），設計熟料產能18.2億噸，實際年熟料產能依舊超過20億噸（產能總量與2017年相當），產業(yè)結構調整取得突破性進展，通過自主創(chuàng)新取得了一批對行業(yè)技術進步有重大影響的成果。

天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司幾十年來一直致力于促進水泥工業(yè)技術的進步，2012年“第二代新型干法水泥生產線技術與裝備的研究開發(fā)”科研項目正式立項，對水泥生產線的關鍵技術及裝備進行優(yōu)化研究，最大化地實現(xiàn)水泥生產的節(jié)能減排。2013年承擔了國家建筑材料行業(yè)科技創(chuàng)新計劃《高能效低氮預熱預分解及先進燒成技術》項目。2015年又承擔了天津市科技小巨人領軍企業(yè)培育重大項目《低能耗環(huán)境友好型新型干法水泥技術與裝備研發(fā)》，獲得500萬元項目經費支持。低能耗先進燒成技術的基礎研究和科研創(chuàng)新工作取得顯著成效。

2 基礎理論和研究測試平臺

我們調研了國內外水泥生產線的情況，綜合公司設計或標定的幾百條水泥生產線的能耗環(huán)保數(shù)據，分析了國內外水泥技術尤其是燒成技術的發(fā)展情況，檢索了史密斯、伯利休斯、洪堡等公司近萬條專利，跟蹤了生產技術動態(tài)和市場需求動態(tài)，累積了基礎資料。截至目前，5 500t/d規(guī)模生產線平均熱耗為2 967.8～3 051.4kJ/kg熟料，分級燃燒脫硝比例為17%～33%，國內與國外水泥燒成技術相比存在一定差距，尤其是在能耗、環(huán)保和資源協(xié)同方面，過去未能引起足夠的重視。根據工程實踐、試驗研究，我們研發(fā)了新一代新型高效節(jié)能環(huán)保的低能耗先進燒成技術。開展研發(fā)的主要理論依據為：

（1）窯爐能量分布研究及控制理論。利用現(xiàn)代流體力學、燃燒動力學、熱力學等理論，開展對燃料特性的研究，指導懸浮預熱器和分解爐的改進。在大顆粒熟料錯流換熱理論研究的基礎上，結合高溫物料輸送的要求，開展篦冷機的研究。

圖1 旋風筒實驗

圖3 冷卻機樣機實驗

（2）固氣二相流理論。針對顆粒流體系統(tǒng)，研究水泥生料的懸浮預熱、流態(tài)化均化、氣力輸送、換熱、分離等設備的機理，從氣固傳質傳熱的角度優(yōu)化預熱器、回轉窯等。

（3）燃燒與污染控制理論。建立了煤焦燃燒模型、碳酸鈣分解模型、脫硝反應模型，形成了典型的數(shù)學計算公式，并通過CFD進行了數(shù)值模擬，為節(jié)能減排創(chuàng)造了實驗條件。

基于以上理論，公司搭建了多個單體設備的實驗室（如圖1～4所示），包括旋風筒風管實驗平臺、篦板阻力實驗平臺、冷卻機樣機實驗平臺以及數(shù)值仿真實驗室，進行了大量的冷模、熱模、數(shù)值仿真研究實驗，此外還配備了成套熱工標定的測試儀器，對典型現(xiàn)場進行了測試診斷分析。

3 理論創(chuàng)新

3.1 預熱器

預熱器單體內部的流動狀態(tài)為不可壓縮湍流，而旋風筒內顆粒相的體積比率很低，滿足顆粒群軌道模型的基本條件。通過大量的對比分析發(fā)現(xiàn)，采用各向異性處理的雷諾應力模型（Reynolds Stress Model，RSM）模擬預熱器旋風筒內氣相的運動情況，能較好地捕捉切向速度和軸向速度的分布特點，能很好地反映氣體在旋風筒內的運動情況，能夠滿足旋風筒模擬計算的要求。流體的運動形式雖然千變萬化，但都遵循基本的控制方程，即質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。利用這一理論模型，對旋風筒的分離效率、降阻以及預熱器的換熱機理進行了研究，為弱渦旋低阻旋風筒、多級重構組合預熱器的研發(fā)提供了基礎。原始型和改進型旋風筒見圖5。

圖2 篦板阻力實驗

3.2 分解爐

圖5 原始型和改進型旋風筒

由于分解爐內煤粉燃燒及碳酸鈣分解的耦合，加之氣料運動的特殊要求，分解爐內物理化學過程極為復雜。此次研究使用的分解爐計算機輔助試驗平臺是公司自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)，在開發(fā)中解決了大量技術難題，形成了專業(yè)特點。從湍流流動角度分析，分解爐計算機仿真開發(fā)中解決了圓柱坐標非結構網格下極點處理這一國內外公認的技術難題。在數(shù)值求解器的開發(fā)過程中，解決了以下難題：在圓柱坐標方程離散時，中心軸線處半徑為零，數(shù)學處理時速度、動量等值為無窮大，而從連續(xù)性考慮，物理意義上速度、動量等均為具體值。多年來，國內外學者均力求解決這一極點處理難題（煉鋼爐、旋風筒等只能進行對稱數(shù)值模擬）。我們研究開發(fā)的技術解決了這一難題，實現(xiàn)流場、顆粒場、溫度場、組分場360°全場模擬，真正實現(xiàn)了分解爐的仿真研究。通過基礎試驗研究，我們建立了針對分解爐特點的、在耦合狀態(tài)下的煤焦燃燒及碳酸鈣分解的動力學模型?；A模型的優(yōu)化為自脫硝梯度燃燒分解爐的開發(fā)奠定了基礎。分解爐模擬中采用的化學反應及其動力學參數(shù)見表1，TDF分解爐溫度及速度分布見圖6。

表1 分解爐模擬中采用的化學反應及動力學參數(shù)

3.3 冷卻機多孔介質模型研究

我們采用數(shù)值仿真模擬結合多孔介質模型，研究了流體在篦冷機內部的流動以及高溫熟料顆粒與冷卻空氣之間的氣固對流換熱。創(chuàng)新編制的數(shù)值仿真模擬程序，可以系統(tǒng)研究不同粒徑分布及孔隙率分布對氣料之間相互作用力的影響。數(shù)值仿真模擬程序可根據不同現(xiàn)場的實際情況方便快捷地進行編制。

圖6 TDF分解爐溫度及速度分布

采用軟件自帶的二次開發(fā)功能，對熟料顆粒在篦床寬度方向和長度方向上的粒徑分布進行編程求解，結合流動換熱計算，能從定性分析的角度指導冷卻機的研發(fā)設計；建立多孔介質傳熱模型，可以定性研究各取風口不同開口位置和開口形狀等對氣料換熱的影響，這部分工作在所查閱的所有國內外相關文獻資料中均未提及，為項目的原創(chuàng)性工作，對冷卻機的優(yōu)化設計有非常強的指導作用。料層內空氣和熟料溫度場分布見圖7。

4 主要技術成果

4.1 弱渦旋低阻旋風筒和多級重構組合預熱器

預熱預分解技術是預分解燒成工藝的核心技術，窯尾預熱器系統(tǒng)的作用是對生料進行預熱，并使大部分碳酸鹽分解，出分解爐生料與最下一級預熱器分離后入窯煅燒。降阻和換熱是預熱器技術的兩個核心性能指標。降阻方面，通過優(yōu)化旋風筒的蝸殼形式、進口面積，優(yōu)化氣流的流動方向，在保證分離效率不降低的情況下，減少系統(tǒng)阻力。開發(fā)出的弱渦流低阻旋風筒與原型的對比見表2。

表2 預熱器系統(tǒng)旋風筒壓力損失對比

圖7 料層內空氣和熟料溫度場分布

預熱器的級數(shù)及性能對燒成系統(tǒng)熱耗和預熱器系統(tǒng)出口壓力有相反方向的影響，一般六級預熱器會增加阻力但是會降低系統(tǒng)熱耗。如圖8所示，當原料綜合水分較低（約＜6%）時，國外水泥企業(yè)普遍傾向于采用六級預熱器系統(tǒng)以降低燒成系統(tǒng)熱耗，尤其對能源和水資源短缺的地區(qū)是很好的選擇。而國內早幾年由于余熱發(fā)電技術的推廣，六級預熱器系統(tǒng)難以得到大力發(fā)展。弱渦流低阻旋風筒的使用加上系統(tǒng)的組合重構優(yōu)化，可以使六級預熱器的阻力低于常規(guī)五級預熱器的阻力，不增加高溫風機電耗，大幅度降低熱耗，系統(tǒng)整體的生產能耗更低。

圖8 預熱器級數(shù)與入磨原料水分對應關系

多級重構組合預熱器使整個窯尾系統(tǒng)結構布置緊湊，降低了窯尾塔架高度，減小了窯尾系統(tǒng)體量，有利于節(jié)省投資。最上級旋風筒分離效率能達到95%以上；除C1旋風筒外，其他級內筒采用耐熱鋼分片式結構，便于安裝和檢修更換；為吸收熱膨脹，旋風筒頂蓋采用預拉伸處理，結構布置上充分采取徑向和軸向熱補償措施，各級料管設置獨立的膨脹節(jié)；根據預熱器系統(tǒng)布置，旋風筒采取歪錐結構，可有效降低塔架高度，防止錐部積料堵塞。

為了加強換熱，料管采用固定式撒料裝置，確保生料在管道中分布均勻，提高管道換熱效果。在以往風管和撒料盒數(shù)值模擬研究的基礎上再次進行優(yōu)化，以合理的風速為前提，撒料盒進一步下移，加強了氣固換熱效果。下料管道上采用翻板閥鎖風，在運行投產前，逐一調整配重桿的配重至最佳位置。運行期間，定期檢查包括鎖風閥在內的各處部位的密封情況，進行必要的堵漏工作，保證系統(tǒng)的鎖風和密封效果，為降低預熱器出口溫度、廢氣風量和系統(tǒng)熱耗創(chuàng)造條件。

表3為我們開發(fā)的六級重構組合預熱器與常規(guī)五級預熱器系統(tǒng)設計指標對比：（1）六級重構組合預熱器系統(tǒng)標煤耗降低3～5kg/t熟料，電耗基本相當，窯尾發(fā)電量減少～8kWh/t熟料，按照能耗標準系數(shù)0.122 9，發(fā)電量減少相當于增加標煤耗～1kg/t熟料，整體還是六級預熱器更節(jié)能。（2）六級預熱器系統(tǒng)窯尾設備和土建投資相對五級預熱器增加，但余熱發(fā)電鍋爐和汽輪機配置變小，整體上帶六級預熱器系統(tǒng)的生產線綜合投資少。

表3 六級重構組合預熱器與常規(guī)五級預熱器系統(tǒng)對比

4.2 梯度燃燒自脫硝分解爐系統(tǒng)

溫度和燃燒氣氛的控制是分解爐自脫硝的技術關鍵。梯度燃燒自脫硝分解爐從下而上，分為強貧氧區(qū)、貧氧區(qū)、燃盡區(qū)三個部分，控制氧含量進而控制還原氣氛。通過分料控制主體結構的溫度梯度，創(chuàng)造高溫區(qū)，以利于分解爐內燃料的燃燒，提高燃料的燃盡率，避免未燃盡的燃料在預熱器內后燃，節(jié)約燃煤。關于氣氛控制，首先通過煤粉分級，使三次風下面的煤粉形成強貧氧區(qū)即強還原區(qū)，再通過脫硝風管采用三次風分級形成貧氧區(qū)即弱還原區(qū)，燃料和空氣均分級加入，形成一個低于化學當量燃燒系數(shù)的還原燃燒區(qū)域。在強貧氧區(qū)和貧氧區(qū)兩個部分，一方面不完全燃燒形成的大量一氧化碳可以對已經形成的氮氧化物進行還原，另一方面抑制燃料中的氮元素向氮氧化物轉化，降低系統(tǒng)NOx的排放。通過調節(jié)末次和二次旋風筒下料的分料比例、三次風閥門的開度，在不影響產質量、穩(wěn)定窯況的前提下，調節(jié)脫硝至最佳效果。最后再通過分解爐第三部分燃盡區(qū)實現(xiàn)燃料的燃盡。自脫硝分解爐技術的優(yōu)勢是可以保證燃料完全燃燒燃盡，CO濃度≤500ppm，大大減少結皮堵塞，系統(tǒng)的產質量不受影響。

分解爐脫硝風管閥門打開時，要同步降低三次風主管道的閥門開度。脫硝風管創(chuàng)造還原區(qū)的同時，在監(jiān)測分解爐和塔內三次風管不結皮的前提下，還要通過C4料管的分料閥提高分解爐主燃區(qū)的溫度至1 050～1 200℃范圍內。燒成氣氛上，在分解爐燃料完全燃燒的基礎上，控制分解爐出口的氧含量＜2%，預熱器出口的氧含量＜2.5%。通過脫硝風管進行三次風的分級設置，分解爐的中柱體及下柱段有較大脫硝空間，調節(jié)脫硝風管使其形成高溫還原氣氛，可滿足NOx＜500mg/m3（標）（10%O2）的要求，脫硝效率達50%以上。同時分解爐出口管道預留SNCR噴氨位置，自脫硝技術結合SNCR可以使氮氧化物排放＜150mg/m3（標），并滿足氨逃逸標準限值，如果結合SCR技術，可以滿足氮氧化物排放指標＜100mg/m3（標）及氨逃逸標準限值。

4.3 兩檔支承短窯

采用L/D為12的兩支承短窯，由于筒體長度有較大減短，其散熱損失相應減少，相同規(guī)模窯的散熱損失相差約21kJ/kg熟料（5kcal/kg熟料），此外還具有裝備、土建費用低等一系列優(yōu)點。近兩年在兩檔窯設備開發(fā)上做了大量工作，包括頭尾密封更新、擋輪由直變?yōu)閮A斜式、二檔輪設為錐面、輪帶和擋輪純滾動摩擦等，設備可靠性大大提高，窯配套的高性能大推力燃燒器一次風量為8%，提高了高溫風的用量，降低了系統(tǒng)熱耗。

煙室是燒成系統(tǒng)的關鍵部位，考慮到兩檔窯尾溫較高，兩檔窯煙室使用了料幕技術，通過設置料幕，控制煙室溫度，減少結皮的生成。料幕系統(tǒng)分一股生料通過風機及風翅打散進入煙室，生料的分解吸熱可以迅速降低煙室溫度，減少液相出現(xiàn)，提升了系統(tǒng)的適應性，也為日后廢棄物處置預留了可能。當燒成系統(tǒng)出現(xiàn)硫、堿、氯等元素內循環(huán)時易造成局部結皮，煙室料幕也有一定緩解作用。

4.4 帶中置輥式破碎機第四代行進式穩(wěn)流冷卻機

第四代行進式穩(wěn)流冷卻機縱向單元通風，避免了熟料經篦床下落造成縱向層阻力變化，有利于均勻通風。第四代冷卻機的熱回收效率＜75%，回收熱量按照入冷卻機的熱料溫度計算，全部熱量約為1 547kJ/kg熟料，每提高1%的熱回收效率則回收熱增加15.5kJ/kg熟料?？紤]到燃燒器改進后入窯二次風量相應增加的因素，采用第四代行進式穩(wěn)流冷卻機，熱回收效率較現(xiàn)有冷卻機的熱回收效率平均提高4%以上的熱量，相當于熱耗降低62kJ/kg熟料。冷卻機系統(tǒng)的電耗統(tǒng)計為5.5kWh/t熟料，較常規(guī)冷卻機節(jié)電1.0kWh/t熟料，同時，中置輥式破碎機提高了窯頭余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，有效利用了余熱。

5 工業(yè)化應用情況

弱渦旋低阻多級重構組合預熱器出口溫度≤260℃，壓力≤5 200Pa，溫度較五級預熱器降低～50℃，阻力和高溫風機電耗不增加，該技術先后在印尼B廠（考核熱耗2 746kJ/kg熟料）、沙特U廠（考核熱耗2 979kJ/kg熟料含17.33%旁路放風）等總承包項目中推廣應用，并取得了良好的應用效果。自脫硝梯度燃燒分解爐采用脫硝風管，通過三次風分風的方式可實現(xiàn)脫硝50%以上，SNCR氨水用量可降低到0.6m3/h以下，噸熟料節(jié)約了3元的運行成本，低氮分解爐還在土耳其、越南項目中調試成功。Sinowalk第四代行進式無漏料篦冷機，總鼓風量為1.872 0m3（標）/kg熟料，篦冷機的熱回收效率～75%。中置輥式破碎機提高余熱發(fā)電量達18kWh/t熟料，降低了熟料溫度，極大地回收了熟料熱量。

表4 國內外5 000～5 500t/d生產線主要技術參數(shù)對比

上述技術集成應用的M廠2×5 500t/d生產線2016年、2017年相繼投產，一線熟料月均產量為5 739t/d，月均標煤耗94.5kg/t熟料；二線熟料月均產量為5 530t/d，月均標煤耗93.9kg/t熟料。第三方熱工標定熟料產量5 960t/d，熱耗2 694kJ/kg熟料（熟料形成熱1 793kJ/kg熟料情況下），可比標煤耗≤85.6kg/t熟料，燒成主機電耗＜18kWh/t熟料，達到并優(yōu)于設計指標。由表4對比指標可見，相對于國內外普遍水平以及公司2009年投產的河北燕趙示范線，燒成技術有了整體升級，節(jié)能減排效果明顯，并且達到了二代技術指標中熟料燒成可比熱耗2 675kJ/kg熟料、燒成工序電耗18kWh/t熟料兩個重要指標。

6 社會經濟效益分析

以M廠兩條典型生產線為例，每年可節(jié)省標準煤5.82萬噸，回收余熱發(fā)電量9 075×104kWh，每年實現(xiàn)CO2減排～15.8萬噸，與國標控制NOx排放值相比，實現(xiàn)NOx減排～1 000t，本項目的技術實施不僅達到了國家節(jié)能減排的要求，而且為企業(yè)年度新增利潤1億元以上。項目研發(fā)的成功無疑給企業(yè)帶來巨大的經濟效益，目前該項目技術已在公司設計的多條生產線上應用，增強了公司水泥主業(yè)的技術實力，年新增稅收近1億元。本文所述的技術成果可實現(xiàn)節(jié)煤10%，如果在全國推廣應用，則可以節(jié)約千萬噸以上標準煤，具有顯著的經濟效益和社會效益。

2018年6月中國建筑材料聯(lián)合會集中了行業(yè)內外的知名專家，在北京組織召開了《水泥低能耗燒成技術的研究與集成應用》項目鑒定會，17項公司自主知識產權獨家專利以及創(chuàng)新成果獲得了專家的高度評價，鑒定結論為：達到國際領先水平。認可了公司承擔社會責任的能力，彰顯了公司節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保、綠色生產技術方面的創(chuàng)新能力。

7 結語

低能耗燒成技術是二代水泥干法生產技術的核心之一，通過試驗，研究了水泥燒成的反應機理，開發(fā)了以弱渦旋低阻旋風筒+多級重構組合預熱器+梯度燃燒自脫硝分解爐+中置輥式破碎機區(qū)域供風冷卻機為代表的燒成單體設備，促進了水泥燒成技術的科技進步，經國內外水泥工程的實際應用證明，其為成熟可靠的技術及裝備，實現(xiàn)了水泥生產節(jié)能減排、高效環(huán)保的開發(fā)目標?！?/p>