郭君毅

（金隅冀東水泥（唐山）有限責(zé)任公司唐山分公司，河北 唐山 064000）

1 水泥行業(yè)節(jié)能潛力分析

水泥是我國重要的基礎(chǔ)性原材料，水泥行業(yè)隨國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展獲得了長足的發(fā)展，在相當(dāng)長的時間里，水泥建材的作用仍是不可替代的。通常情況下，水泥的生產(chǎn)過程會消耗一定的煤炭資源，還需要大量的電力能源支持生產(chǎn)作業(yè)。而煤炭消耗在水泥行業(yè)當(dāng)中占據(jù)了較大的比重，部分水泥生產(chǎn)企業(yè)使用質(zhì)量較差的煤炭，會導(dǎo)致在水泥生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生一定的附加污染物排放，主要是二氧化硫和氮氧化物，極易造成環(huán)境排放超標(biāo)等隱患和風(fēng)險。

在節(jié)能減排，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰落后產(chǎn)能政策的持續(xù)治理下，水泥企業(yè)應(yīng)用包括二代水泥技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)及裝備，實(shí)施節(jié)能設(shè)備改造，積極推進(jìn)水泥窯協(xié)同處置替代燃料，大力推進(jìn)能源管理系統(tǒng)和水泥行業(yè)智能化生產(chǎn)等措施和手段，對現(xiàn)有的水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)和提升，有效降低了水泥行業(yè)的能耗水平。2020 年我國水泥熟料單位產(chǎn)品綜合能耗已逐步降低至108 千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸的水平，較2015 年下降約4 千克標(biāo)煤/噸。國家工信部發(fā)布的2020 年度水泥行業(yè)能效領(lǐng)跑者企業(yè)共計28 家企業(yè)，通過采用各種節(jié)能降耗措施，其水泥可比熟料綜合能耗均低于100 千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸，已經(jīng)一定幅度優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)值9%-16%。

在水泥產(chǎn)量逐步穩(wěn)定的情況下，通過采取有效的節(jié)能減排措施，預(yù)計未來十年，我國水泥行業(yè)能源消耗和排放會顯著下降，2030 年至2040 年，能耗消耗和排放呈現(xiàn)緩步下降趨勢。除去水泥產(chǎn)量影響，在新技術(shù)的加持下，總體水泥行業(yè)能耗和排放水平呈下降趨勢，有研究表明，未來我國水泥行業(yè)能耗節(jié)約潛力可達(dá)11.73%-12.68%，整體的排放水平上，二氧化碳的排放水平減排潛力可達(dá)12%-13.3%,二氧化硫減排潛力約31%-35%，氮氧化物減排潛力約29%-33%。相比于其他國家，我國水泥行業(yè)節(jié)能低碳環(huán)保工作開展起步較晚，仍存在一定的差距,但在節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)步的推動下，我國水泥行業(yè)節(jié)能減排的潛力仍是巨大的，水泥生產(chǎn)不但要保障水泥產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，還要在生產(chǎn)的過程中盡最大可能降低資源消耗，減少污染物的排放。

2 先進(jìn)節(jié)能工藝技術(shù)應(yīng)用

為提高行業(yè)技術(shù)水平，促進(jìn)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)綠色制造，智能制造、高端制造，向世界水泥技術(shù)高峰不斷開拓前進(jìn)，2012 年中國建筑材料聯(lián)合會和中國水泥協(xié)會引領(lǐng)提出了二代水泥技術(shù)，從行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的高度，推進(jìn)了整個水泥行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了自上世紀(jì)80 年代水泥產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步后的又一次技術(shù)飛躍，二代技術(shù)研發(fā)獲得了豐碩的成果，其中針對節(jié)能降耗，從高能效低氮預(yù)熱器分解及先進(jìn)燒成技術(shù)、高效節(jié)能料床粉磨技術(shù)、水泥窯廢棄物安全處置和替代燃料技術(shù)等技術(shù)中，均提出了有針對性的技術(shù)要求，同時也提出了針對水泥氮氧化物排放、智能化控制技術(shù)等要求，包括了水泥工藝生產(chǎn)的方方面面，下面就相關(guān)技術(shù)進(jìn)行簡要介紹與探討：

2.1 預(yù)熱器分解及先進(jìn)燒成技術(shù)方面

水泥熟料煅燒工藝中,旋風(fēng)預(yù)熱器、分解爐、篦冷機(jī)等關(guān)系到整個水泥生產(chǎn)工藝的能耗水平，旋風(fēng)預(yù)熱器的主要功能是保證生料充分在回轉(zhuǎn)窯和分解爐內(nèi)排出的熾熱氣流中處于分散與懸浮狀態(tài)，并與來自窯尾的高溫氣流進(jìn)行熱交換，對生料進(jìn)行充分的預(yù)熱，保證生料中碳酸鈣分解。同時旋風(fēng)預(yù)熱器具有氣、固分離功能，負(fù)責(zé)生料粉的層層收集，并輸送至分解爐或回轉(zhuǎn)窯。而分解爐是在旋風(fēng)預(yù)熱器與回轉(zhuǎn)窯之間增加一個新熱源,將生料中碳酸鈣分解過程提前到窯外進(jìn)行，加快生料的分解，并提高生料分解率,承擔(dān)了原來在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行的大量碳酸鈣分解任務(wù)。大部分燃料從分解爐內(nèi)加入，改善了水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)的熱力分布，減輕了窯內(nèi)耐火材料的熱負(fù)荷。二代水泥技術(shù)對旋風(fēng)預(yù)熱器提出了明確的要求，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)六級旋風(fēng)預(yù)熱器的技術(shù)突破。目前技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高效六級預(yù)熱器的開發(fā)與應(yīng)用，水泥旋風(fēng)預(yù)熱器出口溫度達(dá)到了250℃～270℃，六級旋風(fēng)預(yù)熱器出口阻力≤5000Pa，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。分解爐研究方面，通過分解爐原理研究及流場模擬試驗(yàn)，已完成了適應(yīng)不同燃料的多型號爐型設(shè)計，有效提高了分解爐的適應(yīng)性，并改善了分解爐性能。同時針對分解爐的分級燃燒改造，已比較成熟，通過對分解爐噴煤管位置及三次風(fēng)管位置的改造，達(dá)到調(diào)整分級爐還原區(qū)，降低氮氧化物排放的目的，在當(dāng)前環(huán)保要求標(biāo)準(zhǔn)日益提高的情況下，發(fā)揮了重要的作用。

在水泥回轉(zhuǎn)窯技術(shù)升級方面，強(qiáng)化煅燒的兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯技術(shù)同樣具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，兩檔短窯指的是長徑比小于等于12.5 的回轉(zhuǎn)窯，目前新型干法水泥是我國主流的水泥生產(chǎn)工藝，其裝備的水泥窯是和預(yù)分解旋風(fēng)預(yù)熱器共同配合，生料在懸浮狀態(tài)下的傳熱速率相比較回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料接觸傳熱速率大大提高，在旋風(fēng)預(yù)熱器技術(shù)不斷發(fā)展的今天，為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料煅燒提供了很好的前提條件。經(jīng)過技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用表明，兩檔短窯可降低能源消耗，降低窯表面損失約3kcal/kg.cl;可提高熟料質(zhì)量，并對原料和原煤的適應(yīng)性更強(qiáng)；兩檔短窯的磚耗顯著降低，達(dá)到0.15-0.2kg/t.cl,相比國際先進(jìn)指標(biāo)可降低約60%；同時可靠性提高。

熟料篦冷機(jī)是水泥生產(chǎn)重要的工藝設(shè)備，對窯內(nèi)提供必要的二次風(fēng)和三次風(fēng)，并對熟料急冷，急冷過程中，可防止新產(chǎn)出的水泥熟料C3S 礦物晶體長大，提高水泥熟料活性，阻止β-C2S 向r-C2S 的轉(zhuǎn)變，保證熟料強(qiáng)度，兼顧水泥窯熱回收和熟料輸送設(shè)備功能，把篦冷機(jī)稱作水泥窯熟料生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)一點(diǎn)不為過，篦冷機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，直接關(guān)系到水泥生產(chǎn)的能耗水平。熟料的冷卻設(shè)備從單筒冷卻機(jī)、多筒冷卻機(jī)、篦式冷卻機(jī)、二三代篦冷機(jī)、再到最新的四代篦冷機(jī)，設(shè)備結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行升級，同時其能耗和熱回收效率均有了較大程度的提高，目前國際先進(jìn)水平的篦冷機(jī)其熱回收效率已達(dá)到75%以上，保證了充足的二次風(fēng)、三次風(fēng)入窯及分解爐助燃，在能耗方面，篦冷機(jī)電耗已經(jīng)可以做到5 千瓦時/噸以內(nèi)，達(dá)到了節(jié)能新的水平。

2.2 粉磨設(shè)備相關(guān)節(jié)能技術(shù)

二代水泥技術(shù)提出了高效節(jié)能料床粉磨技術(shù)的開發(fā)，主要針對水泥立磨終粉磨技術(shù)和輥壓機(jī)終粉磨技術(shù)提出了優(yōu)化要求，目前技術(shù)已完成開發(fā)，形成了針對現(xiàn)有料床粉磨技術(shù)的優(yōu)化提升技術(shù)。但在實(shí)際的水泥生產(chǎn)中，除非是新建生產(chǎn)線，或是進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備更換升級改造，改變生產(chǎn)工藝改造等，一般仍是在原有水泥粉磨工藝不變的情況下，進(jìn)行節(jié)能的相關(guān)改造。這就需要廣大粉磨工藝技術(shù)人員深入研究現(xiàn)有工藝線技術(shù)特點(diǎn)，研究節(jié)能改造方法。以下簡單舉例：

水泥生產(chǎn)中經(jīng)常采用回轉(zhuǎn)下料器作為立磨入磨鎖風(fēng)設(shè)備，利用回轉(zhuǎn)下料器的葉輪阻隔立磨與外部空氣，受限于自身結(jié)構(gòu)設(shè)計影響以及間隙控制精度問題，下料器內(nèi)套、葉輪等極易磨損，造成間隙加大，進(jìn)而造成漏風(fēng)，漏入的空氣將直接增加生料粉磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)和窯尾廢氣系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，導(dǎo)致磨機(jī)電耗提高。同時，入磨物料如果比較濕，極易造成下料器內(nèi)粘結(jié)，冬季時受天氣寒冷影響，凍結(jié)粘料情況更為嚴(yán)重，造成立磨喂料困難，鎖風(fēng)閥頻繁卡跳停機(jī)，嚴(yán)重影響立磨的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步推高了磨機(jī)電耗。近些年隨著鎖風(fēng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，出現(xiàn)了新式密封轉(zhuǎn)子喂料機(jī)，利用料封原理，在密封喂料機(jī)稱重倉內(nèi)保證穩(wěn)定的料位，并通過穩(wěn)定的料位實(shí)現(xiàn)料封，減少系統(tǒng)漏風(fēng)。進(jìn)而降低現(xiàn)有立磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)及窯尾排風(fēng)機(jī)負(fù)荷降低系統(tǒng)電耗約0.2 千瓦時/噸，窯尾氧含量可降低約1.5%以上，節(jié)能效果顯著。

2.3 智能化節(jié)能技術(shù)相關(guān)

水泥制造業(yè)是一個能源消耗密度較大的行業(yè)，由于水泥行業(yè)特殊的工藝技術(shù)特點(diǎn)，水泥熟料燒成需要燃煤消耗，涉及到的兩磨工藝也都是電能消耗，能源消耗大約可占到水泥生產(chǎn)成本的40～70%，故能源消耗也是水泥生產(chǎn)成本中最大的可控成本，通過對節(jié)能改造持續(xù)投入，可降低能耗成本，另外一個方面，從精細(xì)化的能源管理和智能化的控制方面，可極大提高能源使用效率，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)的降本增效。

我國當(dāng)前的大部分新型干法企業(yè)，所裝備的工藝設(shè)備均比較先進(jìn)，但在能源管理方面，大部分仍在采用傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計分析方法，這種方法不但效率低，同時還存在較大的滯后性，距離精細(xì)化的能源管理仍相差較遠(yuǎn)。目前已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的水泥智能工廠，均以能源管理系統(tǒng)作為智能工廠的基礎(chǔ)性模塊，并設(shè)置有能源管理中心，通過建立相關(guān)的能源管理體系，及時精細(xì)地進(jìn)行能源管理。能源管理系統(tǒng)在硬件層面建立變量采集系統(tǒng)，包括生產(chǎn)DCS數(shù)據(jù)、高壓電表數(shù)據(jù)、低壓電表數(shù)據(jù)、化驗(yàn)數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)，通過專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯集并分類存取。之后，建立能源管理系統(tǒng)軟件平臺，平臺具備工藝參數(shù)存儲和分析查詢功能，將各種能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類展示，并根據(jù)工藝狀況建立分析圖表，如峰谷平運(yùn)行情況、空負(fù)荷運(yùn)行情況分析等，方便操作員、工程技術(shù)人員進(jìn)行分析和查詢。具備生產(chǎn)調(diào)度管理模塊，對各種庫存、產(chǎn)量、單耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行列示分析，為生產(chǎn)調(diào)度和各級管理人員決策提供依據(jù)。以上的各種功能可幫助各級管理人員掌握能源消耗的即時數(shù)據(jù)，并消除工藝調(diào)整的滯后性，保證最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。利用能源管理系統(tǒng)平臺，可實(shí)現(xiàn)用能管理的精細(xì)化，獲得實(shí)實(shí)在在的節(jié)能效益。目前國內(nèi)領(lǐng)先的能源管理平臺可助力企業(yè)能源消耗單耗降低1～2%，基礎(chǔ)薄弱的企業(yè)節(jié)能效果更高。

另一方面，在智能物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展帶動下，針對水泥行業(yè)的智能技術(shù)升級浪潮正在形成。前面說到現(xiàn)有大多數(shù)水泥企業(yè)均裝備有先進(jìn)的新型干法水泥生產(chǎn)線，生產(chǎn)控制多采用DCS 控制系統(tǒng)，而以生產(chǎn)模型建立等先進(jìn)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，采用針對性的控制方案，以運(yùn)行平穩(wěn)化、及時化、精準(zhǔn)化為目標(biāo)，對關(guān)鍵設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行智能、優(yōu)化控制，建立水泥智能專家控制系統(tǒng)。其節(jié)能、提產(chǎn)、穩(wěn)質(zhì)等應(yīng)用效果已經(jīng)在水泥行業(yè)得到充分驗(yàn)證，成為智能工廠建設(shè)的重要一環(huán)，是水泥企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、智能、可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)有力抓手。

水泥生產(chǎn)系統(tǒng)是一個典型的大滯后、多變量之間存在耦合的工藝系統(tǒng)。常規(guī)基于單入單出的PID 回路控制，無法勝任。而依靠水泥操作員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，往往由于人為因素的限制，無法保證裝置的平穩(wěn)操作，更無從談及對于水泥窯、磨系統(tǒng)的優(yōu)化操作。而現(xiàn)有的智能專家系統(tǒng)通過水泥窯、磨及相關(guān)工序的模型預(yù)測控制系統(tǒng)解決方案，實(shí)時滾動調(diào)節(jié)將各個關(guān)鍵工藝變量控制在一個波動極小的穩(wěn)定范圍，以此實(shí)現(xiàn)整個工況的穩(wěn)定。在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再利用大量歷史數(shù)據(jù)，包括物料成份、煤的成份、成品質(zhì)量數(shù)據(jù)、能耗等KPI數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)挖掘和AI（人工智能）算法技術(shù)，推算出基于每小時入窯生料成份的最優(yōu)最經(jīng)濟(jì)操作參數(shù)集，發(fā)送給智能專家系統(tǒng)作為目標(biāo)值進(jìn)行自動控制并達(dá)成最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。良好的智能專家系統(tǒng)保證水泥窯磨運(yùn)行在最優(yōu)參數(shù)下，達(dá)到提高效率，節(jié)約能源的作用，可降低系統(tǒng)綜合電耗1%以上，并可降低系統(tǒng)煤耗1%以上，提高系統(tǒng)的整體質(zhì)量和能耗指標(biāo)水平。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)的水泥建材作為國民經(jīng)濟(jì)的重要材料，生產(chǎn)過程往往帶來較大的能源消耗。如何在生產(chǎn)的過程中做到節(jié)能減排，是擺在所有水泥工程技術(shù)人員面前的永恒課題，只有在水泥生產(chǎn)實(shí)踐中積極開發(fā)研究節(jié)能減排技術(shù)，積極應(yīng)用包括二代水泥技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，不斷改進(jìn)水泥生產(chǎn)工藝，提升水泥生產(chǎn)節(jié)能化、自動化、智能化、高效化水平，才能促進(jìn)水泥行業(yè)的綠色環(huán)保、節(jié)能低碳發(fā)展。