实现新二代水泥节能指标的技术方案及措施

肖 静，朱明秀，殷昭波

（1.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400；2.中国中材国际工程股份有限公司，江苏南京211000）

1 新的二代水泥示范线主要技术经济指标

中国建筑材料联合会于2012年提出了开展第二代新型干法水泥和第二代中国浮法玻璃（简称“两个二代”）技术装备创新研发攻关工作，组织成立了“两个二代”技术装备研发领导小组和工作小组，先后制订了《第二代新型干法水泥技术装备研发达标标准》、《第二代新型干法水泥技术装备研验收规程》（2014-10）等标准和规程。

2018年04月，中国建筑材料联合会组织召开了“两个二代”示范线项目遴选会议，会议提出了新的第二代新型干法水泥示范线主要技术经济指标达标要求（详细指标见表1）。为实现和达到水泥生产线新要求中的节能技术指标，在生产线项目建设，尤其是在前期设计选型过程中，设计方务必选择和采用成熟、可靠、节能的工艺技术方案及措施，以确保在生产线建成投产后达到和实现新二代要求中的节能技术指标值。

表1 新的第二代新型干法水泥示范线主要技术经济指标达标要求

2 实现新二代水泥节能指标生产工艺应具备的先进技术及采取的措施

2.1 高能效、低氮氧化物的烧成系统技术

（1）高能效预热、预分解、（部分）自脱硝的系统技术。预热、预分解系统是新型干法水泥熟料烧成系统的核心,其性能对整个烧成系统的稳定运行、热耗以及电耗等技术指标的影响至关重要。各设计院的预热、预分解系统拥有自己的技术措施及优势，但其都应具有以下共同的特点及特征：

①低阻力、低动力消耗、高分离效率的旋风筒系统；对目前应用较多的六级预热器系统来说，其一级筒（C1）出口压力一般要控制在5300Pa及以下；一级筒（C1）的分离效率应高于90%，其目标分离效率要到达95%。

②预热、预分解系统对不同的原料、燃料和应用环境有较宽泛的适应性及易操作控制性，入窑碳酸钙分解率应高于95%。

③采用分煤、分风等的技术措施，使分解炉具有较强的自脱硝能力，使氮氧化物（NOx）浓度在采取其它脱硝技术前的浓度降至400mg/m3及以下。

（2）回转窑。众所周知，回转窑是水泥生产的重型热工核心设备，窑的总体设计原则为在确保安全、可靠的基础上，追求机械结构、产能技术指标的先进性。回转窑的能力与回转窑的结构参数、耐火材料的性能、动力配置有关，更与配套的预热预分解系统、冷却机、燃烧器性能有关，而且也与所处地区的自然环境、原燃料情况、熟料质量要求密切有关，同时还与生产人员的操作及系统控制水平相关。因此，从设计到生产，都需要根据生产线的综合条件及情况，在回转窑规格限定的条件下，合理把握调控回转窑的实际产量，以达到和实现烧成系统产量高、能耗低的目标要求。

目前，就长、短窑来说，在上述条件、情况基本一致及炉容大小也基本相同时，我们掌握了解的实际情况，其产量和能耗也无实质的差别，设计选型的主要影响因素更在于政策或场地的特殊情况和条件。

（3）冷却机。水泥装备技术的发展进步不可或缺的组成部分之一，其技术的进步及发展既处于水泥装备技术的核心关键位置，也为实现新二代水泥节能技术指标提供了条件、奠定了基础。现阶段成熟可靠、普遍使用的第四代冷却机主要有步进式（列式）和十字棒式两类，因熟料的厚料层水平输送，提高了熟料的热回收效率，降低了成品熟料的温度。四代冷却机的热回收效率已保证在75%左右，单位熟料的冷却用风量已降低到1.8～2.0m3/kg之间。

第四代冷却机技术还包括熟料辊式破碎机的开发和应用。熟料辊式破碎机具有使用寿命长，熟料粒度均匀，无大块熟料的优势特点；若采用中置式，还可有效回收大块熟料的中间热量，提高余热发电热回收效率，并能保证相对较低的熟料温度。

（4）窑用燃烧器。在窑用燃烧器的选择上，应选择低的一次风风量、高动量、高旋流强度的多通道燃烧器，也称为大推力低NOx燃烧器；低一次风风量应控制在8%以下。低一次风风量可以降低煤粉气流的着火热度；高动量可以增加火焰卷吸高温气量，提高初始煤粉的着火和燃烧速度；高旋流强度的气流也加强了煤粉与二次风的混合强度；以形成集中稳定有效的火焰形状，并可减少氮氧化物有害气体的形成。

（5）烧成系统新型保温隔热材料的应用。烧成系统的回转窑、冷却机、预热器及分解炉、以及连接管件等设备不仅温度高，而且面积大，其表面散热损失在熟料生产的热能消耗中占有不可忽视的分量；因此，为有效降低生产热耗，烧成系统设备选用新型先进低导热系数的隔热保温材料、耐火材料，以最大限度地减小烧成系统设备的表面散热损失，从而有效降低熟料热耗，为熟料生产的低热耗指标提供条件及保障。新型隔热保温材料主要有纳米隔热板，新型低导热性耐火砖等可选用。

（6）低氮氧化物的烧成系统技术集成。低氮氧化物的烧成系统技术集成目前主要为降低烧成温度法、低NOx燃烧器法、分级燃烧法（自脱硝）、非选择性催化还原法（SNCR）组成；基本可满足排放的窑尾烟气中氮氧化物（NOx）浓度达到100 mg/m3的要求。随着环境保护意识及环保标准要求的提高，在集成中需要采用选择性催化还原法（SCR）替换非选择性催化还原法（SNCR），使排放的窑尾烟气中氮氧化物（NOx）浓度低于100 mg/m3的要求。

2.2 高效节能的料床粉磨技术

水泥生产为耗能大户，其粉磨系统电耗要占到约60%以上。目前，原料粉磨、煤粉制备、水泥粉磨几个工艺环节都有最具节能性能的料床粉磨技术系统可供选用。

原料粉磨系统由管磨系统发展到辊式磨系统，再到目前普遍采用的辊压机终粉磨系统，生料单位电耗由管磨的约23kWh/t左右，降低到辊压机终粉磨约12 kWh/t左右。在原料水分不高于10%的情况下，原料粉磨系统应首先选用辊压机终粉磨系统；在原料水分高于10%的情况下，原料粉磨系统宜优先选用辊式磨粉磨系统，充分发挥利用辊式磨集烘干与粉磨一体的技术优势及性能。

在无其它特定条件情况下，煤粉制备应优先采用辊式磨系统，辊式煤磨系统的煤粉单位电耗约25～30 kWh/t左右，与风扫球磨系统相比要低约100kWh/t左右。

对水泥粉磨系统来说，国内以辊压机加管磨的水泥粉磨系统为主，国外采用辊式磨系统的则更多，另还有辊磨加管磨的水泥粉磨系统在发展运用中。这些系统的共性都是采用了高效节能的料床粉磨技术，其P·O42.5普通硅酸盐水泥的单位粉磨系统能耗也都可达到28 kWh/t以下，即已基本达到了第二代新型干法水泥生产技术的要求。

2.3 原、燃料均化技术及生产过程的质量控制

（1）原、燃料预均化。原、燃料成分的相对均匀稳定性是稳定烧成系统工况，生产优质水泥熟料的重要条件。在充分考虑建设项目原、燃料情况下，石灰石、辅助原料、原煤一般都需要采用预均化效果好的堆场预均化及储存。

若石灰质原料矿山采用数字化智能矿山系统建设及开采，即进厂石灰质原料的均匀稳定性已有了保证，在工艺方案选择时，以考虑生产工段的衔接物料的储存量为主，选择简单的工艺过程及环节以节省电耗。

（2）生料质量控制。为确保生料质量稳定，稳定烧成系统的运行和熟料的质量，现以生料质量控制采用双闭路自动配料控制系统进行自动检测控制和生料均化库均化措施来调控入窑生料的质量。生料配料一级闭路自动调节控制系统由入磨物料在线分析仪根据原料的成分波动实时调整原料的配比；出原料粉磨系统的成品生料采用X-荧光分析仪生料质量控制系统自动分析检测，并反馈调整在线仪配料系统，形成生料质量的二级闭路自动监控系统。

考虑到原、燃料预均化系统及生料质量控制系统的有效性的充分发挥，在出磨系统生料质量已保证满足入窑生料质量要求的情况下，在原料粉磨系统与入窑喂料系统的工艺流程设计中，要设计有出磨系统生料能直接入窑的流程，可免去生料提升入库及均化过程的电能消耗。

2.4 通用设备节能技术的应用

（1）高效风机、变频技术及永磁电机。在水泥生产中，仅次于粉磨能耗的电能消耗为风机，其占水泥生产电能消耗约40%左右。因水泥生产工艺系统工况的复杂性和多样性，风机的选型必须满足各工况的生产要求，目前工艺风机已全部采用电动机变频调节技术，既满足生产工艺变化的要求，也节省了电能消耗；在工艺风机选型时，风机长期正常的工作效率点应要求在80%以上。

因输送转运、储存等普通除尘系统排风机为已定型的通用风机，其选用的效率点要注意在75%以上；同时对风机配备功率37 kW以上电机时，应采用变频电机调节，以节省能耗。

对于高能耗的普通罗茨风机，在条件成熟允许时，应选用磁悬浮鼓风机，既节省了能耗，又减小了噪声污染；在当前可优先考虑一次风机、煤粉输送用风机选用磁悬浮鼓风机。

空气压缩机也是高能耗设备，对熟料线而言压缩空气单位熟料能耗基本在2kWh/t左右；因此空气压缩机节能处理也是一重要课题，为降低能耗空压机建议应选用磁悬浮二级离心压缩机并配置智能化管理系统。

随着永磁电机技术的发展及普遍应用，对水泥生产系统来说无疑是一个有效节能的利好条件及措施，在现行情况下，工艺要求设备变速调节如动态选粉机等应选用永磁调速电机直驱；现采用减速器加电机的输送设备传动装置，若条件允许宜尽可能采用永磁电机直驱传动方式，以有效减少传动过程的电能损耗，从而达到节能降耗的目的。

（2）输送系统的节能。除煤粉入窑、入炉输送采用气力输送外，其它物料全部采用带式输送机、提升机、空气输送斜槽等输送方式以节能。物料输送系统的能耗主要消耗在提升高度上，因此在工艺配置时尽可能减少物料的提升倒运环节，并视建设项目情况，尽可能简化工艺流程，如采用预均化或储存直接配料的工艺流程，减少了工艺环节，即节省了能耗，也减少了建设费用。

（3）磁力耦合器的应用。传动装置中采用磁力耦合器替代传统的液力耦合器。磁力耦合器具有结构简单、安装方便、维护工作量小、维护费用极低、过载保护功能，还可以减少传动过程中的电能损耗的特点。

（4）采用高效环保的滤料技术。建设绿色环保型水泥工厂，提升企业形象，有效降低粉尘排放量；在各工艺过程如窑头、窑尾、煤磨、水泥粉磨系统中，其含尘废气均要选择袋式除尘器净化处理后排放，以保证排放气体粉尘浓度（标况下）满足≤10 mg/m3的高标准要求，而且可避免采用电除尘器因事故排放对环境污染的影响。对不同使用位置及用途的袋式除尘器，要按其处理气体性质及工况，选择运行阻力低、清灰性能好的新型滤料，在保证除尘效果的同时，也有效减少滤料阻力对电能的消耗。

2.5 生产过程的智能数字化

智能数字化水泥生产线，最大限度地实现了对生产过程实时准确的掌握和了解，同时也最大限度地减少了生产线技术人员的人工干预，即最大限度地减免了因操作人员的不同对生产过程产生的影响，提高了整个生产过程的可控性、连续性、稳定性，从而减少了非正常生产过程的能源消耗和损耗，降低了生产成本，同时也提高了企业的产品质量和生产效率。

3 结语

综上所述，在生产线中采用一系列现行先进、成熟可靠的节能技术措施，可以实现水泥生产线新“二代”节能指标的目标。水泥生产线技术的先进、节能、环保性，产品的优良性，以及企业的经济效益可以说与工艺设计直接紧密相关，作为水泥行业的一线从业者，尤其是所从事的工作为水泥生产工艺设计者，我们还有很多的工作要做，很长路的要走。