水泥生产工艺节能技术探讨

郭君毅

（金隅冀东水泥（唐山）有限责任公司唐山分公司，河北 唐山 064000）

1 水泥行业节能潜力分析

水泥是我国重要的基础性原材料，水泥行业随国民经济发展获得了长足的发展，在相当长的时间里，水泥建材的作用仍是不可替代的。通常情况下，水泥的生产过程会消耗一定的煤炭资源，还需要大量的电力能源支持生产作业。而煤炭消耗在水泥行业当中占据了较大的比重，部分水泥生产企业使用质量较差的煤炭，会导致在水泥生产过程中，产生一定的附加污染物排放，主要是二氧化硫和氮氧化物，极易造成环境排放超标等隐患和风险。

在节能减排，优化产业结构，淘汰落后产能政策的持续治理下，水泥企业应用包括二代水泥技术在内的先进节能技术及装备，实施节能设备改造，积极推进水泥窑协同处置替代燃料，大力推进能源管理系统和水泥行业智能化生产等措施和手段，对现有的水泥生产工艺技术进行了大幅度的改进和提升，有效降低了水泥行业的能耗水平。2020 年我国水泥熟料单位产品综合能耗已逐步降低至108 千克标准煤/吨的水平，较2015 年下降约4 千克标煤/吨。国家工信部发布的2020 年度水泥行业能效领跑者企业共计28 家企业，通过采用各种节能降耗措施，其水泥可比熟料综合能耗均低于100 千克标准煤/吨，已经一定幅度优于标准先进值9%-16%。

在水泥产量逐步稳定的情况下，通过采取有效的节能减排措施，预计未来十年，我国水泥行业能源消耗和排放会显著下降，2030 年至2040 年，能耗消耗和排放呈现缓步下降趋势。除去水泥产量影响，在新技术的加持下，总体水泥行业能耗和排放水平呈下降趋势，有研究表明，未来我国水泥行业能耗节约潜力可达11.73%-12.68%，整体的排放水平上，二氧化碳的排放水平减排潜力可达12%-13.3%,二氧化硫减排潜力约31%-35%，氮氧化物减排潜力约29%-33%。相比于其他国家，我国水泥行业节能低碳环保工作开展起步较晚，仍存在一定的差距,但在节能减排技术进步的推动下，我国水泥行业节能减排的潜力仍是巨大的，水泥生产不但要保障水泥产品的性能和质量，还要在生产的过程中尽最大可能降低资源消耗，减少污染物的排放。

2 先进节能工艺技术应用

为提高行业技术水平，促进行业的转型升级，实现绿色制造，智能制造、高端制造，向世界水泥技术高峰不断开拓前进，2012 年中国建筑材料联合会和中国水泥协会引领提出了二代水泥技术，从行业高质量发展的高度，推进了整个水泥行业的技术进步，实现了自上世纪80 年代水泥产业技术进步后的又一次技术飞跃，二代技术研发获得了丰硕的成果，其中针对节能降耗，从高能效低氮预热器分解及先进烧成技术、高效节能料床粉磨技术、水泥窑废弃物安全处置和替代燃料技术等技术中，均提出了有针对性的技术要求，同时也提出了针对水泥氮氧化物排放、智能化控制技术等要求，包括了水泥工艺生产的方方面面，下面就相关技术进行简要介绍与探讨：

2.1 预热器分解及先进烧成技术方面

水泥熟料煅烧工艺中,旋风预热器、分解炉、篦冷机等关系到整个水泥生产工艺的能耗水平，旋风预热器的主要功能是保证生料充分在回转窑和分解炉内排出的炽热气流中处于分散与悬浮状态，并与来自窑尾的高温气流进行热交换，对生料进行充分的预热，保证生料中碳酸钙分解。同时旋风预热器具有气、固分离功能，负责生料粉的层层收集，并输送至分解炉或回转窑。而分解炉是在旋风预热器与回转窑之间增加一个新热源,将生料中碳酸钙分解过程提前到窑外进行，加快生料的分解，并提高生料分解率,承担了原来在水泥回转窑内进行的大量碳酸钙分解任务。大部分燃料从分解炉内加入，改善了水泥回转窑系统内的热力分布，减轻了窑内耐火材料的热负荷。二代水泥技术对旋风预热器提出了明确的要求，在现有技术的基础上，要实现六级旋风预热器的技术突破。目前技术上已经实现了高效六级预热器的开发与应用，水泥旋风预热器出口温度达到了250℃～270℃，六级旋风预热器出口阻力≤5000Pa，技术指标达到了国际领先水平。分解炉研究方面，通过分解炉原理研究及流场模拟试验，已完成了适应不同燃料的多型号炉型设计，有效提高了分解炉的适应性，并改善了分解炉性能。同时针对分解炉的分级燃烧改造，已比较成熟，通过对分解炉喷煤管位置及三次风管位置的改造，达到调整分级炉还原区，降低氮氧化物排放的目的，在当前环保要求标准日益提高的情况下，发挥了重要的作用。

在水泥回转窑技术升级方面，强化煅烧的两档支撑短回转窑技术同样具有显著的技术优势，两档短窑指的是长径比小于等于12.5 的回转窑，目前新型干法水泥是我国主流的水泥生产工艺，其装备的水泥窑是和预分解旋风预热器共同配合，生料在悬浮状态下的传热速率相比较回转窑内物料接触传热速率大大提高，在旋风预热器技术不断发展的今天，为回转窑内的物料煅烧提供了很好的前提条件。经过技术研发及应用表明，两档短窑可降低能源消耗，降低窑表面损失约3kcal/kg.cl;可提高熟料质量，并对原料和原煤的适应性更强；两档短窑的砖耗显著降低，达到0.15-0.2kg/t.cl,相比国际先进指标可降低约60%；同时可靠性提高。

熟料篦冷机是水泥生产重要的工艺设备，对窑内提供必要的二次风和三次风，并对熟料急冷，急冷过程中，可防止新产出的水泥熟料C3S 矿物晶体长大，提高水泥熟料活性，阻止β-C2S 向r-C2S 的转变，保证熟料强度，兼顾水泥窑热回收和熟料输送设备功能，把篦冷机称作水泥窑熟料生产的发动机一点不为过，篦冷机运行的状态，直接关系到水泥生产的能耗水平。熟料的冷却设备从单筒冷却机、多筒冷却机、篦式冷却机、二三代篦冷机、再到最新的四代篦冷机，设备结构不断进行升级，同时其能耗和热回收效率均有了较大程度的提高，目前国际先进水平的篦冷机其热回收效率已达到75%以上，保证了充足的二次风、三次风入窑及分解炉助燃，在能耗方面，篦冷机电耗已经可以做到5 千瓦时/吨以内，达到了节能新的水平。

2.2 粉磨设备相关节能技术

二代水泥技术提出了高效节能料床粉磨技术的开发，主要针对水泥立磨终粉磨技术和辊压机终粉磨技术提出了优化要求，目前技术已完成开发，形成了针对现有料床粉磨技术的优化提升技术。但在实际的水泥生产中，除非是新建生产线，或是进行大规模的设备更换升级改造，改变生产工艺改造等，一般仍是在原有水泥粉磨工艺不变的情况下，进行节能的相关改造。这就需要广大粉磨工艺技术人员深入研究现有工艺线技术特点，研究节能改造方法。以下简单举例：

水泥生产中经常采用回转下料器作为立磨入磨锁风设备，利用回转下料器的叶轮阻隔立磨与外部空气，受限于自身结构设计影响以及间隙控制精度问题，下料器内套、叶轮等极易磨损，造成间隙加大，进而造成漏风，漏入的空气将直接增加生料粉磨系统循环风机和窑尾废气系统排风机的负荷，导致磨机电耗提高。同时，入磨物料如果比较湿，极易造成下料器内粘结，冬季时受天气寒冷影响，冻结粘料情况更为严重，造成立磨喂料困难，锁风阀频繁卡跳停机，严重影响立磨的连续稳定运行，进一步推高了磨机电耗。近些年随着锁风技术的创新发展，出现了新式密封转子喂料机，利用料封原理，在密封喂料机称重仓内保证稳定的料位，并通过稳定的料位实现料封，减少系统漏风。进而降低现有立磨系统循环风机及窑尾排风机负荷降低系统电耗约0.2 千瓦时/吨，窑尾氧含量可降低约1.5%以上，节能效果显著。

2.3 智能化节能技术相关

水泥制造业是一个能源消耗密度较大的行业，由于水泥行业特殊的工艺技术特点，水泥熟料烧成需要燃煤消耗，涉及到的两磨工艺也都是电能消耗，能源消耗大约可占到水泥生产成本的40～70%，故能源消耗也是水泥生产成本中最大的可控成本，通过对节能改造持续投入，可降低能耗成本，另外一个方面，从精细化的能源管理和智能化的控制方面，可极大提高能源使用效率，进而可实现水泥行业的降本增效。

我国当前的大部分新型干法企业，所装备的工艺设备均比较先进，但在能源管理方面，大部分仍在采用传统的人工统计分析方法，这种方法不但效率低，同时还存在较大的滞后性，距离精细化的能源管理仍相差较远。目前已实现数字化转型的水泥智能工厂，均以能源管理系统作为智能工厂的基础性模块，并设置有能源管理中心，通过建立相关的能源管理体系，及时精细地进行能源管理。能源管理系统在硬件层面建立变量采集系统，包括生产DCS数据、高压电表数据、低压电表数据、化验数据、物流数据，通过专用网络进行汇集并分类存取。之后，建立能源管理系统软件平台，平台具备工艺参数存储和分析查询功能，将各种能源消耗数据进行分类展示，并根据工艺状况建立分析图表，如峰谷平运行情况、空负荷运行情况分析等，方便操作员、工程技术人员进行分析和查询。具备生产调度管理模块，对各种库存、产量、单耗等数据进行列示分析，为生产调度和各级管理人员决策提供依据。以上的各种功能可帮助各级管理人员掌握能源消耗的即时数据，并消除工艺调整的滞后性，保证最优的运行状态。利用能源管理系统平台，可实现用能管理的精细化，获得实实在在的节能效益。目前国内领先的能源管理平台可助力企业能源消耗单耗降低1～2%，基础薄弱的企业节能效果更高。

另一方面，在智能物联网、云计算、大数据、人工智能技术的发展带动下，针对水泥行业的智能技术升级浪潮正在形成。前面说到现有大多数水泥企业均装备有先进的新型干法水泥生产线，生产控制多采用DCS 控制系统，而以生产模型建立等先进控制技术为基础，采用针对性的控制方案，以运行平稳化、及时化、精准化为目标，对关键设备或系统进行智能、优化控制，建立水泥智能专家控制系统。其节能、提产、稳质等应用效果已经在水泥行业得到充分验证，成为智能工厂建设的重要一环，是水泥企业实现绿色、环保、智能、可持续发展的强有力抓手。

水泥生产系统是一个典型的大滞后、多变量之间存在耦合的工艺系统。常规基于单入单出的PID 回路控制，无法胜任。而依靠水泥操作员经验进行调节，往往由于人为因素的限制，无法保证装置的平稳操作，更无从谈及对于水泥窑、磨系统的优化操作。而现有的智能专家系统通过水泥窑、磨及相关工序的模型预测控制系统解决方案，实时滚动调节将各个关键工艺变量控制在一个波动极小的稳定范围，以此实现整个工况的稳定。在稳定的基础上再利用大量历史数据，包括物料成份、煤的成份、成品质量数据、能耗等KPI数据，通过大数据挖掘和AI（人工智能）算法技术，推算出基于每小时入窑生料成份的最优最经济操作参数集，发送给智能专家系统作为目标值进行自动控制并达成最优运行状态。良好的智能专家系统保证水泥窑磨运行在最优参数下，达到提高效率，节约能源的作用，可降低系统综合电耗1%以上，并可降低系统煤耗1%以上，提高系统的整体质量和能耗指标水平。

3 总结

传统的水泥建材作为国民经济的重要材料，生产过程往往带来较大的能源消耗。如何在生产的过程中做到节能减排，是摆在所有水泥工程技术人员面前的永恒课题，只有在水泥生产实践中积极开发研究节能减排技术，积极应用包括二代水泥技术在内的先进节能技术，不断改进水泥生产工艺，提升水泥生产节能化、自动化、智能化、高效化水平，才能促进水泥行业的绿色环保、节能低碳发展。