水泥工业技术进展与我国湿法窑的改造

我国是水泥大国，2000年的产量达到5.76亿吨，占全球水泥总产量的三分之一，目前，我国水泥工业存在的主要问题是能源消耗高，经济效益差，污染严重的小企业占绝大多数，上述状况在今后较长的一段时间内将制约我国建材工业的发展。调整水泥工业结构，满足经济建设的需求，“由大变强，靠新出强”是我国水泥工业今后较长时间内的艰巨任务。现就企业规模小，能源消耗高，年总产量约3100万吨水泥的湿法窑的改造与各位水泥界同仁研讨。

1．世界水泥工业的发展过程

从近一个世纪的历史来看，水泥工业技术进步对整个行业的发展起着巨大的推动作用。二十世纪水泥工业有两次重大的技术突破，一次是回转窑在本世纪初得到全面推广，提高了水泥的产量和质量，奠定了水泥工业作为现代化工业的基础；第二次是五十年代悬浮预热器和七十年代预分解技术的出现，大大提高了水泥窑的热效率和单机生产能力，促进了水泥工业向大型化、现代化的进一步发展，当前世界水泥生产技术仍在不断发展之中。

湿法窑具有良好的均化性能，产品质量优良，且操作维护方便，在20世纪上半叶，一直是传统窑型发展的主流，二战以后的年代，世界经济恢复和发展，对水泥需求大量增加，此期间湿法窑起着重要的作用，规格不断增大，60年代初发展到顶点，最大窑规格为Φ7.6×6.4×6.9×232M，产量3600t/d。

60年代世界上几家著名的水泥回转窑制造公司（前苏联除外）所制造的湿法窑总数约300余台，其中直径4.4米以上的回转窑约70台。

随着世界经济的高速增长，生产技术和水泥设备制造技术及其有关的材料（耐热、耐磨、耐火）性能的提高和电气、自动化控制技术的发展，使生产规模进一步扩大和完善，加快了预热器的大型化和发展，60年代预热器窑投产的数量已超过湿法窑，70年代的能源危机进一步加速了干法生产的进程，预分解窑的出现，窑径在相同的情况下，产量增加了一倍以上，热耗进一步下降，为水泥产量迅速增长创造了条件，其投资和生产成本远低于湿法窑。

七十年代湿法窑在国际上已很少兴建（前苏联、中国除外）。在过去的20年中，世界水泥工业单线生产规模平均增加了5倍，90年代以来，世界市场上所兴建的规模在日产2000t熟料以上的生产线占总量的85%以上（中国除外），目前在建的最大的预分解窑规格为Φ6.2×105米，日产12000吨熟料。

新投产的预分解窑的先进技术综合反映在以下方面：

• 水泥熟料热耗一般水平为3100kJ/kg（~740kcal/kg），先进的可达2930kJ/kg（~700kcal/kg）。
• 水泥电耗一般水平为95~100kWh/t.水泥，先进的约85~90kWh/t水泥。
• 窑系统年运转率一般为85%，先进约为90%，生料磨的年运转率可与窑匹配。
• 劳动生产率视生产线规模而定，大型生产线一般为8000~10000t水泥/人.年，先进的可达15000t水泥/人.年以上。
• 有毒有害气体排放量得到严格控制，粉尘排放量一般<50mg/Nm³，先进的为15~30mg/Nm³，NO_X、SO_X均低于控制指标以内。
• 熟料质量优良，达到不同国家所规定的高标号熟料质量要求。

2．国际上湿法窑的改造途径

预热器窑的热耗远低于湿法窑，（表1）一些能源价格昂贵的国家，从50年代起对湿法窑进行改建或改造，随着预分解窑技术的进一步发展和完善，湿法窑改造的趋势愈来愈增大，改造方式大致有四种：

表1   不同窑型热耗比较

	湿法长窑	干法长窑	2级预热器窑	4级预热器窑	5级预分解窑	6级预分解窑
kcal/kg熟	1250~1500	1100	900~950	-800	720	<700
KJ/kg	5230~6237	4600	3760~3970	3350	3010	<2930

2.1  新建新型干法窑逐步取代陈旧的湿法窑

一些公司和厂家的设备陈旧的传统窑（包括湿法窑），由于经济效率低下，难于进行市场竞争，在厂区内或易地扩建一台技术先进且产量高的干法生产线，自成独立的生产体系，属于扩建性质，一定时期内新旧并存，随着技术进展和市场需求，逐步将性能差的传统窑关闭，其优点是生产正常，且产量可逐步扩大，经济效益逐步增加，采用此法改造传统窑的数量最多，60年代以来投产的数百台新型干法窑大都是按此方式进行的，这是传统窑（包括湿法窑）改造的主要方式。

2.2  湿法窑改成干法窑

在一些原料性能适应于干法生产且窑体尚有较长时间的应用价值，同时缺乏改建场地的工厂，将原有的传统长回转窑改成新型干法窑，此法优点是窑产量成倍增长，热耗有较大幅度下降，但是必须停止原有的生料湿法制备系统，兴建生料干法制备及均化储存系统，兴建窑尾预热器分解炉系统，三次风管，更换或改造篦冷机，割短窑筒体，改造窑的传动装备等。此种方式必须停窑一段时间，影响生产，因而改造的水泥窑不是很多，从KHD公司1950年至1974年新型干法预热器窑、预分解窑的销售记录统计，在投产的300台新型干法窑中，采用此法改造的为19台，约占总数的6.5%，若以此数类推，全世界此类湿法窑改造的数量约60台左右（表2）。

表2   KDH公司1950~1974年回转窑湿改干台数

国名	德国	秘鲁	土耳其	巴西	英国	南斯拉夫	西班牙	日本	共计
湿改干数量（台）	3	2	3	3	2	2	3	1	19

2.3  湿磨干烧

国外个别水泥厂，使用高达20~25%以上水份的白垩作原料或者某种特殊的环保要求采用此法，也就是根据预热器和篦冷机的废气所提供的热量对已进行压滤的物料进行烘干破碎（图1）。

图1  新型干法预热器废气烘干原料能力表（略）

此法的优点是能够充分利用含水量高的原料，较大幅度降低热耗和提高产量。缺点是增加了湿料过滤烘干环节，烧成系统必须拆除和改建，且生产较复杂。还需停窑改造。湿磨干烧的新型干法窑于1982年英国Rugby水泥厂首次取得成功，迄今为止全世界投产的湿磨干烧窑约13台，部份在中国，现将收集到的国外湿磨干烧的水泥窑资料列表如下（表3）：

表3  国外湿磨干烧的生产线

厂名	单位	Aalborg	Rugby	Lone star	Origny	Chelm
国家		丹麦	英国	美国	法国	波兰
主要原料		白垩粘土	白垩粘土		白垩粘土	白垩粘土
原料水分	%	19.4/28.0	36~38			25
设计窑产量	t/d	4000	3800	~4000	~4000	4000
	t/d	最大4400				4500
窑规格	Φ×Lm	Φ4.75×74	Φ4.6×62		~Φ4.7*	Φ4.75×75
热耗	kJ/kg	4286	4350	4474		3471
烧成电耗	kWh/t.熟	31		~28
预热器级数	级	2	2	2	2	3

*原湿法窑规格Φ5/4.7×160m

表3所示美国的Lone star水泥厂主要因该厂原料中硫含量过高，采用干法生产必须增设除硫装置造成基建投资过高，才使用湿磨干烧，其余四厂均是水份超过25%的原料，迫于需求才采用此法生产，如丹麦的Aalborg水泥厂，原有的三台湿法窑是Φ4.55/4.35/5.0×165m，Φ5.25/6.0×180m，Φ6.3/6.9×210m，产量分别为1200t/d，1600t/d和2350t/d加料浆稀释剂后料浆水份由39~40%降至29~32%，由于该国市场有限，且受燃料价格因素的影响，被迫新建一台窑取代原有的三台窑进行生产。

2.4  现有湿法窑进行技术改造

在一些燃料相对便宜，或者熟料成品的碱含量有特殊需求以及某些国家限于政治经济及技术状况的原因，部份国家仍然保持着一定数量的湿法窑，如俄罗斯、乌克兰等前苏联国家，仍以湿法生产为主，美国至2000年，仍有2000万吨/年的水泥是湿法窑生产的，约占该国总量的20%，印度约400万吨/年，占该国总量的6%等，但在一些技术先进的国家，对湿法窑进行技术改造，使其热耗逐步下降，目前技术先进的湿法窑热耗已下降和至1200kcal/kg。印度曾组织力量进行了湿法窑改造的探讨，认为少量规格大的湿法窑可以考虑改造，小而陈旧的湿法窑应在生产过程中逐步淘汰，不同国家湿法窑的热耗与电耗比较见表4。

表4  湿法窑的能耗比较

		印度平均	世界先进国家	乌克兰平均
电耗	kWh/t水泥	117	87
热耗	kcal/kg	1409	1243	1644
热耗	kJ/kg	5892	5206	6876

湿法窑技术改造主要为掺加稀释剂降低料浆水分，采用复合矿化剂降低煅烧温度，采用三风道燃烧器降低一次风量，隔热窑衬减少窑筒体热损失，减少窑系统漏风，以及篦冷机改造来提高热效率等，此外煅烧工业废燃料及有毒害物以降低燃料费用等措施。

3．我国湿法窑改造途径探讨

湿法窑的热耗高是无可争议的事实，生产过程中所排放的CO₂和NO_X较新型干法窑高（表5），随着我国参加WTO，今后可能执行国际上有关组织所制定的限制CO₂、NO_X等有害气体排放值的协议，湿法窑不仅面临着热耗高带来的生产成本高的问题，还面临着降低CO₂、NO_X的排放问题。波兰有21台湿法窑，其产量约占该国总量的38%，于1998~1999年全部停产。因此湿法窑的改造势在必行。我国在97年统计，湿法窑总量199台，水泥年产量3100万吨，单窑年平均产量15.6万吨，均属小规模。这些湿法窑怎么改造确实值得商榷。

表5            不同窑型的有害气体排放量

	CO2，kJ/kg	NOX，mg/m3
湿法回转窑	1.1	~1500~1800
预分解窑	0.8	~800~1000

决定湿法窑改造的因素很多，大致为：

• 原料性能及湿含量
• 能耗（热耗、电耗）
• 主要装备运行状况及利用价值
• 投资费用及回收情况
• 停窑时间及市场需求

3.1  原料性能和湿含量

我国水泥原料的特点是湿含量不高，采用砂岩配料，一般水份低于2%（南方3%），而采用粘土配料，平均水份低于4%，即是雨季，平均水份约6%，5级或6级预热器预分解窑，有足够的能力烘干上述原料水份。图2。

此外，我国南方的粘土粘性高，不易压滤，试验证实，其压滤远较北方粘土困难，易损坏装备和增加电耗。而我国湿法窑南方居多，上述二点表明，国内绝大多数水泥窑采用干法生产。

个别厂采用高含水份的原料如赤泥，电石渣等，采用湿磨干烧是有利的。

图2    不同级数预热器废气烘干能力（略）

3.2  能耗

3.2.1  热耗

国内已投产的2500t/d新型干法生产线的设计热耗为3094kJ/kg（740kcal/kg），实际热耗可达3030kJ/kg（725kcal/kg），而实际的湿磨干烧热耗（与预热器级数有关，一般为3470~4470kJ/kg（830~1070kcal/kg）。预分解窑的热耗至少较湿磨干烧窑低420kJ/kg(100kcal/kg)以上。

3.2.2  电耗

湿法生料磨大多数为开流磨，电耗约15~16kWh/t生料，与干法生料球磨相比，一般概念是湿法磨电耗低，近年来辊式磨技术的进展，技术先进的辊式磨系统电耗已降至13~14kWh/t生料，低于湿法窑，而且辊磨的烘干能力进一步提高，近年来在原料含水量高的地区，投产的辊式磨，可以满足20%的水份，从电耗角度来看，湿法生料磨已不具备优势。

3.3  主机装备运行情况及利用价值

我国湿法窑中，产量低于600t/d熟料的约占总量的一半，窑的平均直径绝大部分<3.5m，而且多数是解放前或60年代前建的窑，已运转40年以上，设备陈旧，对窑本身进行改造的价值不大，可利用的原有设备极少，不如就地扩建新型干法生产线，逐步淘汰原有湿法生产线，日产600t熟料以上的华新窑估计约80台左右，窑龄超过30年的约20台，其余的窑还能正常的运转一段时间。

我国的湿法窑是60年代开发设计的，限于历史条件，设计的轮带和齿圈位置不太适合目前的干法窑结构，因而改造难度较大，此外窑径偏小，在窑体上进行大改从实践的经验证实意义不大。

3.4  投资费用及回收情况

投资费用的因素较多，现以白马山水泥厂为例：该厂2#窑在88年改建，90年建成后因系统不够完善，且过滤设备事故率高，生产极不正常，半年仅产熟料4.3万吨，以后虽有所改进，年运转率在70%，不得已于1994年再次进行改造，二次改造费用的竣工决算为4621万元，日增产熟料约250t/d，年熟料量约77500t，每吨熟料投资约600元。考虑到上述改造年份较早，费用可能偏高，现以1997年白马山水泥厂1#窑改造可行性论证费用为参考依据与1997年该厂新建的一台日产2000t熟料生产线进行比较，（表6），比较结果是无论是单位投资，热耗以及停窑影响生产等项新型干法预分解窑具有明显的优势。

表6  安徽海螺集团白马山水泥厂湿改干及干法窑工程费用表

		湿改干熟料生产线				新型干法熟料生产线
		2#回转窑			1#回转窑
改造次数		第一次	第二次	合计	可行性	2000t/d生产线	2500t/d生产线
年份	年	1988	1994		1997	1997	2001
改造费用	万元	3137	1484	4621	3980	26000	20000
设计产量	t/d			750		2000	2500
实际产量	t/d			850	950	2500	2750
热耗	kJ/kg.熟			4432	3931	3178	3094
标定热耗	kJ/kg.熟			3765		3031	3000
改造时间	月	14	2.5	16.5	3	16	12~14
单位吨投资	元/t熟料			~600	~366	~370	~230

2.5  停窑时间及市场影响

湿磨干烧需切割窑体，势必停窑，估计影响生产3~6个月，还不考虑调试时间，若湿磨旁边扩建一台湿磨干烧窑取代湿法窑，虽然不影响停窑，但是原有湿法窑因无生料供应而被迫停产，若遇上市场需求水泥，必然受到影响。而兴建新型干法生产线不影响停窑，保留原有湿法窑随市场需求与竞争而逐步淘汰，不影响工厂生产和效益。

80年代以来，国家一直致力于新型干法生产线的发展，但发展的过程中，出现了种种困难，如投资偏高，水泥吨投资大于1000元，建设周期长达2~3年，投产后设备故障多，不能顺利达标达产，工厂的经济效益差，还不起银行贷款，使工厂面临困境。给新型干法水泥厂造成的影响是，虽然技术先进，但生产管理复杂，投资太高，无法解决建设资金，不适合中国国情，相比之下，建设湿法生产线仍有一定效益，在此期间，国内仍有不少生产厂家扩建湿法窑。90年代以来，我国的新型干法预分解窑的工艺装备技术得到长足进展，设备的可靠性能有较大提高，设计和建厂周期愈来愈短，投资愈来愈低，在市场竞争中充分发挥其技术优势和规模效益，近年来兴建的日产2500t/d级生产线，投资费用已降至~230元/吨熟料，其热耗低于湿磨干烧回转窑约765kJ/kg.熟，烧成电耗也低。因而熟料的生产成本降低10~20%以上。从90年代起，一些湿法生产线厂家纷纷改建干法生产线，至90年后期，除个别特殊地区外，国内已停止兴建湿法窑。

3．对国内已进行湿磨干烧的生产线的几点看法：

90年代初中国国际工程咨询公司曾组织专家对湿磨干烧进行了调查，根据大量调查资料，通过充分论证发表了“论我国湿法水泥厂改造途径”的文章，文中对我国湿法窑改造作了精辟的论述。其主要结论为：1. 截短湿法窑改造不如另建一台合算。2. 留湿扩干投资效益好。3. 现有湿法窑采取节能降耗措施。上述结论与国际上水泥工业的发展基本一致。时间已过10年，按现有资料，补充点看法。

我国湿法窑改造和国际上基本接近，主要方式为：

3.1  新建新型干法窑逐步取代湿法窑

在湿法窑保留生产的前提下，扩建大型干法生产线，80年代有万年等12个厂，90年代更多，这些厂的经济效益均较高，如葛洲坝、华新等厂在取得良好效益的基础上继续兴建大型生产线，这是国内湿法窑改造的主流。

 3.2 湿磨干烧

我国现进行湿法窑改造的有10台窑，其中8台是湿磨干烧，2台是为湿改干（表7）。

表7   各种生产能力半干法系统的实例

工厂名称	QJ	GZ1	GZ2	LZO	BM	GWO	YD	GH	TS	Ch
熟料产量，t/d	1000	700	2000	2000	1000	800	1700	1000	1050	1000
生料组成	石灰石、砂岩、铁粉	石灰石、河砂、煤渣、硫酸渣		砂岩	石灰石、粘土、铁粉	石灰石、赤泥、粘土、铁粉		石灰石、粘土、硫酸渣	石灰石、粘土	石灰石、粘土
料浆水分，%	35.2	34.5±0.5		35	35~36	38.5	35	35
料浆过滤机，m	筒式真空	筒式真空	盘式真空	筒式真空	筒式真空	压滤	盘式真空
回转窑，m	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ4.2×7.5	Φ3.5×54
熟料冷却机，m	篦式	多筒	多筒	多筒	篦式	篦式	篦式	篦式	篦式	篦式
熟料热耗，kJ/kg	3846	3750	3600	3720	3804	4159	3500	4015	3763	3600
熟料电耗，kJ/t		25.2	25.8	26	28		28

从表7来看，除JS、Ch是全改干外，其余都是湿磨干烧，湿磨干烧。又分成下述几种：

3.2.1  原料水份高，GWO厂采用赤泥，原料水份超过20%以上，其入窑料浆水份在38.5%，湿法生产热耗约为6700kJ/kg.，产量约600t/d，采用湿磨干烧，提高产量且降低热耗是有利的。

3.2.2  原料水份低，料浆略有富余，对窑体进行改造，如QJ、BM、GH、YD等厂，BM厂文中2.4段已作了分析对比，该厂2″窑虽然在1994年再度进行改造，取得一定的效益，也曾考虑对1#窑进行改造，但是工厂于1997年扩建日产2000吨熟料新型干法生产线后，二者效益差距较明显，至今未对已有的湿法窑作改造，而是维持生产，在此基础上继续新建新型干法生产线。

GH水泥厂4号窑于1993年开始建设，是原国家建材局干湿混合法技术改造示范项目，设计日产熟料1000t，1993年开始建设，1995年投产，投产后设备故障多，产量低，日产熟料仅500t至700t，熟料质量不稳定，1998年全年熟料产量85000t，年运转率为37%，被迫于99年进行第二次改造，二次改造历时55天，投入资金1100万元，改造取得明显效果，2000年年熟料产量达到15.7万吨，热耗由1200kcal/kg下降至1050kcal/kg，电耗由108kWh/t熟料下降至78kWh/t熟料，经济效益取得明显好转。

必须看到若将二次改造费用加在一起，投资费用总数超过4000万，所增产的单位熟料投资约600元/吨，与BM厂接近。

YD、QJ厂在“论我国湿法水泥厂改造途径”已有详细叙述，明确的结论是湿磨干烧的经济效益，不如扩建新型干法生产线，投产后的实践也证实了这个结论。

3.2.3  原料水份低，兴建新型湿磨干烧窑，然后拆除原有湿法窑，此种类型有GZ1、GI2、LZO（尚待投产）等厂。GZ厂因拆除旧窑，原有湿法生料制备系统有很大富余能力，再加厂区拥挤，没有建干法生产所必须的生料均化设施场地。在特定的条件下，兴建一台700t/d、一台2000t/d湿磨干烧窑，2000t/d生产线已达到设计能力，烧成系统电耗为26kWh/t，热耗3590kJ/kg(860kcal/kg)，窑年运转率为82%，项目总投资1.4亿元，单位吨熟料投资为233元，和原有高热耗的湿法窑相比，确有优点。

但是必须看到近年来，干法生产线熟料单位吨投资已降至230元以下，个别厂的投资更低，在生产过程中，热耗较湿磨干烧窑降低550kJ/kg，电耗也低6kWh/t以上。

2000年在GZ工厂搬迁的可行性论证上，曾对扩建一台新型干法2500t/d生产线和现有的2000t/d湿磨干烧窑生产线装改成2300t/d生产线搬迁改造作了经济比较，二者费用相比，新建一台2500t/d生产线的单位熟料吨投资仅高出现有生产线改造搬迁约25元/t熟料。虽然投资高些，但生产中热耗，电耗均低，而且避免了系统设备拆除时的损坏对生产的影响，可以说兴建新型生产线，具有明显的经济效益。

利用原有的湿法生料制备来扩建新窑，待新窑建成后，原有的湿法窑必须停产拆除，对于一些窑体尚有用价值的生产线是不利的，同时生产过程中其成本必然高出新建一台新型干法窑，近期虽然节省了一些投资，但从长远来看必然带来负面影响。

3.3  湿改干

TS厂改造后，曾作过统计，可以利用的窑筒体及部份传统，以及窑墩和厂房，仅占初步概算6452万元的3.8%，TS厂改造后能较快达到设计要求，但其单位吨熟料投资高达600元，是不可取的。

Ch厂是1984年开始施工建设的一条Φ4/3.5×135湿法生产线，熟料产量600t/d，设计热耗1300~1500kcal/kg，电耗100~110kWh/t水泥，90年代初，将正在施工建设的湿法生产线改为Φ3.5×54m干法生产线，产量1500t/d。工厂从1993年以来一直因系统工艺的不合理，以及设备事故率太高，而影响生产，1998年窑的运转率也只有46%，产量1200t/d，其热耗高达1050kcal/kg，电耗大于120kWh/t，1999年进行了系统工艺及设备的改造，总投资450万元。

改造后取得了明显的效益，窑系统日产量从1200t/d提高到1650~1700t/d，热耗降至880kcal/kg以下，运转率提高至82%以上。取得了良好的经济效益。Ch厂的湿改干工程，反映出截窑改造的风险性，也证实干法生产的优越性。

3.4  继续扩建湿法

80年代以来部份厂因考虑建湿法窑投资省，速度快，近期效益好，或当地煤价格低等因素，对湿法窑进行了扩建，这些窑设备较新，一时难于淘汰，在今后若干年内，这样的工厂必须加大技术改造力度，提高产量，降低能耗，在现有的湿法窑生产基础上，将新型干法生产线成熟的单项技术移植到湿法生产线上，会取得国际上先进国家湿法窑生产的指标，若能做到每公斤熟料热耗降低214~428kJ，全国的湿法生产线总的节煤量可达22.4~45万t标煤，这对大多数湿法生产线是有可能做到的。

结论

湿法窑在水泥工业发展的过程中起到应有的作用，但是随着水泥工业技术的进展，和新型干法窑相比，无论在热耗，产量规模，有害气体排放等方面，明显存在缺点，因此湿法窑改造势在必行。

湿法窑改造的方法有多种：

• 新建一台大型新型干法生产线，干湿并举，并随市场需求而逐步淘汰装备陈旧的湿法生产线是国际上湿法生产线改造的主要方式，在我国实施过程中，实践证明最为合理，也是我国湿法生产线改造的主流。
• 我国原料一般水份均低于4~6%以下，采用干法比较合理，湿磨干烧不宜推广，但在个别原料水份高的地区，可以考虑兴建湿磨干烧生产线，取代原有湿法生产线是可行的。
• 我国现有的湿法窑窑径偏小，改为干法生产设备利用率偏低，不宜推广。
• 现有的湿法窑应维持生产，但必须根据生产线装备情况，尽可能进行技术改造，提高产量，降低能耗。

主要参考资料：

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