熟料烧成系统节能技术的开发

　　水泥工业是产量大、能耗高的工业。2006年中国水泥产量12.4亿t，约消耗能源l.5亿t标煤，占全国能源消费总量的7%左右。当然能耗高的原因，大量落后生产工艺的存在是关键。中国目前还有一半左右的水泥是由国际上业已淘汰的立窑等生产的，其单位能耗比新型干法要高约30～35kg标煤/t水泥。历史造成的结构矛盾，需要加快调整步伐。就新型干法本身来说，我们和世界先进水平相比，单位熟料热耗高60kcal/kg左右，单位水泥电耗高10kWh/t左右，相当于全年多消耗420万t标煤和62亿度电，这一数字也相当可观。

　　就技术装备的差距来说，主要体现在粉磨和烧成两大领域。粉磨领域发展的现状和趋向是料床终粉磨代替了传统的球磨，其代表是立式辊磨，从而大幅度的节电。目前世界上出现了不少无球磨的水泥工厂。烧成领域发展的现状和趋向是：以无漏料新型篦冷机、二档短窑、低N0x型分解炉和6级高效预热器系统的新技术代替了原有的系统，达到了进一步大幅度节能、生产稳定可靠、提高对原燃料适应性的效果。天津水泥工业设计研究院有限公司在这两方面加大了研发力度，已取得了较好的成果，现正在加快推广应用的步伐，力争为水泥工业节能减排和技术进步做出新贡献。

1 国内外技术烧成技术现状和发展趋向

　　1.1 国际先进技术情况

　　(1)预热器、预分解系统

　　预热器系统初期为4级，系统阻力较高，随着技术优化，出现了高效低阻预热器，在系统阻力不增加或有所降低的情况下，80年代出现了5级预热器，而后逐步发展为90年代的6级预热器，还出现了超过6级热交换的多级热交换预热器，预热器的废气温度从4级的380℃～400℃，下降至5级的320℃～340℃，6级的260℃～280℃，多级则降至260℃以下。

　　单系列与双系列预热器相比，操作相对简单，筒体散热损失有所降低，因而采用单系列的规模逐年增加，90年代初为3000t/d，目前达6000t/d。随着预热器系统降阻技术的使用合理，技术先进的窑尾预分解系统阻力已降至5级4500Pa、6级5200Pa以下。

　　预热器的高度随技术优化而下降，虽然增加了级数，但总体高度增加不多。值得一提的是，6级预热器虽然增加了1级预热器的基建投资，但废气温度有较大下降。在大型生产线，原料综合水含量较低、燃料价格昂贵或水资源缺乏的国家和地区，已开始大量应用。

　　技术先进的分解炉可大量燃烧低挥发份低热值的燃料、工业废弃物、城市生活垃圾，N0x排放值低于500mg/Nm³，占系统烧成燃料比例超过65%，入窑物料分解率超过92%。

　　(2)回转窑

　　预分解窑在发展初期，均采用长度与直径的比例L/D≥15的回转窑来满足熟料煅烧的热工需求。随着预热器、分解炉性能的优化，入窑物料分解率的提高，多风道燃烧器和高效篦冷机的应用，在确保生产优质熟料的前提下，窑的长径比L/D从常规的≥15的三档窑缩短至10～13的二档窑。随着窑的产量提高，窑的容积产量从3.0t/d·m³逐步上升至6.0t/d·m³。回转窑筒体散热损失从三档窑的大于35kcal/kg下降至二档窑的26～30kcal/kg。窑速从3r/min提高至4r/min以上，物料在窑内停留时间从40min逐步下降至30min以下。

　　二档窑和三档窑相比，设备重量降低约10%左右，此外还具有运行平稳、安装简单、维护方便等优点。上世纪80年代初，第一台L/D<11的二档窑在欧洲投入生产，在工业生产实践的基础上，90年代得以快速发展，进入21世纪，国际上新建生产线投入的二档窑数量已超过三档窑。

　　燃烧器是重要的热工装备，近年来，为满足不同性能的燃料和工业废弃物的燃烧，从90年代后期起，燃烧器设计从以往的内风旋流发展为内风、外风双旋流，且在风道中间部位增设了液体或固体废物或不同性能粉状燃料通道，以满足不同性能的燃料燃烧要求。新型燃烧器的一次净空气量为6%，送风为2%～4%，合计一次风量为8%～l0%。

　　(3)冷却机

　　上世纪80年代末出现的第三代可控气流篦冷机，其性能虽较第二代厚层篦冷机优良，但仍然存在结构复杂，篦下需设置拉链机，机身占用高度高，冷却风量较大且篦板篦缝喷出风速过高等问题。进一步改善通风效率、提高热回收率、简化装备结构、提高运转率、降低装备高度、减少基建投资已成为冷却机发展的方向。

　　90年代中期，国外出现了无漏料冷却机，工艺性能优良，装备简化，此类冷却装备中，近年来投入生产的步进式无漏料高效冷却机性能尤为优良，该机由若干条纵向熟料冷却输送通道组成，运行速度随料层冷却情况自动调节。通道单独通风，热交换时间可以控制，确保不同粒径熟料得以冷却，冷却风量约1.6Nm³/kg熟料，热回收率超过74%～76%，篦床有效面积负荷>45t/m³·d。同时，该篦冷机具有结构紧凑.机内无输送部件，篦板不与热熟料直接接触，磨蚀量少，熟料输送无阻碍，输送效率稳定，模块化设计，安装维护方便，篦下无漏料，不需设置拉链机，整机高度低等一系列优点。

　　(4)熟料烧成系统

　　由6级或多级预热器、低N0x分解炉系统、二档短窑、高效燃烧器、步进式无漏料冷却机组成的5000t/d熟料烧成系统，设计热耗低于690kcal/kg(长期运行生产热耗730kcal/kg)，电耗低于17～19kWh/t，预热器和冷却机废气热量可烘干综合水分8%左右的原料。

　　1.2国内技术现状

　　(1)预热器、分解炉系统

　　国内除少量引进的6000t/d以上规模生产线为6级预热器外，国产装备绝大部分为5级预热器，生产线最大规模为6000t/d，单系列最大为3000t/d，技术先进的大型预热器分解炉系统阻力为4800Pa±300Pa，废气温度接近320℃，分解炉可大量煅烧低挥发无烟煤，工业废弃物作燃料已起步，N0x排放值高于800mg/Nm³，入窑物料分解率超过90%，但生产平均数据较上述数据差。

　　(2)回转窑、燃烧器

　　多年来，我国引进了10余台二档窑，但投入生产的数百台不同规模的国产装备均为L/D≥15的三档窑，采用齿轮传动、浮动轮带等常规技术。生产情况较好时，大型窑的容积产量一般低于5.0t/d·m³，筒体散热损失约35kcal/kg，窑速3.5r/min。

　　国内的三通道、四通道燃烧器均采用内旋流，主要使用于不同性能的煤粉燃烧，N0x的排放量难于降低。由于煤粉输送风量过大，一般一次风量在15%左右或以上。

　　(3)冷却机

　　新型干法生产线投入生产的6000t/d级及以下规格的国产装备基本为第三代空气梁冷却机，在生产较为正常时，热回收效率平均68%左右，运转率相对较低，熟料冷却效果较差，废气温度偏高。

　　(4)烧成系统生产线

　　由5级预热器、三档长窑、常规的三通道或四通道燃烧器、第三代篦冷机，组成技术较为先进的2000t/d以上规模生产线，经过对近20余条生产线现场标定，预热器系统实际废气温度超过345℃，2000t/d以上回转窑筒体表面散热平均高达35.84×4.1816kJ/kg·cl，篦冷机的热回收效率低于70%，平均生产热耗约800×4.1816kJ/kg·cl，电耗>25kWh/t熟料，生料烘干后多余的废气一般排至大气，少数用来发电(需增设锅炉、汽轮机、发电机组)。

　　1.3 新型干法烧成系统装备发展的方向

　　国内外新型干法烧成系统装备在未来若干年内发展的主流是由多级热交换预热器，适应煅烧各种低品位燃料、N0x等有害物排放值低的分解炉，L/D为10～12的二档短窑，新一代无漏料新型冷却机组成的烧成系统，预热器分解炉系统阻力降至5500Pa以内，同级预热器的窑尾塔架高度将比现有高度降低10m，生产中废气排放量降至1.45Nm³/kg以下，入窑物料分解率提高至94%，分解炉与窑的煅烧比率提高至65：35，燃料在分解炉燃烧时间较大增加，以满足各种热值的工业废弃物的燃烧。回转窑的容积负荷将提高至5.5～6.5t/d·m³，窑速将进一步提高，填充率提高至8%～l2%，物料在窑内停留时间将有所下降，窑的筒体散热量将进一步下降。冷却机的热效率提高至76%以上，冷却风量将下降至约1.6Nm³/kg。由上述装备组成的5000t/d级烧成系统热耗降至670～680kcal/kg(生产热耗710～720kcal/kg)，电耗低于18kWh/t·cl。

2 天津院水泥烧成节能新技术的技术特征

　　天津院从上世纪70年代开始研究开发新型干法水泥生产工艺技术，经过30多年的努力，开发出日产2000～10000t/d生产技术装备，无论2000t/d，还是3000t/d、4000t/d、5000t/d、10000t/d均是国内首套投产应用。在此过程中技术水平不断提高，装备结构性能不断升级，经历了三代的技术发展：

　　第一代预分解技术：1982年设计完成了国产首条2000t/d新型干法工艺线及成套装备——江西水泥厂3号窑生产线，被誉为中国水泥发展史上的一个“里程碑”。

　　第二代预分解技术：上世纪80年代中期天津院将所有引进技术制造的设备集中应用于双阳水泥厂2000 t/d生产线。在引进消化吸收的基础上，天津院研制出一大批自主知识产权的装备产品。从90年代至今已建成了2500t/d、3000t/d、4000t/d、5000t/d和6000t/d水泥熟料生产线，实现了中国水泥工业新型干法技术的全面发展。

　　第三代预分解技术：在总结已有的预分解系统基础上，结合大部分水泥厂原、燃料的实际情况，全面提升预分解系统的性能，包括工艺、环保性能及设计优化，达到在低阻低耗的前提下，降低预分解系统的投资费用，降低NOx、S0₂等废气中有害组分的排放，实现资源的综合利用。[Page]

      新一代烧成节能新技术

　　当前天津院正在研究开发的烧成节能新技术是总结前三代技术的基础开展的，其技术与经济指标如下：

　　开发以5000t/d级规模为代表的新型低热耗低排放的6级预分解系统、二档短窑、步进式无漏料新型冷却机、高效燃烧器组成的烧成系统生产线，整体满足焚烧处理废弃物的要求，留有处置废弃物的接口。系统技术经济指标为：

　　a.熟料热耗2885kJ/kg(690kcal/kg)

　　b.系统年生产平均热耗3050kJ/kg(730kcal/kg)

　　c. 热耗比目前同规模生产线节省250kJ/kg60kcal/kg)

　　d.熟料电耗≤l8kWh/t

　　e.NOx排放值≤500mg/Nm3，也可实现≤200mg/Nm³的目标。

　　f.熟料强度≥60MPa。

　　上述指标的实现将使天津院的预分解系统技术经济指标和环保指标得到全面的大幅提升。而目前已完成的工作情况如下：

　　(1) 新一代6级预分解系统已完成设备工艺开发，天津院已把之用于国外工程中。

　　① 分解炉

　　采用高效环保型，它是在对原燃料特性研究、机理分析、冷态模拟试验、CFD研究、现场测试等基础上开发完成的TTF型式的分解炉，具有三喷腾和碰顶效应、TTF炉固气停留时间比(m/g=4.8)大，上下料点合理分料，可以实现分解炉主燃烧区中部局部温度可达1300℃，可大幅提高煤粉燃烧效果，高温区间设计1.5s，可保证劣质煤及无烟煤的充分燃烧;双通道对称四点喷入喂煤，优化分解炉温度场;开发了燃料分级、分风分级分解炉组织燃烧技术减低N0x排放。确保系统N0x指标小于500mg/Nm³。必要时投入研发的SNCR技术在废气中喷氨水进一步降低N0x排放。

　　②6级预热器

　　a.天津院开发的6级预热器系统，出预热器废气温度可降低至280℃左右，按5级预热器系统较好的出预热器废气温度315℃考虑.可降低35℃左右，气体量按1.43Nm³/kg·cl考虑，则每公斤熟料降低能耗72kJ/kg·cl。

　　b.烧成窑尾系统采用6级预热器后，出预热器系统的废气温度已大幅度降低，可以结合采用管道喷水和无增湿塔技术。假如采用6级预热器，由于废气温度被降至280℃左右，喷水降温只需100%左右即可满足废气直接入袋收尘器的要求，比较容易实现。

　　c.6级预分解系统的开发设计中，充分考虑1级预热器着重强调其收尘效率，采用高效型旋风筒的设计思路，2～6级预热器的设计思路在现有天津院预热器结构型式基础上，适当进行包括旋风筒高度尤其是柱体高度等的优化，力争使6级预热器的窑尾框架高度比目前5级预热器的窑尾框架高度不产生较大的增加。

　　由上述分析可知：采用6级预热器系统比5级系统每公斤熟料降低能耗72kJ/kg·cl，并可以节省水消耗，系统投资略有增加，但3.3年即可回收投资，从节能降耗的长远利益考虑。采用6级预热器系统是可行经济的方案。

　　(2)二档窑

　　天津水泥工业设计研究院有限公司目前已开发了日产3000吨级及日产5000吨级生产线配套的二档窑，规格分别为Φ4.2m×50m和Φ5.0m×60m。在开发中解决的关键问题：

　　①二档窑比三档窑减少了一个支承，由此引起的筒体受力变化并制定了合理的解决方法。

　　②适宜的二档窑支承装置是本设备设计的一个核心技术。我们研制自位托轮支承装置，当筒体弯曲时，自位托轮支承装置能够随轮带位置的变化而进行自位调整，保证轮带与托轮的良好接触，确保回转窑的长期、稳定、安全运行。

　　天津院开发的二档窑的显着优点：

　　①节能：二档窑每吨熟料降低热耗0.5kg标准煤以上。

　　②降低投资：可减轻设备的重量10%，混凝土用量可减少15%。钢走道的长度可减少30%，并减少占地面积，减少了工程造价。

　　③降低设备运行费用：由于窑径适当扩大，单位截面上热负荷降低，窑内衬料消耗少；因采用二挡支承，机械受力由静不定结构转化为简支梁结构，避免了因窑墩沉降引起的设备故障，降低设备的维护费用。

　　④其他方面的优点：因采用二挡支承，安装时找正容易，安装简化：由于窑径适当扩大，窑内物料热交换效果好，对原、燃料的适应性强

　　(3)行进式稳流冷却机

　　冷却机是水泥生产线熟料烧成系统配套的主机设备，天津院有限公司新一代篦冷机的主要性能与第三代相比，结构更简捷、新颖，篦板寿命更长，安装更为方便，它结构简捷、合理、可动部件少，设备的维护成本低以及磨损程度低。突出特点是主体无漏料、模块化设计、步进式传动、熟料槽保护篦板、磨损部件少且价格低、熟料均匀分布、模块密封等，主体体现高效、节能特点。

　　目前已经完成了篦板、流量阀的试验研究和装备开发工艺资料，已全面开展了装备设计工作，预计今年年底完成第一台无漏料步进式冷气机的制造及应用。

3 烧成系统节能新技术的效益分析

　　3.1 热耗

　　采用本烧成系统节能新技术每公斤熟料降低热耗为60kcal计算，1条5000t/d级水泥熟料生产线，年产熟料l55万t计算，则年节约1.33万t标煤。由于各地煤价不一，现按每吨标煤制成煤粉500～600元/吨计算，年节约燃料约660～800万元。

　　3.2 产能

　　二档短窑和步进式无漏料新型冷却机的运转率较三档长窑和可控气流篦冷机相比，运转率稍高，在现有烧成装备平均运转率提高2%以上的基础上，1条5000t/d生产线年多产熟料3.5万t。

　　3.3 C02排放

　　1条5000t/d生产线。每年减少C02排放量3.75万吨。

　　3.4 总效益

　　我国水泥产量近期计划12.5亿t，有关领导部门认为远期可能达到15亿t，项目完成后，可将成果对已投产的预分解窑生产线进行改造，也可用于新线建设，其中改造项目估计为6.5亿t熟料，改造后年将减少560万t标煤的消耗，新建项目的产能4.75亿t，年可减少410万t标煤。二项合计年减少870万t标煤，年C0₂减排2155万t。