亚洲水泥(中国)控股公司 成功应用水泥短窑系统的运转实绩

  1.前言

  亚洲水泥公司的第一座德国洪堡公司（以下简称KHD） Pyrorapid水泥短窑生产线（Φ5×55m，两组托轮，设计熟料产能4800t/d）1992年在张才雄资政的领导规划下于台湾花莲厂投产，引进国内外先进技术、装备和工艺，秉持创新理念，促进落实环境保护、节能减排、提高产品质量，当时为世界最大的水泥短窑，开启了水泥短窑生产技术发展的重要里程碑。随之响应大陆不断发展基础建设与国民经济的宏伟目标，于1998年起陆续在江西九江、四川成都、湖北武汉及黄冈等地兴建了12条水泥短窑生产线，2004年成立亚洲水泥（中国）控股公司（以下简称亚泥），目前拥有10条KHD Φ4.8×52m、设计熟料产能4200t/d短窑生产线，及2条KHD Φ5.2×61m、设计熟料产能6000t/d短窑生产线，所有短窑均为两组托轮，配置有预煅预热式管道分解炉系统及纯低温余热发电站，通过精心设计的配套生产工艺、绿色矿山系统建设、及高效精细化管理等，亚泥短窑生产系统发挥明显优势，尤其是江西亚东水泥公司#5#6号线在经历20多年的实践经验后，采用多项创新工艺选用国产配套生料磨后，各项指标均处于国内国际领先地位。

  图1.KHD Φ5.2×61m两档短窑

  2.水泥湿法长窑到短窑的演进

  水泥窑在1950年～1960年世界上以湿法长窑占主导地位，将生料制成含水为32%～40%的流动性料浆，其蒸发料浆水分需消耗许多热量（占熟料单位热耗的30%～35%）。湿法长窑直径由3m发展到5m、窑长135～185m、熟料产量630～1680t/d，1966年最大的窑直径达7.6m、长232m、熟料产量3600t/d，迄今仍为世界上最大尺寸的水泥回转窑，单位热耗1500～1600kcal/kg熟料。

  1930年～1960年德国和日本建设了较多的立波尔窑（半干法窑），单位热耗为800～900kcal/kg熟料，其是将干粉生料加水制成含水分12～14%的5～25mm直径的生料球，然后以平均0.7m/min的速度缓慢喂入窑烧成熟料。

  1960年代后期世界上改进以SP窑（干法窑）为主导，亦称悬浮预热器窑，熟料的单位热耗比湿法长窑节约了40～45%。

  1970年代初期开始NSP窑（新型干法窑）的技术，功效较干法窑（SP）佳，增添三次风管的分解炉并使入窑生料的碳酸钙分解率由约40%提高到约90%，熟料单位热耗、电耗较SP窑进一步下降了。

  NSP窑由三组托轮长窑优化发展出两组托轮短窑，以长径比（L/D值）做区分，三组托轮长窑L/D=14～17，两组托轮短窑L/D=10～13。

  3.亚泥新型干法两档短窑的特点：

  单纯说某一条短窑比某一条三档长窑好是不太科学的，因为水泥生产是人、设备、原燃料、操作技术、管理体系等的有机结合，水泥企业管理水平高、原燃料品质稳定优良、操作控制严谨，将会改善熟料品质及降低生产成本。亚泥所辖各水泥公司目前拥有10条Φ4.8×52m、设计熟料产能4200t/d短窑生产线，及2条Φ5.2×61m、设计熟料产能6000t/d短窑生产线，根据其长期使用短窑的实际经验，简要报告新型干法两档短窑的特点如下。

  3.1节能效益：

  （1）减少入窑生料在过渡带的不必要热耗：

  短窑的入窑生料分解率达到95%以上，只有少部分碳酸盐在窑中分解。对于传统的新型干法三档长窑来说，已绝大部分完成脱酸分解的生料还要在900～1300℃的窑过渡带内停留15分钟左右，然后才进入高温烧成带，会增加热耗。而短窑长度较短，生料在过渡带仅停留5～6分钟就进入烧成带，有效降低了热耗。

  （2）减少了窑筒体的表面散热：

  由于短窑的窑体较短，表面积较三档长窑小，短窑的表面散热损失是最低的，只有约24.42kcal/kg熟料，仅此项就比三档长窑单位热耗减少11.88kcal/kg熟料。

  （3）降低电耗：

  由于短窑窑体较短，重量较三档长窑减少约10%，回转窑电动机用电量因而下降。短窑长径比较三档长窑小，内截面积较三档长窑大，因此减小了窑体内气体流动的阻力，风阻处于较小水平，窑尾高温风机的用电量因而降低。

  3.2熟料品质的提升：

  三档长窑的入窑热生料在过渡带的长时间停留会使游离CaO结晶长大，活性降低，不利于C3S的形成。短窑的入窑热生料在过渡带仅停留5～6分钟就进入烧成带使游离CaO的活性得到了充分的利用，熟料的C3S含量增加、游离CaO含量低、3d、28d强度会有所提高，易磨性也得到改善。

  3.3窑砖耗成本的降低：

  由于短窑长径比小，窑内热辐射、对流、传导效果优于三档长窑，窑内气体速度亦随之降低，而且可减少熟料粉尘的再循环，单位容积产量提高，加之机械方面的有利因素，所以耐火砖寿命明显提高，砖耗显著降低。对一般三档长窑，吨熟料砖耗的国际先进指标为0.5～0.6kg/t熟料，而短窑可降到0.15～0.2 kg/t熟料，降低约60%。砖耗节约对降低水泥熟料成本意义重大。

  3.4机械结构上的优势：

  （1）可靠性提高、避免机件超负荷，两点支承可实现窑托轮完全接触摩擦传动

  （2）可降低窑烧成带单位有效内截面积热负荷和窑砖消耗。

  （3）两点支承的静定结构系统，消除了一些超载因素的影响， 便于操作，检修维护费较低。

  （4）窑体采用静定支承系统，负荷分布均匀，受力稳定，不会因为窑体弯曲或基础沉降而增加支点荷载，也没有过约束产生的附加弯曲应力。

  （5）消除了三支点由于基础沉陷或磨损不均而引起窑体、轮带和托轮等超载的危险，更便于安装和调整；窑体重量减轻10%以上。

  （6）短窑机械结构稳定比较合理，荷载作用在止推挡轮上的受力比三档长窑小

  约14%。

  3.5环保上的优势：

  短窑配置窑头低氮燃烧器、低氮分解炉、煤粉分级燃烧设备，实际运转可以达成100%低氮煤粉燃烧脱硝，不需要喷入氨水即可控制窑尾NOx小于400mg/m3，现有SNCR系统用于脱硫。大幅降低氨水消耗量，脱硝氨水消耗最低可至0.1kg/吨熟料以下，因此还可略微降低熟料单位热耗，具有明显的经济效益和环保效益。

  3.6运转上的优势：

  （1）毋须频繁检测窑体中心线，检修维护费降低。

  （2）窑运转率提高，故障率低，设备及窑砖使用寿命长。

  3.7投资上的优势：

  （1）可减少窑相关设备的投资费用，且便于安装调整。

  （2）窑相关设备重量较轻，占地面积较少，设备基础减少1/3，节省了一次性投资。

  3.8两档短窑与三档长窑的性能比较，如表1。

  表1.日产5000吨熟料的新型干法长窑（三档托轮）与短窑（两档托轮）范例性能比较。

  4.亚泥所辖各厂新型干法两档短窑发展历程：

  亚泥从1998开始在大陆设厂，共建设了12条短窑生产线。各条生产线建设完全避开了国内水泥同业的统一设计统一供货模式。亚泥根据台湾建厂经验，各生产线主设备采用国际知名品牌“点菜式”配置，同时根据已经投产生产线使用的经验对后续的生产线设备进行优化改进。通过优化配置、不断摸索总结，亚泥的短窑系统配置日趋完善，各项指标均处于国内国际领先地位。

  4.1亚泥第一阶段短窑系统：

  江西亚东#1#2号生产线属于第一阶段短窑系统，根据台湾花莲厂第一套短窑生产使用经验进行优化，生料磨采用KHD设计供货的锤磨机+滚压机系统，具有电耗低的特点。其中滚压机采用KHD植钉滚轮，从2012年使用至今已经5年未堆焊检修。旋窑采用KHDΦ4.8×52m短窑，预热器采用五级旋风筒，设计产量4200t/d。实际产量达到5100t/d，超产率达到20%以上。冷却机采用当时最先进的德国CP公司第三代冷却机。江西#1线从1998年开始建设，配置了当时国际上一流的设备及制程。

  4.2亚泥第二阶段短窑系统：

  随着第四代冷却机技术的发展运用，通过总结第一阶段短窑系统运用经验基础上，2005年开始新建江西#3线、四川#1线率先采用丹麦FLS的第四代推棒式冷却机，旋窑采用KHDΦ4.8×52m短窑，预热器采用四级旋风筒，设计产量4200t/d。实际产量达到5300t/d，超产率达到26%。虽然其他主机设备系统沿用了第一阶段的配置，但高效率第四代冷却机运用后，热回收效率高，二次三次空气温度高且稳定，大幅提高短窑熟料的产量和品质，降低了生产成本。

  4.3亚泥第三阶段短窑系统：

  生料磨采用滚压机+VSK选粉机系统，虽然电耗低，但烘干能力差，影响系统产量和电耗。立磨系统具有烘干能力强，系统配置简单，维护少的诸多优点。从2008年开始陆续新建江西亚东#4线、黄冈亚东#1线，湖北亚东#1、#2线，四川亚东#2、#3线，旋窑采用KHDΦ4.8×52m短窑，预热器采用五级旋风筒（其中湖北亚东#1线、四川亚东#2线采用四级旋风筒），生料磨采用莱歇立磨，冷却机采用丹麦FLS的第四代推棒式冷却机，旋窑设计产量4200t/d，实际产量达到5400t/d，超产率达到30%。高效率立磨系统投入运行，提高了运转效率，同时将预热器旋风筒级数由四级增加到五级，降低了系统热耗。

  4.4亚泥第四阶段短窑系统：

  随着国内水泥装备技术的进步，同时水泥企业竞争日趋激烈，只有在生产线建设阶段不断优化工艺，配置高环保、高品质、高效率、低成本的生产设备，才能在激烈的市场竞争中脱颖而出。2011年开始新建江西亚东#5、#6线，生料磨采用国产合肥院大型立磨，旋窑采用KHDΦ5.2×61m短窑，预热器采用KHD超低风阻六级旋筒预热器，冷却机采用丹麦FLS最新一代十字棒式冷却机，冷却机效果更好，输送效率更高，彻底解决红河、堆雪人等问题。江西亚东#5、#6线设计产量6000t/d，实际产量最大可以稳定在7850t/d，超产率达到30%以上，熟料品质、系统热耗、电耗均优于其他短窑。

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  5.亚泥各阶段短窑系统制程对比表：

  5.1表2.生料磨系统对比表：

  5.2表3.KHD预热器结构参数对比表：

  5.2.1为降低系统阻力，提高低氮煤粉燃烧效果，KHD配合亚东要求将#5#6线分解炉直径加大34.3%，分解炉高度提高213.60%，分解炉高度比花莲厂短窑加高43.7米，总长度增加85.47米，比江西#4线加高33米，总长度增加64.2米。

  5.2.2通过以上改进，江西亚东#5#6线预热器系统阻力明显降低，生料预热时间长，入窑生料分解率稳定在98-99%。分解炉体积增大后低氮煤粉燃脱硝效果更为显著，实现100%低氮煤粉燃烧脱硝，不需要喷入氨水可以控制窑尾NOx排放浓度小于400mg/m³

  5.3 表4 预热器运转参数对比表：

  5.3.1从以上表中可以看出，预热器级数越多，一段排气温度越低，相应热耗也会降低。但第一阶段短窑系统采用五级旋风筒预热器，由于采用第三代冷却机，热回收效率偏低，旋窑产量偏低，系统热耗也偏高。

  5.3.2理论上将预热器旋风筒级数越多，系统阻力越大。实际上以江西亚东#5、#6号线为代表的亚泥第四阶段短窑系统，虽然是六级旋风筒预热器，但系统阻力最低，甚至低于四级旋风筒预热器，主要是KHD公司对预热器配合亚东要求优化设计，采用超低风阻旋风筒，加大分解炉及风道直径，同时将分解炉高度按比例提高33米，延长了生料预热时间，入窑生料分解率稳定在98-99%，系统热耗明显下降。

  5.4表5.冷却机系统对比表：

  以江西亚东水泥有限公司五六线为代表的第四阶段短窑系统分别于2013年10月、2014年1月投产，通过总结前三阶段短窑运转经验基础上引进国内外先进技术、装备和工艺，秉持创新理念，节能减排、降低生产成本、提高产品质量。江西亚东第五、六条水泥生产线经过近三年的摸索实践，多项前瞻创新技术取得了丰硕成果，大幅降低生产成本，各项经济指标处于国内领先地位，为江西亚东公司在激烈的市场竞争中处于优异领先地位做出了贡献。

  6.1石灰石输送皮带下坡发电：

  传统带运机输送需要电力驱动，五六线石灰石输送采用国产下坡节能发电带运机。从矿山至石灰石均化堆场只有一条总长3.6km带运机，输送量1500t/h，输送过程不需要耗用电能，利用下坡地势发电，发电量约300kw/h，不仅节约电耗，还可以产生电能，增加发电收益。回程皮带采用先进翻面技术，确保沿线无落料，避免沿途环境污染，节约清料人力成本，取得了显著的经济效益。

  6.2分磨砂岩粉改善生料易烧性，提高熟料产量和品质：

  江西亚东拥有储量丰富的砂岩矿山，然而其大部分为硬砂岩，邦德功研磨指数偏高达约19 kwh/t，较难研磨，以前与石灰石、粘土、铁质原料混合研磨成生料，砂岩中的石英结晶（SiO2）相对难以磨细而多分布在较粗的颗粒，此种生料易烧性差且熟料游离钙（f-CaO）容易超限对质量不利。将砂岩单独入砂岩磨研磨，75μm筛余细度控制更细，成品入砂岩粉库储存，粘土、铁砂、石灰石三种原料混合入生料磨研磨，简称为“石灰石粉”，75μm筛余控制更粗，石灰石粉研磨后的半成品再与研磨好的砂岩粉按配比进行搅拌混合，混合好的生料再入生料库均化，大幅提升生料易烧性。2012年11月18日江西亚东#3、#4线砂岩分磨系统建成投产，运行后生料易烧性大幅改善，#3、#4号窑熟料日产量增加150吨-200吨，熟料28天强度增加约2MPa。江西亚东#5#6根据#3#4线分磨砂岩粉经验进行改进创新，形成新一代分磨砂岩与石灰石分磨先进工艺，采用单独立磨研磨砂岩粉，配套设施建有6300吨砂岩粉库（Ф17m x 52.5mH）及垂直螺旋绞刀输送计量混合系统，供五六两套窑共享。通过分磨砂岩粉，生料易性大幅提升，#5#6线旋窑产量提高到7850t/d，熟料品质优于集团内其他短窑系统。

  表5.江西亚东水泥公司#5#6线短窑熟料化学成份记录。

表6. 江西亚东水泥公司#5#6线短窑熟料及小磨熟料水泥物理性质记录。

图2.五六号生料立磨，用于研磨石灰石粉

图3.七号砂岩磨，用于研磨砂岩粉

  6.3立磨改用新型陶瓷耐磨材料，提高使用寿命，节约检修费用：

  6.3.1生料磨磨盘、磨辊母材采用球墨铸铁，吸震性更好，可有效减小磨盘震动，保护减速机。

  6.3.2磨盘、磨辊表面镶嵌耐磨陶瓷材料，取代传统的耐磨堆焊工艺，其陶瓷辊胎的保证使用寿命可达20000小时以上。在使用期内，磨盘、磨辊仅需定期检查，无需停机维修，可减少立磨停机时间，有效提高生产效率，降低维修费用。综合比较，使用耐磨陶瓷材料的成本仅为传统耐磨堆焊工艺的60%左右。

  6.4 100%低氮燃烧代替氨水脱硝技术：

  江西亚东五六线投产初期采用SNCR+低氮燃烧进行脱硝，低氮燃烧煤粉比例只有42%，氨水耗用量大，由于五六线设计时加大了分解炉通风面积，低氮燃烧煤粉用量比例可以进行优化上调，2016年2月份开始通过尝试调整降低窑头煤粉用量，适当增加低氮燃烧煤粉比例到63.9%，基本达成100%低氮煤粉燃烧脱硝目标，SNCR仅作为备用系统，只有在旋窑减料烧成时才少量喷氨水，目前SNCR系统主要用于脱硫，吨熟料脱硝氨水耗用降低至小于0.1kg/t，每年节约脱硝氨水用量4193.4吨，节约氨水费用300多万元，取得了显著的经济效益和环保效益。

  图4.窑头高风速大推力低氮燃烧器

图5.低氮煤粉喷入位置示意图

图6.预热器结构图

图7.江西亚东六号旋窑运转画面

图8.带低氮燃烧脱硝六级旋风筒预热器实景

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  6.5 丹麦史密斯最新型第五代十字架推棒式冷却机：

  6.5.1冷却机兼顾熟料冷却及热回收功能，五六线篦冷机采用低频率、低压力及长行程水平输送熟料，设计能力8500t/d，无红河及雪人问题；设置了中间熟料破碎机，使排气温度高于500℃，可提高AQC锅炉热回收发电效率，出口熟料温度低于100℃，热回收效率>75%，良好的热回收效果促使二次空气温度在1200℃以上，三次风温在950-1000℃，为旋窑提产到7850t/d创造了条件。

  6.5.2 冷却机余热发电AQC锅炉无独立沉降室，简化设备，节约投资费用及后续运行维护费用。

图9.江西亚东六号冷却机运转画面

  6.6窑头采用合肥院耐高温袋式收尘机（排尘<15mg/Nm3），高效环保

  窑头收尘机采用耐高温袋式收尘机代替静电收尘机，设备故障率低，利用冷风阀代替空气冷却器，节约投资费用。收尘机粉尘排放浓度<15mg/Nm3，远低于国家标准30mg/Nm3，达到欧美发达国家排放标准。

  6.7高效率、高环保双向曲线输送带运机

  6.7.1江西亚东二厂五六号生产线与长江码头距离约3公里，原燃料及熟料装卸船依靠至码头间曲线输送带运机（总长2.92km），采用同时双向输送方式，带运机穿山越岭，曲线布置，中途经过居民生活区，上行送熟料至码头1000T/H,回程送原煤、钢渣、石膏、矿渣等多种物料至二厂600T/H，每吨物料输送电耗0.7KWH，比车辆运输至码头节约费用4元/吨，每年节约转运费用约1500万元。

  6.7.2双向带运机无中间转运站，无扬尘及噪音。

  6.7.3采低噪音、低阻力滚轮，无噪音扰民，回程采用翻面技术，皮带无落料现象，省电环保。

  图10.  2.92KM双向输送曲线带运机（去程1000T/H，回程600T/H）

  6.8熟料、水泥装船及煤炭、原物料卸船精准计量装置

  6.8.1精准静态计量筒称装置取代原有皮带秤及水尺计量，同时机械式清仓与快速装船，使码头高效环保，同时不必记录监看水尺。

  6.8.2散泥装船计量误差小于千分之二，熟料装船计量误差小于千分之二，煤炭计量误差小于千分之三。较传统计量方式误差（百分之一至二）提高准确率约5倍且稳定计量，并且大量节约看水尺时间及减少装船误差纠纷及损失。

  6.9包装间采用自动化设备，提高发货效率

  6.9.1包装机选用哈佛伊堡的八嘴包装机及喷射式自动插包机，自动插袋准确率达到98%，取代人工插袋，提高发货效率。

  6.9.2正在规划安装全自动装车机（设计时已预留安装空间），真正实现全自动化包装、插包及装车作业。

  6.9.3正在设计安装吹扫吸尘设备，实现包装车间清洁生产。

  7.结束语：

  亚泥累积60余年生产优质水泥的经验，塑造企业品牌，率先深入钻研与建设12条大型水泥短窑生产线，采用精心设计的配套生产工艺、建设绿色矿山系统、及高效精细化管理等，让水泥短窑生产系统显现亮丽成绩，该系统稳定可靠、熟料产量高、品质优、热效率高、成本低，旋窑年运转率达到95%以上，熟料产能超过设计能力30%以上，成为“高环保、高品质、高效率、低成本”示范工厂。尤其是江西亚东#5#6线各项指标均处于国内国际领先水平。水泥短窑生产线成为当今水泥行业生产优质熟料、节能减碳、绿色环保的最佳选项之一。国内大型水泥集团纷纷前来参考交流，亚泥短窑技术的不断发展推动了中国水泥技术的进步。

  亚泥积极响应国家供给侧改革政策，不断强化精细化管理措施、改善生产工艺、创新节能减碳环保相关技术、持续提升产品品质打造国家品牌，并筹建水泥窑协同处置城市固体废弃物相关设施，善尽企业社会责任。展望未来，亚泥当以积极创新的思维，配合落实国家各项规划及有关水泥建材行业的政策，为国家建设与人民福祉提供最优质的产品和服务，撰写本报告供国内外水泥同业参考与指教。

  8.参考文献

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  [12]《水泥》，2007,NO.6,超短窑的研发设计和运行体会，潘洞。