水泥熟料燒成新型節(jié)能工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

賈華平

（天瑞集團(tuán)水泥公司，河南 汝州市 467500）

在所謂“新型干法水泥技術(shù)”成熟以后，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)水泥工藝的研發(fā)從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)，而且有的已經(jīng)取得了階段性成果，取得了顯著的節(jié)電和節(jié)煤效果，這里作一簡(jiǎn)單介紹。

1 高固氣比水泥懸浮預(yù)熱預(yù)分解技術(shù)

西安建筑科技大學(xué)，徐德龍?jiān)菏康母吖虤獗人鄳腋☆A(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)，取得了相當(dāng)?shù)某晒?。盡管本人對(duì)其了解不深，但該技術(shù)已先后在不同規(guī)模（從300t/d到3000t/d）的10余條水泥生產(chǎn)線上使用，而且于2011年5月通過(guò)了科技成果鑒定。鑒定結(jié)論如下。

“高固氣比懸浮預(yù)熱分解理論屬重大理論創(chuàng)新，以該理論成果為基礎(chǔ)發(fā)明的高固氣比水泥懸浮煅燒新工藝構(gòu)思新穎，過(guò)程簡(jiǎn)潔可靠，投資省，熱效率高，余熱利用充分，適應(yīng)性強(qiáng)，增產(chǎn)潛力大，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著，多項(xiàng)指標(biāo)創(chuàng)新型干法技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先水平（與同規(guī)格普通新型干法水泥技術(shù)相比，增產(chǎn)40%以上，節(jié)煤20%以上，節(jié)電15%以上，SO2減排70%以上，NOx減排50%以上），實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯水泥熟料煅燒技術(shù)一次新的突破，是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性工藝技術(shù)”。

圖1 陜西陽(yáng)山莊水泥有限公司2500t/d高固氣比生產(chǎn)線

2003年，山東1000t/d生產(chǎn)線投產(chǎn)；2008年，陽(yáng)山莊2500t/d生產(chǎn)線動(dòng)工；2009年，三易3000t/d生產(chǎn)線動(dòng)工；2012年，陜西生態(tài)水泥2×4500t/d線，廣西崇左南方4500t/d線，云南建工集團(tuán)2500t/d摻電石渣生產(chǎn)線，甘肅甘草建材4500t/d線，相繼動(dòng)工。

表1 Φ4×60m回轉(zhuǎn)窯的主要運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比

據(jù)徐德龍介紹，在該工藝中，高固氣比懸浮預(yù)熱分解技術(shù)通過(guò)預(yù)熱器和分解爐的高固氣比，使其反應(yīng)更加充分。相比傳統(tǒng)工藝，該生產(chǎn)線熱能利用更加充分，反應(yīng)后排出的有害氣體（NOx、SO2、CO2）更少、熱耗更低，多項(xiàng)指標(biāo)創(chuàng)新型干法技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先水平。通過(guò)在陽(yáng)山莊水泥有限公司2500t/d生產(chǎn)線上的應(yīng)用檢測(cè)表明，與同規(guī)格回轉(zhuǎn)窯的普通新型干法生產(chǎn)線相比，產(chǎn)量增加40%以上，通過(guò)降低排氣溫度，使熱耗減少20%以上，通過(guò)增產(chǎn)和降低系統(tǒng)壓降，單位電耗減少15%以上，廢氣中的SO2排放降低70%以上，NOx排放降低50%以上。

圖2 陜西陽(yáng)山莊2500t/d高固氣比生產(chǎn)線中控操作畫(huà)面

那么，高固氣比懸浮預(yù)熱分解技術(shù)具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，為什么沒(méi)能在水泥行業(yè)得以迅速推廣呢？

所謂“高固氣比懸浮預(yù)熱分解技術(shù)”，實(shí)際上就是對(duì)并列的雙列預(yù)熱器進(jìn)行串聯(lián)改造，見(jiàn)圖3。

圖3 高固氣比工藝流程圖

實(shí)際上，這種想法有國(guó)外專家于上世紀(jì)70年代就提了出來(lái)，奧地利的VOEST-ALPINE與德國(guó)的SKET /ZAB公司，早在1977年就研制出PASEC法交叉流懸浮預(yù)熱器；日本住友水泥公司，于1979年研制并投產(chǎn)了SCS法交叉流懸浮預(yù)熱器，提高了預(yù)熱器的料氣比及換熱次數(shù)，將C1出口控制在了260℃以下，熱耗和水資源大大降低。

拿現(xiàn)在的五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是把一個(gè)雙列5級(jí)預(yù)熱器改造成了單列8級(jí)預(yù)熱器。預(yù)熱器的級(jí)數(shù)越多，整體的預(yù)熱效果肯定越好，預(yù)熱器的出口溫度肯定會(huì)降低，以期實(shí)現(xiàn)節(jié)煤的效果。

但隨著預(yù)熱器級(jí)數(shù)的增加，使預(yù)熱器的阻力增大，電耗會(huì)上升；隨著旋風(fēng)筒內(nèi)固氣比的提高，不但阻力會(huì)增大，而且能否把料子帶起來(lái)都是問(wèn)題。所以，簡(jiǎn)單地對(duì)預(yù)熱器并聯(lián)改串聯(lián)是行不通的。

為此，必須首先開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的“低阻力、高固氣比旋風(fēng)筒”?？上驳氖沁@項(xiàng)工作由南京院獲得一定的突破，這也正是“高固氣比懸浮預(yù)熱分解技術(shù)”有所發(fā)展的原因。

問(wèn)題又來(lái)了，既然有了“低阻力、高固氣比旋風(fēng)筒”的裝備，那么，所謂“高固氣比懸浮預(yù)熱分解技術(shù)”與采用這種裝備的單系列或雙系列的6級(jí)、7級(jí)或8級(jí)預(yù)熱器相比，哪一個(gè)效率更高、投資更省、運(yùn)行效益更好呢？這些問(wèn)題一時(shí)還難以確定。

2 預(yù)燒成短流程窯燒成工藝

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，2009年承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目——水泥預(yù)燒成熱動(dòng)力學(xué)理論研究，通過(guò)研究在懸浮態(tài)下進(jìn)行的快速物理化學(xué)過(guò)程和熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制；研究在窯尾系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)燒結(jié)的方法；研究堆積態(tài)下窯內(nèi)的傳熱過(guò)程、窯料狀態(tài)以及物理化學(xué)反應(yīng)；確定多因素條件下熟料低能耗、快速形成的技術(shù)途徑——預(yù)燒成短流程窯，已取得階段性成果。

目前的預(yù)分解窯，并沒(méi)有到最優(yōu)狀態(tài)，還有進(jìn)一步優(yōu)化的可能。主要是進(jìn)一步提高分解爐的溫度控制，進(jìn)一步提高入窯分解率，減輕窯的熱負(fù)荷。

總院試驗(yàn)了不同溫度下分解出的CaO活性，以1100～1200℃分解出的CaO活性最高，煅燒溫度從900℃升高至1200℃時(shí)，新生物相反應(yīng)活性提高了約60%，各種溫度條件下的固相反應(yīng)顯著加速，提高的幅度可達(dá)11%。

研究表明，環(huán)境溫度愈高，固相反應(yīng)啟動(dòng)愈快，隨后反應(yīng)層內(nèi)部的溫度會(huì)迅速升高，形成溫度升高和加速固相反應(yīng)的疊加效應(yīng)，反應(yīng)活化能也由147.52kJ/mol下降至114.34kJ/mol。

但是，用純CaCO3做實(shí)驗(yàn)，其分解率最高只能達(dá)到70%，再提高溫度分解率也上不去了。所以，就分解爐來(lái)講，主要的瓶頸還是煤粉的燃燒，而不是碳酸鹽的分解。

洪堡的管式分解爐，由于入窯分解率的提高，他們采用了兩檔短窯，長(zhǎng)徑比為10，預(yù)熱器為四級(jí)，出口溫度也能到320～340℃。分解率的提高是一個(gè)方向，但窯的長(zhǎng)徑比應(yīng)該進(jìn)一步縮小，當(dāng)入窯分解率達(dá)到97%～98%時(shí)，長(zhǎng)徑比應(yīng)該縮短到7～8。高的入窯分解率用長(zhǎng)窯不是好事。

“預(yù)燒成”短流程窯與現(xiàn)有的“預(yù)分解”新型干法水泥技術(shù)相比，有本質(zhì)的區(qū)別，是不可同日而語(yǔ)的，具有更高的溫度梯度和更高的燒成帶溫度，總院已經(jīng)提出了高效窯爐系統(tǒng)工藝技術(shù)原型，并獲得國(guó)家發(fā)明專利，這一成果已在山東某2000t/d新型干法窯上得到初步驗(yàn)證。

采用預(yù)燒成技術(shù)改造的山東某廠Φ4×60m、日產(chǎn)2000t/d窯，目前熟料產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到3248t/d，比改造前產(chǎn)量提高60%以上，熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了17.9%，熟料綜合電耗降低了29.19%，總體達(dá)到了國(guó)內(nèi)的領(lǐng)先水平。

圖4 采用預(yù)燒成技術(shù)改造的山東某廠2-Φ4×60m窯

表2 改造前后的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

3 流化床水泥窯燒成技術(shù)

日本川崎重工業(yè)株式會(huì)社，于1984年就開(kāi)始進(jìn)行流化床水泥窯燒成技術(shù)的研究試驗(yàn)，革命性地取消了燒成回轉(zhuǎn)窯。實(shí)驗(yàn)表明流化床水泥窯燒成技術(shù)具有投資低、熱耗低、電耗低、排放低、可以使用劣質(zhì)煤、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、占地面積小的特點(diǎn)。

圖5 山東1000t/d流化床窯初步設(shè)計(jì)方案

圖6 流化床水泥窯局部流程圖

川崎重工聯(lián)合山東寶山生態(tài)建材有限公司，在山東淄博建設(shè)的1000t/d試驗(yàn)線，2006年2月22日破土動(dòng)工，在2008年6月點(diǎn)火試車(chē)，2009年11月投入試生產(chǎn)。一年多的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)了1萬(wàn)多噸熟料，取得了大量的生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2009年的部分熟料成分見(jiàn)表3，2009年的部分熟料性能見(jiàn)表4，2009年11月20日各點(diǎn)溫度分布見(jiàn)表5。

表3 2009年的部分熟料成分 %

表4 2009年的部分熟料性能

表5 2009年11月20日各點(diǎn)溫度分布 ℃

預(yù)熱器由5級(jí)旋風(fēng)筒組成。沸騰床水泥窯（FCK）是沸騰煅燒的核心設(shè)備，在1300℃條件下生料在造粒窯中結(jié)成1～2mm的料粒，并燒結(jié)成熟料。燒成熟料進(jìn)人流化床速冷器（FBQ）和移動(dòng)床冷卻器（PBC）冷卻。在速冷器中，燒成熟料由1300℃迅速冷卻至1000℃，對(duì)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料是一個(gè)保證。在移動(dòng)床冷卻器中，熟料進(jìn)一步被冷卻至150℃，流動(dòng)床速冷器和移動(dòng)床冷卻器的組合保證了熟料冷卻過(guò)程中很高的熱回收率，冷卻空氣量就是沸騰窯中燃料燃燒的空氣量。

圖7 山東1000t/d流化床水泥窯主體塔架

圖8是2009年11月13日15∶23∶49 中控室操作畫(huà)面截圖，畫(huà)面顯示當(dāng)時(shí)的投料量為62.8t/h，預(yù)熱器出口負(fù)壓為-5.9kPa,最上一級(jí)旋風(fēng)筒出口溫度為373℃、369℃，燒成爐出口溫度為1280℃，燒成爐中部溫度為1304℃、1275℃，流化板上部溫度為1125℃、1189℃，流化板下部的溫度為961℃，出急冷爐的熟料溫度為675℃、731℃，出緩冷爐的熟料溫度為215℃、133℃。

圖8 2009年11月13日15∶23∶49 中控室操作畫(huà)面截圖

本人有幸參與了后期的幾次調(diào)試工作，從整個(gè)試生產(chǎn)情況來(lái)看，在工藝技術(shù)上沒(méi)有什么大的問(wèn)題，基本原理和工藝裝備是可行的，之所以幾經(jīng)波折至今未能投入正常生產(chǎn)，主要是受到資金的影響。中國(guó)水泥行業(yè)的權(quán)威專家胡道和教授認(rèn)為：該項(xiàng)技術(shù)“思路合理、優(yōu)點(diǎn)明顯、意義重大”。這位資深老前輩的觀點(diǎn)無(wú)疑是正確的，是對(duì)流化床水泥窯燒成技術(shù)和發(fā)展前景的肯定。

圖9 2012年11月19日20∶38∶20 中控室操作畫(huà)面截圖

從幾次投料運(yùn)行來(lái)看，沸騰爐對(duì)生料的適應(yīng)性還是比較強(qiáng)的，很少因?yàn)榉序v爐的“粘結(jié)、堵塞，破壞沸騰狀態(tài)”而停窯。影響目前運(yùn)行的主要是工藝有待進(jìn)一步完善，設(shè)備管理、操作水平有待進(jìn)一步提高，主要表現(xiàn)為預(yù)熱器系統(tǒng)堵塞。

預(yù)熱器燒高是分解窯預(yù)熱器堵塞的主要原因，對(duì)這臺(tái)流化床窯的現(xiàn)在來(lái)講，不可避免地要將預(yù)熱器長(zhǎng)期燒高，就難免造成預(yù)熱器堵塞。日本人在燒成爐出口增加了噴水裝置，說(shuō)明他們已經(jīng)意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題的嚴(yán)重性，只是措施還不到位。

分解窯是預(yù)熱器燒高了容易堵、燒低了一般不會(huì)堵；但流化床窯的預(yù)熱器燒低了也會(huì)堵，主要是影響到造粒。分解窯在窯頭燒低時(shí)，會(huì)有嚴(yán)重的不完全燃燒，導(dǎo)致煤粉后燃、預(yù)熱器燒高，最終堵塞；流化床窯在燒成爐燒低時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響到造粒，導(dǎo)致大量的生料粉在預(yù)熱器內(nèi)循環(huán)富集，最終堵塞。

流化床窯的預(yù)熱器燒高，導(dǎo)致了增濕塔和燒成爐的大量噴水，使得高溫風(fēng)機(jī)能力不足，而這臺(tái)風(fēng)機(jī)的配置偏偏又沒(méi)有富裕能力，嚴(yán)重影響到預(yù)熱器的風(fēng)量和風(fēng)速，影響到預(yù)熱器的帶料能力，加之在投料初期由于結(jié)粒不好，會(huì)有大量粉塵在預(yù)熱器內(nèi)循環(huán)富集，當(dāng)固氣比超過(guò)設(shè)計(jì)能力時(shí)，必然會(huì)塌料堵塞。

目前，事實(shí)上影響流化床水泥窯運(yùn)行的主要問(wèn)題不在燒成爐，而在預(yù)熱器系統(tǒng)的粘結(jié)堵塞上。就這臺(tái)窯的預(yù)熱器系統(tǒng)來(lái)講，目前主要存在兩個(gè)問(wèn)題：一是預(yù)熱器被長(zhǎng)期燒高，這在新型干法水泥窯上也是不允許的，控制預(yù)熱器燒高我們是有很多有效措施的；二是日本人設(shè)計(jì)的預(yù)熱器仍是九十年代初的水平，而我們國(guó)家在預(yù)熱器的設(shè)計(jì)上已經(jīng)就防堵問(wèn)題作了大量的改進(jìn)，并取得了明顯的效果。

圖10 山東1000t/d流化床水泥窯試生產(chǎn)的熟料

本人認(rèn)為，只要我們投入足夠的技術(shù)力量，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行一些必要的改造，“利用沸騰爐代替回轉(zhuǎn)窯燒熟料”，道路并沒(méi)有那么漫長(zhǎng)。