鄭 鑫,邱澤晶,彭旭東
(國(guó)家電氣設(shè)備檢測(cè)與工程能效測(cè)評(píng)中心(武漢),湖北 武漢 430074)
節(jié)能減排作為我國(guó)的長(zhǎng)期國(guó)策和能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容,關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和對(duì)全球環(huán)境的影響。實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高能源利用率的目標(biāo)主要依靠工業(yè)領(lǐng)域。我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量約占全國(guó)能源消耗總量的70%,主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗平均比國(guó)際先進(jìn)水平高30%左右[1]。另外,我國(guó)的能源利用率僅為33%左右,比發(fā)達(dá)國(guó)家低約10%,至少50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄[2-3]。
水泥工業(yè)能源消耗總量占建材工業(yè)能耗的總量的75%[4-5],隨著水泥產(chǎn)能的快速增長(zhǎng),其能源消耗在不斷增加,預(yù)計(jì)到2015年,國(guó)內(nèi)水泥需求量為22億t,比2010年增加17.6%,耗煤總量達(dá)到2.46億t,比2010年增加36.7%[6-7]。水泥工業(yè)作為我國(guó)主要的高能耗、高排放產(chǎn)業(yè),是工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排的重點(diǎn)和難點(diǎn),其節(jié)能減排效果對(duì)完成我國(guó)能源消耗目標(biāo)、工業(yè)可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用。
國(guó)內(nèi)在水泥工業(yè)節(jié)能技術(shù)研究方面,對(duì)水泥生產(chǎn)單個(gè)環(huán)節(jié)的節(jié)能技術(shù)都有研究。本文利用全過程分析方法,依次對(duì)水泥生產(chǎn)工序的重點(diǎn)耗能環(huán)節(jié)和余熱回收環(huán)節(jié)進(jìn)行節(jié)能潛力分析,以期從整體角度對(duì)水泥工業(yè)的節(jié)能潛力進(jìn)行挖掘。
在水泥生產(chǎn)“二磨一燒”三大環(huán)節(jié)中,“磨”既是熟料燒成的必要前提,又是決定水泥成品質(zhì)量的關(guān)鍵。同時(shí),“二磨”電耗約占水泥生產(chǎn)過程總電耗的70%,降低磨粉電耗已成為磨粉技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志[8]。目前生料制備采用的粉磨系統(tǒng)主要有3種類型:管磨機(jī)、立磨和輥壓機(jī)系統(tǒng),管磨機(jī)因電耗高,已逐漸被水泥企業(yè)淘汰,以往輥壓機(jī)作生料終粉磨因輥面處理技術(shù)不過關(guān)和對(duì)生料水分要求嚴(yán)而沒有被大量推廣使用,2 500 t/d以上生產(chǎn)線主要采用立磨技術(shù)[9-10]。近年來,輥壓機(jī)作生料終粉磨技術(shù)有了技術(shù)性突破,因其具有不需噴水、料床壓力高、電耗低、維護(hù)方便等特點(diǎn),越來越受水泥企業(yè)青睞。
輥壓機(jī)與立磨均為目前水泥生產(chǎn)線生料終粉磨系統(tǒng)優(yōu)選技術(shù)方案,相比管磨機(jī)節(jié)能效果明顯。以2 500 t/d生產(chǎn)線、磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量200 t/h為例,輥壓機(jī)與立磨磨粉技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益綜合對(duì)比如表1所示。
表1 輥壓機(jī)與立磨磨粉技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益綜合對(duì)比
在相同產(chǎn)能的情況下,輥壓機(jī)系統(tǒng)比立磨系統(tǒng)配置功率約小870 kW,單位產(chǎn)品電耗低。但輥壓機(jī)的單臺(tái)處理能力有限,對(duì)于4 000 t/d以上規(guī)模的生產(chǎn)線,須配置兩臺(tái)或三臺(tái)以上才能滿足能力平衡要求,由此導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜,可靠性降低,而立磨單臺(tái)能力較大,系統(tǒng)配置1~2臺(tái),即可滿足5 000~10 000 t/d燒成系統(tǒng)要求。雖然立磨系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用相對(duì)較高,但輥壓機(jī)的生料烘干性較差,不能烘干濕的物料,要求料物水分在4%以下,因北方干燥少雨,生料水分小于1.5%,使用立磨需噴大量的水以穩(wěn)定料床,再烘干,造成熱量浪費(fèi),而輥壓機(jī)無需噴水,熱量可直接供余熱發(fā)電,所以,建議北方的生產(chǎn)線首選輥壓機(jī)作為生料終粉磨系統(tǒng),南方生產(chǎn)線則可根據(jù)原物料水分情況選擇使用。
現(xiàn)代水泥燒成技術(shù)的變革,都是根據(jù)物料的預(yù)熱、分解、固相反應(yīng)、出現(xiàn)液相和形成水泥礦物及熟料冷卻過程不同階段的反應(yīng)特性配置不同設(shè)備單元,并注意系統(tǒng)各單體設(shè)備之間的匹配和平衡,在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上達(dá)到系統(tǒng)效率的最大化。目前所推廣的高效節(jié)能燒成技術(shù)是指以懸浮預(yù)熱和預(yù)分解技術(shù)為核心的新型干法水泥熟料生產(chǎn)技術(shù),主要包括:高效預(yù)熱器和分解爐、回轉(zhuǎn)窯、新型多通道燃燒器、新型篦式冷卻機(jī)等,使用該技術(shù)進(jìn)行水泥熟料生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)是高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、節(jié)約資源,符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求[11]。與其他幾種主要的燒成窯相比,新型干法比機(jī)立窯的單位熱耗低28%,比濕法窯的單位熱耗低 44.7%,比干法中空窯的單位熱耗低91.7%。表2是各種燒成工藝單位熱耗的對(duì)比。
表2 國(guó)內(nèi)重要水泥生產(chǎn)工藝單位水泥熟料的平均熱耗對(duì)比
就燒成系統(tǒng)的具體環(huán)節(jié)來說,分為以下4個(gè)主要部分。
主要功能是利用窯尾排出的高溫?zé)煔饧懊悍廴紵懦龅臒崃浚瑢⑸霞訜岱纸夂笕敫G煅燒。目前我國(guó)的預(yù)熱分解系統(tǒng)大多為5級(jí)預(yù)熱器,少部分為傳統(tǒng)的4級(jí)系統(tǒng),性能更佳的6級(jí)系統(tǒng)正在逐步推廣中。三種系統(tǒng)性能對(duì)比如表3所示。
表3 預(yù)分解系統(tǒng)對(duì)比
早期的4級(jí)預(yù)分解系統(tǒng)廢氣溫度在400℃以上,系統(tǒng)阻力超過8 000 Pa,入窯料物分解率低。目前我國(guó)預(yù)分解窯大部分為5級(jí)預(yù)熱器,廢氣熱量可滿足原料綜合水分7%烘干的需要,而國(guó)內(nèi)水泥原料采用砂巖配料,綜合水分一般低于3%,致使大量預(yù)熱器廢氣的熱量沒有得到有效利用就排至大氣,造成整個(gè)系統(tǒng)能量極大的浪費(fèi)。增加預(yù)熱器級(jí)數(shù),可使廢氣溫度降低,同時(shí)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,有利于系統(tǒng)產(chǎn)量的提高,5級(jí)預(yù)熱器增加至6級(jí)后,系統(tǒng)熱耗平均可降低75 kJ/kg左右熟料。
隨著6級(jí)預(yù)熱器的出現(xiàn)及輥式磨粉技術(shù)的發(fā)展與成熟,二支承短窯在我國(guó)大量推廣應(yīng)用的條件(生料易燒性強(qiáng),入窯物料分解率高且穩(wěn)定)已完全成熟。二支承短窯的長(zhǎng)徑比L/D一般為10~12,由于筒體長(zhǎng)度有較大減短,其散熱損失相應(yīng)減少,相應(yīng)規(guī)格的窯的散熱損失相差約21 kJ/kg熟料。
之前在我國(guó)因裝備工藝性能掌握情況及加工精度等原因,造成燃煤輸送風(fēng)量偏大,一般一次風(fēng)量高達(dá)15%,與國(guó)外差距較大,國(guó)內(nèi)大型水泥生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯基本都是應(yīng)用國(guó)外公司的燃燒器,但是目前國(guó)內(nèi)也開發(fā)出了高性能多通道燃燒器,可達(dá)到一次風(fēng)量小于8%,并且對(duì)煤種的適應(yīng)性強(qiáng),能燒包括高灰分煤(灰分大于35%)、劣質(zhì)無煙煤(揮發(fā)分小于10%;熱值18 800 kJ/kg左右)和高內(nèi)水煤(水分達(dá)15%、熱值15 600~17 500 kJ/kg)等劣質(zhì)煤,降低熱耗10~15 kJ/kg熟料,已分別在寶雞眾喜金陵河水泥有限公司5 000 t/d生產(chǎn)線和益陽市東方水泥有限公司5 000 t/d生產(chǎn)線投產(chǎn)應(yīng)用[12]。
目前在國(guó)際上已發(fā)展到第四代,一般熱回收效率超過74%,回收熱量按照入冷卻機(jī)的熱料溫度計(jì)算,全部熱量約為1 457 kJ/kg熟料,每提高1%的熱回收效率則回收熱15.5 kJ/kg(熟料),比國(guó)內(nèi)第三代篦冷機(jī)平均提高93 kJ/kg(熟料)。國(guó)內(nèi)篦冷機(jī)的研發(fā)也取得了突破進(jìn)展,包括成都建材工業(yè)設(shè)計(jì)研究院、無津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位已自主研發(fā)出第四代篦冷機(jī),掌握了部分核心技術(shù)[13-14]。
隨著新型干法水泥在生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備等方面取得的突破性進(jìn)展,在同一條件下,幾乎每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都取得了良好的節(jié)能效果。
表4 熟料燒成過程節(jié)能點(diǎn)
余熱主要來源于窯尾預(yù)熱器和窯頭冷卻機(jī)的廢氣,就目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的生產(chǎn)線工藝而言,窯頭和窯尾的廢氣除滿足原燃材料的烘干外,仍有大量的350℃以下的余熱不能完全被利用,其浪費(fèi)的熱量約占系統(tǒng)總熱量的30%。國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)余熱利用的主要方式是進(jìn)行余熱發(fā)電,以生產(chǎn)過程中從窯頭冷卻機(jī)和窯尾預(yù)熱器抽出的廢氣為熱源,可建立單壓、雙壓、閃蒸循環(huán)系統(tǒng)。3種系統(tǒng)對(duì)比如表5所示。
表5 三種循環(huán)系統(tǒng)對(duì)比
雙壓系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用,各換熱器的換熱溫差較單壓和閃蒸更為合理且系統(tǒng)輸出功率最大。但是與單壓相比,增加了高壓省煤器,使得系統(tǒng)較為復(fù)雜,增加初投資。閃蒸系統(tǒng)的主蒸汽壓力、流量等與單壓系統(tǒng)基本相等,輸出功率比雙壓系統(tǒng)略小。實(shí)際應(yīng)用中可以通過升壓給水泵和流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)閃蒸流量,以控制AQC鍋爐廢氣排放溫度,且此時(shí)可以不影響SP鍋爐和AQC鍋爐汽包的換熱情況,必要時(shí)甚至可以切除閃蒸器,此時(shí)系統(tǒng)以單壓方式運(yùn)行,是單壓循環(huán)的最優(yōu)值。雙壓循環(huán)具有最大輸出功,閃蒸系統(tǒng)輸出功略小,但有系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)。
由于水泥工業(yè)余熱基本在350℃以下,以水為工質(zhì)的朗肯循環(huán)不能有效地回收余熱,一般用有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,簡(jiǎn)稱ORC)余熱發(fā)電技術(shù),即以低沸點(diǎn)的有機(jī)物代替水為工質(zhì)來吸收廢氣余熱[16]。隨著研究的不斷發(fā)展,基于混合工質(zhì)的卡林納循環(huán)系統(tǒng)被提出,即以NH3-H2O混合物代替純工質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)。此系統(tǒng)蒸發(fā)過程是變溫過程,相對(duì)于純工質(zhì)循環(huán)的定溫蒸發(fā)而言,其吸熱蒸發(fā)過程更接近熱源的放熱過程線,這樣可以減小換熱過程的平均換熱溫差,降低不可逆損失,提高循環(huán)的效率。對(duì)于不同的余熱熱源,可以根據(jù)其放熱特性,選擇不同組分、不同濃度的混合物,使工質(zhì)的吸熱過程與熱源的放熱過程達(dá)到最佳換熱匹配。在相同的余熱條件下對(duì)卡林納循環(huán)與雙壓進(jìn)汽補(bǔ)汽式有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果如表6所示。
試驗(yàn)表明在相同的余熱條件和電站年運(yùn)行時(shí)間下,卡林納循環(huán)的單位熟料發(fā)電量為44.4 kWh/t,相對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)32 kWh/t來說,增加了39%,可以降低單位熟料熱耗44.64 kJ/kg。但在實(shí)際運(yùn)行中,由于氨水混合工質(zhì)蒸發(fā)過程的復(fù)雜性以及系統(tǒng)的復(fù)雜性等因素,卡林納循環(huán)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)還比較欠缺。在目前情況下有機(jī)朗肯循環(huán)更具有可行性和可靠性,而卡林納循環(huán)是今后的發(fā)展方向。
表6 卡林納循環(huán)vs有機(jī)朗肯循環(huán)
本文從水泥工業(yè)生產(chǎn)的全過程入手,分析了各重點(diǎn)工序的節(jié)能潛力及可采用的節(jié)能技術(shù),并定量對(duì)比分析了各種節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果,對(duì)水泥工業(yè)的整體節(jié)能改造具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)可對(duì)本文所分析到的各個(gè)過程之間的能耗關(guān)系加以進(jìn)一步的分析與驗(yàn)證,以完善對(duì)整個(gè)水泥系統(tǒng)的節(jié)能分析。
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