水泥工業(yè)全過程節(jié)能潛力分析

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)

0 引言

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。

1 磨粉技術(shù)

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。

2 熟料燒成技術(shù)

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。

2.1 預(yù)分解系統(tǒng)

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。

2.2 窯型

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。

2.3 燃燒器

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］。

2.4 冷卻機(jī)

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)

3 余熱利用技術(shù)

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)

4 結(jié)語

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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