水泥熟料燒成新型節能工藝的發展現狀

賈華平

（天瑞集團水泥公司，河南 汝州市 467500）

在所謂“新型干法水泥技術”成熟以后，國內外的專家學者對水泥工藝的研發從來沒有停止過，而且有的已經取得了階段性成果，取得了顯著的節電和節煤效果，這里作一簡單介紹。

1 高固氣比水泥懸浮預熱預分解技術

西安建筑科技大學，徐德龍院士的高固氣比水泥懸浮預熱預分解系統，取得了相當的成功。盡管本人對其了解不深，但該技術已先后在不同規模（從300t/d到3000t/d）的10余條水泥生產線上使用，而且于2011年5月通過了科技成果鑒定。鑒定結論如下。

“高固氣比懸浮預熱分解理論屬重大理論創新，以該理論成果為基礎發明的高固氣比水泥懸浮煅燒新工藝構思新穎，過程簡潔可靠，投資省，熱效率高，余熱利用充分，適應性強，增產潛力大，經濟和環境效益顯著，多項指標創新型干法技術國際領先水平（與同規格普通新型干法水泥技術相比，增產40%以上，節煤20%以上，節電15%以上，SO2減排70%以上，NOx減排50%以上），實現了回轉窯水泥熟料煅燒技術一次新的突破，是具有我國自主知識產權的原創性工藝技術”。

圖1 陜西陽山莊水泥有限公司2500t/d高固氣比生產線

2003年，山東1000t/d生產線投產；2008年，陽山莊2500t/d生產線動工；2009年，三易3000t/d生產線動工；2012年，陜西生態水泥2×4500t/d線，廣西崇左南方4500t/d線，云南建工集團2500t/d摻電石渣生產線，甘肅甘草建材4500t/d線，相繼動工。

表1 Φ4×60m回轉窯的主要運行指標對比

據徐德龍介紹，在該工藝中，高固氣比懸浮預熱分解技術通過預熱器和分解爐的高固氣比，使其反應更加充分。相比傳統工藝，該生產線熱能利用更加充分，反應后排出的有害氣體（NOx、SO2、CO2）更少、熱耗更低，多項指標創新型干法技術國際領先水平。通過在陽山莊水泥有限公司2500t/d生產線上的應用檢測表明，與同規格回轉窯的普通新型干法生產線相比，產量增加40%以上，通過降低排氣溫度，使熱耗減少20%以上，通過增產和降低系統壓降，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 陜西陽山莊2500t/d高固氣比生產線中控操作畫面

那么，高固氣比懸浮預熱分解技術具有顯著的節能優勢，為什么沒能在水泥行業得以迅速推廣呢？

所謂“高固氣比懸浮預熱分解技術”，實際上就是對并列的雙列預熱器進行串聯改造，見圖3。

圖3 高固氣比工藝流程圖

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

拿現在的五級預熱器系統來說，就是把一個雙列5級預熱器改造成了單列8級預熱器。預熱器的級數越多，整體的預熱效果肯定越好，預熱器的出口溫度肯定會降低，以期實現節煤的效果。

但隨著預熱器級數的增加，使預熱器的阻力增大，電耗會上升；隨著旋風筒內固氣比的提高，不但阻力會增大，而且能否把料子帶起來都是問題。所以，簡單地對預熱器并聯改串聯是行不通的。

為此，必須首先開發出相應的“低阻力、高固氣比旋風筒”。可喜的是這項工作由南京院獲得一定的突破，這也正是“高固氣比懸浮預熱分解技術”有所發展的原因。

問題又來了，既然有了“低阻力、高固氣比旋風筒”的裝備，那么，所謂“高固氣比懸浮預熱分解技術”與采用這種裝備的單系列或雙系列的6級、7級或8級預熱器相比，哪一個效率更高、投資更省、運行效益更好呢？這些問題一時還難以確定。

2 預燒成短流程窯燒成工藝

中國建筑材料科學研究總院，2009年承擔的國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目——水泥預燒成熱動力學理論研究，通過研究在懸浮態下進行的快速物理化學過程和熱動力學機制；研究在窯尾系統進行預燒結的方法；研究堆積態下窯內的傳熱過程、窯料狀態以及物理化學反應；確定多因素條件下熟料低能耗、快速形成的技術途徑——預燒成短流程窯，已取得階段性成果。

目前的預分解窯，并沒有到最優狀態，還有進一步優化的可能。主要是進一步提高分解爐的溫度控制，進一步提高入窯分解率，減輕窯的熱負荷。

總院試驗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，新生物相反應活性提高了約60%，各種溫度條件下的固相反應顯著加速，提高的幅度可達11%。

研究表明，環境溫度愈高，固相反應啟動愈快，隨后反應層內部的溫度會迅速升高，形成溫度升高和加速固相反應的疊加效應，反應活化能也由147.52kJ/mol下降至114.34kJ/mol。

但是，用純CaCO3做實驗，其分解率最高只能達到70%，再提高溫度分解率也上不去了。所以，就分解爐來講，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，長徑比為10，預熱器為四級，出口溫度也能到320～340℃。分解率的提高是一個方向，但窯的長徑比應該進一步縮小，當入窯分解率達到97%～98%時，長徑比應該縮短到7～8。高的入窯分解率用長窯不是好事。

“預燒成”短流程窯與現有的“預分解”新型干法水泥技術相比，有本質的區別，是不可同日而語的，具有更高的溫度梯度和更高的燒成帶溫度，總院已經提出了高效窯爐系統工藝技術原型，并獲得國家發明專利，這一成果已在山東某2000t/d新型干法窯上得到初步驗證。

采用預燒成技術改造的山東某廠Φ4×60m、日產2000t/d窯，目前熟料產量已經達到3248t/d，比改造前產量提高60%以上，熟料標準煤耗降低了17.9%，熟料綜合電耗降低了29.19%，總體達到了國內的領先水平。

圖4 采用預燒成技術改造的山東某廠2-Φ4×60m窯

表2 改造前后的主要技術經濟指標對比

3 流化床水泥窯燒成技術

日本川崎重工業株式會社，于1984年就開始進行流化床水泥窯燒成技術的研究試驗，革命性地取消了燒成回轉窯。實驗表明流化床水泥窯燒成技術具有投資低、熱耗低、電耗低、排放低、可以使用劣質煤、運行維護簡單、占地面積小的特點。

圖5 山東1000t/d流化床窯初步設計方案

圖6 流化床水泥窯局部流程圖

川崎重工聯合山東寶山生態建材有限公司，在山東淄博建設的1000t/d試驗線，2006年2月22日破土動工，在2008年6月點火試車，2009年11月投入試生產。一年多的運行時間內生產了1萬多噸熟料，取得了大量的生產性實驗數據。

2009年的部分熟料成分見表3，2009年的部分熟料性能見表4，2009年11月20日各點溫度分布見表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日各點溫度分布 ℃

預熱器由5級旋風筒組成。沸騰床水泥窯（FCK）是沸騰煅燒的核心設備，在1300℃條件下生料在造粒窯中結成1～2mm的料粒，并燒結成熟料。燒成熟料進人流化床速冷器（FBQ）和移動床冷卻器（PBC）冷卻。在速冷器中，燒成熟料由1300℃迅速冷卻至1000℃，對生產優質熟料是一個保證。在移動床冷卻器中，熟料進一步被冷卻至150℃，流動床速冷器和移動床冷卻器的組合保證了熟料冷卻過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 中控室操作畫面截圖，畫面顯示當時的投料量為62.8t/h，預熱器出口負壓為-5.9kPa,最上一級旋風筒出口溫度為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 中控室操作畫面截圖

本人有幸參與了后期的幾次調試工作，從整個試生產情況來看，在工藝技術上沒有什么大的問題，基本原理和工藝裝備是可行的，之所以幾經波折至今未能投入正常生產，主要是受到資金的影響。中國水泥行業的權威專家胡道和教授認為：該項技術“思路合理、優點明顯、意義重大”。這位資深老前輩的觀點無疑是正確的，是對流化床水泥窯燒成技術和發展前景的肯定。

圖9 2012年11月19日20∶38∶20 中控室操作畫面截圖

從幾次投料運行來看，沸騰爐對生料的適應性還是比較強的，很少因為沸騰爐的“粘結、堵塞，破壞沸騰狀態”而停窯。影響目前運行的主要是工藝有待進一步完善，設備管理、操作水平有待進一步提高，主要表現為預熱器系統堵塞。

預熱器燒高是分解窯預熱器堵塞的主要原因，對這臺流化床窯的現在來講，不可避免地要將預熱器長期燒高，就難免造成預熱器堵塞。日本人在燒成爐出口增加了噴水裝置，說明他們已經意識到了這個問題的嚴重性，只是措施還不到位。

分解窯是預熱器燒高了容易堵、燒低了一般不會堵；但流化床窯的預熱器燒低了也會堵，主要是影響到造粒。分解窯在窯頭燒低時，會有嚴重的不完全燃燒，導致煤粉后燃、預熱器燒高，最終堵塞；流化床窯在燒成爐燒低時，會嚴重影響到造粒，導致大量的生料粉在預熱器內循環富集，最終堵塞。

流化床窯的預熱器燒高，導致了增濕塔和燒成爐的大量噴水，使得高溫風機能力不足，而這臺風機的配置偏偏又沒有富裕能力，嚴重影響到預熱器的風量和風速，影響到預熱器的帶料能力，加之在投料初期由于結粒不好，會有大量粉塵在預熱器內循環富集，當固氣比超過設計能力時，必然會塌料堵塞。

目前，事實上影響流化床水泥窯運行的主要問題不在燒成爐，而在預熱器系統的粘結堵塞上。就這臺窯的預熱器系統來講，目前主要存在兩個問題：一是預熱器被長期燒高，這在新型干法水泥窯上也是不允許的，控制預熱器燒高我們是有很多有效措施的；二是日本人設計的預熱器仍是九十年代初的水平，而我們國家在預熱器的設計上已經就防堵問題作了大量的改進，并取得了明顯的效果。

圖10 山東1000t/d流化床水泥窯試生產的熟料

本人認為，只要我們投入足夠的技術力量，對現有系統進行一些必要的改造，“利用沸騰爐代替回轉窯燒熟料”，道路并沒有那么漫長。