水泥熟料燒成系統電耗分析探討

殷昭波（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

0 概述

水泥生產企業為高能耗企業，水泥生產能耗費用在生產成本中占60%左右。水泥生產過程主要能耗為燃料燃燒熱能和電能，其中電能消耗分布于整個水泥生產過程，具體情況如下：原燃料制備系統約占23%～48%，熟料燒成系統約占17%～27%，水泥成品系統約占35%～50%。本文現就熟料燒成系統電耗的基本組成及燒成系統的節能降耗措施作一淺要分析和探討。

1 熟料燒成系統電耗的基本組成

熟料燒成系統主要包括：從生料均化出庫至熟料入庫，包括窯尾廢氣處理、煤粉計量輸送系統。根據三條水泥熟料生產線燒成系統跟蹤統計結果，燒成系統運行用主機設備裝機功率及燒成系統生產用電耗分項估算見表1，2。

熟料燒成系統的電耗可分為三大類：物料輸送、氣流體傳送及生產輔助。其中物料輸送主要包括生料計量及輸送、窯主電機、熟料破碎及輸送、煤粉及窯灰輸送；氣流體傳送主要包括一次風機、高溫風機及窯尾排風機、熟料冷卻風機及窯頭排風機；生產輔助主要包括生產用水及壓縮空氣的消耗等。以上三類電耗估算及比例見表3。

由表1～3以及實際生產情況得出：

（1）燒成系統中物料輸送及生產輔助類電能消耗僅占燒成系統總電耗的30%左右。對于物料輸送，其輸送方式及裝置確定后，單位熟料電耗有變化，但變化較小，僅與系統配置設備的驅動效率相關，驅動效率越高，均攤的單位無功損耗就越小，相應熟料單位電耗也越低；對于生產輔助類設備電能消耗在整個燒成系統中占比較小，通過智能化裝備的配置，現電能消耗也越來越低。

表1 燒成系統運行用主機設備裝機功率 kW

表2 燒成系統生產用電耗分項估算 kWh/t

（2）燒成系統的電能消耗絕大部分在氣流體傳送上，占到燒成系統總電耗的70%左右，即風機對電能的轉化利用率主導了系統電耗的高低程度，決定了燒成系統單位熟料電耗的高低，因此熟料燒成系統的節能降耗關鍵點在氣流體傳送系統。

表3 燒成系統生產用電耗分類估算

2 熟料燒成系統的節能降耗的措施

2.1 優化系統管網阻力

系統管網阻力為系統中設備阻力與連接管道阻力的總和。其中設備阻力主要有：預熱器、余熱鍋爐、收塵器等。管道阻力主要來自各主機設備之間的連接管道。

隨著水泥技術裝備水平的進步，燒成系統中設備阻力已有了顯著的降低。通過對燒成系統中超低阻、高效預熱預分解系統的深入研究和改造應用，目前，五、六級預熱預分解系統的一級旋風筒（C1）出口負壓可控制在4500～5500Pa；SP余熱鍋爐運行阻力可控制在800～1000Pa，AQC余熱鍋爐運行阻力可控制在600～800Pa；窯頭窯尾排風機進口負壓主要為廢氣通過袋除塵器濾料時產生的阻力，目前，通過采用低阻高效濾料，窯頭（尾）袋除塵器的阻力由以往的1200～1500Pa已降到了600～1000Pa的水平。在實際生產中，氣體中粉塵性質對濾料阻力有很大影響，尤其是窯尾袋除塵器，這就需要生產操作管理人員提高操作管理水平，盡量減小其負面影響。

對于連接管道阻力，因水泥生產線產能較高，風管管徑較大，管道沿程的阻力較小，假設管徑30000mm、風速18m/s，100 m長管道沿程的阻力值約100Pa；而熱風管上的閥門、匯出/匯入三通、變徑、彎頭的局部阻力較大，為熱風管阻力的主要來源。以表1中#2線為例，若SP爐進出風與C1至高溫風機風管的匯出匯入三通設置不當，進高溫風機負壓由5850Pa增加至6150Pa，其單位熟料電耗會增加約0.45kWh。可見管道系統閥門的設置、三通等管道部件的構造設計對降低電耗極其重要，因此設計時應首要考慮盡可能減少其數量和降低其阻力值；其次在設計中應注意可并聯設置的設施盡量不采用串聯設置。如窯頭AQC爐的回風接口接至風冷器進口（即串聯設置）與接至風冷器出口（即并聯設置），窯頭排風機進口負壓前者比后者要高出約500～800 Pa左右，相對窯頭排風機來說，其電耗則會有較大幅度的增加。

2.2 選用在正常工況條件下效率較高的風機

在熟料燒成系統中，除一次風機外，高溫風機、窯尾排風機、窯頭排風機、熟料冷卻風機選用的都是離心式通風機或引風機。

一般情況下，離心風機軸功率（No）計算公式如下：

考慮機械傳動效率（η1），則風機實際需要的軸功率（N）為：

其中，Ne—單位時間內氣體通過風機所獲得的總能量，即有效功率；P—從風機進口輸送至出口的過程中所獲得的能量增量，即風機的全壓；Q—單位時間內通過風機輸送的氣體量，即風機的體積流量；ηo—風機的全壓效率；η1—風機的機械傳動效率。

由離心風機軸功率計算公式可見，流量、風壓、風機效率決定了風機對電能的消耗。風機的效率是設備本身固有的，風機的工作點所對應風機的效率是不同的，且變化較大也較快，因此，合適的風機選型可不同程度的提高風機電能的利用率，從而達到節能降耗的目的。

在現有運行水泥生產線中，燒成系統用風機的實際運行值一般情況下高溫風機較高，約70%～75%，窯頭、窯尾排風機較低，基本在70%以下；三者的運行效率都有較大提升空間。若高溫風機、窯頭窯尾排風機效率均提高10%，則單位熟料三臺風機總的電能消耗可下降1kWh/t以上。因此在設計或技改選型時要盡可能選用在正常工況條件下效率較高的風機，以降低實際生產的電能消耗。

對于熟料冷卻用風機，因生產工況相對較穩定，且采用變頻調速或更節能的永磁電機驅動技術，可使風機的效率達到80%以上，對第四代篦冷機來說，單位熟料電耗基本可控制在6.5kWh以內。

我們在選用離心風機時，還要考慮系統管網實際阻力及流量與離心風機性能的關系。風機轉速固定的情況下，風機的流量、風壓是一組對應值，當系統實際阻力低于設計值時，需要調節閥門開度以增加系統阻力來使風機流量達到系統需求。因此，設計選型時選擇的系統阻力或流量如果與實際使用時的系統阻力或流量偏離過大，將帶來額外的風機電能消耗。

由于水泥熟料燒成系統工況較復雜，實際生產過程中風機的風量、風壓工況也會有較大變化，為達到節能降耗的目的，離心風機應盡可能采用變頻調速技術，實現對風機風量、風壓的精準調節。已建成水泥生產線進行技改時，對系統進行標定后確定實際需要的風量、風壓工況參數，然后對風機進行針對性技術改造并采用變頻調速技術，可大幅度降低系統電耗。

2.3 減少系統漏風

現有水泥生產線中系統或多或少都存在漏風問題，有些生產線預熱預分解系統到窯尾排風機風量的總漏風率甚至超過50%，其單位熟料電耗因此大幅增加。我們的生產系統裝置，雖不能做到與外界的連通隔絕，但可通過精心的設計、嚴格的施工以及精細化生產管理，來最大限度地降低系統漏風。系統漏風量的降低不僅可以直接降低風機的電耗，而且可以減小系統內管網阻力，從而進一步減少系統電耗。

3 小結

隨著水泥技術裝備水平的進步，目前水泥熟料燒成系統在上述范圍內的單位熟料電耗一般可控制在20～25kWh之間，最優指標已可控制在20kWh以下；其中風機的電耗要占到70%左右。一般情況下，單位熟料的電耗會隨產能的提高而降低，但因系統風量、阻力及風機效率的相互影響，當系統產能超過某一值時會出現高溫風機、窯尾排風機及窯頭排風機電耗急劇升高的情況，從而系統電耗急劇增加。因此在設計及實際生產中，我們應對燒成系統實際電耗的分布進行充分理解，找到最佳設計操作參數，以實現節能降耗目的，達到最佳經濟技術指標。