大型水泥厂的设计理念

　　目前国内外5000t/d以上规模的水泥厂逐渐成为业主建设的首选，水泥厂的建设规模越来越大，过去传统的设计理念正在发生变化。笔者曾担任海螺徐州10000t/d、枞阳10000t/d、池州海螺8000t/d、华新阳新6000t/d、武穴6000t/d、巴基斯坦 KOHAT和GHARIBWAL6000t/d等大型水泥项目的设总，根据这些项目的设计过程和投产后的情况以及新技术的发展趋势，笔者将大型水泥厂的设计思路和主体方案应遵循的理念概括为“可靠、简单、先进、节能、环保”十个字，下面通过几个主体方案的选择进行论述。

　　1 厂址的选择

　　厂址的选择突出的是“可靠”二字，就是原料供应要可靠、市场销售要可靠，过去将一个完整水泥生产线放在同一个厂址的概念，正在慢慢变为熟料、水泥项目分别建设，即熟料线靠近矿山而粉磨站靠近市场的选址思路。现在国内水泥销售以汽车运输为主，汽车运输的距离毕竟有限，太远则运输成本上升且不能适应市场的波动。另外，在销售市场附近建设粉磨站有树立品牌形象、给顾客以安全可靠的感觉。水泥厂用量最多的原料是石灰石，其运输量占全部物流的一半，因此熟料线靠近矿山可以减少运输成本，降低由于原料供应而影响生产的风险。熟料线的选址还应该考虑交通的便利性和熟料运输的成本，象枞阳海螺、池州海螺、铜陵海螺、华新阳新、华新武穴等大型熟料基地建设在长江沿岸，在长江上建有专用码头，利用廉价的水路运输将熟料运往各粉磨站或外销，这样就大大降低了熟料的生产成本和销售运输成本，增强了市场竞争的能力。

　　2 矿山的选择和规划

　　矿山的选择和规划要着重考虑“可靠、环保”，在资源日益紧张的今天，选择一个储量大、质量好的矿山不是很容易的事情，在浙江全省有那么多水泥厂，但好的矿山仅集中在两个区域。因此对矿山的要求不能太高，过去追求的同时具备大储量、高钙、低碱、均匀稳定、易开采等要求已经不太好满足，随着水泥厂不断大型化，技术越来越先进，对原料的适应性也越来越强，只要有害成分不是太高、品位满足基本配料要求即可。但矿山必须要作好详细的地质勘探，设计好长远的开采计划和资源利用方案。前几年普遍对矿山的规划工作不够，认为只要能运下石头就行，简单地做个道路、削顶和开采平台就匆匆投入使用了，结果一、两年后矿山无法开采，只好重新再作设计。现在有经验的水泥集团对矿山的前期工作十分重视，特别是地质部分，提前做好资源利用(搭配)方案和长远的开采规划，做到有控制地开采。现在大的水泥公司，对剥离下来的废石，全部搭配利用，既节约资源、又符合国家提倡的循环经济模式。

　　3 原料预均化设计

　　原料预均化的设计突出的是“简单”二字，在大型水泥厂的设计中，原燃料特别是石灰石均设有预均化堆场，但由于石灰石在矿山的开采过程中已经有意识地进行了搭配，且日用量特别大，一条万吨线的日用量大约1．2万吨，爆破时间间隔大大缩短，矿山的生产自然包含了均化作用。因此石灰石预均化堆场用于储存的作用就高于均化作用了，大型回转窑对原料的适应性很强，对均化的敏感性不像小型回转窑那么高。这样石灰石预均化堆场的真正作用就是作为石灰石破碎和生料磨之间的缓冲，一般破碎机更换一副锤头的时间为ld，则石灰石的储量设计3d就足够了，一般矿山到厂区采用长胶带输送机或设有专用运矿道路，因此不存在运输的风险。在大型水泥厂中，长形预均化堆场由于可扩建性，应该更具有优势，但轨道宽度要控制在40m以内，否则取料机大梁的刚度就面临严重挑战。堆料层数也没有必要设计400层那么多，堆料机的速度可以放慢，堆场必须设有应急通道，在取料机检修时使用。国外还有一种思路，就是直接将石灰石配料秤设在取料机下面，取消石灰石配料库，以减少中间环节，提高运转率。

　　由于国内能源供应日益紧张，质量好的原煤价格很高，许多水泥厂采用劣质煤，而且货源不能稳定，进货渠道不固定，所以必须设置原煤预均化堆场。原煤不像石灰石那样靠近矿山，必须有一定储量以抵抗市场供应的风险和保证必要的均化效果，储存期设计为7-10d为宜。

　　生料均化库也不必追求过高的均化效果，它的储存作用和均化作用同样重要，选择均化效果达到5的均化库即可满足大型水泥厂的需要。有一种观点认为可以取消生料库，出磨生料直接入窑，但笔者认为不可行，因为这样窑喂料量很难调节，烧成系统无法稳定。如果生料磨采用两套系统，生料储存期可设计为1～2d；如果生料磨采用一套系统，生料储存期设计为2～3d为宜。

　　4 原料粉磨系统的选择
　　原料粉磨系统的设计要重点考虑“节能”二字，笔者负责的几个大型项目，除华新武穴采用风扫磨外，其余全部采用立磨。立磨系统因为其节电、流程简单成为大型水泥厂的首选，国内5000t/d项目采用管磨系统的不外乎两个原因：一是原料难磨，如石英砂岩含量高，二是立磨供货周期太长，影响建设工期。但由于大型水泥厂用电量很大，立磨的节电效果明显，因此只要有一点可能，也要采用立磨。

　　过去有些项目模仿山东大宇的立磨工艺流程，即采用所谓高浓度电收尘器，出磨气体不设置旋风筒，事实证明这样设计是不成功的，收尘效果很差。无论采用电收尘器还是袋收尘器，出磨含尘气体均应设置旋风筒进行预收尘，以降低收尘器的负荷，提高气体排放标准。

　　为了保护立磨，在物料进磨前设有三通，将探测到的含铁或其它金属物料排放出去。在小型厂可以直接排放或设废料仓，但大型水泥厂每次物料排放量很大，因此在进调配库前即设置除铁器，进行“预除铁”，生料磨前排放的废料再入循环仓进行“二次除铁”，以减少废料的运输量。

　　5 烧成系统的设计
　　烧成系统是水泥厂的核心，设计的原则应是“先进、节能、环保”，烧成系统的技术十分成熟，可以说国内的技术与国外没有什么差别。国内外各著名设计单位的分解炉炉型不一样，但工作原理和技术参数十分接近，以天津院第三代烧成系统和枞阳10000t/d对比为例(表1)。

　　从表l可以看出，我国的新型干法水泥技术已经达到国际先进水平，完全掌握了核心技术。不但如此，而且新一代烧成系统对原燃料的适应性更强，过去认为原煤的热值应大于22990kJ才能满足预分解窑的要求，而现在只要18810kJ即可，甚至更低，这样就大大降低了原料成本。目前需要重点研究的是如何优化窑尾塔架的用钢量和推广两档窑，以降低一次性投资。最近投产的由天津院设计的天瑞石龙5000t/d项目，经过对塔架的优化设计，较传统的5000t/d项目节约钢材130t。

    目前国家大力提倡利用水泥回转窑进行垃圾焚烧，即对工业废弃物进行处理，这种处理既不造成二次污染，又比专门设计一套垃圾处理系统经济，处理能力很大。因此烧成系统的设计不但要考虑“先进、节能”，还要考虑对“环保”的贡献。

　　6 水泥粉磨系统选择
　　水泥粉磨系统的设计重点也是“节能”，因为水泥粉磨部分在水泥厂中所占电耗比例最大，约为45％。可供选择的水泥粉磨系统流程很多，有开流磨、普通闭路磨、预粉磨、联合粉磨、终粉磨、立磨等。开流磨即高细磨，虽然能耗低、投资低，但调整水泥品种比较困难，水泥成品温度太高，除两广地区外不太受用户欢迎；普通闭路磨流程简单，运行可靠，以拉法基公司为代表的国外大公司基本采用该系统，但笔者认为该系统不适于国内大型水泥厂，原因是电耗较高，我国是能源消耗大国，不符合“节能”的理念，因此辊压机和立磨应该是大型水泥厂设计的首选方案。无论预粉磨还是联合粉磨，每吨水泥至少节电5kWh，如果采用终粉磨或立磨系统则每吨水泥节电12～15kWh。随着新材料技术和机加工能力的不断提高，辊压机给人以不可靠、维修量大的感觉会慢慢改变，辊压机用于终粉磨也不是不可能。至于立磨，应该是水泥粉磨的发展趋势。笔者曾经负责安徽朱家桥水泥公司的设计，该项目采用拉法基公司立磨粉磨水泥和矿渣，运行将近十年，效果一直很好。天津院在浙江某公司将立磨成功用于粉磨矿渣，后又陆续为唐山、福建等公司提供了数套立磨用于粉磨矿渣，矿渣较熟料难磨，因此立磨用于水泥粉磨也一定是一个趋势。

　　7 余热发电系统
　　不需要补燃的低温余热发电技术已经十分成熟，这为水泥厂的节能设计提供了很好的技术支撑，过去烧成系统产生的废气经过增湿、降温、收尘处理后直接排放，没有对这部分余热加以回收利用。目前该技术余热发电量可达36～40kWh/t熟料，主要流程是在窑头冷却机废气出口设置窑头余热锅炉AQC炉，前段为蒸汽段，后段为热水段，在窑尾预热器的废气管道上设置SP余热锅炉，SP炉产生的蒸汽与窑头AQC余热锅炉前段产生的蒸汽合并后送入汽轮机作功发电。随着能源供应的日益紧张，节能减排成为基本国策，国家对新的水泥生产线审批时，要求同步设计余热发电系统，因此余热发电系统是最能体现“节能”这个理念了。

　　8 电气自动化系统
　　电气自动化的设计主要考虑“可靠、先进”的原则，现在水泥项目的调试主要是调电气设备和相应的参数，影响运转率的因素有很多是电气原因，所以电气自动化的设计思路首先是“可靠”，特别是大型水泥厂，主机不能开开停停。自动化的设计指标是一个工厂技术水平的重要标志，只有自动化水平提高，才能减少操作工人，降低生产成本，才能完善设备的安全保护措施，并提高生产的稳定性，因此自动化设计追求的目标永远是“先进”。现在大型工厂的测点越来越多，需要处理的信息量越来越大，控制系统越来越复杂，现场总线技术因此而产生，该系统要求采用智能仪表，中低压采用智能化MCC(智能马达控制器)，利用总线通过Ethernet网络与计算机系统连在一起。虽然仪表和传动部分增加成本，但计算机系统特别是通讯电缆和桥架的投资会大大降低，总的投资反而会减少。笔者负责的华新两个项目和海螺万吨线均采用了现场总线技术，采用该技术后，操作员掌握的信息量大大增加，更有利于对运行参数的判断和调整，使系统运行更加稳定，因此值得推广。

　　大型水泥厂设计原则和需要考虑的因素很多，但笔者认为关键是“可靠、简单、先进、节能、环保”这十个字，过去强调的“低投资”、“经济合理”、“建设周期最短”、“花园式工厂”、“功能齐全”等理念不是没有道理，但相比之下在“以人为本”、“可持续发展”的总体思路下，已经显得不是很重要了。