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[原创]水泥改变生活 “数字”变革水泥

2020/05/14 中国水泥网信息中心 曾家明

人的生活离不开“衣食住行”,在住的问题上,千万年来我们就没有停止过探索的进程,但受材料限制,建设大型建筑一直存在阻碍。直到水泥的出现,我们找到了一种迄今为止最为完美的建筑材料,城市的大规模发展以及现代文明体系的构建才成为了可能。......

人的生活离不开“衣食住行”,在住的问题上,千万年来我们就没有停止过探索的进程,但受材料限制,建设大型建筑一直存在阻碍。直到水泥的出现,我们找到了一种迄今为止最为完美的建筑材料,城市的大规模发展以及现代文明体系的构建才成为了可能。

尤其是预分解窑技术出现后,水泥不再是高成本的建筑材料,价格的“亲民”特性也加速了其在建筑领域的应用,恰逢战后全球经济高速增长期,水泥在此期间为全球经济腾飞发挥了不可磨灭的作用。

文明的阵痛

生产与消耗的矛盾螺旋

水泥就像一把双刃剑。社会发展需要生产大量的水泥,但水泥作为一种重污染、资源消耗型产业,从诞生之日起,资源消耗与环境污染问题就成为绕不开的话题。纵观整个水泥生产技术发展历程,本质上是水泥能源利用率不断提高,污染物排放量不断降低的过程。

200年前,水泥刚刚诞生,生产工艺采用仓窑煅烧方法。这种生产方式导致热利用率和成品率极低,造成能源和资源的大量浪费。从后来的立窑、干法回转窑、湿法回转窑等生产方式开始,如何提高能源利用率,提高品质稳定性就成为生产技术迭代更新的关键。

到了预分解窑阶段,水泥生产能源利用率得到空前提高,热耗从湿法长窑的1400-1500kJ/kg*4.18降低到700-800 kJ/kg*4.18,降幅达到一倍以上。国内水泥行业龙头企业,海螺水泥12000t/d生产线热耗已经降低至710kJ/kg*4.18,如此低的能耗在上个世纪预分解窑刚出现之时也是无法想象的。

预分解窑技术发找到现在,各方面指标仍然在持续的升级中。

从中国水泥网了解的情况来看,吨熟料煤耗方面,国内先进水泥企业已经能够降低至100公斤以下;电耗方面,由于余热发电技术的应用及发电能力的不断升级,部分水泥厂已经基本能够做到“零”外购电;NOx排放量方面,已经从早起的700-800mg/Nm3降低至400-500mg/Nm3;粉磨电耗方面,由于联合粉磨系统等粉磨工艺的不断优化升级,现在部分水泥企业吨水泥粉磨能耗已经低至20度电。

回首过去,在整个水泥工业发展进程中,生产水泥与资源消耗的矛盾螺旋就从未停止,但是正是这种曲折中的前进,使得水泥生产能耗和污染物排放一天天降低。

笔者曾与著名水泥业者,亚东水泥董事长张才雄有过一番交流。张董事长感慨颇深的指出,当前水泥价格如此低廉,与过去半个多世纪以来水泥从业者在技术装备领域的努力分不开。

技术层面的进步,让水泥质量、产量不断提高,能耗和污染物排放量持续降低,也让水泥更廉价。

路口的抉择

数字化引领水泥产业升级新风向

在过去的几十年里,预分解窑技术虽然不断的完善和改进,但随着水泥需求量的不断增长,以及水泥产业规模的快速扩张,在巨大的产量基数下,水泥生产带来的资源消耗仍然是天文数字。

有资料显示,仅仅在我国水泥生产能耗就占全国能源消耗总量的7%,二氧化碳排放量占全国10%,氮氧化物占全国10-12%,另外水泥生产总成本的60%以上都是能源消耗。降低水泥生产对资源的消耗,成为水泥行业绿色发展进程中一个永恒的主题。

近年来,伴随着信息化和工业互联网技术的发展,在集合前人生产经验的基础上,基于大数据资源的数字化生产方式正在各行各业兴起,并对现有生产方式带来革命性的变革。在水泥行业,数字化解决方案的出现则为实现水泥生产能耗和污染物排放量的进一步降低带来了可能,成为未来水泥绿色发展的关键突破口。

事实上,早在多年前,作为国际电气业巨头的施耐德电气就提出了水泥生产的数字化升级方案。推出基于物联网的新一代EcoStruxure架构与平台,并涵盖了过程监控系统、窑磨专家优化控制系统、能源监控和信息系统、配电系统、设备管理和状态监测系统、企业资产管理等水泥生产管理的方方面面,为水泥企业无缝、低成本、大规模地实施物联网提供了可能。

截止目前,施耐德电气已经为中联水泥祁连山水泥金隅水泥等国内水泥巨头提供数字化生产解决方案,并取得了卓越成效。

以祁连山水泥集团旗下漳县祁连山水泥有限公司为例,为了进一步降低能耗、节约成本、优化生产、提高企业核心竞争力,施耐德电气依托先进的EcoStruxure架构,为该公司提供括数字化咨询与服务、APC先进过程控制系统、EMS能源管理系统在内的软硬件一体化的整体解决方案,使得漳县祁连山在降本、节能、 提质方面均取得了显著的成果。

在熟料烧成环节,过去在生产过程中,窑操作员往往需要同时观察多达上百个工艺参数的动态变化,不仅要在数秒内迅速做出判断,还得通过计算机给出正确的调节指令。因为各个参数之间相互联动,牵一发而动全身,所以调节的困难之处在于同时兼顾“风、煤、料、窑速”等多种工艺参数和设 备参数的配合。当对任意一个变量进行调节时,必须预测它对全局的影响。操作好这样一个 工艺系统,就像杂技演员头手脚顶着一堆盘子维持平衡一样,必须依靠操作员长期积累的知识和经验。

显然,这项工作对窑操作员的技能、体力和精力都提出了巨大的考验。首先,不同的操作员 之间经验和技能不一,导致了操作水平的差异;其次,即使是同一位操作员,在不同时间段 的精力和体力也不同,容易造成产品质量的波动;最后,宝贵的操作经验藏在那些工作多年的老操作员脑中,不利于知识的积累和传承。种种人为因素的限制,往往无法保证水泥窑的 连续最优运行,实现低消耗高产出。

施耐德电气基于模型预测控制算法的APC系统则能让这些问题迎刃而解,该系统可实现水泥窑、预热器、篦冷机和磨机系统的最优化运行,在解放操作员、稳定产品质量的同时,保证了水泥窑安全、稳定、可靠、优化运行。

漳县祁连山水泥有限公司高级主任工程师程俊生表示:“我们是西北水泥行业第一家部署水泥窑APC系统的企业,只用了半年的时间就一次性投运成功。施耐德电气的APC系统帮助我们合理优化水泥窑操作参数,通过数据分析,建立预测模型,达到少人操作。使熟料标煤耗下降1公斤以上,熟料工序电耗下降0.7度/吨;出窑熟料游离氧化钙合格率达85%以上,标准偏差下降了10%以上,熟料强度稳中有升;三年来,APC系统在线率高达99%以上,没有发生过任何误操作导致的失控状态。”

甘肃祁连山水泥集团拥抱变革

数字生产考验水泥行业的决心与毅力

毫无疑问,在过去的50年时间里,水泥生产工艺已经基本固化,但这并不意味着降低水泥生产能耗和污染物排放将面临瓶颈,相反随着5G时代的开启,万物互联时代即将到来,数字化将深入水泥生产经营的各个层面,有望为水泥行业开辟一个绿色的未来。

然而,水泥行业的数字化转型仍然存在一些阻碍。水泥数字化工厂的实施是一项系统工程,需要软硬件服务商及水泥企业共同参与其中。尤其是作为主体的水泥企业,企业对数字化转型的决心在很大程度上决定了水泥数字工厂能否真正落地。

当前,国内水泥行业受益于供给侧结构性改革的推进,加之近年来区域水泥市场竞合关系日趋稳定,水泥价格持续保持高位,行业利润更是连年创下新高。中国水泥网数据显示,过去三年水泥行业利润分别达到877亿元、1546亿元和1867亿元,水泥行业毛利率更是远超大多数工矿行业。

如今,受新冠肺炎疫情影响,为加速经济恢复,从中央到地方推出了数十万亿的投资计划,加上近年来尚未开工的基建项目,水泥需求短期内有望迎来爆发式增长。业内普遍预测,受新一轮经济刺激计划的推动,未来3-5年水泥行业仍将保持良好的发展态势,水泥价格和行业利润均将获得有效支撑。

万物皆有两面性,水泥行业形势向好符合行业高质量发展需要,改善了水泥企业生存环境;然而高涨的价格和利润,也会一定程度上降低部分水泥企业技术升级积极性。另外,全面的数字化生产需要对企业现有生产经营方式进行大幅度调整。正因如此,在行业形势大好的情况下,推进水泥行业数字化转型,以降低能耗、污染物排放需要水泥企业的决心和毅力。

不过,正如水泥诞生的这200年一样,技术升级的步伐从来不会停止,在当代数字化浪潮下,未来水泥工业终将实现数字化转型,并成为继预分解窑之后水泥生产领域又一次具有划时代意义的革新,让水泥生产真正实现与大自然的和谐共处。

(责任编辑:俞垚伊)

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