预分解窑熟料热耗的影响因素和降低的途径

引言  

       建材工业是我国的耗能大户，其中水泥生产占全国建材能耗的35%。国内水泥生产的平均热耗和发达国家相比高达65%-70%。而作为先进水泥生产技术的预分解窑，国内许多厂家仍存在诸多问题。以RSP预分解窑为例，据统计，至1996年在国内的三十多条预分解窑水泥生产线中，稳定达产达标的厂家不过七、八家，仅占20%左右。其主要问题是系统热耗普遍较高，结皮堵塞现象严重，加之设备故障频繁，从而导致窑的运转率不高。面对日益紧张的煤炭资源和即将枯竭的矿山资源，如何降低水泥生产的熟料热耗，实施水泥工业可持续发展战略，现实地摆在每个水泥工作者的面前。  

     1　系统熟料热耗高的原因分析  
　　

       国外水泥厂家通过采用低阻高效的多级预热器系统、新型篦式冷却机和多通道喷煤管等先进技术装备，利用窑系统的低温废气余热发电，回收使用二次能源等先进工艺，降低了水泥生产的熟料热耗。表1、表2分别为国内外部分水泥厂家熟料热耗、预热器出口废气热损失及系统漏风量的对比。国内生产厂家的熟料热耗较国外高出较多，以RSP预分解窑为例，G厂、C厂和F厂的热耗分别比日本RSP窑高出31%、30%和13%。众所周知，国内生产厂家热耗高的原因有三个方面。一是预热器出口废气热损失大。国内厂家预热器出口废气热损失占系统熟料热耗的26%左右，有的近30%，平均比国外厂家高出约4%，而国内这些厂家在我国还算是较好的水泥企业。造成如此高的废气热损失主要原因在于预热器出口废气量大、废气温度较高、系统存在较严重的漏风。国外较先进的带五级预热器的预分解窑的预热器出口废气温度一般为290～310℃，如果国内厂家预热器出口废气温度能降至这个水平，则其预热器出口废气热损失可降低许多。以G厂为例，若其预热器出口废气温度由目前的370℃降至300℃，则废气带走的热损失将由目前的每千克熟料1119kJ降至903kJ，降幅为19.3%；如果此时其出口废气量再降低，比如系统漏风量由目前的每千克熟料0.389kg降为0.195kg，即降低一半，则废气量由每千克熟料2.898kg降至2.704kg，其它条件不变，此时预热器出口废气热损失又将降到842kJ，降幅为6.7%，这种情况下系统的熟料热耗将由目前的4 031kJ/kg降为3254kJ/kg，降幅为19.3%。表2中A厂、D厂和E厂烧成系统漏风量较少，多数厂家系统漏风量占物料总收入的比例为日本DD窑的2.5倍，有的厂家甚至高达6倍。如果用系统漏风量占预热器出口废气量的百分比来看，多数厂家约为15%，有的竟高达23%。由此可见系统漏风问题在部分厂家仍没有引起高度重视，但系统漏风造成的损失却是显而易见的。一方面增大了系统废气量，增加了热损失和风机电耗，另一方面由于漏风降低了气体温度，进而降低了气固换热效率。特别是各级预热器下部翻板阀及下料管的内、外部漏风，将使旋风筒分离效率急剧降低，从而造成高温物料向上级低温旋风筒返混，扰乱系统正常生产，其热耗必然增加。 

      当然，国内厂家预热器出口废气量即使扣除系统漏入的空气量，其数值也多在2.1kg/kg左右，而日本DD窑扣除后仅为1.7kg/kg。国内预热器出口废气量大的主要原因除热耗高、燃烧产生的烟气量大外，系统用风量方面仍值得深入的探讨。  
　　国内厂家熟料热耗高的第二个方面是烧成系统的散热损失较大。数据对比如表3所示。

 
      由表3可见，就系统各部分散热损失大小而言，回转窑最大，以下依次为预热器、三次风管、分解炉、冷却机(篦式冷却机)，其中回转窑、预热器两者散热损失之和要占系统总散热量的80%～90%。除去二者的外表面积较大的原因外，设备的表面温度较高也不容忽视，特别是回转窑。  

      造成国内水泥生产厂家烧成系统散热损失高不仅有内衬材料选择的原因，而且有生产操作上的原因。如耐火材料的选择不当，使用时间较长，隔热效果不够理想以及窑头、分解炉两把火用煤量不尽合理，使烧成系统的整体温度普遍较高等。在耐火材料配套设计和施工、窑速变化及碱等挥发性组分的侵蚀对耐火材料的影响等方面重视也不够〔1〕。另外还有设备设计选型上的原因。国内在设计中小型预分解窑系统时，可能本着设备留有适当富余能力、缓冲操作上的困难等种种原因，设备选型往往偏大，以回转窑为例，国内外部分厂家的比较如表4所示。  

　　通过对比可以看出，就窑的单位容积产量而言，国内回转窑明显要低于国外厂家，从某种程度上来说，也就意味着国内回转窑(超短窑除外)规格的设计仍值得探讨。以Φ4m×60m的回转窑为例，印度Visaka水泥公司的窑的设计生产能力为2500t/d，而国内只有2 000t/d，两者差值竟然高达25%。生产实践指出，对于同一规格的回转窑，会因预热器与分解炉等的规格匹配、原燃料的品质种类、窑炉燃料的用量比、配料的率值、化学成分的稳定性及操作而影响其台时产量〔2〕，但当热负荷的主体碳酸盐分解，部分或大部分从窑内移到窑外时，决定系统能力的因素也理应由回转窑移到预热器和分解炉系统〔3〕。目前国外厂家在保证预分解程度高且稳定，回转窑具有一定潜力的基础上，纷纷在缩小窑的规格，比如超短窑。这样可适当降低窑的散热损失，减小耐火材料的用量，有利于节能。与国外相比，国内在这方面还存在提高认识的问题。在设计新的水泥生产线时，应具体考虑到工厂使用的原、燃料品质，操作管理水平等，充分做到设备选型合理、优化，功能匹配得当，否则生产中产量的提高会使窑系统平衡变得极为敏感，有时遇到小小的波动亦难以调整。

      由表3可以发现，分解炉的散热损失占系统总散热损失的比例较小，适当增大分解炉的有效容积，对系统散热损失影响不大，但可延长粉料在炉内停留时间，对煤粉燃烧与生料分解反应有利。目前新型分解炉的设计，除了注重改变燃料入口位置、燃料、生料、三次风分布方式外，还存在着增大炉体体积的趋势。  

　　通过表4还可以看出，规模大的厂家的窑的单位截面积产量大于规模小的厂家。同时研究也表明，对于不同规模的预分解窑，规模大的预分解窑的单位容积的耐火材料用量比规模小的预分解窑要少，而且在国内各种规模的预分解窑系统中，没有达产达标的以中小型窑居多。因此，本着工厂的技术经济指标考虑，国内在新建预分解窑时，在资金允许的条件下以采用大中型预分解窑为佳，日本、东南亚一些国家纷纷建造大型的水泥预分解生产线也足以证明这一点。  
　　

     冷却机余风带走热量较大也是导致系统热耗高的一个原因，如表5所示。

      由表5可知，若从出冷却机余风风量、风温两项指标来看，国内厂家与国外水平还比较接近。但国内厂家冷却机热回收效率、入窑二次风温明显偏低，出冷却机熟料温度偏大，这些都说明了国内的篦式冷却机与国外厂家相比，在冷却风利用率、提高窑系统二次风温等方面尚存在较大差距。  

2　降低系统熟料热耗的途径  
　　

      从前面叙述中可以知道，国内厂家熟料热耗高的原因虽主要在于预热器出口废气热损失、系统散热损失及冷却机余风热损失三大热损失较高，但具体到各项热损失仍有其根本原因。目前，降低系统热耗的途径有多方面，本文归结如下。  

2.1　优化系统设计和生产操作  

2.1.1　优化原料配方  
　　

      原料的性质及其配料方案对水泥生料易烧性有着重要的影响，它与烧成系统设备如分解炉等的设计、操作密切相关。生产中理应对不同的原料，通过优化配比，为实现节能降耗打下基础〔4〕。  

2.1.2　采用多级新型旋风预热器系统  
　　

      造成预热器出口废气热损失较高的原因有预热器系统换热效率不高，厂家忽视了系统漏风对水泥生产的影响等。实践证明只有选用多级低阻高效旋风预热器系统，彻底改进预热器本身的性能，才能提高预热器系统的换热效率，降低预热器出口废气温度，生产中还应严格注意设备的密封堵漏，从而降低系统的熟料热耗。但对目前已建成投产的预分解窑，还可以针对其较高的预热器出口废气温度和出冷却机余风温度，通过低温废气余热发电，从而为降低系统熟料热耗做出贡献〔5〕，这在鲁南、琉璃河、宁国等厂已取得了成功。  

2.1.3　应用新型高效的篦式冷却机  
　　

      新型篦式冷却机应力求以最少的冷却风冷却尽可能多的热熟料，使冷却风与热熟料充分地进行热交换，提高入窑系统的二、三次风的温度，从而达到高效、低耗的目的〔6〕。  
　　

      1990年新型的控流式篦式冷却机投放市场以来，很快以其节省熟料热耗、提高窑系统的运转率和可靠性，以及延长篦板寿命与减少维修量等优点，在国外得到了广泛的运用，获得了显著的效益〔7〕。目前，我国水泥工业也正积极推广带阻力篦板空气梁垫的新型高效篦式冷却机。  
　　

      当然，除上述三点之外，正确合理地选择耐火材料和保温材料对水泥生产也至关重要，水泥生产中理应引起高度重视，以求实现窑系统及不同部位衬里的长寿命和低散热。  

2.2　开发新型水泥烧成工艺，发展高性能水泥  
　　

      英国、美国、法国及日本等国已率先利用工业可燃废料来生产水泥。他们通过水泥工业可以回收利用的可燃废料和含可燃质的原料作为二次燃料，结合循环流化床技术，进行水泥新烧成工艺的开发，业已取得了初步成功〔7，8〕。国内在此方面尚未见到报导，但国内已着手进行新型干法窑燃无烟煤生产水泥技术的研究开发，同时不少单位已从节能降耗和环保角度出发，开展对具有低的钙硅比、低的烧成温度和高的水硬活性、高的水化率的高性能水泥的研究，以期达到降低生产能耗、减少资源消耗、减轻环境负荷的目的，促进我国水泥工业的结构性调整。  

3　结论  
  　

      (1) 国内水泥厂家熟料热耗高的原因主要在于三大热损失较高，其中预热器出口废气量大、废气温度高、系统漏风严重、耐火材料使用不尽合理、冷却机热回收效率低等原因是导致系统热耗高的直接原因。同时回转窑规格的设计等也值得进一步探讨。  
　　

      (2) 降低系统热耗的途径有多方面。一是从原料入手，优化原料配方。二是优化系统设计和生产操作，通过采用多级低阻高效旋风预热器系统，或充分利用预热器出口废气热量和出冷却机余风热量，通过低温废气余热发电技术，为降低熟料热耗做贡献。三是应用新型高效的篦式冷却机，通过提高冷却风的利用率，降低出冷却机的熟料温度，以此降低系统热耗。  
　　

     (3) 耐火材料和保温材料的正确合理的配套选择、使用和管理等对降低系统热耗至关重要。  
　　

     (4) 最大限度地将水泥工业可以回收利用的可燃废料和含可燃质的原料，乃至人类社会活动中排出的工业废弃物和生活废弃物作为二次燃料，加以有效利用，积极开发新型水泥烧成工艺，发展高性能水泥，实现我国水泥工业的可持续发展战略，并使水泥工业成为环境协调型产业体系。  

                                                                                 (来源：《水泥》杂志1999年 第六期 )