水泥生產(chǎn)過程中的碳酸鹽分解、燃料燃燒、電力消耗等均會影響系統(tǒng)的碳排放，提高能源效率是有效減少燃料碳排放的措施之一，也是能源研究領(lǐng)域和水泥工業(yè)碳減排技術(shù)研究的重點(diǎn)發(fā)展方向。2021年，國家發(fā)改委根據(jù)《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》制定了以下行動目標(biāo)：到2025年，通過實施節(jié)能降碳行動，鋼鐵、電解鋁、水泥、平板玻璃、煉油、乙烯、合成氨、電石等重點(diǎn)行業(yè)達(dá)到標(biāo)桿能效水平的產(chǎn)能比例>30%，行業(yè)整體能效水平明顯提升，碳排放強(qiáng)度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計，目前，各行業(yè)達(dá)到1級能效的標(biāo)桿企業(yè)數(shù)量不足5%，按照2025年達(dá)到或超過能效標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例30%計算，平均每年需增加達(dá)標(biāo)企業(yè)約6%，因此，在未來一段時間內(nèi)，能效提升是水泥行業(yè)節(jié)約能源、減污降碳的必要措施，市場需求及應(yīng)用前景廣闊。

水泥制造工藝流程碳排放簡圖如圖1所示。

早期投產(chǎn)的生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)主要存在以下問題：

（1）缺乏先進(jìn)可靠的技術(shù)裝備，煤耗、電耗普遍偏高，旋風(fēng)筒阻力大，分解爐爐容小，冷卻機(jī)換熱效率低。隨著GB16780-2021《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》的實施及地方政府能源雙控政策的執(zhí)行，落后產(chǎn)能面臨淘汰。

（2）早期開發(fā)的燒成系統(tǒng)，旋風(fēng)筒收塵效率低，源頭減排能力不足，粉塵、NOX、CO等的排放指標(biāo)難以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，生產(chǎn)成本較高。

（3）尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化、快速提高能源效率的降碳系統(tǒng)解決方案，現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線存在的問題千差萬別，可采取的技改措施組合有多種，水泥企業(yè)往往因為想要改造的內(nèi)容多、目標(biāo)不集中，技改停窯時間長、技術(shù)指標(biāo)缺乏競爭力，導(dǎo)致技改方案不能滿足企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展要求。

（4）缺乏科學(xué)可靠的熱效率診斷及計算方法，現(xiàn)有熱工計算方法存在一定不足。某水泥生產(chǎn)線熱工標(biāo)定熱量收入、熱量支出各分項數(shù)據(jù)見表1。

3.1 梯度燃燒低能耗自脫硝分解爐技術(shù)

分解爐是預(yù)分解系統(tǒng)的核心設(shè)備，是節(jié)能降耗的研究重點(diǎn)，也是源頭減排深度自脫硝的關(guān)鍵設(shè)備。為保證分解爐內(nèi)煤粉燃盡和氮氧化物自脫硝效率，在兼顧建筑框架結(jié)構(gòu)的前提下，抬高入分解爐三次風(fēng)管，增加分解爐自脫硝空間；若框架內(nèi)仍有空間，分解爐頂部可繼續(xù)向上加高增加柱體，頂部彎頭改造為低阻鵝頸管，進(jìn)一步降低通風(fēng)阻力。分解爐改造后，還原區(qū)氣體停留時間>1s，有條件的塔架可達(dá)2s；氣體在分解爐內(nèi)的總停留時間達(dá)8~10s，滿足分解爐自脫硝和煤粉燃燒的反應(yīng)條件。

由于分解爐的擴(kuò)容調(diào)整和脫硝設(shè)計，需對入分解爐料管進(jìn)行多點(diǎn)分料設(shè)計，以控制主爐溫度分布和還原氣氛。常見分解爐雖設(shè)置了多點(diǎn)喂料，但在實際生產(chǎn)中的可操作性往往不強(qiáng)，不具備梯度燃燒調(diào)節(jié)功能。改造時，通過在分料閥上部設(shè)置鎖風(fēng)閥，實現(xiàn)精準(zhǔn)分料，匹配料點(diǎn)與煤點(diǎn)，達(dá)到調(diào)控分解爐內(nèi)溫度場的作用，進(jìn)而實現(xiàn)煤粉燃燒和脫硝反應(yīng)的調(diào)控。入分解爐料管分料優(yōu)化設(shè)計見圖2。

圖2 入分解爐料管分料優(yōu)化設(shè)計

3.2 弱渦流低阻高效旋風(fēng)筒技術(shù)

采用弱渦流低阻高效旋風(fēng)筒對現(xiàn)有預(yù)熱器進(jìn)行改造，其蝸殼體采用等高度變角三心270°大蝸殼螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)口處采用斜壁引導(dǎo)氣流順暢平穩(wěn)地進(jìn)入蝸殼體，且進(jìn)口面積大，可減少進(jìn)口區(qū)渦流阻力，并有效控制進(jìn)口氣流速度和氣流在內(nèi)筒的旋轉(zhuǎn)速度，減少或避免進(jìn)口氣流與回流相撞，利于提高氣固分離效率，降低設(shè)備阻力。旋風(fēng)筒進(jìn)口采用防積料斜坡設(shè)計，可減少塌料對旋風(fēng)筒內(nèi)氣流的干擾。

為滿足節(jié)煤降耗要求，可將窯尾五級預(yù)熱器改為六級預(yù)熱器，主要思路為：拆除頂級旋風(fēng)筒C1，在原有C1平面上增加一級旋風(fēng)筒作為六級預(yù)熱器的C2旋風(fēng)筒，原有C2~C5旋風(fēng)筒分別作為改造后六級預(yù)熱器的C3~C6旋風(fēng)筒。C1旋風(fēng)筒是窯尾煙氣經(jīng)過的最后一級旋風(fēng)筒，采用高分離效率旋風(fēng)筒，能降低出預(yù)熱器煙氣粉塵濃度，降低旋風(fēng)筒阻力的同時，還能減少出預(yù)熱器煙氣帶走熱量，減少后續(xù)風(fēng)機(jī)磨損及收塵器負(fù)荷。新增一層作為頂部平臺，布置新的頂級旋風(fēng)筒C1。新增C2旋風(fēng)筒，改造C2旋風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)管。增加一級預(yù)熱器后，預(yù)熱器出口溫度約260℃，壓力約5000~5500Pa。

3.3 窯中及三次風(fēng)管調(diào)整

可用于窯中的能效提升技改措施主要包括：提升回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、優(yōu)化窯尾煙室、優(yōu)化窯頭罩及三次風(fēng)管等。

（1）抬高三次風(fēng)管入分解爐位置，優(yōu)化進(jìn)風(fēng)方式，增設(shè)采用三次風(fēng)分風(fēng)分級燃燒的脫硝風(fēng)管，脫硝風(fēng)管出口與分解爐中部連接。脫硝風(fēng)管上設(shè)閘板閥，可調(diào)整三次風(fēng)分風(fēng)比例。

（2）煙室是物料入窯和出窯氣體入爐的連接部位，在設(shè)計上要求能夠保證熱物料快速平穩(wěn)入窯，減少揚(yáng)塵，降低出窯煙氣通過煙室產(chǎn)生的壓損。通過核算煙室與分解爐、回轉(zhuǎn)窯連接處的縮口直徑，必要時優(yōu)化調(diào)整煙室與分解爐、回轉(zhuǎn)窯連接部位，增加最小通風(fēng)截面積，促進(jìn)窯內(nèi)通風(fēng)。煙室縮口以下設(shè)置1支煤管作為脫硝的備用設(shè)施，在煙室兩側(cè)及頂部、與分解爐連接縮口部位鋪設(shè)微晶板，減少系統(tǒng)結(jié)皮，提升系統(tǒng)能效。

3.4 中置輥式破碎機(jī)前移的冷卻機(jī)技術(shù)

在大顆粒熟料錯流換熱理論的基礎(chǔ)上，研究了多孔介質(zhì)的氣固換熱過程，數(shù)值模擬了不同入料狀態(tài)、不同供風(fēng)狀態(tài)、不同篦板結(jié)構(gòu)的冷卻效果。開發(fā)了新一代自動風(fēng)量平衡流量閥，通過自調(diào)節(jié)壓力平衡，實現(xiàn)各篦板單元供風(fēng)量的相對恒定。

在前期方案設(shè)計中，對旋風(fēng)筒、冷卻機(jī)、預(yù)熱器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、數(shù)字化設(shè)計，可有效提升設(shè)計效率，縮短現(xiàn)場施工周期，實現(xiàn)水泥節(jié)能降碳技術(shù)升級。通過標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計，預(yù)熱器可實現(xiàn)五級改五級、六級、七級不同形式的改造組合，分解爐可根據(jù)塔架內(nèi)空間進(jìn)行塔內(nèi)、塔外改造，可對冷卻機(jī)實施整體更換、局部加大篦床面積、更換固定斜坡、改造輥式破碎機(jī)等多種改造組合。

典型五級預(yù)熱器改六級及分解爐數(shù)字化建模示意如圖3所示，藍(lán)色表示主要優(yōu)化改造部分。其中，新增加的二級旋風(fēng)筒采用了“降高”設(shè)計，滿足原有頂層樓面高差較小的情況。分解爐受限于現(xiàn)有框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)在原有塔架內(nèi)加大爐容不能夠滿足降耗脫硝要求時，采取圖3d所示改造方法，拐出塔架加大爐容。

圖3 典型五級預(yù)熱器改六級及分解爐建模示意（藍(lán)色表示技改部位）

根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線熱工標(biāo)定數(shù)據(jù)及技術(shù)診斷結(jié)果，能效提升的低碳轉(zhuǎn)型燒成技術(shù)系統(tǒng)解決方案如表2所示，采用針對性強(qiáng)、工期較短、工程量較小的方案改造現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線，使其達(dá)到GB16780-2021《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》中能耗1級或2級標(biāo)準(zhǔn)。采用能效提升的低碳轉(zhuǎn)型燒成技術(shù)系統(tǒng)解決方案前后的參數(shù)對比如表3所示，通過高溫風(fēng)機(jī)的軸功率計算，電耗減少2.6~3.0kW·h/t.cl，窯尾余熱發(fā)電量降低約8kW·h/t.cl，燒成系統(tǒng)窯尾預(yù)熱器五級改造為六級后，需考慮高溫風(fēng)機(jī)、余熱發(fā)電等外圍車間的輔助設(shè)計核算。

熟料生產(chǎn)過程的能量消耗是水泥生產(chǎn)碳減排的重要研究內(nèi)容，熱工測試和熱平衡計算是研究生產(chǎn)過程中影響節(jié)能減碳因素的必備方法。根據(jù)熱工標(biāo)定，測試節(jié)能減碳技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用情況和存在問題，本文深入分析了與現(xiàn)行熱效率計算相關(guān)的各影響因素，針對“機(jī)械不完全燃燒熱”、“煤粉熱值的計算方法”等開展了實驗驗證，提出了GB/T26281-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》、GB/T26282-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡測試方法》兩項標(biāo)準(zhǔn)的修訂建議。在實際熱工標(biāo)定測試中，采用修訂后的方法進(jìn)行熱平衡計算，能夠精準(zhǔn)判斷系統(tǒng)熱耗及各分項熱耗，從而掌握水泥生產(chǎn)線存在的問題，為系統(tǒng)優(yōu)化改造提供有力依據(jù)。新建或改造的水泥生產(chǎn)線運(yùn)行后，可通過熱工標(biāo)定發(fā)現(xiàn)問題，通過調(diào)試工作優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，以最大程度提升水泥生產(chǎn)線的熱效率。

通過對水泥窯實際工程數(shù)據(jù)和物料物性的分析研究，科學(xué)判斷現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線的技術(shù)瓶頸，有針對性地提出水泥低碳轉(zhuǎn)型燒成技術(shù)系統(tǒng)解決方案。以某水泥生產(chǎn)線為例，通過對現(xiàn)場的多次考察，掌握了目前水泥生產(chǎn)線運(yùn)行情況并對其進(jìn)行了熱工計算分析。表4為改造前后熱平衡、熱支出計算數(shù)據(jù)結(jié)果對比。改造后，燒成系統(tǒng)熱效率從53.6%提升至62.6%，燒成系統(tǒng)標(biāo)煤耗由113kg/t.cl降低至96.75kg/t.cl，降低了16.25kg/t.cl，達(dá)到了GB 16780-2021能耗1級標(biāo)準(zhǔn)。

表4 改造前后熱平衡、熱支出計算數(shù)據(jù)結(jié)果對比

改造前，預(yù)熱器出口溫度為340℃~350℃，改造后，預(yù)熱器出口溫度在260℃左右，窯尾廢氣帶走的熱量減少310kJ/kg.cl；改造前，二、三次風(fēng)溫溫度低，冷卻機(jī)熱回收效率低，出篦冷機(jī)熟料溫度達(dá)180℃，更換為第四代篦冷機(jī)后，熱回收效率提高至75%，熱損失減少約37kJ/kg.cl；末級旋風(fēng)筒溫度倒掛說明分解爐煤粉燃燒不充分，存在燃料不完全燃燒造成的熱損失，經(jīng)優(yōu)化布置分解爐風(fēng)、煤、料和擴(kuò)容分解爐，煤粉燃燒效率提高，熱損失減少約40.9kJ/kg.cl；設(shè)備老化、銹蝕等因素會使設(shè)備保溫隔熱能力下降，系統(tǒng)表面散熱增加，主體設(shè)備改造后，表面散熱熱損失降低約80.01kJ/kg.cl；按照GB/T26281-2021《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》規(guī)定計算，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的燒成熱效率等于熟料的形成熱與燃料燃燒放出熱量的比值，系統(tǒng)熱效率由53.6%提高至62.5%，能源利用效率整體提升。針對不同水泥生產(chǎn)線，通過系統(tǒng)優(yōu)化升級改造，可多維度改善系統(tǒng)熱效率，熱效率可提升5%~9%，系統(tǒng)能耗達(dá)國標(biāo)能耗1級標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用能效提升燒成技術(shù)，有效減少了熟料生產(chǎn)過程中的碳排放，熟料單位產(chǎn)品碳排放值相對于行業(yè)先進(jìn)值0.8453tCO₂/t降低了5%（0.7978tCO₂/t），生產(chǎn)線每年可減少CO2排放8.5萬噸，實施窯尾或冷卻機(jī)等單項技術(shù)升級后，年減碳量達(dá)2~8萬噸。

能效提升燒成技術(shù)成套集成成功應(yīng)用于多條新建生產(chǎn)線，熟料單位產(chǎn)品標(biāo)煤耗為93~94kg/t.cl，優(yōu)于GB16780-2021中的1級能效限額標(biāo)準(zhǔn)，社會效益及經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。2021年全國水泥熟料產(chǎn)能約18.2億噸，按照《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（2021年版）》，水泥行業(yè)能效低于基準(zhǔn)水平（117千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸）的產(chǎn)能約4.5億噸，約占總產(chǎn)能的24％。按照《水泥行業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)指南》要求，通過淘汰低能效產(chǎn)能，置換形成能效優(yōu)于標(biāo)桿水平新產(chǎn)能2億噸計，綜合煤耗降低折算減排二氧化碳約2248萬噸，節(jié)能降碳減污效果顯著。

XZ1號水泥生產(chǎn)線投產(chǎn)于2004年，其燒成系統(tǒng)的主機(jī)五級預(yù)熱器窯尾、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)等均為歐洲公司供貨，經(jīng)多次診斷論證，提出了節(jié)能降碳、能效提升的技術(shù)改造目標(biāo)，主要為：將五級預(yù)熱器改為六級，改善預(yù)熱器系統(tǒng)換熱效率；分解爐擴(kuò)容，提高窯外預(yù)熱預(yù)分解能力和自脫硝效率；第三代篦冷機(jī)升級為第四代，提高熱回收效率，提升系統(tǒng)的能效及環(huán)保水平。XZ1號水泥生產(chǎn)線技改工作開始于2022年3月，8月點(diǎn)火達(dá)標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了14kg/t.cl，降至93kg/t.cl，優(yōu)于GB16780-2021中的1級能效限額標(biāo)準(zhǔn)4%，氨水用量降低3.3kg/t.cl，燒成系統(tǒng)熱效率從55.0%提升至63%，熟料單位產(chǎn)品碳排放減少了5%，年減少碳排放約10.8萬噸，進(jìn)一步提升了能源利用效率，社會效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。XZ1號水泥生產(chǎn)線改造前后效果對比見表5。

表5 XZ1號生產(chǎn)線改造前后效果對比

通過多級弱渦流低阻預(yù)熱器技術(shù)、梯度燃燒自脫硝分解爐技術(shù)、中置輥式破碎機(jī)前移第四代冷卻機(jī)技術(shù)等能效提升燒成技術(shù)的集成創(chuàng)新，進(jìn)一步提升了水泥窯熱效率，減少了水泥生產(chǎn)過程中的碳排放，利于實現(xiàn)水泥節(jié)能降碳技術(shù)的升級改造，助力水泥生產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

作者：馬嬌媚1，趙亮1，張建國1，王科學(xué)2

來源：《1天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司；2徐州中聯(lián)水泥有限公司》

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