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1、中国中材国际工程股份有限公司 Sinoma International Engineering Co.,Ltd,水泥窑持续节能减排的探索,内 容一、概述二、热耗的影响因素分析三、节能降耗措施四、水泥生产的减排五、今后降耗的方向,1、概述,现在全国各大城市都在关注空气污染问题，水泥生产面临着巨大的环保压力。随着国家环保力度的加大，水泥生产的节能减排是我们必须不断探索的课题。新型干法预分解水泥技术产能替代已完成了91%以上，单机规模差别非常大，涵盖了从600t/d到12000t/d的广泛范围内。单机规模与热耗的基本规律：规模越大，热耗越低。,规模与热耗的关系,4,由此可见，水泥生产大型化发展将是必
2、然的趋势，进一步淘汰落后和较小规模的新型干法水泥生产线也将是市场化的选择。,国家的能源战略和“十二五”能源发展规划,首先是必须把进一步强化节能降耗、降低能源增长速度和总量，作为能源平衡的前提。“十二五”要继续制定积极的节能降耗定量目标，节能降耗指标应坚持20%，并试行能源消费总量控制目标，加强节能降耗考核，完善经济社会发展考核内容，以进一步统一认识，用节能降耗实践科学发展，推动科学发展。,5,水泥工业中实施能源消耗控制战略,依据国家有关法律政策，对水泥工业能源消耗进行控制和管理，加速水泥工业产业结构的调整，实施水泥企业能源消耗等级一票淘汰制，制定和执行水泥工艺和产品节能标准，推进节能工艺技术和
3、产品的研发和创新。,6,节能规范及标准,2007-10-25国家发布了水泥工厂节能设计规范GB50443-2007国家标准，2008-05-01实施。2007-12-03发布了水泥单位产品能源消耗限额GB16780-2007，2008-06-01实施。2012年对水泥单位产品能源消耗限额标准进行了修订和更新，新标准编号GB16780-2012，该标准2012-12-31发布，2013年10月1日起实施。,7,国家的水泥工厂节能设计规范（GB50443-2007）规定,表3 烧成系统的能效设计指标,以上3个表的内容均为该标准（GB50443-2007）规定的强制执行的条文。,水泥单位产品能源消耗
4、限额GB16780-2007规定,水泥单位产品能源消耗限额（GB16780-2012）,说明:表1、表2为标准强制执行部分。表2的新建企业准入值已经优于设计值。,13,两个标准相距5年，新标准取消了规模的能耗限定差异，其单位产品的能耗先进值标准也有所提高。具体内容见表3。,14,从以上国标的更替来看，国家及行业管理上对节能降耗的要求在不断的提高，且执行力度也将不断加大。,近十年新厂建设特点,实际上2007年前后的新建厂和2012年前后的新建厂在粉磨工艺上更新较快，烧成工艺改进不大，工艺装备性能持续改善，建设规模不断提高。07年以后新建厂中5000t/d及以上规模的生产线明显增多。对我院2002
5、年至2013年的设计、承包建设的生产线进行了粗略统计0213年共设计建设约556条生产线。,15,规模占比分析,20022007年规模占比,20082013年规模占比,由此可见，市场对规模的选择实际上就是对技术经济指标的选择。,17,产能占比分析,20022007年产能占比,20082013年产能占比,二、热耗的影响因素分析,2.1 原、燃料的性质2.2 系统装备的性能2.3 系统运转率2.4 操作管理2.5 施工质量,18,2.1 原、燃料的性质,原燃料的性质对热耗的影响很直接。选用的配料方案直接关系到物料的形成热，易烧性难易可导致烧成温度可能相差200，在熟料形成热上相差1020kcal/
6、kgcl，在实际生产中就可能相差2030kcal/kgcl。这表现在烧成温度提高、窑尾废气量增加，熟料烧成时间延长，产量下降等。生料成分波动，对热耗影响很大。生料成分波动大，会导致窑的热工制度不稳定，影响到风、煤、料的频繁调整，从而影响到熟料的产、质量。燃料质量差，如灰分高，发热量低，煤粉燃烧速度慢，易导致不完全燃烧的发生；煤粉挥发高、发热量低，会导致火焰温度低，废气量增加，最终都会影响到热耗。,19,2.2、系统装备的性能,1)预分解系统热效率、分离效率、系统阻力2）分解炉内的燃烧效率和三场分布3）回转窑的可靠性、密封性4）窑头篦冷机的热效率5)窑头燃烧器调节性能和适应性,20,1)预分解系
7、统热效率、分离效率、系统阻力,确保物料在系统内，分散均匀;风速选择合理，既有较高的换热系数，又有足够的停留时间。分离效率高，粉尘逃逸少，循环料少，可降低热耗；系统阻力低，高温风机的能耗低。在这些因素中，分散均匀最关键。,21,2）分解炉内的燃烧效率和三场分布,分解炉是预分解系统的核心设备,在其中要进行气固分散、换热、燃烧、分解、传质、输送等一系列过程。在分解炉内,由于煤粉燃烧速率一般低于碳酸盐分解速率，煤粉燃烧速率是控制因素的关键。燃料性质和炉内温度及煤粉颗粒径对燃烧速度影响较大。分解炉结构设计的重点在风、煤、料的投喂点；喂煤的均匀性；炉容控制；炉内温度控制很关键，控制好炉内三场（流场、浓度场
8、、温度场）可实现分解炉的高效率。高性能分解炉追求燃烧速度快、生料分解率高、单位产量的炉容小。,22,3）回转窑的可靠性、密封性,窑体大型化以后，窑体变大、变长，变形量增加，窑头、窑尾的密封结构要求适应性好、可靠性高、密封好、使用周期长。窑大型化后窑内的截面产量、截面热负荷、窑内风速均成递增趋势，窑况的稳定对热耗 贡献很直接，设备的可靠性、耐火砖的寿命直接影响到运转率。大窑内应考虑加设挡砖圈。窑径在5.6m以上窑头应考虑缩口替代挡砖圈，以分散砖承受的剪应力，可延长砖的使用寿命。,23,3）回转窑的可靠性、密封性,4）窑头篦冷机的热效率,窑头篦冷机的热效率对降低热耗的贡献很大，提高二、三次风的温度
9、。高温空气可促进煤粉燃烧，提高燃烧时的火焰温度，加快熟料的形成速度，这是对降低热耗的直接贡献。二、三次风温度高，说明风与熟料的换热充分，可快速降低熟料温度，熟料质量得以保证；更重要的是可以直接回收热量。例如：通常我们采用的三代篦冷机二、三次风温度分别为1150、890，四代篦冷机可以将二、三次风温度分别提高为1200、950，热效率由73%提高到76%以上，经测算可直接降低热耗约13kcal/kgcl。二、三次风的取风位置也很重要，设置不合理也影响到热的回收利用。三次风的取风点必须在三次风供应点的前端，否则将影响三次风的温度，从而影响系统热耗。,24,篦冷机的用风区域划分,25,二、三次风的取
10、风位置也很重要，设置不合理也影响到热的回收利用。二、三次风的抽取定位与篦冷机内的冷却曲线关系密切，与篦冷机的规模、配风也有一定的关系。有图可知，三次风的取风点必须在三次风供应点的前端，否则将影响三次风的温度，从而影响系统热耗。,5）窑头燃烧器调节性能和适应性,窑头燃烧器是熟料烧成过程中的关键设备，直接影响着窑的产量和熟料的质量，对窑皮的影响很大，影响着窑的运转率，因此必须选择性能优越的燃烧器。燃烧器的性能要求：一次风出口速度和旋流风的旋流强度对煤粉燃烧和窑速影响较大。燃烧器一次风出口速度要适当，过大会挤占后面的燃烧空间，导致窑尾温度过高，火焰温度分布不合理；过小则不利于火焰成形和吸卷周围的高温
11、空气以及造成火焰过于疲软而缺乏穿透力，还会导致煤粉的沉落，产生不完全燃烧。高性能的燃烧器有适合的火焰温度和形状，热流分布良好，NOx产生率低；火焰形状调节手段便捷，调节范围大；较低的一次风使用率，裹胁二次风的能力强；能充分体现窑头一把火的威力。,26,3、系统运转率,系统运转率高，热工制度稳定对热耗的贡献非常大。每次开停到窑稳定短则数小时，长则数天，窑产量提不上去，废气温度偏高，这些必然导致高热耗。另外，频繁的开停还会导致系统内部积灰增加，导致系统阻力增加，增加电耗；降低耐火材料的寿命。因此要求系统设计、装备选型时，装备质量和可靠性应放在首位。,27,4、操作管理,操作管理里面有很大的提升空间
12、。目前几大水泥生产企业采取的对标工作就是在提升内部的管理水平，相同的窑型采用对标管理，可以找出管理中的不足，是一种很好的管理形式。同样是对标，有些公司做的粗放，对标的内容仅限于主要的技术经济指标。但有的公司做的比较精细，对过程控制的技术参数也参与对标，促使管理精细化，对管理水平是一个很大的提升。对风、煤、料的使用，对系统参数的控制起到了很好的分析对比、调整优化和经验积累的作用。有利于数据库的建立，为日后采用计算机模拟管理系统的使用积累大量实用信息，也为管理提升提供数据支撑。这一块工作对于大多数水泥厂来说还比较薄弱，这里有较大的提升空间。,28,5、施工质量,设备的良好性能除设计因素外，还来之与
13、良好的施工质量保证。施工质量不保证，使用性能同样不能保证。施工质量包括设备的制作质量、安装质量、砌筑质量以及对材料的选择等。,29,旋风筒内的砌筑,30,表面粗造钢筋外露,砌筑质量不好严重影响预热器的分离效率,两侧的燃烧器没有按设计要求安装，压力不平衡，容易导致分解炉结皮,31,料管、翻板阀安装随意,32,无论哪一道工序不到位，都会在后面的生产中反映出来，从而影响到系统的稳定性和使用效果以及能耗。,三、节能降耗措施,1、选择合适的配料方案，控制好生料质量，注意预均化、配料、均化库这一均化链的设计和管理，要确保入窑生料的合格率，确保煤料对口，这是保证高产、低耗稳定窑热工制度的前提。2、选用性能好
14、的装备。选择的原则应该是物美价廉，但应把物美作为优选项。选择个性化有针对性的设计，更能发挥性能优势。尤其是分解炉的设计选型应针对不同煤的燃烧特性处理好风、煤、料的关系，这不仅体现在炉容选择和停留时间的设计合理，还要体现司料点和司煤点的时机合理。,33,分解炉燃用各种无烟煤技术及难燃煤问题,分解炉的任务：就是要完成煤粉的燃烧和生料的分解的任务,在同一分解炉内，两个主要反应过程，在温度和时间的两个坐标上能否顺利进行，取决于两个过程发生的先后顺序、总体热效应、交互叠加的影响程度等情况。1、煤粉燃烧在前，生料分解在后的情况，易于进行2、生料分解在前，煤粉燃烧在后的情况，难于进行3、两种反应过程存在重叠
15、，视情况调整，也可完成,三次风温880,窑气温 1100,解决燃用难燃煤的措施1、脱开燃区和分解区的措施2、借助和提高反应温度措施3、强化难燃煤加工细度措施,3、操作控制：首先要保持窑热工制度的稳定，减少波动，控制好几个温度：窑尾温度、出分解炉的温度、出C1筒的温度、烧成带温度；控制好用风，窑尾氧含量和出C1筒的氧含量。注意好预热器进出口的温度和压力变化，基本就不会发生结皮堵塞现象。另外应做到勤观察、准确判断、果断处理，切忌大幅调整，用小调整克服大波动。4、系统管理：系统管理包括原、燃材料的质量控制、生料质量控制，产品的质量控制；设备的维护、检测仪表的维护、系统内操作环境的维护，有问题及时解决
16、，不带病操作，这对系统正常运行降低热耗影响显著。,35,四、水泥生产的减排,随着全国各地雾霾天气的增多，首先要关停的是高污染企业，水泥、钢铁、电解铝生产企业基本是首先关停减排的对象。为了应对环保压力，对产能过剩的水泥工业实行更严格的环保标准是必然的。水泥工业大气污染物排放标准的征求意见稿很快将发布，新标准将提高污染物排放的控制标准。且提高的幅度较大，新标准可能造成水泥行业的阵痛，但也许能改变水泥行业产能过剩的状况，使水泥行业朝着健康方向发展。,36,4.1 排放现状,生产1吨熟料若煤耗为110kg/t-cl，排出的CO2约 836kg/t-cl；排出的NOx（以NO2计）7001000mg/N
17、m3；SO2的排放主要与采用的原燃料关系密切，其排放的浓度源于原料中的硫含量，原料中硫含量低时基本可以达标排放，但含量高时排放浓度也会超标。,37,硫的排放流程,38,通常燃料中的硫含量会被原料中的氧化钙吸收生成硫酸钙，只有当原燃料硫含量很高时，且硫碱比不合适导致硫过剩时，燃料硫中的一部分会随废气排放，而大部分硫会在窑尾系统内形成硫循环，从而导致窑尾系统结皮。,4.2 排放指标,目前执行的水泥工业大气污染物排放标准GB 4915-2004是2004年12月发布，2005年1月1日起执行，要求新建企业自2005年1月1日起执行该标准，同时要求生产企业自2010年1月1日起执行该标准，给老企业有5
18、年的过渡期。目前应该所有的企业都是在执行这一标准。该标准排放指标见下表：,39,40,GB 4915-2004,水泥工业大气污染物排放标准讨论稿,41,从新标准看，颗粒物、SO2、NOx的排放量都有提升，尤其是SO2、NOx提升的幅度较大，这两个指标对水泥生产成本影响较大。,4.3、减排措施：,1）NOx 减排 选择SNCR是目前的主流。这一系统建设改造相对较简单，影响较小。对新建厂来说建议选择加设欠氧还原区和SNCR的组合系统，采用这样的方式脱氮的成本会降低约一半。还原区燃烧脱氮效率可达2040%，其余由SNCR的脱氮系统解决。还原区的脱氮设计也有几种方式：1）分风；2）分煤；3）分煤、分风
19、的组合。这三种脱氮系统中分风相对简单，但脱氮效率也相对较低。而后两种相对较复杂，但脱氮效率相对较高。,42,煤粉喷射速度对还原区内煤粉颗粒运动的影响,28m/s,40m/s,60m/s,不同煤粉喷射速度时的煤粉颗粒轨迹,Sinoma欠氧还原区煤粉颗粒轨迹及温度场浓度场,颗粒轨迹,Sinoma设计的还原区空间大，采用多点高速给煤，煤量适中；确保还原区内各物理场的相对均匀性，边壁不形成过浓的煤粉浓度场；避免还原区内近壁处低共熔物过度集中和贴壁，尤其是煤灰和煤焦形成的低共熔物；保证还原区内 CO 与 NOx 还原反应所需的停留时间。,45,分煤、分风的组合,SO2减排,众所周知水泥生产的钙质原料本身
20、具有脱硫功能，因此水泥厂的脱硫压力没有电力系统大。但随着新标准的出台，排放浓度的降低，有一部分企业面临着排放超标的压力。生料中三氧化硫大于0.22%，磨停时若不采取措施排放浓度面临超标。大于0.4%原料磨开时也将面临着排放浓度超标的危险。若采用高硫燃料，当硫碱比大于1，说明系统硫过剩，有部分硫要从窑尾烟气中逃逸，这将增加烟气的硫排放强度。随着环保部门的在线监测和管控严格，有部分企业可能要考虑上脱硫系统，届时成本压力还将提升。故企业在原燃料选择时一定要全面衡量，综合考虑。,46,CO2减排：,节能降耗就是对CO2的减排。使用1吨标煤可排放二氧化碳2.46吨。若生产水泥的热耗每降低20kcal/k
21、gcl相当于生产每吨熟料减排7kgCO2/t-cl。每年20亿吨的产能，约减排1120万吨CO2/年。相当于9条5000t/d规模的水泥厂一年的排放量。（5000t/d水泥厂的产能，熟料产量150万吨，水泥187.5万吨，发电：33kwh/t-cl，年排放量约：125.4万吨/年）,47,今后我们研究的方向就是如何增加欠氧还原区的脱氮效率，减少氨水和尿素的使用。或寻找出更节能、成本更低的替代品。,48,五、今后降耗的方向,建筑材料行业“十二五”科技发展规划提出水泥工业的创新发展目标，50006000t/d规模生产线的能耗指标为：熟料烧成热耗：650kcal/kgcl；熟料电耗：52 kwh/t
22、-cl；水泥电耗：80kwh/t。,49,目前烧成系统实际的能耗水平,注：以上均为五级预热器,烧成系统的热耗分解,51,1）熟料形成热；2）废气带走热；3）熟料带走热；4）表面散热；5）其它：不完全燃烧，原、燃料水分蒸发等。,5000t/d规模的热耗分解占比,1、降低废气量排放，降低热耗,增加预热器的级数；提高分解率提高系统产量；提高燃烧器的效率，降低一次风用量；进一步提高篦冷机热效率，提高二、三次风的温度。,52,预热器级数及固气比,预热器由5级提升为6级，出C1的温度降低3040，若考虑到固气比的变化，温度可再降4050，烧成系统热耗可降低约2428kcal/kgcl。,分解率提高到96%
23、，窑、炉煤比例：35：65，可减少一次风的使用量，增加三次风的使用量；采用高效率的燃烧器，可以降低一次风的使用量，减少不完全燃烧的发生；一次风量每降低1%，系统热耗可降低1.1kcal/kgcl以上。排放的烟气中CO的含量每增加0.1%，热耗约增加4.4kcal/kgcl。篦冷机的热效率由73%提高到76%以上，经测算可直接降低热耗约13kcal/kgcl。,54,Page 55,沙特SCC生产时的全景图,Page 56,沙特SCC夜景图,Page 57,2、降低系统的表面散热,增加高温段保温材料的厚度；提高耐火材料的敷设质量；选择导热系数更低、性能更好的耐火材料。对回转 窑而言通过不同导热性
24、能的耐火材料复合在不影响强度的同时，降低砖的导热系数。对窑尾预分解系统而言，应加强高温段的耐火材料的优选，提高使用材料的隔热性能，在此有望进一步降低表面散热。,58,表面散热的组成(kcal/kgcl),3、改善煅烧性能,在水泥的配料上力求尝试新的突破，在保证材料使用性能的基础上改善物料的易烧性和矿物组成，降低烧成温度，降低熟料形成热。,4、开发计算机智能管理系统,对操作控制的各子系统实行自动跟踪的精细化管理，减少人为观察不全面和判断滞后而导致调整偏差，提高每一个环节的管理水平，使系统始终保持在最佳状态下运行，从而降低因波动引起的热耗增加。,61,降低热耗指标分解,关于电耗指标的分解,63,通过以上的组合拳和管理水平的提升，有望完成建筑材料行业“十二五”科技发展规划提出的水泥工业创新发展目标。,64,Thank you!,谢 谢!,
