引言  

       建材工業(yè)是我國的耗能大戶，其中水泥生產(chǎn)占全國建材能耗的35%。國內(nèi)水泥生產(chǎn)的平均熱耗和發(fā)達(dá)國家相比高達(dá)65%-70%。而作為先進(jìn)水泥生產(chǎn)技術(shù)的預(yù)分解窯，國內(nèi)許多廠家仍存在諸多問題。以RSP預(yù)分解窯為例，據(jù)統(tǒng)計，至1996年在國內(nèi)的三十多條預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線中，穩(wěn)定達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的廠家不過七、八家，僅占20%左右。其主要問題是系統(tǒng)熱耗普遍較高，結(jié)皮堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，加之設(shè)備故障頻繁，從而導(dǎo)致窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率不高。面對日益緊張的煤炭資源和即將枯竭的礦山資源，如何降低水泥生產(chǎn)的熟料熱耗，實施水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，現(xiàn)實地擺在每個水泥工作者的面前。  

     1　系統(tǒng)熟料熱耗高的原因分析  
　　

       國外水泥廠家通過采用低阻高效的多級預(yù)熱器系統(tǒng)、新型篦式冷卻機(jī)和多通道噴煤管等先進(jìn)技術(shù)裝備，利用窯系統(tǒng)的低溫廢氣余熱發(fā)電，回收使用二次能源等先進(jìn)工藝，降低了水泥生產(chǎn)的熟料熱耗。表1、表2分別為國內(nèi)外部分水泥廠家熟料熱耗、預(yù)熱器出口廢氣熱損失及系統(tǒng)漏風(fēng)量的對比。國內(nèi)生產(chǎn)廠家的熟料熱耗較國外高出較多，以RSP預(yù)分解窯為例，G廠、C廠和F廠的熱耗分別比日本RSP窯高出31%、30%和13%。眾所周知，國內(nèi)生產(chǎn)廠家熱耗高的原因有三個方面。一是預(yù)熱器出口廢氣熱損失大。國內(nèi)廠家預(yù)熱器出口廢氣熱損失占系統(tǒng)熟料熱耗的26%左右，有的近30%，平均比國外廠家高出約4%，而國內(nèi)這些廠家在我國還算是較好的水泥企業(yè)。造成如此高的廢氣熱損失主要原因在于預(yù)熱器出口廢氣量大、廢氣溫度較高、系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的漏風(fēng)。國外較先進(jìn)的帶五級預(yù)熱器的預(yù)分解窯的預(yù)熱器出口廢氣溫度一般為290～310℃，如果國內(nèi)廠家預(yù)熱器出口廢氣溫度能降至這個水平，則其預(yù)熱器出口廢氣熱損失可降低許多。以G廠為例，若其預(yù)熱器出口廢氣溫度由目前的370℃降至300℃，則廢氣帶走的熱損失將由目前的每千克熟料1119kJ降至903kJ，降幅為19.3%；如果此時其出口廢氣量再降低，比如系統(tǒng)漏風(fēng)量由目前的每千克熟料0.389kg降為0.195kg，即降低一半，則廢氣量由每千克熟料2.898kg降至2.704kg，其它條件不變，此時預(yù)熱器出口廢氣熱損失又將降到842kJ，降幅為6.7%，這種情況下系統(tǒng)的熟料熱耗將由目前的4 031kJ/kg降為3254kJ/kg，降幅為19.3%。表2中A廠、D廠和E廠燒成系統(tǒng)漏風(fēng)量較少，多數(shù)廠家系統(tǒng)漏風(fēng)量占物料總收入的比例為日本DD窯的2.5倍，有的廠家甚至高達(dá)6倍。如果用系統(tǒng)漏風(fēng)量占預(yù)熱器出口廢氣量的百分比來看，多數(shù)廠家約為15%，有的竟高達(dá)23%。由此可見系統(tǒng)漏風(fēng)問題在部分廠家仍沒有引起高度重視，但系統(tǒng)漏風(fēng)造成的損失卻是顯而易見的。一方面增大了系統(tǒng)廢氣量，增加了熱損失和風(fēng)機(jī)電耗，另一方面由于漏風(fēng)降低了氣體溫度，進(jìn)而降低了氣固換熱效率。特別是各級預(yù)熱器下部翻板閥及下料管的內(nèi)、外部漏風(fēng)，將使旋風(fēng)筒分離效率急劇降低，從而造成高溫物料向上級低溫旋風(fēng)筒返混，擾亂系統(tǒng)正常生產(chǎn)，其熱耗必然增加。 

      當(dāng)然，國內(nèi)廠家預(yù)熱器出口廢氣量即使扣除系統(tǒng)漏入的空氣量，其數(shù)值也多在2.1kg/kg左右，而日本DD窯扣除后僅為1.7kg/kg。國內(nèi)預(yù)熱器出口廢氣量大的主要原因除熱耗高、燃燒產(chǎn)生的煙氣量大外，系統(tǒng)用風(fēng)量方面仍值得深入的探討。  
　　國內(nèi)廠家熟料熱耗高的第二個方面是燒成系統(tǒng)的散熱損失較大。數(shù)據(jù)對比如表3所示。

 
      由表3可見，就系統(tǒng)各部分散熱損失大小而言，回轉(zhuǎn)窯最大，以下依次為預(yù)熱器、三次風(fēng)管、分解爐、冷卻機(jī)(篦式冷卻機(jī))，其中回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器兩者散熱損失之和要占系統(tǒng)總散熱量的80%～90%。除去二者的外表面積較大的原因外，設(shè)備的表面溫度較高也不容忽視，特別是回轉(zhuǎn)窯。  

      造成國內(nèi)水泥生產(chǎn)廠家燒成系統(tǒng)散熱損失高不僅有內(nèi)襯材料選擇的原因，而且有生產(chǎn)操作上的原因。如耐火材料的選擇不當(dāng)，使用時間較長，隔熱效果不夠理想以及窯頭、分解爐兩把火用煤量不盡合理，使燒成系統(tǒng)的整體溫度普遍較高等。在耐火材料配套設(shè)計和施工、窯速變化及堿等揮發(fā)性組分的侵蝕對耐火材料的影響等方面重視也不夠〔1〕。另外還有設(shè)備設(shè)計選型上的原因。國內(nèi)在設(shè)計中小型預(yù)分解窯系統(tǒng)時，可能本著設(shè)備留有適當(dāng)富余能力、緩沖操作上的困難等種種原因，設(shè)備選型往往偏大，以回轉(zhuǎn)窯為例，國內(nèi)外部分廠家的比較如表4所示。  

　　通過對比可以看出，就窯的單位容積產(chǎn)量而言，國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯明顯要低于國外廠家，從某種程度上來說，也就意味著國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯(超短窯除外)規(guī)格的設(shè)計仍值得探討。以Φ4m×60m的回轉(zhuǎn)窯為例，印度Visaka水泥公司的窯的設(shè)計生產(chǎn)能力為2500t/d，而國內(nèi)只有2 000t/d，兩者差值竟然高達(dá)25%。生產(chǎn)實踐指出，對于同一規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯，會因預(yù)熱器與分解爐等的規(guī)格匹配、原燃料的品質(zhì)種類、窯爐燃料的用量比、配料的率值、化學(xué)成分的穩(wěn)定性及操作而影響其臺時產(chǎn)量〔2〕，但當(dāng)熱負(fù)荷的主體碳酸鹽分解，部分或大部分從窯內(nèi)移到窯外時，決定系統(tǒng)能力的因素也理應(yīng)由回轉(zhuǎn)窯移到預(yù)熱器和分解爐系統(tǒng)〔3〕。目前國外廠家在保證預(yù)分解程度高且穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)窯具有一定潛力的基礎(chǔ)上，紛紛在縮小窯的規(guī)格，比如超短窯。這樣可適當(dāng)降低窯的散熱損失，減小耐火材料的用量，有利于節(jié)能。與國外相比，國內(nèi)在這方面還存在提高認(rèn)識的問題。在設(shè)計新的水泥生產(chǎn)線時，應(yīng)具體考慮到工廠使用的原、燃料品質(zhì)，操作管理水平等，充分做到設(shè)備選型合理、優(yōu)化，功能匹配得當(dāng)，否則生產(chǎn)中產(chǎn)量的提高會使窯系統(tǒng)平衡變得極為敏感，有時遇到小小的波動亦難以調(diào)整。

      由表3可以發(fā)現(xiàn)，分解爐的散熱損失占系統(tǒng)總散熱損失的比例較小，適當(dāng)增大分解爐的有效容積，對系統(tǒng)散熱損失影響不大，但可延長粉料在爐內(nèi)停留時間，對煤粉燃燒與生料分解反應(yīng)有利。目前新型分解爐的設(shè)計，除了注重改變?nèi)剂先肟谖恢谩⑷剂?、生料、三次風(fēng)分布方式外，還存在著增大爐體體積的趨勢。  

　　通過表4還可以看出，規(guī)模大的廠家的窯的單位截面積產(chǎn)量大于規(guī)模小的廠家。同時研究也表明，對于不同規(guī)模的預(yù)分解窯，規(guī)模大的預(yù)分解窯的單位容積的耐火材料用量比規(guī)模小的預(yù)分解窯要少，而且在國內(nèi)各種規(guī)模的預(yù)分解窯系統(tǒng)中，沒有達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的以中小型窯居多。因此，本著工廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮，國內(nèi)在新建預(yù)分解窯時，在資金允許的條件下以采用大中型預(yù)分解窯為佳，日本、東南亞一些國家紛紛建造大型的水泥預(yù)分解生產(chǎn)線也足以證明這一點。  
　　

     冷卻機(jī)余風(fēng)帶走熱量較大也是導(dǎo)致系統(tǒng)熱耗高的一個原因，如表5所示。

      由表5可知，若從出冷卻機(jī)余風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫兩項指標(biāo)來看，國內(nèi)廠家與國外水平還比較接近。但國內(nèi)廠家冷卻機(jī)熱回收效率、入窯二次風(fēng)溫明顯偏低，出冷卻機(jī)熟料溫度偏大，這些都說明了國內(nèi)的篦式冷卻機(jī)與國外廠家相比，在冷卻風(fēng)利用率、提高窯系統(tǒng)二次風(fēng)溫等方面尚存在較大差距。  

2　降低系統(tǒng)熟料熱耗的途徑  
　　

      從前面敘述中可以知道，國內(nèi)廠家熟料熱耗高的原因雖主要在于預(yù)熱器出口廢氣熱損失、系統(tǒng)散熱損失及冷卻機(jī)余風(fēng)熱損失三大熱損失較高，但具體到各項熱損失仍有其根本原因。目前，降低系統(tǒng)熱耗的途徑有多方面，本文歸結(jié)如下。  

2.1　優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)操作  

2.1.1　優(yōu)化原料配方  
　　

      原料的性質(zhì)及其配料方案對水泥生料易燒性有著重要的影響，它與燒成系統(tǒng)設(shè)備如分解爐等的設(shè)計、操作密切相關(guān)。生產(chǎn)中理應(yīng)對不同的原料，通過優(yōu)化配比，為實現(xiàn)節(jié)能降耗打下基礎(chǔ)〔4〕。  

2.1.2　采用多級新型旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)  
　　

      造成預(yù)熱器出口廢氣熱損失較高的原因有預(yù)熱器系統(tǒng)換熱效率不高，廠家忽視了系統(tǒng)漏風(fēng)對水泥生產(chǎn)的影響等。實踐證明只有選用多級低阻高效旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)，徹底改進(jìn)預(yù)熱器本身的性能，才能提高預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率，降低預(yù)熱器出口廢氣溫度，生產(chǎn)中還應(yīng)嚴(yán)格注意設(shè)備的密封堵漏，從而降低系統(tǒng)的熟料熱耗。但對目前已建成投產(chǎn)的預(yù)分解窯，還可以針對其較高的預(yù)熱器出口廢氣溫度和出冷卻機(jī)余風(fēng)溫度，通過低溫廢氣余熱發(fā)電，從而為降低系統(tǒng)熟料熱耗做出貢獻(xiàn)〔5〕，這在魯南、琉璃河、寧國等廠已取得了成功。  

2.1.3　應(yīng)用新型高效的篦式冷卻機(jī)  
　　

      新型篦式冷卻機(jī)應(yīng)力求以最少的冷卻風(fēng)冷卻盡可能多的熱熟料，使冷卻風(fēng)與熱熟料充分地進(jìn)行熱交換，提高入窯系統(tǒng)的二、三次風(fēng)的溫度，從而達(dá)到高效、低耗的目的〔6〕。  
　　

      1990年新型的控流式篦式冷卻機(jī)投放市場以來，很快以其節(jié)省熟料熱耗、提高窯系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和可靠性，以及延長篦板壽命與減少維修量等優(yōu)點，在國外得到了廣泛的運(yùn)用，獲得了顯著的效益〔7〕。目前，我國水泥工業(yè)也正積極推廣帶阻力篦板空氣梁墊的新型高效篦式冷卻機(jī)。  
　　

      當(dāng)然，除上述三點之外，正確合理地選擇耐火材料和保溫材料對水泥生產(chǎn)也至關(guān)重要，水泥生產(chǎn)中理應(yīng)引起高度重視，以求實現(xiàn)窯系統(tǒng)及不同部位襯里的長壽命和低散熱。  

2.2　開發(fā)新型水泥燒成工藝，發(fā)展高性能水泥  
　　

      英國、美國、法國及日本等國已率先利用工業(yè)可燃廢料來生產(chǎn)水泥。他們通過水泥工業(yè)可以回收利用的可燃廢料和含可燃質(zhì)的原料作為二次燃料，結(jié)合循環(huán)流化床技術(shù)，進(jìn)行水泥新燒成工藝的開發(fā)，業(yè)已取得了初步成功〔7，8〕。國內(nèi)在此方面尚未見到報導(dǎo)，但國內(nèi)已著手進(jìn)行新型干法窯燃無煙煤生產(chǎn)水泥技術(shù)的研究開發(fā)，同時不少單位已從節(jié)能降耗和環(huán)保角度出發(fā)，開展對具有低的鈣硅比、低的燒成溫度和高的水硬活性、高的水化率的高性能水泥的研究，以期達(dá)到降低生產(chǎn)能耗、減少資源消耗、減輕環(huán)境負(fù)荷的目的，促進(jìn)我國水泥工業(yè)的結(jié)構(gòu)性調(diào)整。  

3　結(jié)論  
  　

      (1) 國內(nèi)水泥廠家熟料熱耗高的原因主要在于三大熱損失較高，其中預(yù)熱器出口廢氣量大、廢氣溫度高、系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重、耐火材料使用不盡合理、冷卻機(jī)熱回收效率低等原因是導(dǎo)致系統(tǒng)熱耗高的直接原因。同時回轉(zhuǎn)窯規(guī)格的設(shè)計等也值得進(jìn)一步探討。  
　　

      (2) 降低系統(tǒng)熱耗的途徑有多方面。一是從原料入手，優(yōu)化原料配方。二是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)操作，通過采用多級低阻高效旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)，或充分利用預(yù)熱器出口廢氣熱量和出冷卻機(jī)余風(fēng)熱量，通過低溫廢氣余熱發(fā)電技術(shù)，為降低熟料熱耗做貢獻(xiàn)。三是應(yīng)用新型高效的篦式冷卻機(jī)，通過提高冷卻風(fēng)的利用率，降低出冷卻機(jī)的熟料溫度，以此降低系統(tǒng)熱耗。  
　　

     (3) 耐火材料和保溫材料的正確合理的配套選擇、使用和管理等對降低系統(tǒng)熱耗至關(guān)重要。  
　　

     (4) 最大限度地將水泥工業(yè)可以回收利用的可燃廢料和含可燃質(zhì)的原料，乃至人類社會活動中排出的工業(yè)廢棄物和生活廢棄物作為二次燃料，加以有效利用，積極開發(fā)新型水泥燒成工藝，發(fā)展高性能水泥，實現(xiàn)我國水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，并使水泥工業(yè)成為環(huán)境協(xié)調(diào)型產(chǎn)業(yè)體系。  

                                                                                 (來源：《水泥》雜志1999年 第六期 )