新型干法水泥生产技术与装备实施计划方案

. . 第二代节能环保新型干法水泥生产技术与装备实施方案目 录概述I1 先进可靠的节能环保的工艺生产与控制技术与装备11.1 原料的前置处理11.1.1 水泥原料性能与对能效的影响11.1.2 优化原料配料的基本条件11.1.3 影响因素与技术措施31.2 节能环保的粉磨技术与装备41.2.1 粉磨装备技术的进步41.2.2原料粉磨问题61.2.3燃料制备问题91.2.4水泥粉磨问题91.2.5配制水泥问题151.3 节能环保的熟料煅烧技术与装备161.3.1 国外烧成系统技术与装备现状171.3.2 第二代烧成系统技术方案351.3.3 小结461.4生产线的设计优化与新技术471.4.1 工艺设计优化与新技术471.4.2电气与自动化优化与新技术521.4.3土建设计优化与新技术591.4.4总图、矿山、公用工程设计优化与新技术602 环保技术与装备702.1 水泥窑协同处置废弃物技术702.1.1 水泥窑协同处置废弃物的基本原则702.1.2 水泥窑协同处置废弃物的主要特点712.1.3 废弃物处理种类712.1.4 水泥窑协同处置污泥技术722.1.5 一般工业废弃物与危险废弃物的预处理技术752.1.6 重要污染物的监测752.1.7 利用水泥窑协同处置废弃物的职业健康与安全762.2 低品位原、燃料的利用技术762.3 环境治理772.3.1 粉尘治理782.3.2 噪音治理802.3.3 大气污染物排放治理（包括NOx、SOx等）823 推荐的示线8990 / 98概 述水泥行业是我国经济建设的重要基础材料产业，也是主要的能源、资源消耗和污染物排放行业之一。2009年全国水泥总产量16.5亿吨，能源消耗总量约占全国能源消耗总量的5%，颗粒物排放量约占工业排放总量的30%左右。2010年全国水泥总产量更是达到创纪录的18.68亿吨，占全世界水泥总产量的55%左右。进一步推进节能减排、发展低碳经济、循环经济已成为我国水泥工业当前的重要课题。国家“十二五”规划纲要明确提出“积极应对全球气候变化” ，“大幅度降低能源消耗强度和二氧化碳排放强度，有效控制温室气体排放” ，“加强资源节约和管理” ，“大力推进节能降耗” ，“大力发展循环经济” ，“按照减量化、再利用、资源化的原则，减量化优先，以提高资源产出效率为目标，推进生产、流通、消费各环节循环经济发展，加快构建覆盖全社会的资源循环利用体系”，“ 加大环境保护力度” ，“强化污染物减排和治理” ，“推进火电、钢铁、有色、化工、建材等行业二氧化硫和氮氧化物治理，强化脱硫脱硝设施稳定运行” ，“深化颗粒物污染防治”。应对气候、环境变化和能源资源安全已经成为全球共同关注的问题，发达国家纷纷把发展低碳经济和新能源等新兴战略性产业作为推动经济增长的新的突破口，未来低碳经济很可能是国家竞争力的重要体现，这也赋予了水泥行业新的历史性发展机遇。就我国水泥工业而言，发展低碳经济必须进一步贯彻落实科学发展观，坚持资源开发与节约并重，大力推进节能减排，实现经济增长的根本性转变，促使水泥行业成为与经济、社会、环境协调发展的资源节约型和生态友好型产业。可以通过水泥工业结构调整，采用新型节能技术与装备来降低能源消耗，减少影响环境的废弃物排放（包括CO2、SO2、NOx等）。水泥工业设计研究院（以下简称“院”）几十年来一直站在水泥工业改革开放和自主创新发展的前沿，引领着中国水泥工业技术进步，创造了中国新型干法水泥技术发展的许多第一。通过多年的技术研发与大量的工程实践，院长期致力于水泥工业节能减排技术与装备的研发工作，先后在大量的水泥生产线上开发应用大量的节能降耗的技术与装备。在现有新型干法生产技术的不断优化提升的基础上，提出了集成生产可靠、技术先进的技术装备于一线的开发设计思路，目的是最大化地实现水泥生产的节能减排和低碳环保。院在长期的研发过程中，不断跟踪同行的技术装备的研发进展，对国相关生产线的实际运行状况也做了长期的跟踪测试调查，对目前国主体新型干法生产线的主要技术指标也做了统计分析，国部分大型有代表性的水泥制造企业的典型生产线的主要技术统计情况见表1。表1 国部分大型有代表性的水泥制造企业的典型生产线的主要技术统计情况序号生产线名称投产日期生产规模t/d实际产量t/d回转窑规格m熟料烧成热耗kcal/kg熟料熟料烧成电耗kWh/ kg熟料熟料综合电耗kWh/ kg熟料1亚东二线2003年9月420050004.85274525.756.742荻港海螺一线2000年10月250028214.06075628.88a60.903池州海螺一线2002年7月500055464.872737.07-56.384枞阳海螺四线2004年6月10000106006.096746.6224.5658.155亚泰明城一线2003年6月500057534.872724.8624.55-6华润一线2007年12月500057434.872741.4423.6166.247京阳一线1997年12月500067485.261738.9525-8华盛天涯一线2005年6月500054514.872748.3324.4663.939豫龙同力一线2005年8月500053094.872738.92-67.0310珠江水泥厂一线1989年2月400048004.7575760-11冀东滦县一线2003年11月500053464.872798.20-12冀东水泥厂一线1985年1月400048964.774789.47-13燕2009年4月550062105.0606952150.7结合目前国相关产业政策和水泥工业发展方向，在设定的生产条件下确定相应的开发目标，具体如下：（1）设定的生产条件l 生产线海拔高度：600 m；l 生产的水泥品种：普通硅酸盐水泥；l 原料易磨性：中等；l 生料易烧性：中等；l 煤质：Qnet,ad4500 kcal/kg。（2）本项目的开发目标l 烧成系统熟料产量：设计5500 t/d；l 熟料烧成热耗： 680 kcal/kg熟料；l 熟料电耗：52 kWh/ t熟料；l 水泥电耗：82 kWh/ t 水泥；l NOx排放：400 mg/Nm3（NO210%O2）。通过对国外新型干法生产线技术与装备的调研情况，结合院长期实践的结果，提出第二代低碳经济型的新型干法水泥生产线的具体实施方案，现具体报告如下。1 先进可靠的节能环保的工艺生产与控制技术与装备1.1 原料的前置处理水泥原料矿山开采、均化技术决定了资源综合利用程度，原料配料品种与其品质直接影响到水泥生产的能耗，要提高资源综合利用率，降低水泥生产的能耗、提高能效水平，应首先从矿山和优化配料抓起。1.1.1 水泥原料性能与对能效的影响我国水泥原料分布广泛，且赋存年代、形态差异很大，因此其加工性能相差悬殊。根据院多年测试，国主要水泥原料的工艺加工性能情况见表1-1。表1-1 国主要水泥原料的工艺加工性能名称Ai（g）Wi（kWh/t）HGI样本数（N）波动围平均值波动围平均值波动围平均值石灰石0.00060.23080.02185.917.510.6686岩0.00000.11670.02305.911.38.924砂岩0.00521.19180.36934.229.516.3烟煤3117775270无烟煤3314973106注：Ai为金属磨蚀性指数，Wi为粉磨功指数，HGI为哈氏指数。上表结果表明，石灰石的Ai值变化围为0.00060.2308g，其数值大小对锤式破碎机锤头磨损影响很大。同一型号、材质的锤式破碎机，一付锤头破碎石灰石量可相差近10倍。一般而言，石灰石的Ai值大，Wi值也大，但有些石灰石的Wi值较大，但Ai值并不大，这时如采用球磨机粉磨生料，能效就较差。由于不同生料的原料品种不一，配料比例差异，因此生料的易烧性也有所不同。一般规律是，石灰石和硅质（硅铝质）原料易磨性相差不大（或易或难）时，生料的易烧性较好；如石灰石易磨性好而硅质原料很难磨时，生料的易烧性较差。1.1.2 优化原料配料的基本条件（1）必须重视和做好原料资源地质工作只有地质勘探部门对石灰石等主要资源进行必要的地质工作，才能取得足够深度的地质工作资料，才能将石灰石资源等地质体由地表到深部的结构、构造和赋存状态搞清，才能对各层位的物理化学性能加以了解。只有系统地掌握了矿体矿石与围岩、夹层的产状、化学成分、物理性能、空间状态与分布规律，才能为石灰石等资源的优化选择和搭配利用提供基本保证。因此优化原料配料的最基本条件是首先必须重视和做好原料资源地质工作。（2）必须进行必要的原料工业性能试验当有足够深度的野外资源地质工作结束时，应由地质勘探部门采取有代表性的试样，并委托设计部门进行原料工业性能试验。通过试验研究，可基本掌握原料资源的工艺加工性能，这些性能主要包括原料的易磨性、磨蚀性和生料的易磨性、易烧性，如采用辊式磨，还要进行辊式磨试验。在工程设计中，应优先选择那些距厂址较近、物化性能优异且工艺加工性能良好的原料配料，从而提高企业的能效。院曾对数百家水泥企业进行了原料工艺性能试验，大致的规律是：实验室所做原料的磨蚀性、易磨性与其生料易磨性试验结果，与实际生产相关对应性较强；生料易烧性的一般规律是，实验室易烧性好的生料在实际生产中也易烧（窑的产量较高，f-CaO含量较低），但少数工厂生料易烧性试验结果与实际生产对应性较差，即实验室生料难烧但在实际生产中并不难烧，原因可能与操作水平、设备性能与运行状态等有关。（3）充分综合利用石灰石资源与国外先进国家相比，目前我国石灰石矿山开采是“粗放型”的，即对资源地质工作重视程度不足，矿山开采中对生产勘探重视不够，重视产量而轻视矿产资源搭配综合利用，对石灰岩矿体的围岩、夹层和覆盖物不加以研究就剥离剔除、堆放，造成某些基本符合水泥生产硅铝质原料条件者被抛弃浪费。针对目前我国石灰岩矿山开采现状，要实现矿产资源的合理与综合利用这一目标，需从地质勘探到矿山设计再到后续生产的整个系统工程进行工作，其中矿山设计这一环节工作起到了一个规划并引导的重要作用。目前我国大型水泥矿山普遍采用钻机钻孔、挖掘机铲装、汽车装运、矿山台段式下降的开采方式，随着国家加强对矿山资源有偿使用的监管，矿山资源的搭配和综合利用，既可降低采矿成本、减少资源浪费，也有利于矿山的环境保护，已经成为各个水泥企业节能降耗的关键之一。对矿山资源综合利用而言，如何在开采环节中在满足进厂石灰石指标控制要求前提下，解决好矿岩的合理搭配，并保持进厂矿石品位的稳定与均衡，至关重要。传统的矿山设计方法是定性设计，因为无法靠手工计算来精确实现对小尺寸采矿单元的规划，所出的地质与采矿设计图纸，对于采矿生产来说仅具有指导性意义，而不具备精确指导生产的作用，对于矿山生产的进度计划也只能按年来进行大致的编排。现在利用矿块模型系统软件，可以在矿岩搭配问题上提供较强的帮助。矿块模型软件以其强大的数据库计算功能与三维图形设计功能，将矿山分层开采的平面细化成若干小的开采单元，并且详细计算出每个开采单元的平均品位与矿岩属性，并且利用其丰富的数据库功能，更方便进行采剥进度计划表的准确编制，做到对采矿生产的精确指导。比起传统的设计方法，这些软件所输出的图纸信息量大，数据精确，除了能完成传统手工图纸中的水平地质分层平面图之外，还能输出水平分层岩性图、水平分层品位图、任意块段的储量与平均品位、矿岩量报告与矿岩搭配后的相关数据等，对采矿生产具有直接的指导作用。但对于矿山资源综合利用这一系统性课题来说，设计技术上的进步仅仅只是其中的一个环节问题的解决，目前设计工作中遇到的最大问题来自于地质工作资料本身。近些年很多矿山的地质工作资料深度不够，或虽然深度已达到要求但其部错误不少，地形图上各种首曲线与计曲线的多维数据不全或不准确，同一份地质报告在不同图纸上对同一地层赋存形态的解释互不对应，直接造成了采矿软件在建立地质模型时数据混乱。1.1.3 影响因素与技术措施实际生产中影响能效水平的原因很多，影响因素广泛，除原料配料（原料性能）方面原因外，与员工操作、设备状态、燃料优劣等多方面因素有关，因此水泥企业能效高低问题是一个系统工程问题。（1）原材料选择和开采优化控制我国水泥企业普遍对CaO含量45%的水泥灰岩弃之不用，原因是低品位矿石含杂质多，质量难以控制。充分利用这类低品位原料资源，可大大扩充我国水泥灰岩资源储量。应以现代质量控制技术为基础，在资源源头实施质量控制，采用三维矿山模型、在线分析仪等控制技术，对不同品位石灰石进行搭配开采，既可保证进厂石灰石成分稳定，也可提高矿山资源综合利用率，延长矿山使用年限。对此，应做好矿山地质勘查、质量检测、计划开采、搭配使用等各项工作，并配套采用原料预均化和生料均化设施。水泥行业的硅铝质原料过去主要采用粘土，从生态和技术角度考虑并非最佳选择。自然界赋存有较多的硅铝质原料，如页岩、油页岩、凝灰岩、泥岩、铅锌尾矿、铜尾矿等，易于发生热解反应并与CaO进行固相反应。成岩的硅铝质原料虽要进行破碎增加粉碎电耗，但其水分含量低，可降低烘干煤耗。有些原料，尤其是采矿尾矿，则具有比粘土更好的固相反应活性，其中的微量元素对水泥熟料烧成还有矿化作用。（2）提高产品性能和使用寿命“以质代量”是通过提高水泥熟料质量来满足水泥市场要求。水泥熟料质量提高了，生产同样强度的水泥可多掺加混合材，也可减少混凝土中水泥掺加量，就能做到在不增加熟料产量的情况下满足水泥市场增长的需求。“以质代量”不但起到节能减排的功效，还能大量节省原料资源，并能减少水泥生产工艺过程中排出的CO2。1.2 节能环保的粉磨技术与装备1.2.1 粉磨装备技术的进步1.2.1.1 料床粉磨节能新技术的推广应用 球磨机占据粉磨领域的主导地位达百年之久，其主要特点是技术成熟可靠，操作简单，运转率高，缺点是粉磨效率较低，能耗高。水泥生产采用球磨机系统粉磨原料、燃料和水泥时综合电耗为100kWh/t110kWh/t，物料粉磨电耗占2/3左右，因此提高粉磨效率、降低粉磨电耗一直是粉磨装备技术研究的重点课题。上世纪六、七十年代发展的辊磨、八十年代出现的辊压机和九十年代问世的筒辊磨是粉磨装备技术进步的重要体现，这些以“受限料床高压粉碎”为原理的粉磨设备的粉磨效率相当于球磨机的2倍左右，使粉磨电耗大幅度降低。如果水泥生产采用料床粉磨系统粉磨原料、燃料和水泥，即实现“水泥生产无球磨化” 时，综合电耗可以降低到80kWh/t85kWh/t，投入商业运行或在建的无球磨生产线越来越多。1.2.1.2 粉磨装备大型化发展日产5000t/d10000t/d的大型水泥生产线越来越多，对粉磨设备的配套能力也提出了更高要求，国际知名供货商在粉磨装备大型化方面也显示了各自的实力。德国莱歇公司提供的最大生料辊磨LM69.6生产能力可达800t/h以上，可满足10000t/d生产线的配套要求；其提供的LM63.3+3C水泥辊磨产量为300t/h以上。洪堡公司开发的最大辊压机规格为RPS25-250/180，通过能力为1800t/h。1.2.1.3 高可靠性和长使用寿命现代水泥企业要求工艺系统具有高可靠性，系统设备故障率要求达到2%以下，主机设备的可靠性是关键，减速机、轴承、液压系统、耐磨性能都要有保证。目前，辊磨磨盘和磨辊的使用寿命大都可保证10000h以上，有的可达20000h。为了保证系统的运转率，莱歇公司设计的超大型辊磨采用6辊结构形式，4辊运行，2辊备用。洪堡公司的辊压机采用镶嵌柱钉结构的辊面，其使用寿命为堆焊辊面寿命的2倍，可达15000h以上。还有一些知名的专业耐磨材料供货商正在研制更加耐磨的复合材料。1.2.1.4 对物料的适应强 水泥行业所用物料品种繁多、性能差异很大，即使同类物料，性能波动围也很宽，其中包括易磨性、含水量、磨蚀性（含铁量）等。难磨物料有矿渣、高硅砂岩配料的原料、石油焦、无烟煤等，难烘干的物料有褐煤、白垩配料的原料等，磨蚀性高的物料有钢渣、矿渣、高硅原料、铁矿石等。针对这些物料，现代粉磨技术均有相应的对策。通过引入高温热风，辊磨可以烘干25%水分的原煤和15%水分的原料。对于高磨蚀性物料，通过采用先进的耐磨材料与处理工艺亦可达到理想的使用寿命。1.2.1.5 采用分别粉磨处理固体废渣降低水泥中的熟料用量2010年粗钢产量达到6.27亿吨，每吨钢铁约产生300kg矿渣和150kg钢渣，目前矿渣有效利用率较高，但是钢渣利用率只有50%左右，长期堆存的钢渣有2亿多吨，年均增加3000万吨以上；2010年原煤产量32.4亿吨，火电厂粉煤灰排放量4亿多吨，炉渣3000多万吨，历年堆存的粉煤灰约15亿吨，煤矸石30多亿吨。废渣的堆存占用大量的土地，污染环境，浪费资源。按普通水泥熟料用量75%计算吨水泥CO2的综合排放量约为1吨。对工业废渣进行高细粉磨处理再配制水泥，则可以大幅度提高掺合料用量，降低熟料配比，实现节约资源、保护环境的目的。1.2.2原料粉磨问题生料细度是原料粉磨工艺需要考虑的首要问题。生料越细越均匀，各组分接触越充分，熟料煅烧反应则越充分和迅速，物料在窑停留的时间短，产量高，熟料质量好。如果生料粗粒较多，则化合反应不完全，造成熟料游离氧化钙增多，质量降低。据研究，45m的石英颗粒和125 m的方解石颗粒在正常烧成条件下反应不完全，这部分的颗粒是影响生料易烧性的关键因素。但是生料磨得太细，如R80m10%，对熟料烧成的影响并不显著，反而会增加粉磨电耗，降低磨机产量。国外公司提出的根据生料易烧性等级控制生料细度的经验见表1-2，部分工厂生料细度见表1-3，可以参考。表1-2 生料细度控制指标易烧程度生料细度R200m%生料细度R90m%相当于R80m%易1.01215.2正常/稍难1.51518.5难2.01821.8白水泥原料粉磨工艺：为了减少硅质粉尘对环境的染，控制硅质成分的细度，硅质原料叶腊石经过颚破、辊压机、湿法磨单独粉磨制成料浆，再喂入原料辊磨进行烘干粉磨，入辊磨的叶腊石细度为R45m3%。表1-3 部分工厂生料细度名称华新冀东京阳大宇细度R90m =15%R90m =15%R90m =12%R90m =12%R90m =12%R90m =15%名称ULM28.4ULM40.4LM69.6中材亨达CLF180-120印度RP15-140/140Geseke RP15-140/160细度R90m =1620%R90m =14%R90m =1721%R90m =20%R90m =15%R90m =14%观点1：原料性能试验应侧重对生料易烧性影响因素的分析研究，检测生料中各粒级部分难烧组分的含量，对于生料均质性很差的原料可以考虑采用分别粉磨工艺。节约生料粉磨电耗也是选择原料粉磨系统重点考虑的问题，毋庸置疑，立式辊磨或高压辊压机终粉磨系统已经成为原料粉磨系统的重要选择。根据粉磨机理分析，因为辊压机属于“受限高压”粉碎，粉磨效率要略高于辊磨，但是幅度有限。辊压机终粉磨系统比辊磨系统节电的主要原因在于：辊压机系统中的“选粉烘干风扫”用风量和阻力比辊磨中的低，反映到通风电耗降低，但是辊压机系统中提升物料的斗提电耗比较高。系统电耗应该存在23kWh/t的差值。假设原料易磨性中等，统一生料细度，可以估算出辊压机系统和辊磨系统的电耗情况。生料辊压机与辊磨系统电耗比较见表1-4。表1-4 生料辊压机与辊磨系统电耗比较项目辊压机系统辊磨系统磨机,kWh/t7.27.5风机,kWh/t4.06.8选粉机,kWh/t0.20.3提升机,kWh/t0.80.1其他辅机,kWh/t0.81.3合计,kWh/t13.016.0多年以前宇部公司提供的生料系统采用外置选粉的辊磨系统，其设计电耗比其他公司采用正常部分外循环辊磨系统的电耗低3kWh/t左右，其原因也在于出磨物料靠提升机喂入选粉机进行分选，以降低通风电耗，但系统要求选粉机可烘干的原料水分为3。调研的辊压机终粉磨系统生的运行数据见表1-5。表1-5 生料辊压机终粉磨系统调查数据工厂规模t/d辊压机产量t/h细度%辊压机kWh/t系统kWh/t三德2000RP15-140/1602900设计180实际140150R901212.0亚东24000RP20-170/18021500设计350实际360R7516实际R7514.87.613.3亚东34000RP20-170/18021800设计400实际370R7515实际R15157.515亚东4000RP20-170/18021800设计400R751510.7智海2500CLF180-1002900设计220实际200220R80157.213.2中材2500CLF180-12021250设计220实际242R80108.515.8中材亨达5000CLF180-120212502200实际2240R80205.9满意5000CLF200-16021800400实际400印度2500RP15-140/1402900215R90158.412.8Geseke2000RP15-140/1602900165R901413.0平均R80m =14%7.513.3生料辊压机与辊磨两种系统的综合比较见表1-6。表1-6 生料辊压机与辊磨系统综合比较系统辊压机系统辊磨系统备注系统电耗kWh/t12141517中等易磨性80100100总投资10095100磨耗,g/t0.53(堆焊表面)26(磨辊磨盘)使用寿命,h70007000中等磨蚀可烘干的水分,%577利用五级预热器废气入磨粒度,%D90=50mmD90=80mm生料质量好好工艺流程相对复杂相对简单规模大型化较困难易实现运转率一般略高磨损后的运行状况稳定性较差好产量影响大影响小观点2：水分太高或磨蚀性特差的原料以辊磨为主，辊磨系统也可设计成选粉机外置式系统。选用辊压机系统时重点解决辊面的耐磨问题，最好提供备用辊。运转率是影响水泥企业效益的一个重要因素。原料粉磨系统必须提供足够的生料给烧成系统，确保烧成系统的长期稳定运行。在电力、钢铁、化工行业对于关键系统往往设置备用系统，以确保生产主线的安全运转。在水泥行业，为了节省投资，除空压机等少数附属设备外都不考虑备用系统，只是设计时留有一定的产量富裕。莱歇公司的大型辊磨（见图1-1）则采用了冗余设计理念，如LM69.6辊磨配置6个磨辊，正常生产时4辊运行，2辊备用，当运行磨辊发生故障时备用辊可随时投入运行。图1-1 Loesche公司大型6辊生料磨洪堡公司推出的COMFLEX辊压机系统（见图1-2）也具有这一功能。我们的TRM辊磨运行经验表明，4辊磨机2辊运行时可以达到正常产量的75%左右。图1-2 洪堡公司COMFLEX辊压机系统观点3：生料辊磨可以按需要产量的1.4倍进行配置，正常运行时采用部分磨辊工作。1.2.3燃料制备问题系统选择 我们已经积累了辊磨粉磨烟煤、无烟煤、褐煤和石油焦等各种燃料的使用经验，辊磨无疑成为燃料制备的首选方案。辊磨制备燃料的最大好处是可以通入大量的热风，烘干能力强，适应高水分燃煤的烘干要求，保持较低的煤粉水分，降低烧成系统热耗。另外，与风扫球磨系统相比，可以节电10kWh/t左右，允许的入磨粒度可以放宽到50mm。煤粉用于分解炉和窑头的比例约为6:4，窑头可以适应较粗的煤粉细度，分解炉希望煤粉磨得更细一些，特别是在采用劣质煤或无烟煤的情况下，这说明烧成系统窑头和窑尾对煤粉的要求存在区别。观点4：对于日产5000吨级以上的大型水泥生产线配置双套煤磨系统，分别提供窑头和窑尾用煤。1.2.4水泥粉磨问题众所周知，水泥粉磨的目的是得到具有一定比表面积和颗粒级配的水泥产品。比表面积越高，水泥的强度越高，并希望332m之间的颗粒越多越好，3m的颗粒只对1天强度起作用，332m的颗粒对28天强度起作用。有人通过试验和统计提出30004500cm2/g的水泥28天强度和比表面积、332m含量、分布斜率之间的关系式如下：S=0.0047Sb+0.14(332m,%)+23.78S=0.0053Sb+15.16n+16.12其中S为水泥28天强度，单位为MPa；Sb为水泥的比表面积，单位为cm2/g。很显然，提高比表面积，提高332m的颗粒含量，提高粒度分布的斜率n值都有利于提高水泥的强度。但是水泥强度并不是评判水泥性能的唯一标准，水泥标准稠度需水量、流动度、外加剂适应性等也是水泥性能的重要指标，而水泥的颗粒级配、颗粒形貌和混合材的品种与掺量等对这些性能均有显著影响。因此，选用合适的粉磨工艺制备高品质的水泥产品是水泥粉磨系统考虑的首要问题。各种混合材活性、易磨性不尽一样，在水泥中所起的作用也不同，有的活性较好，对强度有贡献，有的易磨性较好，起到填充作用，优化颗粒级配。不同粉磨工艺水泥产品中各组分含量见表1-7。表1-7 不同粉磨工艺水泥产品中各组分含量粒级6m612m1232m32m混磨矿渣23%0%2%9%12%熟料77%22%14%31%10%分别粉磨矿渣24%5%4%9%6%熟料76%19%12%32%13%混磨石灰石18%8%5%3%2%熟料82%22%18%25%17%观点5：对大宗混合材如矿渣、钢渣、粉煤灰、石灰石、火山灰等进行分别粉磨，与纯硅水泥进行配制，生产普通水泥、复合水泥和特型水泥，充分发挥各种混合材的潜在活性，提高混合材的有效利用率，改善水泥品质。水泥粉磨过程消耗水泥综合电耗的40%左右，提高粉磨效率，降低粉磨电耗在很大程度上体现在水泥粉磨工段。水泥粉磨电耗的影响因素很多，主要包括产品的比表面积、熟料的易磨性和混合材的品种与掺量。根据水泥标准，水泥粉磨时可以掺入一定量的混合材，包括高炉矿渣、石灰石和粉煤灰等，混合材的掺入对粉磨电耗影响较大，我们通过试验研究得出了混合粉磨时这些混合材对粉磨电耗的影响函数，对粉磨系统的计算很有帮助。日本川崎公司提出的水泥粉磨电耗的计算公式如下，供参考。其中W为水泥粉磨电耗；W0是球磨机的输入功率；Wi是熟料的邦德易磨性指数，表示熟料粗磨的难易程度；T3000是指在规定的试验球磨机上按照规定的方法将熟料粉磨到3000cm2/g时所需要的时间，表示熟料细磨的难易程度；x和y分别表示石膏和石灰石的掺量；z表示研磨体的规格系数。最近几年，水泥辊磨终粉磨技术在国外日臻成熟，并得到了越来越广泛的应用，尤其是在印度、越南等新兴水泥市场，有多条新建水泥生产线采用了水泥辊磨终粉磨技术。在国，由于担心辊磨系统磨制的水泥与带球磨机系统磨制的水泥性能存在差异，故一直以来使用水泥辊磨的积极性不高，仅有亚东、东骏、星船城等部分水泥公司采用了进口水泥辊磨。不同水泥辊磨的成品颗粒分布见图1-3，不同系统水泥标准稠度需水量见图1-4。图1-3 不同水泥辊磨的成品颗粒分布 图1-4 不同系统水泥标准稠度需水量,%实践证明辊磨磨制的水泥完全可以达到球磨磨制的水泥质量标准，而且水泥辊磨在节能减排上的优势是有目共睹的，水泥粉磨采用终粉磨系统已成趋势。开发国产化大型水泥辊磨是水泥粉磨装备技术领域的一项紧迫任务，也是实现水泥生产无球化的最后一个堡垒。多年来院致力于这一目标的实现，在TRM型原料辊磨和矿渣辊磨得到广泛应用的基础上，从2006年开始水泥辊磨的研发工作，并于2009年实现了两台TRMS3131矿渣辊磨粉磨水泥的工业化应用，磨机产量和主机电耗达到了预期指标，2010年5月首台国产大型水泥辊磨TRMK4541在越南福山水泥公司成功投产，通过采用新的措施保证形成稳定的料床，配用新型高效笼形转子选粉机，使成品比表面积可以在30004000cm2/g围灵活调节，水泥成品的颗粒分布在合理的围。水泥辊磨中粉磨系统流程见图1-5。中国水泥发展中心物化检测所对TRMK4541水泥辊磨的成品进行了性能检测，结果表明该系统生产的水泥成品性能优良，成品颗粒分布很宽，n值小于1，水泥的标准稠度需水量较低，只有26.4%，与圈流球磨系统产品相当。总的来讲，首台国产大型水泥辊磨TRMK4541正式投入工业生产，磨机运行平稳，各项技术指标达到或超过合同要求，水泥成品的颗粒分布、标准稠度需水量与圈流球磨系统的产品相当，用其配制的混凝土具有良好的工作性能。图1-5 水泥辊磨终粉磨系统观点6：大力推广应用立式辊磨终粉磨系统粉磨水泥，主要优点包括降低粉磨电耗、对入磨物料水分没有严格要求、允许入料粒度大、切换产品品种方便等。辊压机与球磨机组成的各种联合粉磨系统在近10年来得到普遍采用，这些系统即体现了理想的节能效果，又能保证稳定的产品性能，已经成为水泥粉磨系统的首选方案。从最大程度地节约粉磨电耗和确保产品性能的角度出发，辊压机系统可以向“大型辊压机圈流+小型球磨机开流”的方向发展，其流程见图1-6。图1-6大型辊压机圈流+小型球磨机开流系统原料配料由提升机直接喂入稳流仓（主要目的是减轻选粉机的负荷），经辊压机挤压后提升至动静态组合选粉机分选，先经静态选粉机分选，粗料直接落入稳流仓，细料再经动态选粉机分选，粗粉也返回至稳流仓，细粉由旋风收尘器收集喂入球磨机粉磨。为了便于调节辊压机和球磨机的粉磨能力的平衡，动态选粉机的粗料出口设置电动分料阀，可根据需要将少部分粗粉分入球磨机。辊压机系统风机设计放风为选粉机风量的30%，该放风与球磨机合用一台收尘器，收集的粉尘可返回球磨机，也可以直接进入成品。球磨机开流操作，有利于降低水泥的标准稠度需水量，确保水泥的工作性能。如采用粉煤灰作为混合材，则直接喂入球磨机。系统配置要求辊压机单位产品功率消耗达到10kWh/t以上，入球磨机的半成品比表面积2500cm2/g以上。主机配置举例：年产规模150万吨配套生产线3500t/d水泥熟料生产线水泥品种P.O42.5（+P.C32.5）水泥配比熟料78%，石膏5%，石灰石5%，其他混合材12%系统产量200t/h（P.C32.5水泥230t/h）水泥比表面积3500150cm2/g辊压机规格TRP180/160(18001600)挤压力5500kN/m2(电机配用7000 kN/m2)线速度1.8m/s通过量Q=1.81.61.8200=1037t/hQ=1.60.0382.41.83600=946t/h取两种计算结果的平均值1000t/h需用功率P0=20.0421.81.655001.8=2395kW配用电机21600kW球磨机（基于P.O42.5水泥的计算）：圈流球磨系统电耗（(3500-250)/3200）1.334=34.7kWh/t开流球磨机功率（20034.7-23952.0）/0.85=2529kW球磨规格4.013米、2800kW(双仓)辊压机单位吸收功率2395/200=12kWh/t半成品比表面积2500cm2/g球磨机电耗12.6kWh/t最终产品比表面积3500cm2/g系统电耗(与辊磨相当)30kWh/t(P.O42.5) 27kWh/t(P.C42.5)观点7：对希望降低水泥标准稠度需水量的用户可以考虑采用“大型辊压机圈流+小型球磨机开流”的系统方案。在一定条件下，水泥的颗粒级配与粉磨效率、选粉效率存在相关性，一般的，粉磨效率和选粉效率越高，往往水泥的颗粒级配越窄，从而导致水泥的标准稠度需水量越高，开流磨系统粉磨效率最低，没有选粉机，颗粒级配最宽，需水量最低，这样，要获得低需水量水泥往往以牺牲粉磨系统的效率为代价。满足市场需要是粉磨装备系统技术开发设计必须考虑的现实问题，近年来我们广泛采用的辊压机半终粉磨系统体现了高产高运转率的特点，但也有部分企业反映存在需水量偏高的问题，特别是粉磨高标号水泥。经过分析研究，我们对该系统流程进行了进一步优化，使球磨机既可以圈流生产，又可以开流生产，如图1-7所示。球磨机圈流生产为主导方案，开流生产时只要将大收尘器的物料切换入球磨机、出磨物料切换到成品输送系统即可，高效选粉机停运或低速运行。为了降低辊压机系统的厂房高度，辊压机和V型选粉机均布置在低层楼面或地面上，出辊压机物料靠另设提升机喂入V型选粉机。AB图1-7 优化的辊压机半终粉磨系统观点8：辊压机半终粉磨系统球磨机可以满足圈流和开流生产的需要，根据产品要求进行切换，圈流生产时产量高、电耗低，开流生产时产品颗粒级配较宽、需水量低。1.2.5配制水泥问题降低水泥中的熟料用量就可以节约石灰石资源，降低CO2的排放量，多消耗工业固体废渣，保护环境，实现可持续发展。采用配置水泥生产工艺生产添加混合材的水泥流程见图1-8，其好处在于：首先，将水泥各组分粉磨至不同的细度，用调配各水泥组分细度的办法，不仅能够充分利用各原材料的性能，而且可以拓宽和优化水泥的颗粒分布而改善水泥的工作性能；其次，可以根据不同水泥物料的特性，选择适合的粉磨设备和工艺以节约粉磨能耗，比如，可选择立磨来粉磨矿渣，再和用球磨机磨制的水泥组分配合，在保证水泥具有良好性能的基础上降低水泥的粉磨能耗，即使利用立磨粉磨熟料，采用单独磨细的其它混合材料来调配水泥的颗粒分布，也有使其工作性能恢复到球磨水泥的可能，对推广立磨终粉磨水泥系统也有很大的帮助；再次，对于水泥生产企业来说，可以根据水泥用户的不同需求，确定选用混合材的种类和掺量，高度灵活、快速地切换产品方案和实现“量体裁衣”式的生产，增加其适应市场对产品品种需求变化的能力，提供各种具有不同特殊性能和用途的水泥产品，实现水泥产品性能的个性化发展，更好地满足客户的不同使用要求，和下游混凝土企业保持密切的联系；最后，在保持原有水泥质量时，能够显著增加混合材的掺量，从而降低企业的生产成本，直接增加企业的经济效益。图1-8 配制水泥生产工艺 观点9：大力提倡配制水泥技术，降低水泥中的熟料用量，多掺混合材，充分发挥各组分的胶凝特性，节约资源，保护环境。1.3 节能环保的熟料煅烧技术与装备新型干法预分解窑水泥制造技术已经历了近40年的发展历史，目前至将来2050年仍将是水泥熟料制造的主导发展方向。最大限度地实现水泥熟料烧成系统的节能减排是国外预分解窑技术研发不断努力的方向，也是院提升行业竞争力的必经之路。目前国外主要的水泥制造商为国外的KHD、FLS、Polysius；篦冷机则多加IKN与CP两家主体公司；国的在Sinoma旗下的有TCDRI、NCDRI与CDI，另外就是凯盛、院等。不同公司也有各自不同的特点特色，其技术水平也有相应的特点。现结合国外主要水泥制造研究的几大公司的烧成系统技术研究进展对烧成系统国外技术现状作一小结，并结合我公司研发应用实践提出第二代节能环保的水泥熟料烧成系统技术与装备方案。1.3.1 国外烧成系统技术与装备现状1.3.1.1 回转窑在现代烧成系统中，回转窑所取的作用比重逐渐降低，原先作为水泥厂核心装备的概念已逐步改变，目前从工艺技术的角度来讲只要回转窑能保证烧成系统的产量就行，因此尽可能减少回转窑的热损失就是当代回转窑研究的努力的方向之一。降低回转窑表面散热的途径一是采用两档支撑的短回转窑，另一方案是提高回转窑转速，减小回转窑规格，两者的目的均是减少回转窑表面积从而降低表面散热；还有一措施是采用隔热性能较好的特种复合耐火砖以达到降低表面散热的目的。目前国际上KHD、FLS与Polysius均有自己的回转窑，各自的特点如下：（1）KHD公司在中国境投产的基本是PYRORAPID两档窑，长径比为一般在1112之间，当然，KHD公司也有三档窑，其型谱见图1-9：图1-9 KHD公司回转窑从我们查询到的资料表明，回转窑的设备结构上特点不多，即便是两档窑也没有采用先进摩擦传动、槽齿轮带、弹性支撑与自调心托轮，在我们最近的一次印度的调查得知，KHD公司开发设计的三档窑其窑速达到了5.5 r/min，3200 t/d规模的回转窑其规格仅为3.856 m，实际运行窑速5.1 r/min，大大高于国各公司的窑速。总体情况表明，KHD公司无论是两档窑或是三档窑其实际的表面积均较小，相应其散热较小，这为整个烧成系统的热耗降低十分有利。（2）FLS公司FLS 的回转窑采用两档或三档支撑的均已基本定型，图1-10是该公司的回转窑型谱，从我们调研的情况看，该公司目前设计的回转窑的特点是采用弹性支撑和自调心托轮，有点生产线该公司采取的提高窑速（最大为5.5 r/min），在印度一厂2400 t/d的生产线该公司回转窑的规格仅为347.4 m，远远小于常规实际的回转窑规格，较小规格的回转窑其表面散热自然降低，从而也可实现烧成系统的总体节能。图1-10 FLS公司回转窑（3）Polysius公司Polysius 的回转窑从工艺角度来讲与常规三档窑相当（即无论是两档窑还是三档窑其长径比均为1315），该公司设计的两档支撑的回转窑一个显著的特点是采用弹性支撑、自调心托轮、磨擦传动与槽齿轮带，可以说在两档窑的装备设计水平上，该公司达到目前世界的顶级水平，在越南腾龙6500 t/d生产线上该公司两档回转窑的规格为5.278 m（L/D=15）就是采用了上述四项先进技术。但从节能减排角度来讲，该公司回转窑属于普通水平。（4）国公司中国境的各大水泥制造商院、院等所开发的回转窑基本都是长径比L/D=1416的三档窑，院仅有一条仿制KHD公司的5.261 m两档窑在联合投产运行。1.3.1.2 燃烧器燃烧器国外公司的品牌较多，比较有知名度的有：Pillard公司、KHD公司、FLS公司等，Polysius公司也有自己的燃烧器，但基本未见有单独供货的，该公司的燃烧器仅见用于自己所提供的回转窑系统上。三大主要国外公司的燃烧器比较见表1-8。表1-8国外三大公司主要燃烧器性能比较燃烧器型式PYRO-JETPILLARDFLS通道数量三个四个四个通道名称与排列顺序中心空气中心空气旋流空气煤风煤风煤风旋流空气旋流空气轴流空气轴流空气轴流空气喷射方式中心空气无圆孔形喷口平行射流圆孔形喷口平行射流煤风环形射流环形射流环形射流旋流空气环形旋转射流环形旋转射流环形旋转射流轴流空气圆孔喷口平行射流环形射流环形射流气流回路、外回流、外回流、外回流射流风速旋流空气160m/s120160m/s130160m/s煤风2428m/s2226m/s2228m/s轴流空气300400m/s170m/s160200m/s一次风量6%8%8%10%8%10%喷射压力260800mbar250mbar250mbar火焰调节方式气流量气流量和环形截面变化气流量和环形截面变化喷射口倾斜方向向外倾斜向外倾斜+拢焰罩向外倾斜+拢焰罩NOx排放量低低低火焰峰值情况平稳平稳平稳窑皮情况良好良好良好冲量1560 m/s %1280 m/s % 1280 m/s % 国的燃烧器种类繁多，生产厂家也很多，有个体户的，也有学校与所的，但总体来讲基本上是仿制或局部改进国外上述三大公司的产品，技术上并无大的突破。目前燃烧器发展的一个主要特点是提高风速，减少一次风用量，同时考虑燃烧废气物的通道，从而达到节能的目的。1.3.1.3 冷却机往复推动篦式冷却机是水泥厂熟料烧成系统配套的关键设备，承担热熟料冷却、热回收和输送等功能。由于使用环境恶劣，工况变化大，机构复杂，操作难度大，因此篦冷机是窑系统中重大关键设备。自二十世纪30年代中期第一台篦冷机投入使用以来，随着熟料烧成技术的进步，篦冷机技术也在不断发展，先后已登上三个台阶，即第一、第二、第三代篦冷机。第一代篦冷机几经改进基本上满足了湿法、半干法与一般干法窑生产配套的需要；70年代初预分解窑技术的出现和逐渐推广应用，使熟料烧成技术发生了巨大的飞跃，它要求篦冷机相应地大幅度提高单位有效面积产量，并提高热回收率以降低热耗，于是第二代篦冷机应运而生；80年代中期，新型干法生产技术进一步完善，生产规模进一步扩大，使窑系统主机设备向大型化、高效率、低能耗方向发展，于是，80年代末，各国有关水泥装备设计、制造公司开始开发第三代篦冷机，至90年代中期各国生产的第三代篦冷机开始推广使用。但是随着水泥生产对烧成系统的节能降耗的要求，对篦冷机工艺与设备运转性能提出了更高的要求，第三代充气梁型篦冷机已很难适应技术进步的需求，例如，通过活动篦板与固定篦板之间缝隙的漏料、篦板的磨损、通风阻力高、结构复杂、冷却风难于控制、冷却效率低等等。于是, 新一代的第四代篦冷机应运而生，1997年世界上第一台2000t/d级新型篦冷机SFcross bar在意大利投入使用，并取得预期效果，标志着冷却机的一次“技术革命”。第四代篦冷机的突出特点是主体无漏料、模块化结构，高热回收效率、高输送效率、装备高度低和节能等。目前，国际上主要有四种品牌的第四代篦冷机：FLS公司的SF-cross bar篦冷机、Polysius公司的Polytrack篦冷机 、CP公司的冷却机以与KHD公司的Pyrofloor 篦冷机。就其输送功能分类，主要分为两个类型：第一类为固定充气篦床加推料装置（如 cross bar、Polytrack）；第二类为活动充气篦床（料槽式）不设推料装置。第四代的篦床大多装有冷却风流量控制阀，篦床传动均为液压传动。在这几种第四代篦冷机中，SF-cross bar在世界上推广使用围较大，其最大规模为5000t/d级。近年来，第二类的两种机型也开始在全世界推广使用，最大规模也为5000t/d级。IKN公司一直沿用第三代的理念，尚未有第四代冷却机面世。（1）FLS公司的SF-cross bar篦冷机上世纪90年代末出现的第一台第四代篦式冷却机SF-cross bar 篦冷机（图1-11），改变了传统的推动篦板推料的概念，利用篦上往复运动的交叉棒(cross bar)来输送熟料，使篦冷机的机械结构简化、固定的篦板便于密封，熟料对篦板的磨蚀量小，没有漏料，篦下不需设置拉链机，降低了篦冷机的高度，SF交叉棒式篦冷机的另一特点是每块篦板下设置机械气流调节器(MFR)(图1-12)，该调节器的原理是根据料层上不同部位的颗粒大小不均和料层厚度不均造成气体透过料层不均时，机械气流调节器根据阻力大小来调节，自动调节阀板的角度，从而确保气流透过料层，使料层上的熟料得以冷却。由于每一块篦板下面均设置机械气流调节器，其控制围可以准确到每一块篦板的面积，使冷风能够均匀地透过每一块篦板上的料层，从而确保整个篦床面上熟料冷却均匀。总的说来SF交叉棒式篦冷机的通风面积已缩小到每块篦板，而且熟料通过交叉棒向前运行，其翻动次数多，冷风易于冷却，其工艺性能较优，结构简单，由于取消了篦下风室和拉链机在一样生产能力时，设备重量较轻，占用高度低。节约土建投资等一系列优点，该机在投产初期时存在的主要缺点是交叉棒在输送熟料时直接与高温熟料接触，磨蚀严重，增加了维修，影响运转率。经过材质与机械方面的修改，目前磨蚀问题已得到缓解。图1-11 SF-cross bar 篦冷机图1-12 机械气流调节器(MFR)（2）Polysius公司的PolyTRACK篦冷机2001年Polysius开发了无漏料篦床的板式输送PolyTRACK冷却机，该机底部为一厚板，上面设置若干输入装置，物料随输送装置向前运行(图1-13)。冷却空气透过料层使熟料冷却。PolyTRACK篦冷机的纵向各单元均由液压控制。运行速度可以调节边部细颗粒熟料区的运行速度可以降低。确保细颗粒熟料得到充分时间的冷却消除了红河事故。图1-13 PolyTRACK冷却机POLYTRACK设计成气室供风冷却机。热回收区的风室与后面的冷却区风室的尺寸不同。在热回收区，通风元件下的篦床装有A