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%。國內水泥生產(chǎn)的平均熱耗和發(fā)達國家相比高達65%-70%。而作為先進水泥生產(chǎn)技術的預分解窯，國內許多廠家仍存在諸多問題。以RSP預分解窯為例，據(jù)統(tǒng)計，至1996年在國內的三十多條預分解窯水泥生產(chǎn)線中，穩(wěn)定達產(chǎn)達標的廠家不過七、八家，僅占20%左右。其主要問題是系統(tǒng)熱耗普遍較高，結皮堵塞現(xiàn)象嚴重，加之設備故障頻繁，從而導致窯的運轉率不高。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熱器系統(tǒng)、新型篦式冷卻機和多通道噴煤管等先進技術裝備，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工藝，降低了水泥生產(chǎn)的熟料熱耗。表1、表2分別為國內外部分水泥廠家熟料熱耗、預熱器出口廢氣熱損失及系統(tǒng)漏風量的對比。國內生產(chǎn)廠家的熟料熱耗較國外高出較多，以RSP預分解窯為例，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，國內生產(chǎn)廠家熱耗高的原因有三個方面。一是預熱器出口廢氣熱損失大。國內廠家預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熱器出口廢氣量大、廢氣溫度較高、系統(tǒng)存在較嚴重的漏風。國外較先進的帶五級預熱器的預分解窯的預熱器出口廢氣溫度一般為290～310℃，如果國內廠家預熱器出口廢氣溫度能降至這個水平，則其預熱器出口廢氣熱損失可降低許多。以G廠為例，若其預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)漏風量較少，多數(shù)廠家系統(tǒng)漏風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6倍。如果用系統(tǒng)漏風量占預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23%。由此可見系統(tǒng)漏風問題在部分廠家仍沒有引起高度重視，但系統(tǒng)漏風造成的損失卻是顯而易見的。一方面增大了系統(tǒng)廢氣量，增加了熱損失和風機電耗，另一方面由于漏風降低了氣體溫度，進而降低了氣固換熱效率。特別是各級預熱器下部翻板閥及下料管的內、外部漏風，將使旋風筒分離效率急劇降低，從而造成高溫物料向上級低溫旋風筒返混，擾亂系統(tǒng)正常生產(chǎn)，其熱耗必然增加。 

      當然，國內廠家預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。國內預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)用風量方面仍值得深入的探討。  
　　國內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，回轉窯最大，以下依次為預熱器、三次風管、分解爐、冷卻機(篦式冷卻機)，其中回轉窯、預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，設備的表面溫度較高也不容忽視，特別是回轉窯。  

      造成國內水泥生產(chǎn)廠家燒成系統(tǒng)散熱損失高不僅有內襯材料選擇的原因，而且有生產(chǎn)操作上的原因。如耐火材料的選擇不當，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〕。另外還有設備設計選型上的原因。國內在設計中小型預分解窯系統(tǒng)時，可能本著設備留有適當富余能力、緩沖操作上的困難等種種原因，設備選型往往偏大，以回轉窯為例，國內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，國內回轉窯明顯要低于國外廠家，從某種程度上來說，也就意味著國內回轉窯(超短窯除外)規(guī)格的設計仍值得探討。以Φ4m×60m的回轉窯為例，印度Visaka水泥公司的窯的設計生產(chǎn)能力為2500t/d，而國內只有2 000t/d，兩者差值竟然高達25%。生產(chǎn)實踐指出，對于同一規(guī)格的回轉窯，會因預熱器與分解爐等的規(guī)格匹配、原燃料的品質種類、窯爐燃料的用量比、配料的率值、化學成分的穩(wěn)定性及操作而影響其臺時產(chǎn)量〔2〕，但當熱負荷的主體碳酸鹽分解，部分或大部分從窯內移到窯外時，決定系統(tǒng)能力的因素也理應由回轉窯移到預熱器和分解爐系統(tǒng)〔3〕。目前國外廠家在保證預分解程度高且穩(wěn)定，回轉窯具有一定潛力的基礎上，紛紛在縮小窯的規(guī)格，比如超短窯。這樣可適當降低窯的散熱損失，減小耐火材料的用量，有利于節(jié)能。與國外相比，國內在這方面還存在提高認識的問題。在設計新的水泥生產(chǎn)線時，應具體考慮到工廠使用的原、燃料品質，操作管理水平等，充分做到設備選型合理、優(yōu)化，功能匹配得當，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停留時間，對煤粉燃燒與生料分解反應有利。目前新型分解爐的設計，除了注重改變燃料入口位置、燃料、生料、三次風分布方式外，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)模的預分解窯，規(guī)模大的預分解窯的單位容積的耐火材料用量比規(guī)模小的預分解窯要少，而且在國內各種規(guī)模的預分解窯系統(tǒng)中，沒有達產(chǎn)達標的以中小型窯居多。因此，本著工廠的技術經(jīng)濟指標考慮，國內在新建預分解窯時，在資金允許的條件下以采用大中型預分解窯為佳，日本、東南亞一些國家紛紛建造大型的水泥預分解生產(chǎn)線也足以證明這一點。  
　　

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

      由表5可知，若從出冷卻機余風風量、風溫兩項指標來看，國內廠家與國外水平還比較接近。但國內廠家冷卻機熱回收效率、入窯二次風溫明顯偏低，出冷卻機熟料溫度偏大，這些都說明了國內的篦式冷卻機與國外廠家相比，在冷卻風利用率、提高窯系統(tǒng)二次風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，國內廠家熟料熱耗高的原因雖主要在于預熱器出口廢氣熱損失、系統(tǒng)散熱損失及冷卻機余風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，本文歸結如下。  

2.1　優(yōu)化系統(tǒng)設計和生產(chǎn)操作  

2.1.1　優(yōu)化原料配方  
　　

      原料的性質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)設備如分解爐等的設計、操作密切相關。生產(chǎn)中理應對不同的原料，通過優(yōu)化配比，為實現(xiàn)節(jié)能降耗打下基礎〔4〕。  

2.1.2　采用多級新型旋風預熱器系統(tǒng)  
　　

      造成預熱器出口廢氣熱損失較高的原因有預熱器系統(tǒng)換熱效率不高，廠家忽視了系統(tǒng)漏風對水泥生產(chǎn)的影響等。實踐證明只有選用多級低阻高效旋風預熱器系統(tǒng)，徹底改進預熱器本身的性能，才能提高預熱器系統(tǒng)的換熱效率，降低預熱器出口廢氣溫度，生產(chǎn)中還應嚴格注意設備的密封堵漏，從而降低系統(tǒng)的熟料熱耗。但對目前已建成投產(chǎn)的預分解窯，還可以針對其較高的預熱器出口廢氣溫度和出冷卻機余風溫度，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〔5〕，這在魯南、琉璃河、寧國等廠已取得了成功。  

2.1.3　應用新型高效的篦式冷卻機  
　　

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

      1990年新型的控流式篦式冷卻機投放市場以來，很快以其節(jié)省熟料熱耗、提高窯系統(tǒng)的運轉率和可靠性，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。  
　　

      當然，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)也至關重要，水泥生產(chǎn)中理應引起高度重視，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的原料作為二次燃料，結合循環(huán)流化床技術，進行水泥新燒成工藝的開發(fā)，業(yè)已取得了初步成功〔7，8〕。國內在此方面尚未見到報導，但國內已著手進行新型干法窯燃無煙煤生產(chǎn)水泥技術的研究開發(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，以期達到降低生產(chǎn)能耗、減少資源消耗、減輕環(huán)境負荷的目的，促進我國水泥工業(yè)的結構性調整。  

3　結論  
  　

      (1) 國內水泥廠家熟料熱耗高的原因主要在于三大熱損失較高，其中預熱器出口廢氣量大、廢氣溫度高、系統(tǒng)漏風嚴重、耐火材料使用不盡合理、冷卻機熱回收效率低等原因是導致系統(tǒng)熱耗高的直接原因。同時回轉窯規(guī)格的設計等也值得進一步探討。  
　　

      (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)設計和生產(chǎn)操作，通過采用多級低阻高效旋風預熱器系統(tǒng)，或充分利用預熱器出口廢氣熱量和出冷卻機余風熱量，通過低溫廢氣余熱發(fā)電技術，為降低熟料熱耗做貢獻。三是應用新型高效的篦式冷卻機，通過提高冷卻風的利用率，降低出冷卻機的熟料溫度，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)調型產(chǎn)業(yè)體系。  

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