日產(chǎn)萬噸級熟料煅燒技術(shù)與裝備
高長明
當代世界水泥工業(yè)中，熟料煅燒能力單線達到日產(chǎn)3000～5000噸的就可謂大型，7500～10000噸的當屬超大型。按2003年的粗略統(tǒng)計，全球約20億噸的水泥產(chǎn)量中，大型和超大型生產(chǎn)線所生產(chǎn)的水泥分別為14%和4%左右。雖然它們在水泥總產(chǎn)量中所占的比例還不到1/5，但是它們卻代表了世界水泥工業(yè)的發(fā)展方向和中堅力量。因為它們都采用了最先進的技術(shù)與裝備，充分利用和節(jié)約資源與能源，特別注重環(huán)境保護，均屬環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型綠色生產(chǎn)線。我國近2～3年來新建成投產(chǎn)的50余條日產(chǎn)熟料4000～5000噸以上的生產(chǎn)線，按通用的國際標準衡量，絕大多數(shù)已達到清潔生產(chǎn)的水平，主要是在替代天然礦物燃料---可燃性廢棄物的處置利用方面距離綠色生產(chǎn)水平還有較大差距，亟需全社會各方面的協(xié)調(diào)逐步實現(xiàn)之。
現(xiàn)今我國水泥工業(yè)中，日產(chǎn)熟料5000噸左右的大型裝備及其技術(shù)已經(jīng)相當成熟，先進可靠?？傮w而言，這樣的生產(chǎn)線應(yīng)該成為我國水泥工業(yè)發(fā)展的主流。事實上也正是這樣穩(wěn)步地發(fā)展之中。所謂超大型的生產(chǎn)線，目前看來它應(yīng)該是一種反映我國水泥工業(yè)技術(shù)與裝備水平和實力的標志，其象征性意義尤為顯著。故而更加吸引世人的眼球，引起廣泛關(guān)注。
本文僅就超大型水泥熟料煅燒技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀及其發(fā)展作一簡介，與業(yè)界同仁共研討。
一、萬噸級（7500～1000tpd）熟料煅燒技術(shù)與裝備的發(fā)展簡況
作為水泥熟料預(yù)分解煅燒技術(shù)與裝備大型化和超大型化先驅(qū)的丹麥史密斯公司1990年分別與泰國的暹羅水泥公司（SCC）和暹羅京都水泥公司（SCCC）簽署合同，分別為位于考翁和塔珀克旺新建的10000tpd生產(chǎn)線提供全套熟料煅燒裝備，即預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、排風(fēng)機，等等。這兩條10000tpd生產(chǎn)線于1992年先后投入正常生產(chǎn)，是世界上第一條（考翁）和第二條（塔珀克旺）投產(chǎn)的10000tpd生產(chǎn)線。
這是現(xiàn)代水泥工業(yè)邁向超大型化的一個飛躍，因為當時國際上已投產(chǎn)的4000tpd左右的生產(chǎn)線都不多，據(jù)說僅有10余條線，而且生產(chǎn)時間最長的也只有4～5年。這一步跨越到10000tpd并取得成功，實屬不易。因市場需求刺激，1994年在泰國塔珀克旺又擴建了1條10000tpd生產(chǎn)線。這也是史密斯提供的世界第三套10000tpd熟料煅燒全套裝備，并根據(jù)前兩套的實踐經(jīng)驗進行了相應(yīng)的改進。
1995年泰國暹羅水泥公司曾決定在考翁擴建一條15000tpd生產(chǎn)線，1996年史密斯公司完成了該線熟料煅燒裝備的設(shè)計，后因1997年的亞洲金融危機，該項目未能實現(xiàn)。
1990～2001年間，史密斯公司（含1997年兼并的美國前Fuller公司）為泰國、印尼、巴西、印度、波蘭等國家提供了7000~10000tpd生產(chǎn)線的熟料煅燒全套裝備約15套。
1991～1999年間，德國伯力休斯公司為泰國、印尼、韓國、中國等提供了7000～8500tpd生產(chǎn)線的熟料煅燒裝備近10套。
上世紀90年代，德國洪堡公司、日本三菱、川崎和宇部等公司為沙特、日本、中國臺灣等提供了7000～8500tpd生產(chǎn)線的熟料煅燒裝備大概有6套左右。
1999年瑞士霍爾西姆水泥公司曾決定在美國米蘇里州圣魯易士城附近新建一條12000tpd生產(chǎn)線，經(jīng)歷了嚴格而漫長的生態(tài)環(huán)境審核與激烈的技術(shù)與商業(yè)競爭，2001年伯力休斯公司與業(yè)主草簽了該項目的供貨合同，然而卻遭遇廠址附近社區(qū)大眾的強烈反對，加之美國經(jīng)濟當時不太景氣，致使該項目成為懸案。直到2004年春季，霍爾西姆水泥公司終于和社區(qū)公眾以及美國環(huán)境局達成了諒解備忘錄，業(yè)主方應(yīng)允了一系列苛刻的環(huán)境承諾。屆時正值美國水泥供應(yīng)開始出現(xiàn)嚴重緊缺，于是業(yè)主宣告該項目重新啟動。鑒于對生態(tài)環(huán)保更嚴格的需求，這次業(yè)主正在邀請更多的水泥裝備和環(huán)保裝備供應(yīng)商進行廣泛深入的議標程序，該項目的各個分項，誰能中標，尚需拭目以待。
2002年，中國海螺水泥集團在銅陵A、B，樅陽，徐州和池州等地有4條10000tpd和1條8000tpd生產(chǎn)線的熟料煅燒裝備進行了國際招標，使國際水泥界和諸多世界一流的水泥裝備供應(yīng)商頗感震驚和喜悅。最后史密斯公司和伯力休斯公司各得了2條10000tpd的訂單，另一條8000tpd的歸伯力休斯。一時間，中國海螺集團成為這兩家世界頂級水泥裝備公司的“最佳合作伙伴”。國際水泥界開始對中國水泥工業(yè)刮目相看了。因為當時世界上總共僅有3條10000tpd生產(chǎn)線均在泰國，而中國海螺竟然一口氣就要建4條10000tpd線，的確令人驚喜。更具說服力的事實是，2004年間已經(jīng)有和即將有3條10000tpd線相繼投入了正常生產(chǎn)，充分體現(xiàn)了我國水泥工業(yè)向大型化邁進的整體水平與素質(zhì)。
根據(jù)筆者的不完全統(tǒng)計，截止2004年底，全世界已投產(chǎn)和計劃投產(chǎn)的2000tpd以上的預(yù)分解窯約有460條生產(chǎn)線，水泥總生產(chǎn)能力達8.8億t/a,其中中國大陸占有約280條,水泥生產(chǎn)能力達4.8億t/a。詳見表1所列。
表1 世界2000tpd以上PC窯生產(chǎn)線不完全統(tǒng)計 2004.12.31截止
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熟料生產(chǎn)能力 tpd |
2000～4000 |
4000～7000 |
7000～8500 |
10000 |
合計 |
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生產(chǎn)線數(shù)目
水泥生產(chǎn)能力 （億 t/a） |
280～300
～4.5 |
115～125
～3.0 |
28～32
～1.0 |
6
～0.24 |
～460
～8.8 |
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其中中國大陸占有生產(chǎn)線數(shù)目
水泥生產(chǎn)能力（億 t/a） |
～215
～3.16 |
～60
～1.4 |
2
0.06 |
3
0.12 |
～280
～4.8 |
二、萬噸級熟料煅燒裝備的配置
萬噸級熟料煅燒裝備的配置恰當與否，對于其生產(chǎn)操作的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性具有決定性作用，各家公司都在總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗和計算機數(shù)摸試驗的基礎(chǔ)上積累了一定的技術(shù)訣竅，能夠根據(jù)各有關(guān)客戶原燃料的具體情況和要求優(yōu)化設(shè)計配置預(yù)熱器、分解爐、管道、回轉(zhuǎn)窯和燃燒器等裝備。實際上在選型的過程中是具有一定的靈活性的，隨具體情況的不同可以在一定的范圍內(nèi)有所變化。這里所介紹的是一些較典型的配置，如表2所列。
表2 萬噸級熟料煅燒裝備的典型配置
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史密斯公司 |
伯力休斯公司 | ||
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10000tpd |
7500tpd |
10000tpd |
7500tpd | ||
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系統(tǒng)性能保證 |
熟料產(chǎn)量（tpd）
熟料熱耗（kJ/kg）
CI出口溫度(°C)
CI出口壓力(Pa)
CI出口含塵(g/Nm³)
CI出口NOx(mg/Nm³) |
10000
710 × 4.18
310
5000
85
550 |
7500
698 × 4.18
285
5150
85
550 |
10000
710 × 4.18
310
5000
65
650 |
7500
698 × 4.18
285
5100
70
650 |
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預(yù)熱器 |
組合型式 |
5級雙列 |
6級雙列 |
5級雙列 |
6級雙列 |
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C1（mm）
C2（mm）
C3（mm）
C4（mm）
C5（mm）
C6（mm）
C1 收塵效率（%）
預(yù)熱器出口廢氣量（Nm³/kg.cl.） |
2-ø7800
2- ø7800
2- ø8200
2- ø8500
2- ø8500
_____
94
1.37 |
2- ø7200
2- ø7200
2- ø7500
2- ø7500
2- ø7500
2- ø7500
95
1.33 |
4- ø7900
2- ø8690
2- ø9180
2- ø9690
2- ø9690
_____
96
1.34 |
4- ø6340
2- ø7800
2-ø8230
2- ø8230
2- ø8230
2- ø8230
97
1.31 | |
|
ID風(fēng)機
風(fēng)溫（°C）
風(fēng)量（m³/h）
風(fēng)壓（Pa） |
310
2 × 792000
-7070 |
290
2 × 525000
-6100 |
310/450
2 × 774000
-7300 |
290/420
2 × 567000
-7600 | |
|
|
預(yù)熱器結(jié)構(gòu)特點 |
三心大蝸殼 |
三心大蝸殼 |
斜頂偏心內(nèi)筒 |
斜頂偏心內(nèi)筒 |
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預(yù)熱器塔架尺寸（m）
地面到塔架頂層高度（m） |
～21×40×100
～140 |
|
～(18+8)×34×100
～150 |
| |
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分解爐 |
型式 |
ILC-5.2低NOX在在線噴騰型 |
SLC-S
離線噴騰型 |
Prepol MSC
在線管道型 |
Prepol AS-CC
在線管道型 |
|
規(guī)格(m)
數(shù)量
有效容積(m³)
氣體停留時間(S)
主截面風(fēng)速(m/s)
入窯物料分解率(%)
爐內(nèi)喂煤比例(%)
噴煤管型式
噴煤方式及數(shù)量
物料入爐方式
三次風(fēng)進風(fēng)方式 |
Ø8.8,柱長38
1
2090
爐3.3管道1.0
11．5
90-95
60
單通道
一層四點（錐部）
兩層四點
兩層二點 |
Ø8 × 17
1
1250
4
12.3
90-95
60
單通道
一層兩點（錐部）
兩層三點
一層一點 |
主爐Ø7.64；全高85
1
3403
5.6
15.0
90-95
爐50，煙室10
雙通道
兩層三點（煙室1，爐2）
兩層四點
兩層三點
（爐下2，爐上1） |
1
2380
4.2
15.0
90-95
60
雙通道 | |
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結(jié)構(gòu)特點 |
結(jié)構(gòu)較簡單，爐中部帶縮口，爐與C5采用直接管道接口 |
|
結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，管道型分解爐，頂部帶反射室 |
| |
|
回轉(zhuǎn)窯 |
規(guī)格(m)
長徑比
斜度(%)
托輪座
擋輪座
主電機(kw)
輔助傳動(kw)
窯轉(zhuǎn)速(rpm)
調(diào)速方式
窯頭尾密封型式
窯內(nèi)火磚厚度(mm) |
Ø6×95
15.83
4
3
2
2× 950
2×55
5.0(max.)
變頻
彈簧片
220 |
Ø5.5×87
15.82
4
3
2
2×630
變頻
彈簧片
220 |
Ø6.4/6.0×90
15.0
4
3
2
2×845
2×50
3.5(max.)
變頻
汽缸摩擦
250 |
Ø5.6×87
15.53
3.5
3
2
2 ×720
變頻
汽缸摩擦
250 |
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窯燃燒器 |
型號 |
Duoflex |
|
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|
|
通道數(shù)
|
2（軸流風(fēng)和旋流風(fēng)在噴出前預(yù)混合，實際為三通道） |
2（軸流風(fēng)和旋流風(fēng)在噴出前預(yù)混合，實際為三通道） |
3 |
3 | |
|
火焰調(diào)節(jié)方式 |
蝸輪調(diào)節(jié)外管伸縮，改變噴咀面積 |
|
風(fēng)門調(diào)節(jié)或螺焊調(diào)節(jié)內(nèi)外管伸縮 |
風(fēng)門調(diào)節(jié)或螺焊調(diào)節(jié)內(nèi)外管伸縮 | |
|
燃燒推動力（m/s.%）
一次風(fēng)比例(%) |
1800
6-8 |
1800 |
1600
10 |
1600 | |
因為萬噸級熟料煅燒裝備的預(yù)熱器是雙列的，所以在市場需求縮減時，還可以采用單列預(yù)熱器進行生產(chǎn)，相應(yīng)地熟料產(chǎn)量將減少一半，仍可實現(xiàn)正常生產(chǎn)。 茲以史密斯公司的10000tpd系統(tǒng)為例，分別列舉其在10000tpd，5000tpd和11000tpd生產(chǎn)情況下的主要操作技術(shù)參數(shù)的設(shè)計值，如表3所示。
表3 史密斯10000tpd系統(tǒng)在不同產(chǎn)量時的主要生產(chǎn)操作參數(shù)（設(shè)計值）
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系統(tǒng)產(chǎn)量 （tpd） |
10000 |
5000
預(yù)熱器單列生產(chǎn) |
11000 |
|
窯燃燒帶截面負荷(GJ/h.m³)
窯內(nèi)容積負荷(tpd/m³)
C1出口壓力(Pa)
C1出口風(fēng)溫(°C)
C1出口風(fēng)量(kg/kg.cl)
爐出口風(fēng)速(m/s)
爐內(nèi)氣體停留時間(s)
二次風(fēng)量(kg/kg.cl)
二次風(fēng)溫(°C)
三次風(fēng)量(kg/kg.cl)
三次風(fēng)溫((°C)
ID 風(fēng)機凈耗(KW)
ID風(fēng)機單位電耗(KWh/t.cl)
熟料單位熱耗(KJ/kg.cl) |
4.8×4.18
4.3
-5040
310
1.976
11.6
3.3
0.396
1212
0.681
905
2×1133
5.44
705.9×4.18 |
2.6×4.18
2.2
-4970
323
2.037
6.0
6.3
0.434
1199
0.686
875
1161
5.57
741.0×4.18(°C) |
5.2×4.18
4.8
-6050
312
1.967
12.7
3.0
0.390
1213
0.680
910
2×1483
6.47
700.7×4.18 |
由此可知，原設(shè)計的10000 tpd系統(tǒng)，預(yù)熱器單列生產(chǎn)時，熟料產(chǎn)量減少一半的同時，熟料熱耗將上升35 ×4.18KJ/kg.cl，ID風(fēng)機的單位電耗則增加很少。相反地，當熟料產(chǎn)量提高到11000 tpd時，其熱耗僅降低了6 ×4.18 KJ/kg.cal，ID風(fēng)機電耗卻上升了1 KWh/t。當然這些數(shù)值只是提供一個趨勢性的參照，具體數(shù)據(jù)還應(yīng)以各客戶的正常生產(chǎn)實踐為準。
三、對萬噸級熟料生產(chǎn)線的若干見解
水泥是大宗建材，顯然應(yīng)該進行大規(guī)模的生產(chǎn)。但是單線生產(chǎn)能力達到10000tpd級時，它對市場需求的適應(yīng)性和靈活性將會表現(xiàn)出一定的缺陷，所以我們應(yīng)該在經(jīng)濟技術(shù)收益最佳的前提下，正確選擇最適宜的熟料單線生產(chǎn)能力，作為我國水泥工業(yè)邁向新型工業(yè)化道路的主流裝備。
當前，預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)技術(shù)在預(yù)均化、生料粉磨、熟料煅燒、熟料冷卻、水泥粉磨以及物料儲運和收塵等裝備方面，其大型化和超大型化程度已發(fā)展到了接近于極限。以10000tpd生產(chǎn)線為例，生料立磨就必須采用2臺，即兩臺5000tpd的生料立磨配一臺10000tpd的窯系統(tǒng)，所謂兩磨一窯方案。如欲實現(xiàn)一磨一窯，則生料磨的產(chǎn)量必需達到800t/h左右，其磨盤直徑約Ø7m，裝機6600KW以上。設(shè)計制造這樣超大規(guī)格的立磨及其減速機，技術(shù)難度很大，經(jīng)濟合理性如何，仍是一個大問號。此外10000tpd級的熟料蓖冷機和回轉(zhuǎn)窯也已接近各自的極限了。
我國已有近30條5000tpd生產(chǎn)線成功投產(chǎn)，運轉(zhuǎn)正常，它們都是采用一磨一窯方案的，技術(shù)先進成熟。與兩磨一窯的10000tpd生產(chǎn)線相比，兩者的熟料熱耗(710×4.18KJ/kg.cl)，從預(yù)均化堆場到熟料庫的電耗（56KWh/t.cl），燒成電耗（20kwh/t.cl）等技術(shù)指標均相差無幾；而噸投資、噸設(shè)備重量、噸裝機容量等技經(jīng)指標也很相近。說明在現(xiàn)有的客觀條件之下，5000tpd級比10000tpd級的生產(chǎn)線具有更強的競爭力，適應(yīng)性更廣泛。
所以，只有在市場需求旺盛，潛力巨大，原燃料資源豐富，能源供應(yīng)有保障，交通運輸較方便的地區(qū)，可以考慮興建10000tpd生產(chǎn)線。多數(shù)情況下，我國水泥工業(yè)仍以興建2500～5000tpd級生產(chǎn)線為宜。作為水泥生產(chǎn)大國走向生產(chǎn)強國的標志和象征，我國應(yīng)該興建若干10000tpd級生產(chǎn)線。這對于提高我國水泥工業(yè)機器裝備的國際知名度，展示技術(shù)實力，樹立品牌形象，增強全球化競爭力是十分有利的。這的確是一項英明果敢的決策。我們相信這些新投產(chǎn)的10000tpd級生產(chǎn)線必將獲得圓滿成功，祈望早日達到世界最佳水平。
另外一個可能比較具有較高技術(shù)經(jīng)濟效益和發(fā)展?jié)摿Φ膯尉€生產(chǎn)規(guī)模，就是一磨一窯的6000~7000tpd左右的生產(chǎn)線。其前提是生料立磨的單臺產(chǎn)量能滿足窯系統(tǒng)的需求。即生料立磨的臺時產(chǎn)量約為500噸，其磨盤直徑為6m左右，裝機功率5000KW。這樣規(guī)格的生料立磨是現(xiàn)今最大型的，已經(jīng)售出的只有3臺，而且均未投產(chǎn)。如果獲得成功的話，那么一磨一窯6000~7000tpd的生產(chǎn)線，其噸投資、噸設(shè)備重量、噸裝機容量等技經(jīng)指標可能會略優(yōu)于5000tpd級的，從而具有稍強的競爭力，例如我國在建的魯南青州和海德堡一越秀等≥6000tpd生產(chǎn)線那樣，尚有待2005年投產(chǎn)后的實踐檢驗之。
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