1 前言

    水泥工厂节能设计规范于2007年10月颁布，2008年5月1日将开始实施，天津水泥工业设计研究院有限公司作为规范的主编单位之一和设计单位，既是规范制定的参与者又是规范实施后的执行者，深感责任重大。为了贯彻执行好水泥工厂节能设计规范，使5月1日后各家设计单位能够顺利按照规范要求执行，在此之际与水泥界同仁探讨水泥工厂的节能设计方案，无疑是十分有益的。希望通过本文能够抛砖引玉，得到大家的批评指正，为切实落实规范的实施起到积极的作用。

2 国内外新型干法水泥生产线能耗状况

    目前，国产装备的大中规模新型干法预分解窑生产线总体技术如下：

    ·{zd0}生产线规模为10000t／d，但绝大部分为6000t／d及以下规模；

    ·熟料热耗<3180kJ／kg，先进的低于3010kJ／kg；

    ·水泥综合电耗<110kWh／t，先进的低于l00kWh／t(不掺混合材)；

    ·窑系统年运转率约85％，先进的接近90％；

    ·粉尘排放量<50mg／m3(标)，先进的小于30mg／m3(标)；

    ·工业废弃物用作原料和混合材，生产中低标号的普通硅酸盐水泥和矿渣水泥；用作燃料刚起步。

    国际上，先进的装备新型干法预分解窑生产线总体技术为：

    ·{zd0}生产规模为l0000～12000t／d；

    ·熟料热耗2970kJ／kg，先进的可达2900kJ／kg；

    ·水泥综合电耗一般为95～100kWh／t，先进的可达85～90kWh／t；

    ·窑系统年运转率一般为85～90％，先进的95％以上；

    ·工业废弃物用作原料和混合材，生产高性能水泥，燃料代用率先进国家已超过30％，工业废弃物利用量超过350kg／t水泥；

    ·有毒有害气体排放量得到严格控制，粉尘排放量一般<50mg／m3(标)，先进的为15～30mg／m3(标)；NOx排放量一般<1000mg／m3(标)，先进的<500mg／m3(标)；SOx一般低于200ppm，先进的低于50ppm。

    我国新型干法技术虽然取得了令人瞩目的成绩，但总体技术装备水平仍然落后于世界先进水平，技术最为先进的国产装备6000t／d生产线，其能耗、控制水平、运转率及可靠性方面与国外先进水平相比仍有一定差距，应尽快通过科研开发和技术创新手段提高新型干法技术水平，以节能降耗、环保、改善水泥质量和提高劳动生产率为中心，逐步实现清洁生产和高效集约化生产，实现水泥工业的可持续发展。

中国水泥工业在高速发展过程中，存在的主要问题有：(1)结构仍不合理，技术落后的立窑和传统回转窑的总产量，还占总数的50％，有待调整；(2)新型干法工艺装备技术的平均生产水平和国际先进技术相比，尚有较大差距，有待提高；(3)具有自主知识产权的原创性工艺技术装备较少。

3 新型干法水泥生产线的节能技术

    从设计的角度来看，新型干法水泥生产线的节能技术主要包括烧成系统节能技术、粉磨系统节能技术、废弃物的处置和利用以及高效纯低温余热发电技术等。在规范即将实施的同时，天津水泥院有限公司正在研发和推出新一代水泥工厂的技术装备，其烧成系统主要由带高效分解炉的新一代六级预热器系统、两档短窑、新一代步进式稳流高效冷却机以及新型大推力的煤粉燃烧器等组成。粉磨系统节能技术装备主要是原燃料粉磨采用辊磨、水泥和混合材粉磨采用辊磨终粉磨或大辊压机小球磨的联合粉磨技术。

3．1 新一代新型干法烧成系统节能技术

    对于水泥工业窑炉的研究，国内外主要研究机构均依据水泥熟料形成热、动力学机制，研究水泥窑炉工艺过程，并对各设备子系统工作机理和料气运动、换热规律进行探讨；通过建立单级和多级粉体悬浮热交换器热力学理论模型和分解炉系统热稳定性理论模型，建立全系统的热效率模型，系统研究了悬浮预热器和分解炉的热效率及其影响因素、悬浮预热器系统特性组合流程、流场、温度场、浓度场的合理分布和碳酸盐分解及固液相反应动力学特性，并在此理论成果的指导下，开发出新型干法水泥熟料生产技术装备。

    天津水泥工业设计研究院有限公司由新一代六级新型预热预分解系统、两档支撑回转窑、步进式稳流新型冷却机、新型大推力的窑头燃烧器组成的5500t／d级新一代烧成系统，其技术经济指标将较正常水泥生产线有大幅度提高，其主要技术经济指标为：

    ·熟料热耗2885kJ／kg(690kcal／kg)；

    ·系统年生产平均热耗3 136kJ／kg(750kcal／kg)；

    ·熟料电耗≤l8kWh／t；

    ·环保要求接近国际先进水平，NOx排放量<500mg／m3(标)。

    3.1.1 新一代带高效环保分解炉的六级预热器系统

    天津水泥院有限公司通过对燃料特性及燃烧性能的研究，冷态模型实验及热态试烧和生产过程中热态系统的测试，同时利用现代热工理论、反求计算工程，在消化、吸收的基础上，进行了再创新，解决了一些难题，攻克了一些关键技术，并借助计算机仿真分析，开发了第三代预分解系统；在分解炉方面，目前技术已相当成熟，已经研发出能够适应各种煤质的分解炉系统，并取得国家多项发明及实用新型专利。六级预热器技术是在五级基础上优化和扩展，目前五级预热器天津水泥院有限公司已有几百台投产的使用经验，今年在俄罗斯海德堡5000t／d项目成功推出了新一代六级预热器系统。

    目前，国内常规五级预分解系统正常生产时，预热器出口废气的平均温度为310～330℃，可满足综合水分7％原料烘干的需要。而国内常用砂岩配料，原料综合水分一般低于3％，从而导致大量预热器出口废气热量没有得到有效利用就排至大气，造成整个系统能量的浪费。若窑尾预热器系统提升为六级，预热器级数增加，有利于系统热交换，降低预热器出口废气温度。与此同时，完善预分解系统，优化分解炉结构及流场，延长分解炉内部不同性能燃料燃烧时间，提高燃料的燃尽率，避免燃料在预热器内继续燃烧而增加废气温度。此外，适当增加分解炉内燃料比例和采用分级燃烧，有利于降低系统NOx的排放值。上述技术措施实施后，预热器出口废气温度可降至≤280℃，仍可满足原料综合水分4％的烘干要求，降低预热器出口温度30～50℃，热耗降低约每公斤熟料83.6～104.5kJ／kg。

    天津水泥院有限公司新一代六级预热器预分解系统的特点和关键技术是：通过计算机仿真技术和冷态模型实验，对窑尾预热器系统气固热交换过程进行研究；对提高多级热交换效果措施进行研究，提高预热器的热交换效率，降低废气温度；优化预热器及部件结构，降低系统阻力，提高热效率；在提高换热效率的前提下，适当降低系统内装备高度。另外，窑尾预热器级数增加，废气温度相应降低，废气排放前的喷水降温的喷水量下降，常规的增湿塔可改为管道喷水，基建投资和生产用水量均有所下降，为窑尾废气处理袋收尘器取消增湿塔创造了较好的条件。

    对于分解炉的研究，天津水泥院有限公司已形成了一套从原燃料特性研究、机理分析、冷态模拟试验、CFD研究、现场测试等完整的研究开发体系。天津院目前的主导炉型为双喷腾的TDF炉，用各种方式对其进行了大量的研究工作，在此基础上形成了三喷腾型TTF分解炉。根据天津院研究成果，TTF型式的分解炉具有三喷腾和碰顶效应、湍流回流作用强、固气停留时间比大(τm=4～5)、温度场及浓度场均匀、物料分散及换热效果好、炉体结构简单、阻力系数低等特点。TTF分解炉结构示于图1，其工艺特点如下：