第28卷第5期 硅 酸 盐 通 报V o.l 28 N o .5 2009年10月 BULLET I N O F THE C H I NESE CERAM IC S OC IETY O ctobe r ,2009水泥工业节能减排技术及装备的研究进展陶从喜1,2,赵 林1,俞为民2,胡芝娟2,柴星腾2,张福滨3(1.天津大学环境科学与工程学院,天津 300072;2.天津水泥工业设计研究院有限公司,天津 300400;3.中材节能发展有限公司,天津 300410)摘要:本文介绍了我国水泥工业生产节能减排的新型技术与装备的最新研究进展,包括有高效节能水泥熟料烧成系统、高效节能粉磨系统、低温余热发电等的技术及装备、以及水泥窑处置固体危险废弃物的技术及装备等,可有效实现水泥工业生产的节能减排。
关键词:水泥工业;节能;减排;废弃物处置中图分类号:TQ172 文献标识码:A 文章编号:1001-1625(2009)05-0980-06R esearch Progress i n Technology and Equi p m ents of Energy -econo m izeand Conta m i nation -control i n Ce m ent IndustryTAO C ong-x i 1,2,Z HAO Lin 1,YU W ei -m in 2,H U Zhi -juan 2,C HAI X ing-teng 2,Z HANG Fu-bin3(1.S chool of Env i ronm ental Science and Engi n eeri ng ,T ian ji n Un i versity ,T ian ji n 300072,C h i na ;2.T ian ji n C e m ent Industry Desi gn and Research Insti tute Co ,L t d.,T ian ji n 300400,Ch i na ;3.S i no m a Energy Conservation Devel opm en tC o ,L t d.,T ian ji n 300410,Ch i na)Abst ract :The research prog ress i n t h e ne w technology and equ i p m ent used in the Chinese ce m en ti n dustry to rea lize energy saving and e m issi o n reducti o n w as rev ie w ed .The techno logy and equ i p m en ti n vo lved i n the h igh effic ient and ener gy -sav i n g clinker bur n i n g syste m,the high efficient and energy -sav i n g grinding syste m,the pow er generation process usi n g w aste heat fr o m pure cr yogen ic gas and thesolid hazardous w astes d isposal process i n the ce m ent k il n w ere discussed ,wh ich can rea lize ener gysav i n g and e m ission reduction i n the ce m ent production process .K ey w ords :ce m ent industr y ;energy -sav ing ;e m issi o n reducti o n ;w astes d isposa l作者简介:陶从喜(1968-),男,博士研究生,教授级高级工程师.主要从事水泥工艺的研究和开发工作.E-m ai:l taocongx@i tcdr.i cn1 引 言水泥工业是典型的能源和资源依赖型工业,随着国民经济的发展我国水泥工业的环保任务日趋严峻,节能减排已成为我国水泥工业当前的重要课题,国家 十一五 规划纲要明确提出万元国内生产总值能源消耗降低20%,主要污染物排放总量减少10%的目标,为此,国家出台了一系列方针政策来调控水泥工业的发展。
就我国水泥工业而言,节能减排可通过水泥工业结构调整、采用节能新技术等措施及途径来实现[1,2],而作为水泥生产企业来讲则需通过采用新型节能技术及装备来降低生产线的能源消耗,减少影响环境的废弃物排放(包括C O 2、NO x 等)。
本文结合水泥工业生产的特点,对降低水泥企业能耗的主要研究成果进行了阐述,探讨了水泥工业生产节能减排的实用新型技术及装备。
第5期陶从喜等:水泥工业节能减排技术及装备的研究进展9812 水泥工业生产节能减排新技术与装备水泥工业生产包括从石灰石等原料开采、破碎、水泥生料粉磨、水泥熟料烧成、燃料粉磨制备、水泥粉磨到出厂等一系列生产过程,其制造工艺经历了从能耗高的湿法到目前的能耗较低的新型干法的发展历程。
所谓新型干法水泥技术,是指以悬浮预热和预分解技术为核心,利用现代流体力学、燃烧动力学、热工学、计算流体力学、粉体工学等现代科学理论和技术,并采用计算机及其网络化信息技术进行水泥工业生产的综合技术。
使用该技术进行水泥生产的优点是高效、优质、节能、节约资源、符合环保和可持续发展的要求。
水泥熟料烧成系统和粉磨系统是新型干法水泥生产的核心环节,该过程所消耗的能量占水泥生产总能量的97%,因此研究提高其能量利用率至关重要,也是水泥行业节能减排的核心部分,本文主要介绍水泥窑炉及粉磨系统节能新技术及装备,同时对水泥窑协同处置废弃物技术及纯低温余热利用技术及装备的研究进展作相关阐述。
2.1 水泥熟料烧成系统节能减排新技术与装备水泥熟料烧成系统包括窑尾预分解系统、回转窑系统、熟料冷却系统及煤粉燃烧系统,其能耗主要是燃料的消耗及电能的消耗,以5000t/d规模的生产线为例,烧成热耗年均一般为690~780kca l/kg熟料,电耗为25~30k W h/t熟料,按照GB16780-2007 水泥单位产品能源消耗限额 中的相关公式,烧成系统的综合能耗为(690~780)/7+0.1229 (25~30)=101.7~115.1kgce/kg(ce表示标准煤),且其主要为燃料的消耗量,因此烧成系统节能降耗的重点是降低系统的燃料消耗。
2.1.1 新型高效低阻的预热预分解系统包括高效低阻的预热器系统及对各种燃料适应性强、NO x排放低的分解炉系统[3,4]。
预热器系统提高其换热效果,降低出口温度及系统阻力的主要技术如下。
通过试验室试验及计算机仿真研究相结合确定结构型式合理的撒料装置,提高物料在风管中的分散度,从而提高换热效果;适当提高风管风速(17~19m/s)来提高预热器系统的换热效果;通过大量的试验、理论研究及工程实践的优化组合,采用分离效率高、阻力低、结构型式合理270 大蜗壳型式的旋风筒(图1),有效提高预热器系统换热效果降低系统阻力[3],通过数值模拟CFD研究来进一步优化旋风筒预热器系统,从而实现预热器系统的高效低阻。
为了提高预热器换热效率降低预热器出口温度,采用了六级预热器系统,通过采用上述技术,可使其出口温度由通常五级的320 降为290 左右,系统热耗降低75kJ/kg(18kca l/kg),而系统阻力在5600Pa 以下。
分解炉结构示意见图2。
该型式的分解炉是在大量的理论研究、试验研究、工程实践、计算机仿真研究(CFD模拟研究)的基础上开发出来的,具有三喷腾效应,固气停留时间比(~4.8)大、容积效率高,燃料在分982综合评述硅酸盐通报 第28卷解炉中停留时间长,通过物料的分级可实现分解炉的高温操作,可有效满足热值Qne,t ad 4500kcal/kg的各种燃料的充分燃尽的要求,通过燃料及助燃空气的分级,在分解炉的下部形成较大的还原空间,可保证分解炉中NO x的充分还原,有效实现出分解炉的NO x低于600m g/Nm3,分解炉出口至最底级旋风筒管道上设置喷氨装置,可通过SNCR的方式来满足更低NO x排放的要求,真正实现了NO x的减排。
2.1.2 强化煅烧的两支撑短回转窑两档支撑短回转窑是指长径比L/D 12.5的回转窑。
高效的预分解系统及其技术进步提供了很好的预烧条件,新型高效篦冷机及高效大推力的燃烧器的应用为回转窑的煅烧提供了先决保证,因此两档短窑的一个显著特点是比常规长径比L/D为14~16的窑节能,相同规格窑的散热损失相差约16.7kJ(4kca l/kg 熟料),此外还具有装备投资省、土建费用低等一系列优点。
表1是两档窑和三档窑的一个典型比较。
表1 回转窑比较Tab.1 Co mparis on of2-suppor t k iln and3-support kil n2-s upport k il n3-s upport k il nC apacity(t/d)27502750Sp ecification(m) 4.2 50 4.0 60 Rad i ati on loss(kcal/kg cl)28.332.3W ei gh t of equ ip m en t(t)440.832487.510 V ol um e of concret e of k il n pier(m3)110913152.1.3 新型大推力的煤粉燃烧器天津水泥工业设计院有限公司通过大量的工程实践、试验及数值模拟研究,提出了新型大推力的煤粉燃烧器,其主要特点一是轴流风速高达300m/s以上、燃烧器推力大,可达1500m/s以上,相应卷吸高温二次风的能力强,对各种煤质的适应性好,有利于各种劣质燃料及低挥发煤包括无烟煤的使用;另一特点是一次风用量少,总比例仅为10%左右,较老燃烧器小3.5%~6.5%,相应系统热耗可降低19.0~35.3kJ/kg c l。
2.1.4 行进式稳流篦式冷却机篦冷机的发展经历了第一代的大风室通风、第二代的小风室通风、第三代的充气梁供风到第四代的纵向单元通风的发展历程,第四代行进式无漏料冷却机,避免了熟料经篦床下落造成纵向层阻力变化,有利于均匀通风。
天津水泥工业设计院有限公司新型篦冷机型号为TCFC,是最新一代行进式稳流篦式冷却机,具有依料床变化自动敏感地恒定冷却风量、无漏料等特点,应用了多项专利技术,其原理采用先进的W alking fl o or行进式原理,通过模块化设计等一系列优化设计,使冷却机真正实现了高效、低故障率,其主要特点如下:(1)较高的热回收率,可达74%以上,系统能耗低;模块化设计,便于施工安装;(2)设备使用寿命长且易于维护;设备高度降低,土建费用大幅减少。