新型干法水泥生产线设备选用与分析

□□ 付贵珍，张津叶

(山西西山华通水泥有限公司，山西 古交 030000)

引言

随着GB 50443—2016《水泥工厂节能设计规范》、GB 16780—2012《水泥单位产品能源消耗限额》、《国务院关于进一步加强淘汰落后产能工作的通知》和《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》等文件的颁布实施及市场竞争的需要，水泥企业加大科技投入，提高生产效率，提升资源利用率，不断加强企业创新能力的培养，开发新兴和高端业务，把握机遇实现技术升级，才能在竞争中发展。

《建材行业节能减排先进适用技术目录》要求水泥行业技术升级，在此对新型干法水泥生产线的工艺设备类型和设备性能逐一分析，以供新建水泥生产线企业设备选型或是现有生产线技术改造时参考。

1 生料制备系统设备选用

1.1 分析设备

元素分析仪主要是基于5种技术：LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，激光诱导击穿光谱仪)、LIFS(Laser Induced Fluorescence Spectroscopy，激光感生荧光光谱仪)、XRF(X Ray Fluorescence，X射线荧光光谱仪)、PGNAA(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis，瞬发辐射中子活化分析仪)、NITA(Neutron Inelastic Scatter and Thermal Neutron Capture，中子非弹性散射和热能中子捕捉分析仪)。

当前使用较多的钙铁分析仪、四元素分析仪、多元素分析仪、荧光分析仪都是基于前三种技术，只能用于化验室分析，结果比较准确、稳定。QCS自动配料系统大部分是基于这几种设备检测出元素成分来完成，是一个典型滞后反馈控制系统，控制效果较差，易使生料形成不均匀料层。化验室分析需要人工瞬时取样，这种取样方法的代表性难以保证，造成出磨生料成分合格率低，严重影响熟料的煅烧和质量，只能采用预均化堆场和生料均化库弥补。

基于后两种技术的在线分析仪设置在进预均化堆场的皮带上，1 min可以实时分析一次石灰石成分，以“当前分析值”、“滚动平均”、“累计平均”、“间隔平均”四种形式显示在屏幕上，将分析仪的显示数据反馈到矿山调度，使质量控制人员准确了解原料成分，对开采面进行质量控制，对不同开采区的石灰岩进行合理搭配，实现均化开采。同时根据成分的不同，在进预均化堆场前进行分选并分级堆放，按工艺要求搭配入库或直接入磨，使得入生料磨前原料成分的波动较小。在线分析仪安装在入磨原料皮带机上，每1 min检测出入磨原料的化学成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、NaO、MgO、K2O、SO3，将其传送给生料质量控制系统，系统根据入磨原料产量累计积分和对应批次的化学成分，计算出入磨混合料LSF(或KH)、SM、IM，同时比较三个率值的检测值与设定值(目标值)，通过优化计算，连续不断地调节各原料配比，使得入窑原料的三个率值LSF(或KH)、SM、IM接近设定值。由于这个闭环控制几乎是实时进行的，这就使得出磨生料的LSF(或KH)、SM、IM控制非常稳定。在线分析仪在合理利用矿山资源、简化或改变预均化堆场功能、弱化或取消生料均化库、提高水泥生料合格率等方面都取得了不错的效果，但其价格较高。

在线分析技术仪可测定原料中各种成分含量，二级衍生数据有：LSF、C3S、C2S、C3A、湿度等，可连续测定传送带上物料成分，无需样品制备。可对传送带上物料进行整体分析，实现原料的全分析，分析结果用于生料的控制。几种常用线分析仪的原理和特点见表1。

表1 在线分析仪的原理及特点

1.2 生料配料

生料配料需要考虑配料秤和软件控制方式两个方面。

配料秤种类繁多，常用的有：恒速电子皮带秤、调速电子皮带秤、螺旋电子秤、链板秤、失重秤、冲板流量计、转子秤、科氏力秤、核子秤等。由于水泥行业物料种类的多样性，所以各种秤都有应用。生料配料中石灰石、砂岩、铁粉(铁矿石)一般多用调速电子皮带秤，生料粉、粉煤灰和微矿粉多用转子秤或螺旋电子秤，石膏和大块物料多用链板秤，熟料用链板秤或采用耐高温的调速电子皮带秤，在物料粉磨回磨粗粉处只需用精度不高的冲板流量计。所有计量设备的选择应根据所计量物料要求达到的计量精度来配置，同时要求工作稳定可靠、不易损坏、宜于管理、价格便宜等。

配料秤的控制方式大致可分为4种类型：传统数控系统(只有现场仪表和专用系统)、“PC嵌入NC”(PC或PLC加载专用控制软件)结构开放式数控系统、“NC嵌入PC”(专用控制仪表加载开放系统平台软件)结构开放式数控系统、SOFT型(PC或PLC与DCS系统加载开放系统平台)开放式系统。后3种控制方式便于网络信息化及DCS系统的控制，所以应用较多。

为了保证生料配料系统的均衡稳定，一般需要DCS系统、QCS系统、配料秤系统等三大系统间的相互配合，如图1所示。

图1 水泥生料质量控制系统

当系统采用图1的控制方式时，当QCS系统与配料系统通讯中断时，可通过DCS系统自动完成所有功能，DCS系统分析完数据后将结果反馈回中控室，并自动加载到配料系统。同理，当DCS系统与配料系统或DCS与QCS系统中断时，另一个系统也能完成全部功能。三个系统应同时具备4～20 mA的电流信号和总线协议功能，此两种功能能够相互切换，保证使用过程中的连续性。

1.3 生料粉磨

随着辊式磨技术的成熟，从单位电耗、钢材单位消耗、设备维护、购置费用、对使用环境的要求等各方面的性能都充分证明了立磨的使用优越性，所以立磨在水泥行业中得到了广泛应用，特别是在生料粉磨上完全代替了管式磨。立式磨种类很多，结构区分主要在于磨盘与磨辊的形状各有特点。典型的5 000 t熟料生产线配套的生料立磨有：HRM4800(胎形磨辊、凹形磨盘)、TRM5341(平盘、锥辊)、FLSAtox50(平面磨盘、圆柱状辊)，三种立磨的产量均在420 t/h以上。

2 烧成系统设备选用

2.1 在线气体分析仪

在线气体成分分析仪的作用主要体现在三个方面：

(1)通过对炉窑气体中CO、NOx、O2等的准确连续测量，可以了解窑内的燃烧温度和燃烧完全程度，实现燃烧的优化控制，提高燃烧效率，实现企业产品质量提升和节能减排，给企业带来很好的经济效益。

(2)在煤磨和细煤仓处安装在线气体分析仪，检测CO浓度，预防煤粉自燃或爆炸。

(3)监测燃烧过程中的废气排放情况。当前所用的气体分析仪具备自标定功能，可脱离标准样气自行标定，大大降低了维护难度，提高了使用寿命。

各种在线气体分析仪的主要区别在于原理不同，如质谱仪、气相色谱仪、红外线气体分析仪、热导式气体分析仪、电化学式气体分析仪、半导体激光气体分析仪、拉曼激光气体分析仪。以激光气体分析仪为主流，该仪器易维护，可分析的气体种类多，配套的取样探头有3种，各类探头的特点见表2。

表2 激光气体分析仪取样探头的特点

2.2 脱氮系统

GB 4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》中将NOx化合物排放标准由800 mg/m3降低到400 mg/m3，部分地区为320 mg/m3。脱硝是控制氮氧化物污染的一个重要途径。

烟气脱硝技术按治理工艺可分为湿法和干法两种。湿法脱硝包括酸吸收法、碱吸收法、氧化吸收法、络盐吸收法等；干法脱硝包括选择性催化还原法(SCR)、非选择性催化还原法(SNCR)、吸附法、等离子体活化法等。此外，国内外一些科研人员还开发了用微生物来处理含氮氧化物废气。

湿法烟气脱硝是利用液体吸收剂将氮氧化物(NOx)溶解的原理来净化燃煤烟气，其最大的障碍是NO很难溶于水，往往要求将NO首先氧化为NO2，然后NO2被水或碱性溶液吸收，实现烟气脱硝。湿法脱硝技术的优点是脱硝效率较高。因吸收剂种类较多，来源广泛，适应性强，能以硝酸盐等形式回收NOx，达到综合利用的目的。但其技术比较复杂，易造成溶液的二次污染。

干法脱销技术中的SCR脱硝原理是利用NH3和催化剂将NOx还原为N2。NH3具有选择性，只与NOx发生反应，基本上不与O2反应，所以称为选择性催化还原脱硝。在水泥厂由于含尘浓度、温度窗口、恶劣工况的影响，容易造成催化剂中毒，虽然有脱硝效率高的优点(可达到95%)但投用较少。与SCR法相比，SNCR法除不用催化剂外，基本原理和化学反应基本相同。该方法在分解炉和五级烟道内有两个温度反应窗口，且不受工况和含尘浓度影响，在水泥厂应用广泛。该法的优点是无需催化剂，投资较SCR法小，但氨液消耗量大，NOx的脱除率也不高(30%～70%)。

与湿法相比，干法脱销主要优点是基本投资低，设备及工艺简单，脱除NOx的效率也较高，无废水和废弃物处理，不会造成二次污染。其他脱硝方法近年也有较快发展，但还存在一定的缺陷，未能广泛应用。

2.3 回转窑

回转窑有两档窑和三档窑两种规格，两种窑型的特点对比见表3。相对于相同生产线规模的三档长窑，两档短窑具有直径稍大、长度短、长径比小的特点。一般两档窑较三档窑直径扩大了200 mm左右，窑内通风截面积大，因而烧成带提产能力强，同时，两档窑表面积缩小10%～15%，窑筒体表面散热相应减少，具有节能效果。由于两档窑具有低能耗、安装维护方便、受力合理等优势，因此国内市场二档窑的占有率呈现增加的趋势。

表3 两档窑和三档窑的技术指标

2.4 煤粉秤

煤粉计量与控制对稳定窑的热工制度，提高熟料的产量和质量，增强水泥生产的自动化，节约能源和减少有害气体的排放等方面都起到积极的作用。烧成系统喂煤量的波动、失控，会导致煤粉不完全燃烧，造成能源浪费。使CO超标，进而引起窑尾废气温度及气体成分变化，还有可能造成预热器结皮、堵塞，甚至造成停窑事故，直接影响窑的运转率和台时产量。因此，选用的煤粉秤应精度高，计量准确，连续喂煤量稳定、可调，响应速度快，对煤粉适应能力强。现在市场上有许多种类的煤粉秤，如申克秤、菲斯特秤、冲板式、螺旋计量秤、环状天平秤，常用的是申克秤和菲斯特秤，二者的技术指标见表4。

表4 两种常用煤粉计量秤的技术指标

2.5 篦冷机

篦冷机作为熟料热回收的主要设备，担负着热回收、熟料冷却与输送、改善熟料质量的任务。篦冷机先后经历了四代，第一代篦冷机篦下风室数量较少，篦板梁呈纵向布置，篦板为室供风，采用薄料层工作；第二代篦冷机篦下风室数量较多，篦板梁呈横向分布，篦板为室供风，采用厚料层工作；第三代篦冷机是在第二代篦冷机的基础上，在入口段增加了充气梁，同时料层进一步加厚；第四代篦冷机总体特点为熟料输送和空气分布系统分离，取消密封空气，每块篦板均带有空气动力平衡式的空气流量调节器，优化在各种操作条件下的空气分布，采用了模块化设计，便于安装维护，几种第四代篦冷机的特点对比见表5。

表5 四代篦冷机的特点

2.6 余热发电

GB 16780—2012《水泥单位产品能源消耗限额》中规定了新建水泥厂的准入条件，要求可比熟料综合热耗为≤108 kgce/t,可比熟料综合电耗60 kW·h/t,可比水泥综合电耗为≤88 kW·h/t,可比水泥综合能耗为≤93 kgce/t。一般新建水泥生产线均配套余热发电以达到标准要求。在水泥生产系统与电站系统生产协调配合上应遵循“水泥生产是主业，发电是副业，副业不能影响主业，主业兼顾副业”的方针。余热发电主要有三种模式：单压系统(技术落后，基本淘汰)、复合闪蒸系统、双压补汽系统。以7.5 MW为例对目前应用较多的复合闪蒸系统和双压补汽系统作比较，见表6。

表6 余热发电系统的工艺特点

2.7 高温成像测温系统

窑头看火和窑内测温是回转窑操作有一定帮助，一直是采用独立设备，但由于存在各种缺陷，所以不能作为直接判定仪器使用，只能辅助定性或作为参考依据。最新的高温成像设备结合了窑头高温看火摄像机和窑内高温比色计技术，克服了窑内粉尘浓度高对高温比色结果干扰大的缺陷，可以快速直观测量窑内所有画面上的各点温度(可同时显示32个点的温度)，如图2所示。从成像画面上可以反映出肉眼无法准确分辨的火焰不良症状，这些症状归纳见表7。

图2 高温成像设备的成像画面

表7 高温成像监测仪观测火焰特征

该高温成像测温系统的优点如下：

(1)可以及时准确地判断火焰是否处于最佳状态。

(2)使用此仪器通过观察温度的分布及变化情况、调节前后的对比，可以客观地判断燃烧器的性能及调节效果。

(3)通过各监测点温度的变化可以掌握煤粉是否完全燃烧，还可发现因料量或成分不稳而造成的温度波动。

(4)可以快速反映出煤粉质量(细度、水分等)的稳定程度。

3 水泥制备及其他设备选用

3.1 水泥粉磨

对于水泥粉磨设备来讲，传统的管磨机能耗高，物料在磨内的停留时间长，噪声大；而以辊压方式实施粉磨的立磨和辊压机，其能耗低，能量有效利用率高，结构紧凑，占地面积小。但立磨机械结构复杂，系统通风费用高；辊压机辊压高，结构复杂，振动大，维修费用高，系统通风能力低。

现在水泥粉磨的流程有管磨与辊压机、辊压机终粉磨、立磨终粉磨、立磨与管磨几种。管磨虽然电耗高，但粉磨出的水泥成品颗粒形状有利于强度发挥，与辊压机或立磨半终粉磨配合综合电耗也较低，应用较多。现在立磨和辊压机终粉磨后水泥成品形状在技术不断革新后得到了改善，能满足工艺要求，单位电耗和钢材消耗低，应用领域也在不断扩展。几种辊式磨的性能指标见表8。

表8 三种辊式磨的性能对比

3.2 DCS系统

DCS系统在保证生产安全可靠、提高产品质量及产量、降低能耗及成本、控制环境污染、降低工人劳动强度、提高设备运转率、实现科学管理等方面起着重要的作用。在选择DCS系统时应考虑几点：

(1)水泥厂污染大，要求DCS结构简单，抗静电能力强、发热量小，I/O卡件封装不裸露。

(2)抗干扰强，DI与DO用220 VAC电压，模拟量要求隔离，每路均有A/D、D/A转换器。

(3)占地面积大，地形复杂(使用光纤)。

(4)需要与一些动力设备相配合，如变频器、PLC等通讯设备。

(5)开发适合水泥行业的流程图等软件，充分考虑行业特点，简单适用易掌握。

第四代DCS系统的进步体现在两个“I”，即Information(信息化)和Integration(集成化)。主要功能块有工厂SCADA(监控)功能，也是最基本的DCS系统功能；专家优化系统功能、能源管理中心(MES)、全厂计量调度系统、全厂监控系统、设备管理和智能维修功能、质量管理系统(QCS)、全厂网络系统等。在开放的系统平台上，依赖标准的数据接口与第三方ERP、SCM、CRM等软件完美的结合，实现了上层管理经营层的功能。

3.3 收尘器

GB 4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》规定，允许排放的粉尘浓度由原来的80 mg/m3降低到10 mg/m3，原来一直使用的旋风收尘器现在只能用作多级除尘中的一级除尘，电除尘已很少使用或改为电袋混合收尘。袋收尘作为能达到环保要求的收尘设备得到大力推广。但在技术上有了很多要求，为了适应出口排入浓度的要求，将过滤风速从原来的1.2 m/s降为0.7 m/s，同时增大过滤面积。为了延长设备使用寿命、提高除尘效率，收尘器生产企业采用了先进的滤袋(P84聚亚酰胺纤维滤料)和敷膜技术(在P84滤料的基础上覆上一层PTFE、PU高效过滤制作而成的一种高效过滤滤料)，更先进的技术为：在内部结构上增加烟气和粉尘分布系统，在滤袋顶端加装螺旋装文氏管和钢制保护套，采用这两项新技术，使用普通滤袋和滤料达到较好的除尘效果和使用寿命，结构如图3所示。

图3 袋收尘内部结构示意图

3.4 输送设备

输送设备基本上向大型化发展，近年来普及最快的是钢丝胶带提升机。目前使用机械输送设备代替气力输送泵和移动输送设备可以大幅降低电耗已在业内形成共识。因此，可将入窑喂料设备由气力提升泵改为钢丝胶带提升机，能够使用输送皮带的尽量不使用汽车、铲车等移动设备，尽量避免使用水平输送设备加提升机的工艺。

垂直提升设备可以选用新型的中央链提升机，该提升机的特点为：单机提升量大，且单套壳体内可实现两套运行系统即通常所说的双斗双驱动；单机提升高度可达到60 m(头尾轮中心距离)；超强耐高温，能瞬间承受400 ℃的物料温度；主动轮采用无齿摩擦传动；安装维修方便，运行维修成本低。中央链提升机为无齿摩擦传动，不适合粘附性强或小颗粒等容易卡的物料输送。该提升机因牵引结构为一条链，应特别注意两侧平衡问题，要保证物料在斗内的均匀。

新型的水平输送设备有管状皮带输送机，该输送机密闭输送物料，尤其适合输送煤、炉渣、矿石等物料；分别利用胶带的上下分支往返输送物料，输送线可沿空间曲线布置，结构紧凑，断面小，节省空间；可实现大倾角(提升)输送，节省空间位置，降低设备成本。使用时应注意冬季打滑和杂物的进入。

4 结语

当前国内新建水泥厂大多为日产5 000～10 000 t的生产线，设备投资比例占总投资一半左右，设备选型是否合理直接关系到生产线建成后企业的运行费用和经济效益。国家环保要求和安全标准不断提高，全国产能过剩使得企业间竞争加剧都在倒逼企业进行技术升级，了解水泥行业的新技术、新要求有助于企业进行合理的设备选型，为企业腾飞提供助力。