日产万吨级熟料煅烧技术与装备
高长明
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2004-11-11 00:00
高长明
当代世界水泥工业中，熟料煅烧能力单线达到日产3000～5000吨的就可谓大型，7500～10000吨的当属超大型。按2003年的粗略统计，全球约20亿吨的水泥产量中，大型和超大型生产线所生产的水泥分别为14%和4%左右。虽然它们在水泥总产量中所占的比例还不到1/5，但是它们却代表了世界水泥工业的发展方向和中坚力量。因为它们都采用了最先进的技术与装备，充分利用和节约资源与能源，特别注重环境保护，均属环境友好型和可持续发展型绿色生产线。我国近2～3年来新建成投产的50余条日产熟料4000～5000吨以上的生产线，按通用的国际标准衡量，绝大多数已达到清洁生产的水平，主要是在替代天然矿物燃料---可燃性废弃物的处置利用方面距离绿色生产水平还有较大差距，亟需全社会各方面的协调逐步实现之。
现今我国水泥工业中，日产熟料5000吨左右的大型装备及其技术已经相当成熟，先进可靠。总体而言，这样的生产线应该成为我国水泥工业发展的主流。事实上也正是这样稳步地发展之中。所谓超大型的生产线，目前看来它应该是一种反映我国水泥工业技术与装备水平和实力的标志，其象征性意义尤为显著。故而更加吸引世人的眼球，引起广泛关注。
本文仅就超大型水泥熟料煅烧技术与装备的现状及其发展作一简介，与业界同仁共研讨。
一、万吨级（7500～1000tpd）熟料煅烧技术与装备的发展简况
作为水泥熟料预分解煅烧技术与装备大型化和超大型化先驱的丹麦史密斯公司1990年分别与泰国的暹罗水泥公司（SCC）和暹罗京都水泥公司（SCCC）签署合同，分别为位于考翁和塔珀克旺新建的10000tpd生产线提供全套熟料煅烧装备，即预热器、分解炉、回转窑、排风机，等等。这两条10000tpd生产线于1992年先后投入正常生产，是世界上第一条（考翁）和第二条（塔珀克旺）投产的10000tpd生产线。
这是现代水泥工业迈向超大型化的一个飞跃，因为当时国际上已投产的4000tpd左右的生产线都不多，据说仅有10余条线，而且生产时间最长的也只有4～5年。这一步跨越到10000tpd并取得成功，实属不易。因市场需求刺激，1994年在泰国塔珀克旺又扩建了1条10000tpd生产线。这也是史密斯提供的世界第三套10000tpd熟料煅烧全套装备，并根据前两套的实践经验进行了相应的改进。
1995年泰国暹罗水泥公司曾决定在考翁扩建一条15000tpd生产线，1996年史密斯公司完成了该线熟料煅烧装备的设计，后因1997年的亚洲金融危机，该项目未能实现。
1990～2001年间，史密斯公司（含1997年兼并的美国前Fuller公司）为泰国、印尼、巴西、印度、波兰等国家提供了7000~10000tpd生产线的熟料煅烧全套装备约15套。
1991～1999年间，德国伯力休斯公司为泰国、印尼、韩国、中国等提供了7000～8500tpd生产线的熟料煅烧装备近10套。
上世纪90年代，德国洪堡公司、日本三菱、川崎和宇部等公司为沙特、日本、中国台湾等提供了7000～8500tpd生产线的熟料煅烧装备大概有6套左右。
1999年瑞士霍尔西姆水泥公司曾决定在美国米苏里州圣鲁易士城附近新建一条12000tpd生产线，经历了严格而漫长的生态环境审核与激烈的技术与商业竞争，2001年伯力休斯公司与业主草签了该项目的供货合同，然而却遭遇厂址附近社区大众的强烈反对，加之美国经济当时不太景气，致使该项目成为悬案。直到2004年春季，霍尔西姆水泥公司终于和社区公众以及美国环境局达成了谅解备忘录，业主方应允了一系列苛刻的环境承诺。届时正值美国水泥供应开始出现严重紧缺，于是业主宣告该项目重新启动。鉴于对生态环保更严格的需求，这次业主正在邀请更多的水泥装备和环保装备供应商进行广泛深入的议标程序，该项目的各个分项，谁能中标，尚需拭目以待。
2002年，中国海螺水泥集团在铜陵A、B，枞阳，徐州和池州等地有4条10000tpd和1条8000tpd生产线的熟料煅烧装备进行了国际招标，使国际水泥界和诸多世界一流的水泥装备供应商颇感震惊和喜悦。最后史密斯公司和伯力休斯公司各得了2条10000tpd的订单，另一条8000tpd的归伯力休斯。一时间，中国海螺集团成为这两家世界顶级水泥装备公司的“最佳合作伙伴”。国际水泥界开始对中国水泥工业刮目相看了。因为当时世界上总共仅有3条10000tpd生产线均在泰国，而中国海螺竟然一口气就要建4条10000tpd线，的确令人惊喜。更具说服力的事实是，2004年间已经有和即将有3条10000tpd线相继投入了正常生产，充分体现了我国水泥工业向大型化迈进的整体水平与素质。
根据笔者的不完全统计，截止2004年底，全世界已投产和计划投产的2000tpd以上的预分解窑约有460条生产线，水泥总生产能力达8.8亿t/a,其中中国大陆占有约280条,水泥生产能力达4.8亿t/a。详见表1所列。
表1 世界2000tpd以上PC窑生产线不完全统计 2004.12.31截止
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熟料生产能力 tpd |
2000～4000 |
4000～7000 |
7000～8500 |
10000 |
合计 |
|
生产线数目
水泥生产能力 （亿 t/a） |
280～300
～4.5 |
115～125
～3.0 |
28～32
～1.0 |
6
～0.24 |
～460
～8.8 |
|
其中中国大陆占有生产线数目
水泥生产能力（亿 t/a） |
～215
～3.16 |
～60
～1.4 |
2
0.06 |
3
0.12 |
～280
～4.8 |
二、万吨级熟料煅烧装备的配置
万吨级熟料煅烧装备的配置恰当与否，对于其生产操作的稳定性和经济性具有决定性作用，各家公司都在总结生产经验和计算机数摸试验的基础上积累了一定的技术诀窍，能够根据各有关客户原燃料的具体情况和要求优化设计配置预热器、分解炉、管道、回转窑和燃烧器等装备。实际上在选型的过程中是具有一定的灵活性的，随具体情况的不同可以在一定的范围内有所变化。这里所介绍的是一些较典型的配置，如表2所列。
表2 万吨级熟料煅烧装备的典型配置
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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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系统性能保证 |
熟料产量（tpd）
熟料热耗（kJ/kg）
CI出口温度(°C)
CI出口压力(Pa)
CI出口含尘(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 |
|
预热器 |
组合型式 |
5级双列 |
6级双列 |
5级双列 |
6级双列 |
|
C1（mm）
C2（mm）
C3（mm）
C4（mm）
C5（mm）
C6（mm）
C1 收尘效率（%）
预热器出口废气量（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风机
风温（°C）
风量（m³/h）
风压（Pa） |
310
2 × 792000
-7070 |
290
2 × 525000
-6100 |
310/450
2 × 774000
-7300 |
290/420
2 × 567000
-7600 | |
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|
预热器结构特点 |
三心大蜗壳 |
三心大蜗壳 |
斜顶偏心内筒 |
斜顶偏心内筒 |
|
预热器塔架尺寸（m）
地面到塔架顶层高度（m） |
～21×40×100
～140 |
|
～(18+8)×34×100
～150 |
| |
|
分解炉 |
型式 |
ILC-5.2低NOX在在线喷腾型 |
SLC-S
离线喷腾型 |
Prepol MSC
在线管道型 |
Prepol AS-CC
在线管道型 |
|
规格(m)
数量
有效容积(m³)
气体停留时间(S)
主截面风速(m/s)
入窑物料分解率(%)
炉内喂煤比例(%)
喷煤管型式
喷煤方式及数量
物料入炉方式
三次风进风方式 |
Ø8.8,柱长38
1
2090
炉3.3管道1.0
11．5
90-95
60
单通道
一层四点（锥部）
两层四点
两层二点 |
Ø8 × 17
1
1250
4
12.3
90-95
60
单通道
一层两点（锥部）
两层三点
一层一点 |
主炉Ø7.64；全高85
1
3403
5.6
15.0
90-95
炉50，烟室10
双通道
两层三点（烟室1，炉2）
两层四点
两层三点
（炉下2，炉上1） |
1
2380
4.2
15.0
90-95
60
双通道 | |
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结构特点 |
结构较简单，炉中部带缩口，炉与C5采用直接管道接口 |
|
结构较复杂，管道型分解炉，顶部带反射室 |
| |
|
回转窑 |
规格(m)
长径比
斜度(%)
托轮座
挡轮座
主电机(kw)
辅助传动(kw)
窑转速(rpm)
调速方式
窑头尾密封型式
窑内火砖厚度(mm) |
Ø6×95
15.83
4
3
2
2× 950
2×55
5.0(max.)
变频
弹簧片
220 |
Ø5.5×87
15.82
4
3
2
2×630
变频
弹簧片
220 |
Ø6.4/6.0×90
15.0
4
3
2
2×845
2×50
3.5(max.)
变频
汽缸摩擦
250 |
Ø5.6×87
15.53
3.5
3
2
2 ×720
变频
汽缸摩擦
250 |
|
窑燃烧器 |
型号 |
Duoflex |
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|
|
|
通道数
|
2（轴流风和旋流风在喷出前预混合，实际为三通道） |
2（轴流风和旋流风在喷出前预混合，实际为三通道） |
3 |
3 | |
|
火焰调节方式 |
蜗轮调节外管伸缩，改变喷咀面积 |
|
风门调节或螺焊调节内外管伸缩 |
风门调节或螺焊调节内外管伸缩 | |
|
燃烧推动力（m/s.%）
一次风比例(%) |
1800
6-8 |
1800 |
1600
10 |
1600 | |
因为万吨级熟料煅烧装备的预热器是双列的，所以在市场需求缩减时，还可以采用单列预热器进行生产，相应地熟料产量将减少一半，仍可实现正常生产。 兹以史密斯公司的10000tpd系统为例，分别列举其在10000tpd，5000tpd和11000tpd生产情况下的主要操作技术参数的设计值，如表3所示。
表3 史密斯10000tpd系统在不同产量时的主要生产操作参数（设计值）
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系统产量 （tpd） |
10000 |
5000
预热器单列生产 |
11000 |
|
窑燃烧带截面负荷(GJ/h.m³)
窑内容积负荷(tpd/m³)
C1出口压力(Pa)
C1出口风温(°C)
C1出口风量(kg/kg.cl)
炉出口风速(m/s)
炉内气体停留时间(s)
二次风量(kg/kg.cl)
二次风温(°C)
三次风量(kg/kg.cl)
三次风温((°C)
ID 风机净耗(KW)
ID风机单位电耗(KWh/t.cl)
熟料单位热耗(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，原设计的10000 tpd系统，预热器单列生产时，熟料产量减少一半的同时，熟料热耗将上升35 ×4.18KJ/kg.cl，ID风机的单位电耗则增加很少。相反地，当熟料产量提高到11000 tpd时，其热耗仅降低了6 ×4.18 KJ/kg.cal，ID风机电耗却上升了1 KWh/t。当然这些数值只是提供一个趋势性的参照，具体数据还应以各客户的正常生产实践为准。
三、对万吨级熟料生产线的若干见解
水泥是大宗建材，显然应该进行大规模的生产。但是单线生产能力达到10000tpd级时，它对市场需求的适应性和灵活性将会表现出一定的缺陷，所以我们应该在经济技术收益最佳的前提下，正确选择最适宜的熟料单线生产能力，作为我国水泥工业迈向新型工业化道路的主流装备。
当前，预分解窑水泥生产技术在预均化、生料粉磨、熟料煅烧、熟料冷却、水泥粉磨以及物料储运和收尘等装备方面，其大型化和超大型化程度已发展到了接近于极限。以10000tpd生产线为例，生料立磨就必须采用2台，即两台5000tpd的生料立磨配一台10000tpd的窑系统，所谓两磨一窑方案。如欲实现一磨一窑，则生料磨的产量必需达到800t/h左右，其磨盘直径约Ø7m，装机6600KW以上。设计制造这样超大规格的立磨及其减速机，技术难度很大，经济合理性如何，仍是一个大问号。此外10000tpd级的熟料蓖冷机和回转窑也已接近各自的极限了。
我国已有近30条5000tpd生产线成功投产，运转正常，它们都是采用一磨一窑方案的，技术先进成熟。与两磨一窑的10000tpd生产线相比，两者的熟料热耗(710×4.18KJ/kg.cl)，从预均化堆场到熟料库的电耗（56KWh/t.cl），烧成电耗（20kwh/t.cl）等技术指标均相差无几；而吨投资、吨设备重量、吨装机容量等技经指标也很相近。说明在现有的客观条件之下，5000tpd级比10000tpd级的生产线具有更强的竞争力，适应性更广泛。
所以，只有在市场需求旺盛，潜力巨大，原燃料资源丰富，能源供应有保障，交通运输较方便的地区，可以考虑兴建10000tpd生产线。多数情况下，我国水泥工业仍以兴建2500～5000tpd级生产线为宜。作为水泥生产大国走向生产强国的标志和象征，我国应该兴建若干10000tpd级生产线。这对于提高我国水泥工业机器装备的国际知名度，展示技术实力，树立品牌形象，增强全球化竞争力是十分有利的。这的确是一项英明果敢的决策。我们相信这些新投产的10000tpd级生产线必将获得圆满成功，祈望早日达到世界最佳水平。
另外一个可能比较具有较高技术经济效益和发展潜力的单线生产规模，就是一磨一窑的6000~7000tpd左右的生产线。其前提是生料立磨的单台产量能满足窑系统的需求。即生料立磨的台时产量约为500吨，其磨盘直径为6m左右，装机功率5000KW。这样规格的生料立磨是现今最大型的，已经售出的只有3台，而且均未投产。如果获得成功的话，那么一磨一窑6000~7000tpd的生产线，其吨投资、吨设备重量、吨装机容量等技经指标可能会略优于5000tpd级的，从而具有稍强的竞争力，例如我国在建的鲁南青州和海德堡一越秀等≥6000tpd生产线那样，尚有待2005年投产后的实践检验之。
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