水泥工業(yè)技術(shù)進(jìn)展與我國濕法窯的改造

我國是水泥大國，2000年的產(chǎn)量達(dá)到5.76億噸，占全球水泥總產(chǎn)量的三分之一，目前，我國水泥工業(yè)存在的主要問題是能源消耗高，經(jīng)濟(jì)效益差，污染嚴(yán)重的小企業(yè)占絕大多數(shù)，上述狀況在今后較長的一段時間內(nèi)將制約我國建材工業(yè)的發(fā)展。調(diào)整水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)，滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，“由大變強(qiáng)，靠新出強(qiáng)”是我國水泥工業(yè)今后較長時間內(nèi)的艱巨任務(wù)。現(xiàn)就企業(yè)規(guī)模小，能源消耗高，年總產(chǎn)量約3100萬噸水泥的濕法窯的改造與各位水泥界同仁研討。

1．世界水泥工業(yè)的發(fā)展過程

從近一個世紀(jì)的歷史來看，水泥工業(yè)技術(shù)進(jìn)步對整個行業(yè)的發(fā)展起著巨大的推動作用。二十世紀(jì)水泥工業(yè)有兩次重大的技術(shù)突破，一次是回轉(zhuǎn)窯在本世紀(jì)初得到全面推廣，提高了水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量，奠定了水泥工業(yè)作為現(xiàn)代化工業(yè)的基礎(chǔ)；第二次是五十年代懸浮預(yù)熱器和七十年代預(yù)分解技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了水泥窯的熱效率和單機(jī)生產(chǎn)能力，促進(jìn)了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)前世界水泥生產(chǎn)技術(shù)仍在不斷發(fā)展之中。

濕法窯具有良好的均化性能，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，且操作維護(hù)方便，在20世紀(jì)上半葉，一直是傳統(tǒng)窯型發(fā)展的主流，二戰(zhàn)以后的年代，世界經(jīng)濟(jì)恢復(fù)和發(fā)展，對水泥需求大量增加，此期間濕法窯起著重要的作用，規(guī)格不斷增大，60年代初發(fā)展到頂點，最大窯規(guī)格為Φ7.6×6.4×6.9×232M，產(chǎn)量3600t/d。

60年代世界上幾家著名的水泥回轉(zhuǎn)窯制造公司（前蘇聯(lián)除外）所制造的濕法窯總數(shù)約300余臺，其中直徑4.4米以上的回轉(zhuǎn)窯約70臺。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速增長，生產(chǎn)技術(shù)和水泥設(shè)備制造技術(shù)及其有關(guān)的材料（耐熱、耐磨、耐火）性能的提高和電氣、自動化控制技術(shù)的發(fā)展，使生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大和完善，加快了預(yù)熱器的大型化和發(fā)展，60年代預(yù)熱器窯投產(chǎn)的數(shù)量已超過濕法窯，70年代的能源危機(jī)進(jìn)一步加速了干法生產(chǎn)的進(jìn)程，預(yù)分解窯的出現(xiàn)，窯徑在相同的情況下，產(chǎn)量增加了一倍以上，熱耗進(jìn)一步下降，為水泥產(chǎn)量迅速增長創(chuàng)造了條件，其投資和生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于濕法窯。

七十年代濕法窯在國際上已很少興建（前蘇聯(lián)、中國除外）。在過去的20年中，世界水泥工業(yè)單線生產(chǎn)規(guī)模平均增加了5倍，90年代以來，世界市場上所興建的規(guī)模在日產(chǎn)2000t熟料以上的生產(chǎn)線占總量的85%以上（中國除外），目前在建的最大的預(yù)分解窯規(guī)格為Φ6.2×105米，日產(chǎn)12000噸熟料。

新投產(chǎn)的預(yù)分解窯的先進(jìn)技術(shù)綜合反映在以下方面：

  • 水泥熟料熱耗一般水平為3100kJ/kg（~740kcal/kg），先進(jìn)的可達(dá)2930kJ/kg（~700kcal/kg）。
  • 水泥電耗一般水平為95~100kWh/t.水泥，先進(jìn)的約85~90kWh/t水泥。
  • 窯系統(tǒng)年運轉(zhuǎn)率一般為85%，先進(jìn)約為90%，生料磨的年運轉(zhuǎn)率可與窯匹配。
  • 勞動生產(chǎn)率視生產(chǎn)線規(guī)模而定，大型生產(chǎn)線一般為8000~10000t水泥/人.年，先進(jìn)的可達(dá)15000t水泥/人.年以上。
  • 有毒有害氣體排放量得到嚴(yán)格控制，粉塵排放量一般<50mg/Nm3，先進(jìn)的為15~30mg/Nm3，NOX、SOX均低于控制指標(biāo)以內(nèi)。
  • 熟料質(zhì)量優(yōu)良，達(dá)到不同國家所規(guī)定的高標(biāo)號熟料質(zhì)量要求。

2．國際上濕法窯的改造途徑

預(yù)熱器窯的熱耗遠(yuǎn)低于濕法窯，（表1）一些能源價格昂貴的國家，從50年代起對濕法窯進(jìn)行改建或改造，隨著預(yù)分解窯技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，濕法窯改造的趨勢愈來愈增大，改造方式大致有四種：

表1   不同窯型熱耗比較

　

濕法長窯

干法長窯

2級預(yù)熱器窯

4級預(yù)熱器窯

5級預(yù)分解窯

6級預(yù)分解窯

kcal/kg熟

1250~1500

1100

900~950

-800

720

<700

KJ/kg

5230~6237

4600

3760~3970

3350

3010

<2930

2.1  新建新型干法窯逐步取代陳舊的濕法窯

一些公司和廠家的設(shè)備陳舊的傳統(tǒng)窯（包括濕法窯），由于經(jīng)濟(jì)效率低下，難于進(jìn)行市場競爭，在廠區(qū)內(nèi)或易地擴(kuò)建一臺技術(shù)先進(jìn)且產(chǎn)量高的干法生產(chǎn)線，自成獨立的生產(chǎn)體系，屬于擴(kuò)建性質(zhì)，一定時期內(nèi)新舊并存，隨著技術(shù)進(jìn)展和市場需求，逐步將性能差的傳統(tǒng)窯關(guān)閉，其優(yōu)點是生產(chǎn)正常，且產(chǎn)量可逐步擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)效益逐步增加，采用此法改造傳統(tǒng)窯的數(shù)量最多，60年代以來投產(chǎn)的數(shù)百臺新型干法窯大都是按此方式進(jìn)行的，這是傳統(tǒng)窯（包括濕法窯）改造的主要方式。

2.2  濕法窯改成干法窯

在一些原料性能適應(yīng)于干法生產(chǎn)且窯體尚有較長時間的應(yīng)用價值，同時缺乏改建場地的工廠，將原有的傳統(tǒng)長回轉(zhuǎn)窯改成新型干法窯，此法優(yōu)點是窯產(chǎn)量成倍增長，熱耗有較大幅度下降，但是必須停止原有的生料濕法制備系統(tǒng)，興建生料干法制備及均化儲存系統(tǒng)，興建窯尾預(yù)熱器分解爐系統(tǒng)，三次風(fēng)管，更換或改造篦冷機(jī)，割短窯筒體，改造窯的傳動裝備等。此種方式必須停窯一段時間，影響生產(chǎn)，因而改造的水泥窯不是很多，從KHD公司1950年至1974年新型干法預(yù)熱器窯、預(yù)分解窯的銷售記錄統(tǒng)計，在投產(chǎn)的300臺新型干法窯中，采用此法改造的為19臺，約占總數(shù)的6.5%，若以此數(shù)類推，全世界此類濕法窯改造的數(shù)量約60臺左右（表2）。

表2   KDH公司1950~1974年回轉(zhuǎn)窯濕改干臺數(shù)

國名

德國

秘魯

土耳其

巴西

英國

南斯拉夫

西班牙

日本

共計

濕改干數(shù)量（臺）

3

2

3

3

2

2

3

1

19

2.3  濕磨干燒

國外個別水泥廠，使用高達(dá)20~25%以上水份的白堊作原料或者某種特殊的環(huán)保要求采用此法，也就是根據(jù)預(yù)熱器和篦冷機(jī)的廢氣所提供的熱量對已進(jìn)行壓濾的物料進(jìn)行烘干破碎（圖1）。

圖1  新型干法預(yù)熱器廢氣烘干原料能力表（略）

此法的優(yōu)點是能夠充分利用含水量高的原料，較大幅度降低熱耗和提高產(chǎn)量。缺點是增加了濕料過濾烘干環(huán)節(jié)，燒成系統(tǒng)必須拆除和改建，且生產(chǎn)較復(fù)雜。還需停窯改造。濕磨干燒的新型干法窯于1982年英國Rugby水泥廠首次取得成功，迄今為止全世界投產(chǎn)的濕磨干燒窯約13臺，部份在中國，現(xiàn)將收集到的國外濕磨干燒的水泥窯資料列表如下（表3）：

表3  國外濕磨干燒的生產(chǎn)線

廠名
單位

Aalborg

Rugby

Lone star

Origny

Chelm

國家
　

丹麥

英國

美國

法國

波蘭

主要原料
　　

白堊粘土

白堊粘土
　　

白堊粘土

白堊粘土

原料水分

%

19.4/28.0

36~38
　　
　

25

設(shè)計窯產(chǎn)量

t/d

4000

3800

~4000

~4000

4000
 　

t/d

最大4400
　
　
　

4500

窯規(guī)格

Φ×Lm

Φ4.75×74

Φ4.6×62
　

~Φ4.7*

Φ4.75×75

熱耗

kJ/kg

4286

4350

4474
　

3471

燒成電耗

kWh/t.熟

31
　

~28
　
　

預(yù)熱器級數(shù)

級

2

2

2

2

3

*原濕法窯規(guī)格Φ5/4.7×160m

表3所示美國的Lone star水泥廠主要因該廠原料中硫含量過高，采用干法生產(chǎn)必須增設(shè)除硫裝置造成基建投資過高，才使用濕磨干燒，其余四廠均是水份超過25%的原料，迫于需求才采用此法生產(chǎn)，如丹麥的Aalborg水泥廠，原有的三臺濕法窯是Φ4.55/4.35/5.0×165m，Φ5.25/6.0×180m，Φ6.3/6.9×210m，產(chǎn)量分別為1200t/d，1600t/d和2350t/d加料漿稀釋劑后料漿水份由39~40%降至29~32%，由于該國市場有限，且受燃料價格因素的影響，被迫新建一臺窯取代原有的三臺窯進(jìn)行生產(chǎn)。

2.4  現(xiàn)有濕法窯進(jìn)行技術(shù)改造

在一些燃料相對便宜，或者熟料成品的堿含量有特殊需求以及某些國家限于政治經(jīng)濟(jì)及技術(shù)狀況的原因，部份國家仍然保持著一定數(shù)量的濕法窯，如俄羅斯、烏克蘭等前蘇聯(lián)國家，仍以濕法生產(chǎn)為主，美國至2000年，仍有2000萬噸/年的水泥是濕法窯生產(chǎn)的，約占該國總量的20%，印度約400萬噸/年，占該國總量的6%等，但在一些技術(shù)先進(jìn)的國家，對濕法窯進(jìn)行技術(shù)改造，使其熱耗逐步下降，目前技術(shù)先進(jìn)的濕法窯熱耗已下降和至1200kcal/kg。印度曾組織力量進(jìn)行了濕法窯改造的探討，認(rèn)為少量規(guī)格大的濕法窯可以考慮改造，小而陳舊的濕法窯應(yīng)在生產(chǎn)過程中逐步淘汰，不同國家濕法窯的熱耗與電耗比較見表4。

表4  濕法窯的能耗比較

　
　

印度平均

世界先進(jìn)國家

烏克蘭平均

電耗

kWh/t水泥

117

87
　

熱耗

kcal/kg

1409

1243

1644

熱耗

kJ/kg

5892

5206

6876

濕法窯技術(shù)改造主要為摻加稀釋劑降低料漿水分，采用復(fù)合礦化劑降低煅燒溫度，采用三風(fēng)道燃燒器降低一次風(fēng)量，隔熱窯襯減少窯筒體熱損失，減少窯系統(tǒng)漏風(fēng)，以及篦冷機(jī)改造來提高熱效率等，此外煅燒工業(yè)廢燃料及有毒害物以降低燃料費用等措施。

3．我國濕法窯改造途徑探討

濕法窯的熱耗高是無可爭議的事實，生產(chǎn)過程中所排放的CO2和NOX較新型干法窯高（表5），隨著我國參加WTO，今后可能執(zhí)行國際上有關(guān)組織所制定的限制CO2、NOX等有害氣體排放值的協(xié)議，濕法窯不僅面臨著熱耗高帶來的生產(chǎn)成本高的問題，還面臨著降低CO2、NOX的排放問題。波蘭有21臺濕法窯，其產(chǎn)量約占該國總量的38%，于1998~1999年全部停產(chǎn)。因此濕法窯的改造勢在必行。我國在97年統(tǒng)計，濕法窯總量199臺，水泥年產(chǎn)量3100萬噸，單窯年平均產(chǎn)量15.6萬噸，均屬小規(guī)模。這些濕法窯怎么改造確實值得商榷。

表5            不同窯型的有害氣體排放量

　

CO2，kJ/kg

NOX，mg/m3

濕法回轉(zhuǎn)窯

1.1

~1500~1800

預(yù)分解窯

0.8

~800~1000

決定濕法窯改造的因素很多，大致為：

  • 原料性能及濕含量
  • 能耗（熱耗、電耗）
  • 主要裝備運行狀況及利用價值
  • 投資費用及回收情況
  • 停窯時間及市場需求

3.1  原料性能和濕含量

我國水泥原料的特點是濕含量不高，采用砂巖配料，一般水份低于2%（南方3%），而采用粘土配料，平均水份低于4%，即是雨季，平均水份約6%，5級或6級預(yù)熱器預(yù)分解窯，有足夠的能力烘干上述原料水份。圖2。

此外，我國南方的粘土粘性高，不易壓濾，試驗證實，其壓濾遠(yuǎn)較北方粘土困難，易損壞裝備和增加電耗。而我國濕法窯南方居多，上述二點表明，國內(nèi)絕大多數(shù)水泥窯采用干法生產(chǎn)。

個別廠采用高含水份的原料如赤泥，電石渣等，采用濕磨干燒是有利的。

圖2    不同級數(shù)預(yù)熱器廢氣烘干能力（略）

3.2  能耗

3.2.1  熱耗

國內(nèi)已投產(chǎn)的2500t/d新型干法生產(chǎn)線的設(shè)計熱耗為3094kJ/kg（740kcal/kg），實際熱耗可達(dá)3030kJ/kg（725kcal/kg），而實際的濕磨干燒熱耗（與預(yù)熱器級數(shù)有關(guān)，一般為3470~4470kJ/kg（830~1070kcal/kg）。預(yù)分解窯的熱耗至少較濕磨干燒窯低420kJ/kg(100kcal/kg)以上。

3.2.2  電耗

濕法生料磨大多數(shù)為開流磨，電耗約15~16kWh/t生料，與干法生料球磨相比，一般概念是濕法磨電耗低，近年來輥式磨技術(shù)的進(jìn)展，技術(shù)先進(jìn)的輥式磨系統(tǒng)電耗已降至13~14kWh/t生料，低于濕法窯，而且輥磨的烘干能力進(jìn)一步提高，近年來在原料含水量高的地區(qū)，投產(chǎn)的輥式磨，可以滿足20%的水份，從電耗角度來看，濕法生料磨已不具備優(yōu)勢。

3.3  主機(jī)裝備運行情況及利用價值

我國濕法窯中，產(chǎn)量低于600t/d熟料的約占總量的一半，窯的平均直徑絕大部分<3.5m，而且多數(shù)是解放前或60年代前建的窯，已運轉(zhuǎn)40年以上，設(shè)備陳舊，對窯本身進(jìn)行改造的價值不大，可利用的原有設(shè)備極少，不如就地擴(kuò)建新型干法生產(chǎn)線，逐步淘汰原有濕法生產(chǎn)線，日產(chǎn)600t熟料以上的華新窯估計約80臺左右，窯齡超過30年的約20臺，其余的窯還能正常的運轉(zhuǎn)一段時間。

我國的濕法窯是60年代開發(fā)設(shè)計的，限于歷史條件，設(shè)計的輪帶和齒圈位置不太適合目前的干法窯結(jié)構(gòu)，因而改造難度較大，此外窯徑偏小，在窯體上進(jìn)行大改從實踐的經(jīng)驗證實意義不大。

3.4  投資費用及回收情況

投資費用的因素較多，現(xiàn)以白馬山水泥廠為例：該廠2#窯在88年改建，90年建成后因系統(tǒng)不夠完善，且過濾設(shè)備事故率高，生產(chǎn)極不正常，半年僅產(chǎn)熟料4.3萬噸，以后雖有所改進(jìn)，年運轉(zhuǎn)率在70%，不得已于1994年再次進(jìn)行改造，二次改造費用的竣工決算為4621萬元，日增產(chǎn)熟料約250t/d，年熟料量約77500t，每噸熟料投資約600元。考慮到上述改造年份較早，費用可能偏高，現(xiàn)以1997年白馬山水泥廠1#窯改造可行性論證費用為參考依據(jù)與1997年該廠新建的一臺日產(chǎn)2000t熟料生產(chǎn)線進(jìn)行比較，（表6），比較結(jié)果是無論是單位投資，熱耗以及停窯影響生產(chǎn)等項新型干法預(yù)分解窯具有明顯的優(yōu)勢。

表6  安徽海螺集團(tuán)白馬山水泥廠濕改干及干法窯工程費用表

　
　

濕改干熟料生產(chǎn)線

新型干法熟料生產(chǎn)線
　
　

2#回轉(zhuǎn)窯

1#回轉(zhuǎn)窯
　
　

改造次數(shù)
　

第一次

第二次

合計

可行性

2000t/d生產(chǎn)線

2500t/d生產(chǎn)線

年份

年

1988

1994
　

1997

1997

2001

改造費用

萬元

3137

1484

4621

3980

26000

20000

設(shè)計產(chǎn)量

t/d
　
　

750
　

2000

2500

實際產(chǎn)量

t/d
　
　

850

950

2500

2750

熱耗

kJ/kg.熟
　
　

4432

3931

3178

3094

標(biāo)定熱耗

kJ/kg.熟
　　
　　

3765
　

3031

3000

改造時間

月

14

2.5

16.5

3

16

12~14

單位噸投資

元/t熟料
　
　

~600

~366

~370

~230

2.5  停窯時間及市場影響

濕磨干燒需切割窯體，勢必停窯，估計影響生產(chǎn)3~6個月，還不考慮調(diào)試時間，若濕磨旁邊擴(kuò)建一臺濕磨干燒窯取代濕法窯，雖然不影響停窯，但是原有濕法窯因無生料供應(yīng)而被迫停產(chǎn)，若遇上市場需求水泥，必然受到影響。而興建新型干法生產(chǎn)線不影響停窯，保留原有濕法窯隨市場需求與競爭而逐步淘汰，不影響工廠生產(chǎn)和效益。

80年代以來，國家一直致力于新型干法生產(chǎn)線的發(fā)展，但發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了種種困難，如投資偏高，水泥噸投資大于1000元，建設(shè)周期長達(dá)2~3年，投產(chǎn)后設(shè)備故障多，不能順利達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)，工廠的經(jīng)濟(jì)效益差，還不起銀行貸款，使工廠面臨困境。給新型干法水泥廠造成的影響是，雖然技術(shù)先進(jìn)，但生產(chǎn)管理復(fù)雜，投資太高，無法解決建設(shè)資金，不適合中國國情，相比之下，建設(shè)濕法生產(chǎn)線仍有一定效益，在此期間，國內(nèi)仍有不少生產(chǎn)廠家擴(kuò)建濕法窯。90年代以來，我國的新型干法預(yù)分解窯的工藝裝備技術(shù)得到長足進(jìn)展，設(shè)備的可靠性能有較大提高，設(shè)計和建廠周期愈來愈短，投資愈來愈低，在市場競爭中充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢和規(guī)模效益，近年來興建的日產(chǎn)2500t/d級生產(chǎn)線，投資費用已降至~230元/噸熟料，其熱耗低于濕磨干燒回轉(zhuǎn)窯約765kJ/kg.熟，燒成電耗也低。因而熟料的生產(chǎn)成本降低10~20%以上。從90年代起，一些濕法生產(chǎn)線廠家紛紛改建干法生產(chǎn)線，至90年后期，除個別特殊地區(qū)外，國內(nèi)已停止興建濕法窯。

3．對國內(nèi)已進(jìn)行濕磨干燒的生產(chǎn)線的幾點看法：

90年代初中國國際工程咨詢公司曾組織專家對濕磨干燒進(jìn)行了調(diào)查，根據(jù)大量調(diào)查資料，通過充分論證發(fā)表了“論我國濕法水泥廠改造途徑”的文章，文中對我國濕法窯改造作了精辟的論述。其主要結(jié)論為：1. 截短濕法窯改造不如另建一臺合算。2. 留濕擴(kuò)干投資效益好。3. 現(xiàn)有濕法窯采取節(jié)能降耗措施。上述結(jié)論與國際上水泥工業(yè)的發(fā)展基本一致。時間已過10年，按現(xiàn)有資料，補(bǔ)充點看法。

我國濕法窯改造和國際上基本接近，主要方式為：

3.1  新建新型干法窯逐步取代濕法窯

在濕法窯保留生產(chǎn)的前提下，擴(kuò)建大型干法生產(chǎn)線，80年代有萬年等12個廠，90年代更多，這些廠的經(jīng)濟(jì)效益均較高，如葛洲壩、華新等廠在取得良好效益的基礎(chǔ)上繼續(xù)興建大型生產(chǎn)線，這是國內(nèi)濕法窯改造的主流。

 3.2 濕磨干燒

我國現(xiàn)進(jìn)行濕法窯改造的有10臺窯，其中8臺是濕磨干燒，2臺是為濕改干（表7）。

表7   各種生產(chǎn)能力半干法系統(tǒng)的實例

工廠名稱

QJ

GZ1

GZ2

LZO

BM

GWO

YD

GH

TS

Ch

熟料產(chǎn)量，t/d

1000

700

2000

2000

1000

800

1700

1000

1050

1000

生料組成

石灰石、砂巖、鐵粉

石灰石、河砂、煤渣、硫酸渣

砂巖

石灰石、粘土、鐵粉

石灰石、赤泥、粘土、鐵粉
　

石灰石、粘土、硫酸渣

石灰石、粘土

石灰石、粘土

料漿水分，%

35.2

34.5±0.5
　

35

35~36

38.5

35

35
　
　

料漿過濾機(jī)，m

筒式真空

筒式真空

盤式真空

筒式真空

筒式真空

壓濾

盤式真空
　
　
　

回轉(zhuǎn)窯，m

Φ4.2×7.5

Φ4.2×7.5

Φ4.2×7.5

Φ4.2×7.5

Φ4.2×7.5

Φ4.2×7.5

Φ4.2×7.5