水泥工业的优化设计与实践

水泥工业的优化设计与实践

四、新阶段的科学考察1.可持续发展原则优化设计是指将节约能源减少的创新技术和生态环境意识贯穿工程中，发展低碳技术和绿色经济。优化设计工作有着丰富的内涵和外延,实质就是提高资源和能源的利用效率,加强环境保护,摒弃人类以无限消耗自然资源、污染环境为代价的发展,代之以人、社会和自然的和谐、友好的可持续发展。一个工程项目的建设投资及整体技术水平与诸多因素有关,然而一个成功的新型干法水泥生产线的建成,一定是业主、设计、设备制造、安装和施工单位共同努力的结果,我国水泥工业设计者今后应继续保持与全行业各有关单位的合作,共同努力,提高全行业的整体技术水平。(1)系统工程的应用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,其特点是:生产大型化、完全自动化、符合清洁生产的要求、能实现废弃物再利用、减少环境负荷。新型干法水泥生产技术是一种系统工程,它包括若干子流程和单元操作。为了取得生产线的最佳技术经济效果,不仅要使分解炉、旋风预热器、回转窑、冷却机等子系统技术先进和优化匹配,还要使粉磨设备、原料预均化、生料均化、定量喂料喂煤、密封、撒料装置、耐火耐热材料、耐磨保温材料以及环保自控等方面得到优化提高。在这一复杂的系统工程中,通过优化设计和设计创新工作,可更准确地掌握相关关系,并利用系统工程理论来解决成套技术装备开发中的工程设计、装备设计、材料性能与加工工艺、自动控制与检测、主辅机各项平衡等极为复杂的技术难题,确保整个系统在高效、稳定条件下运转。我国具有自主知识产权的日产1000吨～10000吨系列的新型干法水泥生产技术与装备,基本实现了与国际先进水平同步,打入了国际市场。随着不断的技术创新,逐步降低了水泥厂的建设投资,进入21世纪之后水泥生产线吨投资比上世纪80年代末降低了1/2～2/3,为我国水泥工业的快速发展起到了积极推动作用,说明了优化设计工作在我国水泥工厂的成功体现。(2)生料辊式磨技术的研究开发从上世纪80年代开始,世界上水泥工业通用的球磨机逐步被能耗低、烘干能力强、系统简单、控制方便的辊式磨、辊压机所取代。辊式磨磨制生料系统的电耗可以降低10%～25%,磨制水泥时较球磨低约10kWh/t,目前,国际上采用辊式磨磨制生料和煤粉台数约占总量的90%,磨制水泥也达到30%以上。在此同时,天津水泥院有已进行生料辊式磨的研究开发,目前在辊磨技术与装备的研发方面取得了重要进展:2500t/d～5000t/d不同规模水泥生产线配套的原料辊磨得到大量的推广应用;30万吨级的矿渣辊磨已销售几十台;用于各种燃煤煤粉制备的辊磨也得到市场认可;用于电厂脱硫的高细石灰石粉磨的辊磨也有多台投入运行。对于水泥终粉磨辊磨,天津水泥院也早已开展了相关研究和试验,目前已开发了150t/h的水泥辊磨,并已在国外工程中得到应用,与此同时还开发了粉磨效率更高的辊压机。具有自主知识产权的单段锤式破碎机、TRP型辊压机、TRM型生料辊磨、TRP型煤粉辊磨、高效组合式选粉机和超细选粉机等,在市场竞争中得到了广大用户的一致认可,同时天津水泥院在技术与设备的更新方面不断努力,新技术与设备不断问世并被投入市场,例如:大型熟料辊式破碎机、5000t/d无烟煤辊磨设备、TRMK50.4水泥辊磨、年产120万吨矿渣立磨设备等。(3)矿渣细度再与实验用水泥的混合矿渣作为活性混合材早已在我国水泥行业得到普遍应用,应用方式是与熟料和石膏等原料配合后进行混合粉磨。如果将矿渣单独粉磨至450m2/kg以上的细度再与高质纯硅水泥进行混合,则不但可以提高矿渣在水泥中的掺量,而且可以改善水泥或混凝土的物化性能。天津水泥院开发了首台TRM3131S型国产矿渣辊磨,设计年产量30万吨高细优质矿渣粉,该磨机采用了新型高效笼形转子选粉机,保证成品比表面积可以在400m2/kg～600m2/kg范围内灵活调节,可以烘干10%～20%水分并且大幅度降低了投资和维护费用,现在又开发了大型矿渣立磨,支撑矿渣资源化工作的发展。(4)干法水泥工业新型高效袋收尘器的开发多年来,天津水泥院一直致力于水泥生产中烟气减排技术的开发、大型高效袋式收尘器的开发与新型电-袋收尘器的开发,满足了国内外越来越严格的粉尘排放指标要求。新阶段要在多功能与高效方面研究过滤介质,提高收尘效率。脱硝技术目前我国日产2000吨～5000吨新型干法水泥生产线排放的NOx,一般大于800mg/Nm3(氧含量10%),水泥工业已成为电力行业之后第三位的NOx排放大户,必须给予高度重视。水泥行业常用的脱硝技术是:采用与生产兼容的分解炉分级燃烧,以最小的操作成本尽可能的减少NOx排放;其次,采用选择性非催化还原技术(SNCR),在高温废气中喷射氨水或尿素降低NOx;第三,采用含氨基替代燃料喂入分解炉的方式,在处置废弃物的同时,降低氮氧化物的排放。SNCR技术已成为国外控制NOx排放的标准工艺技术之一,国内也已经起步,个别生产线上已有使用,天津水泥院正在加大推广这一技术。此外,天津水泥院还对重金属、有害元素等对环境及水泥产品的影响,加强了研究。(5)原料配方研究优化设计的内容还有许多,此处不再赘述,但有一些内容是需要我们注意的,例如:提高合理与综合利用资源意识,进行不同品质原料的配料研究;采用砂岩、页岩等代替粘土配料;最大限度地使用低品位的燃料,使用低挥发分煤和无烟煤煅烧熟料;采用超前控制理论,建立均化链的概念;减少物料贮存期,减少工厂占地;“以质代量”提高水泥熟料的质量,减少低质量水泥的产量;推广节电明显的变频调速技术;采用智能化控制系统,提高能效管理水平;加强数字化矿山设计等。2.水泥工业协同处置废弃物的背景协同处置废弃物技术在欧美日等发达国家已经成功运用30多年,发达国家的水泥厂,特别是城市周边的水泥厂,都参与了协助社会环保部门完成废弃物的处理工作。随着我国国民经济和城市化进程的高速发展城市垃圾、城市污泥及危险废弃物的发生量逐步增多,对居住环境和人类健康的影响日益明显,已经成为困扰社会进步的一大难题。20世纪90年代以后,我国水泥工业出现了参与对废弃物的无害化、资源化处理的变化,国内水泥行业所开发的污泥、生活垃圾、有毒有害工业废弃物处置技术,在基本成熟的基础上正在逐步完善和提高。现在水泥工业协同处置废弃物的社会呼声已经加强,根据某些媒体报道,目前正在建设或拟建的典型协同处置水泥企业有:北京金隅集团、上海建材集团、江苏天山水泥公司溧阳分公司等上百条生产线。天津水泥院从上世纪90年代后期开始,在学习与吸取国外经验的基础上,进行了水泥窑系统协同处置工业危险废物及污泥的基础研究和工业试验工作,建设了一批不同类型的典型示范线。如1999年北京水泥厂有限公司建设的水泥窑处置有害废物的示范生产线;2008年广州越堡水泥公司进行的利用现有新型干法水泥生产线处置城市污泥的项目等。2011年1月,由天津水泥院作为第一完成单位的“十一五”国家科技支撑计划课题“水泥窑协同处理污泥的技术研究及应用”,通过了中国建筑材料联合会成果鉴定。水泥工业协同处置废弃物,属于低碳技术和循环经济的范畴,因此水泥工业已开始发挥新环保产业的作用,并为社会作出新的贡献,水泥工业协同处置废弃物的主要技术工作如下:深入开发“废弃物预处置”、“水泥窑协同处置污泥”、“水泥窑协同处置生活垃圾”、“水泥窑协同处置焚烧炉飞灰”技术与装备,实施高级示范工程。加强水泥窑内高温环境中有机组分分解和固化机制的研究,针对各有机组分在窑内的分解机制和产物迁移固化情况,以及焚烧物有机组分对熟料性能和环境影响评价,进行系统深入的研究,为我国制定替代燃料方面的标准提供技术基础。深入开展水泥工业处置和利用废物时重金属限量的基础研究,如:重金属在熟料烧成中的固化方式和固化机理,单位熟料矿物载体处理能力和影响因素,对熟料性能、矿物组分、设备安全和环境影响评价等,为相关法规、标准的制定提供技术基础。3.用信息技术改变传统的水泥行业(1)水泥生产过程控制国外的著名水泥装备公司均已开发了自身品牌的控制和优化系统。如FLSmidth公司的ECS和ProcessExpert系统,Polysius公司的POLCIDNT和POLEXPERT系统,KHD公司的PRODUX和PYROEXPERT系统。这些系统除了完成水泥生产的过程控制,都集成了烧成和粉磨工段的过程优化软件。另外,国外许多电气自动化控制公司也开发了适用于水泥工厂的过程智能和过程优化软件包。如SIEMENS公司在专为水泥工业开发的CEMAT系统中集成了水泥窑和粉磨的优化控制软件,ABB公司在IndustryIT中集成了OptimizeIT优化控制软件,Rockwell公司提供PavilionAPC高级过程控制软件包。虽然我国在软件开发方面有很高的水平,但在这方面与国外比还有很大差距。另外,我国新型干法水泥企业除继续改进生产过程控制技术外,要进一步探索管理信息化途径,加强管理信息化的开发,不断提高水泥工业的信息化水平。(2)强化资源控制,采用“精确数字化开采”技术厂区物流管理系统水泥生产企业是物料流动性极高的企业,建立基于数据库、网络和OPC技术的原料进厂和水泥销售发运自动控制管理系统,既能直接提高原料进厂和水泥销售环节的工作效率,也是对企业资源系统的极大支持。提高对原材料进厂和水泥产品销售发运过程的控制,加速信息的流动,将显著提高企业的资源管理水平,为企业带来效益。“精确数字化开采”技术研究开发“精确数字化开采”软件,指导矿山开发,在生产过程中采用合理的矿山开采方案,延长矿山的使用寿命。加强进厂原、燃料的质量控制,采取高、低质矿物资源搭配使用,降低生产成本。采用合理的总图布置,减少物料流的周转行程。采用先进的技术装备,减少物料在设备和系统内的循环,建立资源管理系统。在生料质量控制方面,解决传统的滞后检测,超前控制缺点,研发和推广前馈控制新技术。4.应用基础研究的内容(1)颗粒学研究的展望利用现代流体力学、燃烧动力学、热工学、热力学等现代科学理论,开展对燃料特性的研究,指导新型悬浮预热、分解炉系统的持续改进和优化工程。研究气固二相流中“三传一反”过程及其交互影响关系,建立起其产生交互影响的条件和判断依据。固气二相流是水泥工艺中常见到的颗粒流体系统,如水泥生料的悬浮预热、流态化均化、气力输送等现象主要表现为非均匀的多尺度结构、状态多值性及突变等,传统的平均方法无法实现这类系统的量化,多尺度方法和单颗粒跟踪被认为是有前景的方法,但多尺度方法必然遇到极值判断难以确定和动态变化很难表达的问题,探索用简单方法描述复杂的现象是当前最重要的颗粒学研究课题。在大颗粒熟料错流换热理论研究的基础上,结合高温物料输送的要求,开展新型高效篦式冷却机的持续改进,提高熟料的冷却效率和篦式冷却机运转率。关于流化床烧成法,在国内已有40多年的研究历史,美国、日本也都做过许多研究工作,我国在实验室与半工业实验方面,都做了许多工作,但由于操作不易稳定和工业化的困难而进展缓慢,但最近日本开发的技术和设备,已在试验生产线上获得进展。开发流化床烧成试验的目的是:减少NOX、SOX、SO2的排放量,建立环境适应型水泥生产技术和提高水泥烧成效率,最近日本报道在200t/d熟料试验装置上取得的结果是:热效率比回转窑提高20%,热耗为600kcal/kg熟料,生产出的熟料质地均匀,粒径为2～3mm,在各令期强度方面都优越于回转窑水泥熟料,NOX、SO2排放量比回转窑排放量大大减少。这一水泥烧成法虽然很难在工业上应用,但对其机理的研究,可使研究者得到一些深入探讨熟料烧成理论的有益启发。(2)粉碎机理理论研究在现代工业中众多的粉碎实践都含有料层粉碎(或称料床粉碎)的因素,如颚式破碎机、辊压机、冲击磨机、辊式磨、振动磨等,它们的粉碎机理已超过粉碎能耗的经典三理论,即表面积理论、体积理论和Bond第三理论,加深研究料层粉碎机理,对于改造旧有的粉碎设备和粉碎工艺,设计新型节能粉碎机械具有很大的意义。采用粉体技术理论研究立磨粉磨水泥产品特点、改进水泥立磨终粉磨系统的成品粒度、研究磨辊与磨盘的啮合轨迹都是重要的研究课题。今后对粉碎机理的探讨可能更加活跃,例如如何计算粉碎效率以及研究各种粉碎设备的节能潜力有多少,更加重视粉碎产品的颗粒组成,如何更有效的利用挤压能和冲击能,也可能是今后水泥工业粉碎应用理论研究的一个方面。(3)机械力化学作用机理近年来采用机械力化学法,使用粉体工业原料,将“无机物—有机物”、“无机物—金属”、“有机物—金属”等组合而成精细复合材料已成为可能,机械力化学的机理逐步被探明,由于机械力化学效应引起的粉体活性增强的原因,一般有格子缺陷或格子畸变的原因,还有比表面积和表面能的原因。粉体的比表面积在粉体反应中既是动力学,又是热力学的重要参数。比表面积大,反应面积增加,反应速度加快,所以活性大,当粉碎达到微细化,使比表面积增加时,再伴随着格子畸变,格子不规则,就会使表面能增加。作为一门新的学科,目前在材料科学和水泥技术等领域已有了一些探讨和研究。(4)纳米技术在水泥领域的应用现状纳米技术的出现标志着人类科学技术进入了新时代,人们认识自然和改造自然的能力已延伸到纳米尺度,纳米技术得到了世界各国的高度重视,它将促使工业领域产生一场新的革命性变化,纳米技术正在向化工、信息、生物、环保、建材等各领域扩展。随着纳米技术和产品向着工业领域的渗透和发展,人们也开始了探索纳米技术在水泥领域应用的可能性,并在水泥水化、混凝土结构、功能混凝土以及水泥生产的热工、机械等部分取得了许多应用研究成果,有些功能纳米材料已应用在实际混凝土过程中。水泥基材料中约有70%纳米级的C-S-H凝胶,因此对水泥基材料进行纳米改性存在有客观上可能,但是现在还只是应用研究的初始阶段,有待人们深入研究和探索。纳米材料的制备技术具有一定的难度,并在产品规模和成本上都影响着工业部门实际采用。此外纳米颗粒一旦产生就很容易团聚成二次颗粒,所以实际上很难得到真正的纳米颗粒,也很难贮存和运输,又由于超细颗粒具有很大的表面积,在大气中极易急剧氧化而生热,所以在处理纳米材料时还要考虑慢氧化措施,这些都是纳米技术应用的难题。支配水泥、混凝土性能的尺度范围在10nm～100μm,从材料科学与材料设计观点出发,需要用粉体技术和纳米技术提升传统产业。(5)开发新型功能水泥为了得到高性能和多品种水泥以及满足制备工艺的需要,除了我们要研究原料配料以外,还要考虑各种水泥改性方法,并要在基础理论方面加强研究。如我们要研究:水泥细度与水泥强度的关系、粉磨方法对水泥强度的影响、粉碎机械力化学效应、细掺合料技术、水泥助磨剂等。国内外已出现的功能水泥有如下,可参考。弹力水泥、防水水泥、导电水泥、碳纤水泥、陶瓷水泥、变色水泥、夜光水泥、可塑水泥、耐海水水泥、油井水泥、球形水泥、防辐射水泥等。另外,开发以本贝利特为主的硅酸盐水泥,因这种水泥可以减少石灰石单位用量和降低熟料烧成温度,使废气排放的CO2和NOX大大减少。这种水泥叫环境负荷减少型水泥。水泥工业利用废弃物作为代用原料生产的水泥可以叫环境共存型水泥。5.低碳技术与非波兰水泥系统产品的开发(1)开发新型水泥品种这是利用粉煤灰配料、开发研究一种能够大幅度降低能耗和二氧化碳排放的低钙水泥熟料方法,内容包括:开发这种新型水泥熟料的煅烧工艺技术和关键设备,研究新型水泥产品的性能控制要素,并使其综合性能优于普通硅酸盐水泥,最终形成具有自主知识产权的新型水泥及其工业化生产技术与应用示范。总体目标是要开发一种性能优良的低钙水泥新品种,吨熟料二氧化碳排放量和烧成热耗降低20%以上,吨熟料使用的粉煤灰比例超过40%。其主要技术是使低钙水泥中的硅酸二钙主要以高活性的á形态存在,保证低钙水泥具有优异的基本性能。以新型干法水泥生产工艺为基础,通过适当技术改造,形成适用于低钙水泥生产的新工艺。(2)非波兰水泥体系现在我们生产和使用的水泥,95%以上都属于硅酸盐水泥,而硅酸盐水泥在制备过程中要消耗很大的资源和能源、排放出很多污染环境的粉尘和CO2、SO2、NOx等废气,所以传统水泥也面临着可持续发展的挑战,因此出现了开发新品种和新体系水泥的新思路,以达到保护环境的目的。近年来,非波特兰水泥体系的研究有了一定进展,非波特兰水泥体系的特种水泥有:硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铝酸盐水泥等,其中硫铝酸盐水泥的原料为低品位矾土、石灰石和石膏,由于石灰石的配合量低,