面向新世紀的水泥燃料燃燒技術和裝備（1）

1 引言

　　新中國成立以來，我國水泥工業(yè)得到很大發(fā)展，水泥產量以年均15%的速度遞增，特別是改革開放以來發(fā)展更快。1980年水泥產量不到1億噸，1997年就達5.1億噸，代表水泥工業(yè)發(fā)展方向的新型干法水泥工藝已走向成熟。但水泥工業(yè)整體落后的面貌并未改變，立窯水泥占水泥總產量的3/4。我國的水泥工業(yè)將在加快結構調整，實現(xiàn)“由大變強、靠新出強”的發(fā)展戰(zhàn)略下跨入新世紀，將在黨中央、國務院加快西部大開發(fā)的形勢下跨入新世紀，將在我國加入WTO，實施ISO強度方法，實現(xiàn)水泥標準與國際接軌的時刻跨入新世紀。

　　前年2月，國務院副總理李嵐清在端士新世界經濟論壇上宣布，今后3年中國將在基礎設施的建設上投入7500億美元。因此水泥作為最重要的建筑材料將面臨更大的需求。據估計，2010年我國水泥需求量將達8億噸，接近世界水泥總產量的一半。按合理指標估算，年產8億噸水泥將消耗標煤8400萬噸、電835億kWh，排放Nox150萬噸，這就是說這時的水泥工業(yè)將對能源消耗和環(huán)境造成極大的壓力。

　　面向新世紀的水泥工業(yè)必須實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略?？沙掷m(xù)發(fā)展的本意是“滿足當代人的需求，又不損害子孫后代滿足其需要的能力”。水泥工業(yè)實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，決不僅僅限于保護環(huán)境，更重要的是節(jié)約能源、節(jié)約資源，決不能等到21世紀中葉能源、資源匱乏時再來研究。除少數新型干法線外，從整體上講目前我國水泥工業(yè)能耗高、效率低、污染嚴重，違背了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，面向新世紀的水泥工業(yè)既充滿了發(fā)展機遇，又面臨著嚴重的挑戰(zhàn)。

2 水泥燃料燃燒技術和裝備的現(xiàn)狀、差距及對策

　　新型干法窯通常指旋風預熱器窯、立筒預熱器窯（兩者統(tǒng)稱為懸浮預熱器窯）及預分解窯。我國在60年代中期獨立開發(fā)了旋風和立筒預熱器窯，分別在太原、杭州建成投產。70年代中期，我國自行研制的預分解窯（燒油）又在四平石嶺投產，然而新型干法水泥生產取得長足的進步和發(fā)展是在改革開放的80年代以后。我國新型干法水泥生產取得長足的進步和發(fā)展是在改革開放的80年代以后。我國的立筒窯有270余臺，只有青海、武山能力大一點，其余大多為小型（多數為涇陽窯）；旋風預熱器窯近60臺，較大的僅為日產1000噸的φ4×60m和φ3.5×88m窯，其余大多為300~600t/d生產線；預分解窯近120臺，除幾條360t/d、500t/d外其余均為70t/d、1000t/d、2000t/d及其以上生產線。在這些新型干法水泥企業(yè)中，除80年代以來成套引進及80年代后期以來建設的國產大型生產線的設備、技術及生產狀況較好外，80年代初期以來建設的中等規(guī)模生產線的裝備、技術都存在不少問題，而80年代以來因陋就簡建設的許多中、小型生產線問題更多。從煤粉燃燒器方面看，除成套引進及80年代以來后期建設的國產大型生產狀況較好外，中、小型生產線大部分使用陳舊的單通道燃燒器，一次風量達20~30%，燃料燃燒也不完全；另有相當一部分使用老式三通道燃燒器，其一次風量達15%左右，而且易變形、磨損快，不利于窯的安全運轉；只有少數廠采用了雙通道燃燒器，其效果在單通道和老式三通道之間。至于利用可燃廢料替代煤來煅燒熟料，我國還處在試驗階段，而國外如瑞士1994年就回收利用二次燃料達水泥生產總熱耗的20%，2010年計劃有2~3個水泥廠實現(xiàn)100%采用二次燃料，完全不用煤來燒熟料，這不僅可節(jié)約資源，而且水泥窯還將成為治理可燃廢料的理想設備。對周圍環(huán)境及居民區(qū)達到零污染水平，從而被環(huán)保界譽為“清潔生產”、“綠色工廠” ，使發(fā)達國家中處于“夕陽工業(yè)”的水泥企業(yè)又有了“朝陽工業(yè)”的屬性，受到了人們的青睞。

　　眾所周知，燃燒器是將煤粉和空氣的混合物噴入回轉窯內，在高溫下點著并燃燒，以煅燒水泥熟料的裝置。為了提高熟料的產、質量，并利于回轉窯的安全運轉，燃燒器形成的火焰形狀要易于調整，要能形成良好的窯皮，要利于煤粉的完全燃燒，并且不損害輪帶、窯頭護板等機械部件的壽命。端部要耐熱耐磨，有一定的使用壽命。從熱工上講，最有利的是高溫短火焰，以降低能耗，改善熟料和水泥的性能。因為高溫的快速煅燒能減小C3S的顆粒尺寸，提高熟料的活性。短火焰又能提高出窯熟料的溫度以利于熟料的快速冷卻，提高熟料的活性和二次風溫度。當然這也受到窯襯、窯口等材質的限制。

　　在熟料產質量、旋窯安全運轉、燃燒器使用壽命能保證的前提下，對燃燒器的性能評價必須強調其是否節(jié)能。正如不能認為裝了懸浮預熱器及分解爐、窯尾加了一把火就是新型干法生產一樣，也不能認為燃燒器有了三通道、四通道而一次風量仍然超過理論燃燒空氣量的10%就統(tǒng)統(tǒng)是先進的燃燒器。節(jié)能型燃燒器應采用高濃度燃燒技術，減少一次風，提高煤粉濃度，減少溫度較低的一次空氣吸熱量，充分利用高溫的二次風，以達到降低煤粉著火所需熱量的目的：

煤粉著火熱計算公式：Qzh=（Cr+V1Ck）（Tzh-To）

其中：Qzh為著火熱，Cr、Ck分別為煤粉、空氣比熱

Tzh、To為著火溫度及初始溫度

V1為一次風量 Nm3/kg燃料

很顯然V1降低，煤粉著火熱下降，煤粉越易著火。

　　下面舉三個實例，看看燃燒技術上的差距及實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的緊迫性：

　　某廠φ3.5m預熱器窯用單通道燃燒器，配用一次風機風量達17500m3/h，電機功率132KW，比采用節(jié)能型燃燒器年多燒煤約3200噸，年多耗電30萬度。

　　某廠日產2000噸NSP窯，引進了雙通道燃燒器，一次風機風量達9700 m3/h，電機功率75KW，比采用節(jié)能型燃燒器年多燒煤約1550噸，年多耗電22萬度。

　　即便是八十年代成套引進的某日產4000噸NSP窯（三通道燃燒器也引進），其設計的輸送煤粉空氣就占理論空氣量的7.7%，而內外流風占理論空氣量的9.7%，即一次風量占理論空氣量的17.4%，現(xiàn)在節(jié)能型燃燒器一次風量（包括煤風在內）僅占理論空氣量的8%以下，這樣該NSP窯原配置的三通道燃燒器一年將多耗煤2500余噸。

　　以上是新型干法窯中的典型例子，全國還有大量的濕法窯、余熱發(fā)電窯、中空窯仍然使用單通道燃燒器，比用節(jié)能型燃燒器一年多耗的煤量就更可觀了。

　　節(jié)能降耗對每個水泥企業(yè)來講是降低成本的重要途徑，實際上也是實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。因此用節(jié)能型燃燒器來更換耗能型燃燒器（單通道、雙通道及老式三通道燃燒器、個別的四通道燃燒器）已是當務之急。同時它也將為高溫煅燒三高率值的熟料，提高熟料質量創(chuàng)造條件。目前國內有幾類三通道、四通道燃燒器，其中性能并非都是節(jié)能型的，而且也不是通道越多越節(jié)能。節(jié)能型燃燒器能使煤粉用最少的一次風量，用更多的高溫二次風進行燃燒。國內三臺日產2000噸NSP窯，其燃燒器均是從國外引進的三通道燃燒器，但是一次風機風量相差很大，分別為7200m3/h，5685 m3/h，3000 m3/h，一次風量大的是風量小的2.4倍，年多耗實物煤1400余噸，顯然前者是耗能型燃燒器。合肥水泥研究設計院開發(fā)的HP強渦流型多通道高效節(jié)能燃燒器，98年通過鑒定，主要結論是：結構屬國內首創(chuàng)，主要技術經濟指標屬國內領先水平，可替代同類進口設備。該成果由國家建材局推薦刊登于國家科技部99年3期《科學技術研究成果公報》上，并刊登于國家經貿委、國家發(fā)展計劃委員會、國家科技部有關司主編的“九五期間節(jié)能科技成果選編”（第一輯），今年6月HP型燃燒器被評為國家重點新產品，已在全國十多個省區(qū)應用，取得了顯著的節(jié)能效果。這種燃燒器還是環(huán)保型的，其NOx排放量比傳統(tǒng)的燃燒器降低20%~30%，這是由于低的一次風量使火焰高溫區(qū)保持較低的氧含量，又由于外流小噴嘴的高速氣流能迅速均勻地分散煤粉和熱空氣，一方面大大縮小燃燒器出口端部附近的超高溫區(qū)域，又可縮短煤粉和熱空氣在火焰高溫區(qū)內的停留時間，從而降低了NOx的生成量。