水泥生产工艺与装备的发展

水泥生产工艺与装备的发展

以水泥为主体的现代建筑文明是继秦砖汉瓦之后，人类建筑材料文明的又一伟大创造。水泥因其数量大、用途广、使用方便、性能优良等特点,具有同地球环境亲和共融的生态产品属性,与钢材、木材同为人类文明建设的3大基础工程材料,并且至今仍无可以取代水泥的材料。可见,水泥对人类生活文明的重要性不言而喻,没有水泥的世界将是不可想象的。自从英国人阿斯普丁(AspdinJ)于1824年取得波特兰水泥(我国称硅酸盐水泥)专利以来,在世界各地水泥工作者的不懈努力下,硅酸盐水泥的主要生产工艺与装备已历经多次重大技术创新。第1次是20世纪初,湿法回转窑的出现并得到全面推广,提高了水泥的产量和质量,奠定了水泥工业作为现代化工业的基础。直到20世纪60年代,湿法回转窑生产工艺曾盛行一时。第2次是20世纪50～70年代,悬浮预热和预分解技术的出现,大幅度提高了水泥熟料烧成过程的热效率和单机生产能力,促进了水泥工业向大型化、现代化的方向发展。第3次是20世纪80年代以后,计算机信息化和网络化技术在水泥工业的广泛应用,使得水泥工业真正进入了现代化阶段,形成了具有现代高科技特征的且符合优质、高效、节能、环保要求,以及大型化、自动化的现代水泥生产工艺和装备。第4次是20世纪90年代中期,在工业发达国家出现了水泥生态化的高潮,即从可持续发展的角度开发工业废弃物及城市生活垃圾等再循环利用技术,逐步减少天然资源和天然能源的消耗,最大程度地减少环境污染,最大限度地接收、消纳工业废弃物及城市生活垃圾等,使水泥工业达到与环境友好、相容、和谐、共存。我国作为世界水泥生产和消费的重要成员,进入新世纪以来,主要生产工艺与装备紧跟世界水泥工业的发展潮流,在发展新型干法水泥生产技术为基点的同时,向生产规模大型化、装备高效化(包括节能、降耗、安全运转、信息化、提高劳动生产率等各项技术经济指标)、产品高性能化、生产过程清洁化以及废弃物综合利用的方向发展,不断推进水泥工业成为资源、环境与人类社会协调、持续发展的循环经济产业体系。1—我国水泥工业主要生产工艺与装备的技术进步1889年,清政府在唐山创办士敏土厂(启新洋灰公司),采用立窑生产工艺与装备,1892年建成投产。后从丹麦购进2台干法回转窑,淘汰了原有立窑生产工艺与装备,于1906年建成年产4万t的水泥厂,标志着中国水泥工业的诞生和百年中国水泥工业史的开端。但是,由于内战不断和外来侵略,到1949年新中国成立时,我国水泥生产工艺与装备仍非常落后,主要以湿法回转窑、老式干法回转窑工艺与装备为主,水泥年产量仅66万t。1949年新中国成立以后,我国的水泥工业和其它工业一样得到较快发展:50～60年代,采用湿法、半干法回转窑工艺与装备,先后新建和扩建了32个重点大中型企业,同时中小型立窑水泥企业也发展起来,为我国水泥工业的发展奠定了基础。到60年代末,水泥产量达到了1800多万t。70～80年代,尤其是改革开放以来,国民经济的稳步高速发展带动了我国水泥生产工艺与装备的快速进步。除了继续新建和扩建湿法回转窑生产线外,通过引进、消化、吸收和技术创新,以预分解窑生产工艺为中心的新型干法水泥生产技术在我国诞生并得以迅速发展,我国自行开发出了700～2000t/d熟料的预分解窑生产线,机立窑水泥生产工艺与装备已基本成熟。到80年代末,水泥产量已超过2亿t。90年代,我国水泥工业生产工艺与装备技术进步、水泥产量增长的势头依然强劲。成熟的700～2000t/d熟料国产化预分解窑生产线已走出国门,出口亚洲、非洲等发展中国家;4000t/d熟料预分解窑国产化示范生产线也于1998年12月建成投产;1990年开始,全国掀起了推广“立窑节能14项技术”的高潮,强有力地推动了我国立窑水泥工业生产工艺与装备的技术进步,取得了特别显著的经济效益、社会效益和环境效益,涌现出了一批现代立窑水泥生产企业。1994年我国水泥年产量超过4亿t,1997年突破5亿t。进入新世纪以来,新型干法水泥在我国得到前所未有的发展,生产技术日益成熟,装备日趋国产化,甚至5000t/d熟料生产线的装备几乎可以完全国产化;生产线达标达产速度加快,单位产量投资大幅下降,技术经济指标越来越先进,新型干法水泥生产技术已经真正被水泥企业所接受,落后的水泥生产工艺与装备已陷入真正意义上的被淘汰境地,整个行业已从单纯数量增长型向质量增长型、从技术装备落后型向技术先进型、从劳动密集型向投资密集型、从管理粗放型向管理集约型、从资源能源浪费型向资源能源节约型转变。近10年(1995～2004年),我国水泥年产量每年都超过了世界水泥总产量的30%,并且近3年(2002～2004年)的年产量超过了世界水泥总产量的40%。根据国家统计局发布的《中华人民共和国2004年国民经济和社会发展统计公报》,2004年我国人口为12.9988亿人,人均消耗水泥已达到746kg,远远超过了世界人均水泥消耗量。可见,改革开放为我国水泥工业的发展提供了很好机会,有力地促进了我国水泥生产工艺和装备的技术进步,同时水泥工业为支撑我国的国民经济高速发展做出了重大贡献。但是,我国水泥工业的工业结构、产品品种、技术装备水平与世界先进水平相比仍有差距,尤其是在节能、环保、资源利用、水泥散装率、新型干法水泥的比例等方面差距较大。根据国家发展规划,在“十一五”期间,我国新型干法水泥的比例要达到水泥总产量的60%,到2020年要达到80%以上。要实现水泥工业的真正可持续发展还有待时日,仍然需要科研设计单位、水泥生产企业以及水泥装备制造企业在较长时期内的不懈努力。1.1立窑水泥的发展现状在我国,由于经济技术水平、资源分布、交通运输条件等原因,不仅发展了许多种形式的水泥生产工艺与装备,而且每种形式的水泥生产工艺与装备都发展了多种规模的生产线。2004年我国各种生产工艺的水泥产量统计详见表1。从表中可以看出,我国水泥工业在增加新型干法水泥比例、淘汰立窑等落后工艺与装备方面取得了显著成绩,我国水泥工业的结构调整已取得初步成效。水泥工业属高能耗、高资源消耗的工业。在我国,能源供应紧张将是制约高耗能产业发展的瓶颈,特别是煤炭供应环境短期内不会宽松。水泥市场的竞争虽然表现为价格的竞争,其实质是成本的竞争。湿法窑、干法中空窑、余热发电中空窑、立波尔窑、小型预热器窑,由于热耗高,没有能力和新型干法窑竞争,也没有能力和机立窑抗衡,只有淘汰出局。从表中可以看出:2004年,除新型干法水泥和立窑水泥以外的其它类型旋窑水泥产量只占8.1%,并且是-10.2%增长。预计2005年东部地区湿法窑、干法中空窑,除极少数窑生产特种水泥外,其余将大部分退出市场,中部地区也会退出50%以上。1884年,德国人发明了用于水泥熟料生产的立窑,不久便传入中国,先后被澳门青洲英坭厂和唐山士敏土厂所采用,从此开始了这一水泥熟料生产工艺和装备在中国长达1个多世纪的发展过程:土立窑普通立窑机立窑现代立窑。我国立窑水泥工业是在国家经济实力不强、交通运输不够发达、资金严重短缺、而水泥供需矛盾又十分突出的情况下,在计划经济的体制中,为满足地方工农业建设对水泥的急需,由地方或企业以少量的投资办起来的,是依靠企业自身的积累而逐步发展壮大的。回顾过去,立窑水泥对我国国民经济建设,尤其是改革开放以来支撑国民经济持续高速发展方面做出了重大贡献。观察现实,立窑水泥仍是全国水泥总量的主体,在短期内还无法全部取代它,立窑水泥将在较长时期内与新型干法水泥并存。但是,中国水泥工业的立窑象湿法窑、干法中空窑等其它落后生产工艺与装备一样,正在逐步地被先进的新型干法水泥生产工艺与装备所取代。1.2新型干法水泥生产工艺与装备的发展历程新型干法水泥技术是以悬浮预热和预分解技术装备为核心,以先进的环保、热工、粉磨、均化、储运、在线检测、信息化等技术装备为基础,采用新技术和新材料,节约资源和能源,充分利用废料、废渣,促进循环经济,实现人与自然和谐相处的现代化水泥生产方法。新型干法水泥生产技术代表着当今世界水泥生产的潮流,其生产能力已达到世界水泥生产能力的60%。我国新型干法水泥起步于20世纪70年代初,整个70年代,主要是实验研究、中间试验和生产实验。20世纪80年代,随着合肥水泥院承担的邳县700t/d熟料生产线、中国建材院承担的新疆700t/d熟料生产线相继技术攻关成功,从国外成套引进的冀东、宁国、珠江4000t/d、柳州3000t/d熟料生产线相继投产,天津水泥院设计的江西水泥厂2000t/d熟料生产线达标达产,以及16项单机设计制造技术的引进,使我国初步掌握了700～2000t/d熟料新型干法水泥生产工艺与装备。20世纪90年代,除了一批引进技术或主机设备建设的工厂外,我国自行工程设计、设备制造、建设了一批700～2000t/d熟料的新型干法水泥生产线,标志着我国进入了大型化干法水泥生产的发展轨道。在此期间,天津水泥设计院、合肥水泥设计院、南京水泥设计院开发出了无烟煤煅烧水泥熟料的生产工业与装备,解决了无烟煤地区发展新型干法水泥的难题。进入21世纪以来,随着我国国民经济的飞速发展,我国新型干法水泥生产工艺与装备的发展步入快车道,一大批自行设计建设的2000～10000t/d熟料生产线投入运行,并很快达标达产,建设投资和生产耗能大大降低,环保达标。5000t/d熟料生产线的装备几乎可以完全国产化,这预示着我国的新型干法水泥生产工艺与装备将跨入世界先进水平。截止2004年末,我国水泥工业已投产的新型干法窑生产线已达499条,熟料年生产能力已达到32873.95万t,大于或等于5000t/d熟料的生产线年产能占新型干法熟料总量的28.59%,大于或等于2000t/d熟料的生产线年产能占新型干法熟料总量的75.35%,已占主导地位。另外,2004年底前已开工建设的新型干法窑生产线还有144条,这些生产线全部建成后每年水泥熟料的生产能力将增加1.4亿t。1.2.1堆场的预均化为了保证大型新型干法水泥生产线的均衡稳定生产以及扩大原料资源的利用范围,自80年代以来,原料预均化技术已在我国得到广泛应用,其工艺与装备日益发展和完善,预均化效果不断提高,堆、取料各个环节实现了自动控制,减小了原料的短期和长期波动,堆场占地面积逐渐减小,节约了大量天然资源和能源等。开发出的圆型、长型原料预均化堆场,可根据建设条件灵活运用,并可满足2000～10000t/d熟料生产线的生产要求。1.2.2生料粉磨工艺的设计已取得了宣传近15年来,尤其是新型干法水泥生产技术的广泛应用,生料制备系统的工艺与装备技术进步取得明显成效:(1)国产立式磨的研究与应用取得长足进展,结构和性能日趋完善,技术指标已达到国际先进水平,生料制备已由过去球磨机为主逐步发展为高效率的立式磨为主,生料制备电耗明显降低;(2)生料粉磨装备的大型化,满足了新型干法水泥单条生产线规模不断扩大的需求。目前,球磨机和国产立式磨的单机产量可与2500～5000t/d熟料生产线配套;(3)我国自行研制的各种高效选粉机,广泛应用于水泥生料制备闭路系统中,为提高生料磨产量、降低电耗、提升水泥生料制备系统技术水平起到了积极作用。1.2.3连续式均化库随着我国水泥工业技术的发展,生料均化技术由间歇式空气搅拌库逐步发展到投资省、操作简单、电耗低的连续式均化库。80年代开始,我国从国外引进了几种不同形式的连续式均化库,如德国的彼得斯均化室连续式均化库、混合室连续式均化库、德国的POLYSIUS多点流连续式均化库(MF库)、丹麦F.L.S的控制流连续式均化库(CF库)和德国汉堡公司的中心室连续式均化库(IBAU库)等。90年代以来,为了同大型新型干法水泥生产线配套,天津水泥设计院、南京水泥设计院等设计单位开发出了各具特色的连续式均化库,不仅为生料均化系统提供了高均化效果、低电耗和高卸空率的工艺与装备,同时也促进了我国新型干法水泥的技术进步和发展。1.2.4生产先进的干法水泥技术窑外预分解技术是新型干法水泥技术的核心,也是当代新型干法水泥熟料煅烧技术发展的主流技术。预分解窑是在悬浮预热器窑基础上发展起来的,是悬浮预热器窑发展的更高阶段,是继悬浮预热器窑发明后的又一次重大技术创新。近20年来,我国水泥工业熟料烧成系统的工艺与装备取得了重大技术进步:(1)成功研发出具有自主知识产权的新型高效、低阻、低NOx的预分解系统,主要技术指标达到国际先进水平,全面提升了我国新型干法水泥熟料烧成系统的国产化、大型化技术水平。至2004年底,我国已投产的5000t/d级以上的新型干法水泥生产线已达55条,其中4条为10000t/d级新型干法水泥生产线。(2)在吸收国外先进技术的基础上,我国已自行开发出了第3代控制流篦式冷却机。采用空气梁供风、高阻力篦床、入料均匀分配、厚料层、脉冲分风及合理的配风等新技术,解决了厚层篦冷机冷风不易均匀透过料层的技术难点,冷风和高温熟料进行激烈的换热,一方面有利于熟料快速冷却;另一方面提高了2次、3次风温度,篦冷机的热效率已提高至72%以上,且运转率大幅度提高。(3)我国燃烧器的发展趋势是紧跟当今世界工业发展的2大主题——节能和环保,主要体现在:1次风量小,可烧劣质燃料,耐磨损、耐变形,低NOx排放。国内已开发应用了3风道、4风道的多通道煤粉燃烧器,以及燃烧2种以上燃料的5风道的多通道燃烧器。(4)我国生产水泥熟料以燃煤为主,新型干法水泥熟料生产使用无烟煤、低挥发份煤的生产工艺和装备已在国内10多条700～2000t/d熟料生产线上成功应用,生产用煤的挥发分低于5%,取得较好的经济效益和社会效益。(5)不带补燃炉的纯低温余热发电技术已取得突破,并已在多家水泥厂应用。水泥窑纯低温余热发电,完全利用水泥熟料生产过程中产生的废气余热作为热源,整个热力系统不燃烧任何一次能源,可有效地减少水泥生产过程中的能源消耗,具有显著的节能效果。同时,废气通过余热锅炉降低了排放的温度,还可有效地减轻水泥生产对环境的热污染,具有显著的环保效果。1.2.5多种粉磨工艺近15年来,我国水泥粉磨系统的工艺与装备技术进步明显加快,大幅度提高了水泥的产品质量、降低了水泥粉磨电耗和水泥生产成本:(1)1990年,第1台国产辊压机在江阴水泥厂投入使用以来,挤压粉磨系统工艺与装备的不断完善、不断大型化,已经形成以辊压机为中心、各种新型设备组合成为优势互补的多种粉磨新工艺,如预粉磨系统、混合粉磨系统、联合粉磨系统、半终粉磨系统等。其技术水平达到了20世纪90年代末期的国际先进水平。挤压粉磨系统已成为水泥粉磨的首选方案,在全国普遍推广应用。最大规格已能满足与5000t/d熟料新型干法水泥生产线配套。(2)钢球磨机大型化及其匹配设备的优化改进和提高,不仅提高了单机生产能力,满足了水泥生产线单线规模不断扩大的需求,而且有效提高了粉磨效率。(3)在球磨机开流粉磨水泥的系统中,采用微型研磨体的高细高产磨得到广泛推广。这项技术国内最早是由合肥院完成研制开发的,并取得了5个国家的专利,荣获国家科技进步二等奖。高细高产磨技术在磨机仓位设计、磨内筛分、研磨体配比等方面已形成了自己的特色,开辟了广泛的应用市场。在水泥、超细矿渣、超细粉煤灰等生产中,这种开流粉磨系统已经可以达到或接近闭路系统的效果,而投资和运行成本则可以大幅度降低。(4)采用新型耐磨材料,改善磨机部件材质,不断提高磨机综合效率和使用寿命。1.2.6建立水泥工业的环保体系水泥工业对环境的污染主要为粉尘污染和排放气体(CO2,SO2,NOx等)引起的大气污染,它关系到人类的生存环境。水泥工业要成为可持续发展的行业,必须将环境保护放在重要位置。为此,我国制订了《水泥工业大气污染物排放标准》的新标准,并已于2005年1月1日起实施,对水泥厂建设和生产提出了更高的要求。2进一步改善企业生产质量,地位上提高国际先进水平世界水泥技术的发展趋势是以节省资源、节约能源和环境保护为中心,进行清洁生产和高效集约化生产,加强水泥生态化技术和装备的研究、开发,逐步减少天然资源和天然能源的