面向新世紀(jì)的水泥燃料燃燒技術(shù)和裝備（1）

1 引言

　　新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)水泥工業(yè)得到很大發(fā)展，水泥產(chǎn)量以年均15%的速度遞增，特別是改革開(kāi)放以來(lái)發(fā)展更快。1980年水泥產(chǎn)量不到1億噸，1997年就達(dá)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(chǎn)量的3/4。我國(guó)的水泥工業(yè)將在加快結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)“由大變強(qiáng)、靠新出強(qiáng)”的發(fā)展戰(zhàn)略下跨入新世紀(jì)，將在黨中央、國(guó)務(wù)院加快西部大開(kāi)發(fā)的形勢(shì)下跨入新世紀(jì)，將在我國(guó)加入WTO，實(shí)施ISO強(qiáng)度方法，實(shí)現(xiàn)水泥標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際接軌的時(shí)刻跨入新世紀(jì)。

　　前年2月，國(guó)務(wù)院副總理李嵐清在端士新世界經(jīng)濟(jì)論壇上宣布，今后3年中國(guó)將在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)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(jù)估計(jì)，2010年我國(guó)水泥需求量將達(dá)8億噸，接近世界水泥總產(chǎn)量的一半。按合理指標(biāo)估算，年產(chǎn)8億噸水泥將消耗標(biāo)煤8400萬(wàn)噸、電835億kWh，排放Nox150萬(wàn)噸，這就是說(shuō)這時(shí)的水泥工業(yè)將對(duì)能源消耗和環(huán)境造成極大的壓力。

　　面向新世紀(jì)的水泥工業(yè)必須實(shí)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(dāng)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(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，決不僅僅限于保護(hù)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(jì)中葉能源、資源匱乏時(shí)再來(lái)研究。除少數(shù)新型干法線外，從整體上講目前我國(guó)水泥工業(yè)能耗高、效率低、污染嚴(yán)重，違背了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，面向新世紀(jì)的水泥工業(yè)既充滿了發(fā)展機(jī)遇，又面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

2 水泥燃料燃燒技術(shù)和裝備的現(xiàn)狀、差距及對(duì)策

　　新型干法窯通常指旋風(fēng)預(yù)熱器窯、立筒預(yù)熱器窯（兩者統(tǒng)稱(chēng)為懸浮預(yù)熱器窯）及預(yù)分解窯。我國(guó)在60年代中期獨(dú)立開(kāi)發(fā)了旋風(fēng)和立筒預(yù)熱器窯，分別在太原、杭州建成投產(chǎn)。70年代中期，我國(guó)自行研制的預(yù)分解窯（燒油）又在四平石嶺投產(chǎn)，然而新型干法水泥生產(chǎn)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展是在改革開(kāi)放的80年代以后。我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展是在改革開(kāi)放的80年代以后。我國(guó)的立筒窯有270余臺(tái)，只有青海、武山能力大一點(diǎn)，其余大多為小型（多數(shù)為涇陽(yáng)窯）；旋風(fēng)預(yù)熱器窯近60臺(tái)，較大的僅為日產(chǎn)1000噸的φ4×60m和φ3.5×88m窯，其余大多為300~600t/d生產(chǎn)線；預(yù)分解窯近120臺(tái)，除幾條360t/d、500t/d外其余均為70t/d、1000t/d、2000t/d及其以上生產(chǎn)線。在這些新型干法水泥企業(yè)中，除80年代以來(lái)成套引進(jìn)及80年代后期以來(lái)建設(shè)的國(guó)產(chǎn)大型生產(chǎn)線的設(shè)備、技術(shù)及生產(chǎn)狀況較好外，80年代初期以來(lái)建設(shè)的中等規(guī)模生產(chǎn)線的裝備、技術(shù)都存在不少問(wèn)題，而80年代以來(lái)因陋就簡(jiǎn)建設(shè)的許多中、小型生產(chǎn)線問(wèn)題更多。從煤粉燃燒器方面看，除成套引進(jìn)及80年代以來(lái)后期建設(shè)的國(guó)產(chǎn)大型生產(chǎn)狀況較好外，中、小型生產(chǎn)線大部分使用陳舊的單通道燃燒器，一次風(fēng)量達(dá)20~30%，燃料燃燒也不完全；另有相當(dāng)一部分使用老式三通道燃燒器，其一次風(fēng)量達(dá)15%左右，而且易變形、磨損快，不利于窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)；只有少數(shù)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(lái)煅燒熟料，我國(guó)還處在試驗(yàn)階段，而國(guó)外如瑞士1994年就回收利用二次燃料達(dá)水泥生產(chǎn)總熱耗的20%，2010年計(jì)劃有2~3個(gè)水泥廠實(shí)現(xiàn)100%采用二次燃料，完全不用煤來(lái)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(shè)備。對(duì)周?chē)h(huán)境及居民區(qū)達(dá)到零污染水平，從而被環(huán)保界譽(yù)為“清潔生產(chǎn)”、“綠色工廠” ，使發(fā)達(dá)國(guó)家中處于“夕陽(yáng)工業(yè)”的水泥企業(yè)又有了“朝陽(yáng)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(zhuǎn)窯內(nèi)，在高溫下點(diǎn)著并燃燒，以煅燒水泥熟料的裝置。為了提高熟料的產(chǎn)、質(zhì)量，并利于回轉(zhuǎn)窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，燃燒器形成的火焰形狀要易于調(diào)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(hù)板等機(jī)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?yàn)楦邷氐目焖凫褵軠p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(fēng)溫度。當(dāng)然這也受到窯襯、窯口等材質(zhì)的限制。

　　在熟料產(chǎn)質(zhì)量、旋窯安全運(yùn)轉(zhuǎn)、燃燒器使用壽命能保證的前提下，對(duì)燃燒器的性能評(píng)價(jià)必須強(qiáng)調(diào)其是否節(jié)能。正如不能認(rèn)為裝了懸浮預(yù)熱器及分解爐、窯尾加了一把火就是新型干法生產(chǎn)一樣，也不能認(rèn)為燃燒器有了三通道、四通道而一次風(fēng)量仍然超過(guò)理論燃燒空氣量的10%就統(tǒng)統(tǒng)是先進(jìn)的燃燒器。節(jié)能型燃燒器應(yīng)采用高濃度燃燒技術(shù)，減少一次風(fēng)，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(fēng)，以達(dá)到降低煤粉著火所需熱量的目的：

煤粉著火熱計(jì)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(fēng)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(gè)實(shí)例，看看燃燒技術(shù)上的差距及實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的緊迫性：

　　某廠φ3.5m預(yù)熱器窯用單通道燃燒器，配用一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)17500m3/h，電機(jī)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(wàn)度。

　　某廠日產(chǎn)2000噸NSP窯，引進(jìn)了雙通道燃燒器，一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)9700 m3/h，電機(jī)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(wàn)度。

　　即便是八十年代成套引進(jìn)的某日產(chǎn)4000噸NSP窯（三通道燃燒器也引進(jìn)），其設(shè)計(jì)的輸送煤粉空氣就占理論空氣量的7.7%，而內(nèi)外流風(fēng)占理論空氣量的9.7%，即一次風(fēng)量占理論空氣量的17.4%，現(xiàn)在節(jié)能型燃燒器一次風(fēng)量（包括煤風(fēng)在內(nèi)）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(guó)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(duì)每個(gè)水泥企業(yè)來(lái)講是降低成本的重要途徑，實(shí)際上也是實(shí)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(lái)更換耗能型燃燒器（單通道、雙通道及老式三通道燃燒器、個(gè)別的四通道燃燒器）已是當(dāng)務(wù)之急。同時(shí)它也將為高溫煅燒三高率值的熟料，提高熟料質(zhì)量創(chuàng)造條件。目前國(guó)內(nèi)有幾類(lèi)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(fēng)量，用更多的高溫二次風(fēng)進(jìn)行燃燒。國(guó)內(nèi)三臺(tái)日產(chǎn)2000噸NSP窯，其燃燒器均是從國(guó)外引進(jìn)的三通道燃燒器，但是一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量相差很大，分別為7200m3/h，5685 m3/h，3000 m3/h，一次風(fēng)量大的是風(fēng)量小的2.4倍，年多耗實(shí)物煤1400余噸，顯然前者是耗能型燃燒器。合肥水泥研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)的HP強(qiáng)渦流型多通道高效節(jié)能燃燒器，98年通過(guò)鑒定，主要結(jié)論是：結(jié)構(gòu)屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)屬?lài)?guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，可替代同類(lèi)進(jìn)口設(shè)備。該成果由國(guó)家建材局推薦刊登于國(guó)家科技部99年3期《科學(xué)技術(shù)研究成果公報(bào)》上，并刊登于國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)、國(guó)家科技部有關(guān)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(píng)為國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品，已在全國(guó)十多個(gè)省區(qū)應(yīng)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N(xiāo)Ox排放量比傳統(tǒng)的燃燒器降低20%~30%，這是由于低的一次風(fēng)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(nèi)的停留時(shí)間，從而降低了NOx的生成量。