水泥工業(yè)節(jié)能和自動化

一．水泥行業(yè)節(jié)能的迫切性 

“十一五”規(guī)劃提出了我國要建設資源節(jié)約型社會的構想，并明確了我國經(jīng)濟社會發(fā)展今年的預期目標，即要求單位國內生總值能耗降低4%左右。水泥生產是連續(xù)性很強的流程工業(yè)，它也是耗能大戶。由于城市建設、房地產、重點建設項目的需求，我國水泥工業(yè)發(fā)展在前幾年曾經(jīng)歷了一個鼎盛時期，2005年我國水泥產量累計約達9億噸，2010年我國水泥預期產量為12.5億噸。我國要建設資源節(jié)約型社會，水泥工業(yè)面臨著如何降低能耗，發(fā)展綜合利用，最大限度減少污染的艱巨任務。據(jù)測算生產每噸水泥熟料，在熱耗為3142kj/kg時，需0.13噸標準煤（熱值為7000kcal），如按年產7億噸熟料計算，則每年我國水泥行業(yè)約需近9000萬噸煤，另水泥行業(yè)也是用電的大戶，生產每噸水泥需100~110度電，如按年產9億噸水泥，需為水泥行業(yè)提供近上千億度電?，F(xiàn)今水泥行業(yè)是國家宏觀調控的重點，也是節(jié)能的重點行業(yè)， 在“十一五”期間國家要求新型干法水泥噸熟料熱耗下降到110kg標準煤，水泥單位產品綜合能耗下降25%。在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，水泥行業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動生產率。 

二．革新工藝，棄小建大，從物流、設備到管理采用MES  

我國水泥行業(yè)要綜合性降低能耗，首先要摒棄落后的生產工藝，如耗能大的濕法工藝生產；質量性能差，污染重，效率低的立窯生產線等，應改之采用先進的新型干法工藝。當今在我國已有上百條日產5000噸新型干法水泥熟料生產線分布在祖國各地，日產10000噸水泥熟料特大規(guī)模的水泥熟料生產線也有五條正在建設中。在“十一五”期間新型干法水泥比重提高到70%，企業(yè)平均生產規(guī)模要由2005年的20萬噸提高到40萬噸，同時淘汰落后的生產能力2.5億噸。目前水泥大集團如海螺、華新、三獅已經(jīng)紛紛將原有的濕法工藝生產停產。 

工藝設備選型對穩(wěn)定生產，提高效率和降低能耗和電耗十分關鍵，如北京水泥廠在生料輸送上原采用氣力輸送，后改為提升機輸送，從原來約5kwh/t電耗降到約1kwh/t，另水泥磨或原料磨用立磨替代球磨，電耗將從約35kwh/t降到約17kwh/t；另外窯尾預熱器中每級旋風筒和分解爐設計和制造的好壞，直接影響壓力損失和傳熱效果，也就直接系統(tǒng)的熱耗和電耗。水泥熟料生產線規(guī)模越大，工藝設備的單機容量大，同比熱耗和電耗就越低，“十一五”期間要求有實力的大集團兼并小廠，水泥企業(yè)戶數(shù)將減少到3500家左右。 

我國水泥行業(yè)大集團粗略統(tǒng)計已有十幾家，如海螺、華新、冀東、三獅、亞泰等，其屬下有許多水泥熟料廠和粉磨站，如海螺集團今年水泥產量預計達九千萬噸，它的水泥熟料廠主要分布在離資源近的安徽等地，并擴展到兩廣、浙江、江西；而根據(jù)水泥市場的需求，粉磨站分布在離市場近的上海、寧波、溫州、南通、張家港等城市附近?！笆晃濉逼陂g前十位的集團生產規(guī)模都將達到3000萬噸，為此這些集團必需綜合調度其生產訂單、物流、生產運行、設備管理、實驗室信息和銷售等，采用MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，促使生產的穩(wěn)定、協(xié)調，并優(yōu)化生產過程，保證整個生產的高效運轉，在提高產品的質量和數(shù)量的前提下，將過程信息和整個公司的管理集成在一個信息管理系統(tǒng)中，將能耗降到最低，只有這樣，才能獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動生產率，并成為效率高、成本低、產品質量優(yōu)良的企業(yè).。海螺、華新等集團有的已建成PMIS，有的正在積極籌劃MES和ERP系統(tǒng)。 

三．采用全集成自動化TIA，實現(xiàn)水泥熟料生產線監(jiān)控一體化 

一個大中型水泥廠的工藝線通常以一窯和三磨為主體組成不同的工藝區(qū)域，同時還有相應的原料、中間物料儲存庫及輸送設備。對于不同規(guī)模的水泥工藝線，電機和用電設備的數(shù)量相差不多，但其容量卻不相同，規(guī)模大，設備容量越大，安全保護的措施越多；輔助生產流程包括電站系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)，如供水供熱系統(tǒng)和污水處理等，使其構成為一個龐大的綜合系統(tǒng)。干法水泥的工藝過程實際上是物料流、燃料流和氣流綜合的煅燒和控制過程，在氣流中又包括冷風、熱風、一次風、二次風、三次風，物料流包括原料流和半成品及成品流等，為此在工藝過程要監(jiān)控溫度、壓力、氣體成分和濃度、還有儲存庫的物位、流量、重量、閥門開度等，如包括設備本身需監(jiān)控的參數(shù)，一個典型的5000~5500t/d的單條水泥生產需檢測的物理參數(shù)約為500~600個， 另外需報警的點約為1000個，它包括模擬量和開關量。水泥生產工藝必須通過計算機控制系統(tǒng)及時地監(jiān)視，并實時調整工藝參數(shù)的擾動；特別是對物料流、氣流以及原料和燃料流的實時工況和協(xié)調關系，協(xié)調關系處理好壞將直接影響節(jié)能的效果。同時新型水泥干法生產線的工藝設備的單機容量大，如生料立磨的主機電機功率最大可到5MW，與之配套的附屬設備較多，它也必須通過計算機控制系統(tǒng)及時地監(jiān)視設備的運行狀況，使其運行在最佳狀態(tài)，以促使電能消耗最低。一個大型水泥企業(yè)所謂全集成自動化，在橫向即包括主流程和所有輔助流程全由自動化系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，如廣州越堡水泥公司，它從石灰石原料破碎，長皮帶輸送直至水泥包裝發(fā)運系統(tǒng)的主生產流程線及輔助生產流程包括電站系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)，構成為一個功能龐大的計算機控制網(wǎng)絡系統(tǒng)；縱向集成理念是從智能監(jiān)控儀表、電動執(zhí)行器、電動機的控制回路開始一直到管理系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)將管理和控制系統(tǒng)集成為一個整體，并優(yōu)化生產過程，使過程的電耗和熱耗最低。目前華新集團已應用TIA理念控制全集團的生產和管理走出了可喜的一步。 

四．全集成能源管理，采用智能監(jiān)控儀表和最優(yōu)化控制軟件  
 
 筆者認為水泥行業(yè)節(jié)能，除設備因素外，還應從以下幾點著手：一是實現(xiàn)熟料的最佳煅燒，同時要減少熱輻射和系統(tǒng)的漏風；二是實現(xiàn)磨系統(tǒng)的最佳負荷控制；三是交流調速系統(tǒng)的普遍應用：由于干法生產線風機的耗電量約占整個廠用電量30%，另增壓水泵和循環(huán)水泵的裝機容量也不小。如將其換成交流調速系統(tǒng)，把消耗在檔板和閥門上的能量節(jié)省下來，節(jié)能效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計平均節(jié)能在20%左右；四是綜合利用廢氣，實現(xiàn)低溫余熱發(fā)電等;五要逐漸采用替代燃料如廢棄輪胎等；六是實現(xiàn)全集成能源管理如電站綜合自動化和燃料流的MIS管理等。 

熟料的最佳煅燒是在生產過程穩(wěn)定前提下，確保熟料質量的一致性，并實現(xiàn)最高生產率和最低的熱耗。我國的極大多數(shù)的干法水泥生產線基本實現(xiàn)了生產過程穩(wěn)定，在保證熟料合格前提下，也有較高的生產率，但是否實現(xiàn)了最低的熱耗呢？從自動化角度上，筆者認為多數(shù)水泥廠工廠自動化功能已實現(xiàn)了 SCADA功能，但還沒有到MES一級，優(yōu)化控制及專家系統(tǒng)等基本沒有。設置的智能監(jiān)控儀表基本能滿足工藝要求，但要滿足最佳煅燒還不夠完善。如反映窯煅燒時輻射的紅外筒體掃瞄儀已廣泛應用，但大多數(shù)水泥廠僅用于窯筒體溫度測定，由于軟件的局限，紅外筒體掃瞄儀還沒有和最佳煅燒連在一起，它應能反映燒成帶的窯皮情況、結圈大小，耐火磚的燒蝕程度等，由這些信息又間接反映了窯筒體輻射熱的大小和節(jié)能的潛力，故還沒有充分發(fā)揮其在節(jié)能的功效。  

窯尾的氣體分析是很重要的參數(shù)，它測定窯尾煙室氣體中含的O2，CO，NOX ， 這些參數(shù)可間接反映窯煅燒情況，系統(tǒng)漏風情況以及所煅燒的熟料質量，也可作為優(yōu)化或專家控制的重要參數(shù)，目前在國內除少數(shù)幾個水泥廠外，大多數(shù)水泥廠沒有設置此裝置，主要原因是成套設備較復雜且價格較貴，在操作和分析數(shù)據(jù)方面也有一定難度，但從節(jié)能戰(zhàn)略角度來看，應該予以重視，而且已有新推出的便于操作的新型探頭和取樣分析裝置，如西門子公司新研制的CEMAT分析裝置等。建議大水泥集團在吸取國內外先進廠使用經(jīng)驗逐步加以推廣。 
  
優(yōu)化或專家控制對窯的煅燒工藝是錦上添花，要用好的確不易，但用好了也能節(jié)能。國內水泥廠還沒有成功的實例，卻有失敗的經(jīng)歷?，F(xiàn)今IT的技術不斷發(fā)展，智能監(jiān)控儀表也越來越完善，筆者認為走在水泥行業(yè)前端的大集團，可做試點，借鑒如Optimize IT優(yōu)化專家系統(tǒng)，使工廠運行在最高生產率。在優(yōu)化或專家控制實施前，也應把有限的PI控制回路投入，如：窯頭罩負壓控制回路，分解爐出口溫度控制回路，增濕塔出口溫度控制回路，冷卻機蓖床速度控制回路，高溫風機出口壓力控制回路等。 

水泥廠的電耗集中在三磨，它約占全部電耗的70~80%，降低磨運行的電耗又是節(jié)能的重點，其關鍵是磨運行在最佳的負荷狀態(tài)，負荷控制回路若能可靠投入運行，即能降低磨運行的電耗。對球磨而言，被控過程變量是磨機和提升機的功率，磨音的頻率等；在立磨被控過程變量則是進出口的壓差，調節(jié)參量是定量給料機的喂料量。 目前國內用PID回路投入的幾乎沒有，因為它是多變量、非線性、純滯后的回路，可通過組態(tài)為PI的串級回路或開發(fā)專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)單元或建模預估的方法來實現(xiàn)磨機的負荷控制，國外已有較成熟的軟件，如CEMAT等。  

五．綜合利用廢氣，實現(xiàn)低溫余熱發(fā)電 

前述干法水泥的工藝過程氣流活躍在整個生產過程中，其中熱風有一次風、二次風、三次風， 還有冷卻機形成的大量熱風，在循環(huán)過程中帶有一定溫度的氣體被排放在大氣中，實現(xiàn)低溫余熱綜合利用，用于發(fā)電和熱力管網(wǎng)，是國家重點扶植的項目，“十一五”期間實現(xiàn)低溫余熱水泥生產線將達40%。目前在能源緊缺的浙江等省已有不少的案例。在北方地區(qū)一個典型的CDM項目是北京水泥廠的清潔發(fā)展機制，北京水泥廠是環(huán)保型企業(yè)，現(xiàn)有二條干法水泥生產線，規(guī)模分別為2000t/d和3200t/d，它還是中國水泥行業(yè)第一個兼有垃圾焚燒的企業(yè)。它正在實施的CDM項目是利用二臺窯的預熱，實現(xiàn)7.5MW汽機的預熱發(fā)電。 在窯尾一級筒出口至排風機的管道抽出溫度約300度的廢氣，同時在冷卻機上打洞，抽出溫度約150度的熱空氣，二套窯系統(tǒng)四個出口點，有四臺鍋爐，分別裝在工藝點附近，鍋爐出口蒸汽匯總進入汽機。根據(jù)標定溫度設計鍋爐，汽機發(fā)出的電能并入工廠中壓電網(wǎng)。另外在北方地區(qū)用低溫余熱供熱力管網(wǎng)，實現(xiàn)取暖和供熱，這方面有專門介紹，本文就不再敘述。 

六．結論 

1．在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，黨中央提出建設資源節(jié)約型社會，是基于我國要長期發(fā)展的戰(zhàn)略構想， 水泥行業(yè)是耗能大戶， 它面臨著如何降低能耗，發(fā)展綜合利用，最大限度減少污染的艱巨任務。   
 
2．降低能耗有多種措施，但離不開自動化。它起監(jiān)控、協(xié)調、優(yōu)化、管理的重要作用，通過TIA，MES可以使水泥大集團生產更有序，使工廠運行在最高生產率，最優(yōu)的能耗指標。 

3．綜合利用廢氣，實現(xiàn)低溫余熱發(fā)電，有極其深遠的社會影響，也有極大的經(jīng)濟效益。 
我們相信在不久的將來，我國不僅是水泥產量世界第一，單位能耗是世界最低的，綜合利用也是世界最好的。