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论水泥行业节能的迫切性

一.水泥行业节能的迫切性

“十一五”规划提出了我国要建设资源节约型社会的构想,并明确了我国经济社会发展今年的预期目标,即要求单位国内生总值能耗降低4%左右。水泥生产是连续性很强的流程工业,它也是耗能大户。由于城市建设、房地产、重点建设项目的需求,我国水泥工业发展在前几年曾经历了一个鼎盛时期,2005年我国水泥产量累计约达9亿吨,2010年我国水泥预期产量为12.5亿吨。我国要建设资源节约型社会,水泥工业面临着如何降低能耗,发展综合利用,最大限度减少污染的艰巨任务。据测算生产每吨水泥熟料,在热耗为3142kj/kg时,需0.13吨标准煤(热值为7000kcal),如按年产7亿吨熟料计算,则每年我国水泥行业约需近9000万吨煤,另水泥行业也是用电的大户,生产每吨水泥需100~110度电,如按年产9亿吨水泥,需为水泥行业提供近上千亿度电。现今水泥行业是国家宏观调控的重点,也是节能的重点行业, 在“十一五”期间国家要求新型干法水泥吨熟料热耗下降到110kg标准煤,水泥单位产品综合能耗下降25%。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下,水泥行业必须通过各种途径降低能耗,以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。

二.革新工艺,弃小建大,从物流、设备到管理采用MES

我国水泥行业要综合性降低能耗,首先要摒弃落后的生产工艺,如耗能大的湿法工艺生产;质量性能差,污染重,效率低的立窑生产线等,应改之采用先进的新型干法工艺。当今在我国已有上百条日产5000吨新型干法水泥熟料生产线分布在祖国各地,日产10000吨水泥熟料特大规模的水泥熟料生产线也有五条正在建设中。在“十一五”期间新型干法水泥比重提高到70%,企业平均生产规模要由2005年的20万吨提高到40万吨,同时淘汰落后的生产能力2.5亿吨。目前水泥大集团如海螺、华新、三狮已经纷纷将原有的湿法工艺生产停产。

工艺设备选型对稳定生产,提高效率和降低能耗和电耗十分关键,如北京水泥厂在生料输送上原采用气力输送,后改为提升机输送,从原来约5kwh/t电耗降到约1kwh/t,另水泥磨或原料磨用立磨替代球磨,电耗将从约35kwh/t降到约17kwh/t;另外窑尾预热器中每级旋风筒和分解炉设计和制造的好坏,直接影响压力损失和传热效果,也就直接系统的热耗和电耗。水泥熟料生产线规模越大,工艺设备的单机容量大,同比热耗和电耗就越低,“十一五”期间要求有实力的大集团兼并小厂,水泥企业户数将减少到3500家左右。

我国水泥行业大集团粗略统计已有十几家,如海螺、华新、冀东、三狮、亚泰等,其属下有许多水泥熟料厂和粉磨站,如海螺集团今年水泥产量预计达九千万吨,它的水泥熟料厂主要分布在离资源近的安徽等地,并扩展到两广、浙江、江西;而根据水泥市场的需求,粉磨站分布在离市场近的上海、宁波、温州、南通、张家港等城市附近。“十一五”期间前十位的集团生产规模都将达到3000万吨,为此这些集团必需综合调度其生产订单、物流、生产运行、设备管理、实验室信息和销售等,采用MES制造执行系统,促使生产的稳定、协调,并优化生产过程,保证整个生产的高效运转,在提高产品的质量和数量的前提下,将过程信息和整个公司的管理集成在一个信息管理系统中,将能耗降到最低,只有这样,才能获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率,并成为效率高、成本低、产品质量优良的企业.。海螺、华新等集团有的已建成PMIS,有的正在积极筹划MES和ERP系统。

三.采用全集成自动化TIA,实现水泥熟料生产线监控一体化

一个大中型水泥厂的工艺线通常以一窑和三磨为主体组成不同的工艺区域,同时还有相应的原料、中间物料储存库及输送设备。对于不同规模的水泥工艺线,电机和用电设备的数量相差不多,但其容量却不相同,规模大,设备容量越大,安全保护的措施越多;辅助生产流程包括电站系统及公用工程系统,如供水供热系统和污水处理等,使其构成为一个庞大的综合系统。干法水泥的工艺过程实际上是物料流、燃料流和气流综合的煅烧和控制过程,在气流中又包括冷风、热风、一次风、二次风、三次风,物料流包括原料流和半成品及成品流等,为此在工艺过程要监控温度、压力、气体成分和浓度、还有储存库的物位、流量、重量、阀门开度等,如包括设备本身需监控的参数,一个典型的5000~5500t/d的单条水泥生产需检测的物理参数约为500~600个, 另外需报警的点约为1000个,它包括模拟量和开关量。水泥生产工艺必须通过计算机控制系统及时地监视,并实时调整工艺参数的扰动;特别是对物料流、气流以及原料和燃料流的实时工况和协调关系,协调关系处理好坏将直接影响节能的效果。同时新型水泥干法生产线的工艺设备的单机容量大,如生料立磨的主机电机功率最大可到5MW,与之配套的附属设备较多,它也必须通过计算机控制系统及时地监视设备的运行状况,使其运行在最佳状态,以促使电能消耗最低。一个大型水泥企业所谓全集成自动化,在横向即包括主流程和所有辅助流程全由自动化系统实现监控,如广州越堡水泥公司,它从石灰石原料破碎,长皮带输送直至水泥包装发运系统的主生产流程线及辅助生产流程包括电站系统及公用工程系统,构成为一个功能庞大的计算机控制网络系统;纵向集成理念是从智能监控仪表、电动执行器、电动机的控制回路开始一直到管理系统,通过工业以太网将管理和控制系统集成为一个整体,并优化生产过程,使过程的电耗和热耗最低。目前华新集团已应用TIA理念控制全集团的生产和管理走出了可喜的一步。

四.全集成能源管理,采用智能监控仪表和最优化控制软件

笔者认为水泥行业节能,除设备因素外,还应从以下几点着手:一是实现熟料的最佳煅烧,同时要减少热辐射和系统的漏风;二是实现磨系统的最佳负荷控制;三是交流调速系统的普遍应用:由于干法生产线风机的耗电量约占整个厂用电量30%,另增压水泵和循环水泵的装机容量也不小。如将其换成交流调速系统,把消耗在档板和阀门上的能量节省下来,节能效果是很可观的,据统计平均节能在20%左右;四是综合利用废气,实现低温余热发电等;五要逐渐采用替代燃料如废弃轮胎等;六是实现全集成能源管理如电站综合自动化和燃料流的MIS管理等。

熟料的最佳煅烧是在生产过程稳定前提下,确保熟料质量的一致性,并实现最高生产率和最低的热耗。我国的极大多数的干法水泥生产线基本实现了生产过程稳定,在保证熟料合格前提下,也有较高的生产率,但是否实现了最低的热耗呢?从自动化角度上,笔者认为多数水泥厂工厂自动化功能已实现了 SCADA功能,但还没有到MES一级,优化控制及专家系统等基本没有。设置的智能监控仪表基本能满足工艺要求,但要满足最佳煅烧还不够完善。如反映窑煅烧时辐射的红外筒体扫瞄仪已广泛应用,但大多数水泥厂仅用于窑筒体温度测定,由于软件的局限,红外筒体扫瞄仪还没有和最佳煅烧连在一起,它应能反映烧成带的窑皮情况、结圈大小,耐火砖的烧蚀程度等,由这些信息又间接反映了窑筒体辐射热的大小和节能的潜力,故还没有充分发挥其在节能的功效。

窑尾的气体分析是很重要的参数,它测定窑尾烟室气体中含的O2,CO,NOX , 这些参数可间接反映窑煅烧情况,系统漏风情况以及所煅烧的熟料质量,也可作为优化或专家控制的重要参数,目前在国内除少数几个水泥厂外,大多数水泥厂没有设置此装置,主要原因是成套设备较复杂且价格较贵,在操作和分析数据方面也有一定难度,但从节能战略角度来看,应该予以重视,而且已有新推出的便于操作的新型探头和取样分析装置,如西门子公司新研制的CEMAT分析装置等。建议大水泥集团在吸取国内外先进厂使用经验逐步加以推广。

优化或专家控制对窑的煅烧工艺是锦上添花,要用好的确不易,但用好了也能节能。国内水泥厂还没有成功的实例,却有失败的经历。现今IT的技术不断发展,智能监控仪表也越来越完善,笔者认为走在水泥行业前端的大集团,可做试点,借鉴如Optimize IT优化专家系统,使工厂运行在最高生产率。在优化或专家控制实施前,也应把有限的PI控制回路投入,如:窑头罩负压控制回路,分解炉出口温度控制回路,增湿塔出口温度控制回路,冷却机蓖床速度控制回路,高温风机出口压力控制回路等。

水泥厂的电耗集中在三磨,它约占全部电耗的70~80%,降低磨运行的电耗又是节能的重点,其关键是磨运行在最佳的负荷状态,负荷控制回路若能可靠投入运行,即能降低磨运行的电耗。对球磨而言,被控过程变量是磨机和提升机的功率,磨音的频率等;在立磨被控过程变量则是进出口的压差,调节参量是定量给料机的喂料量。 目前国内用PID回路投入的几乎没有,因为它是多变量、非线性、纯滞后的回路,可通过组态为PI的串级回路或开发专家系统、模糊系统、神经单元或建模预估的方法来实现磨机的负荷控制,国外已有较成熟的软件,如CEMAT等。

五.综合利用废气,实现低温余热发电

前述干法水泥的工艺过程气流活跃在整个生产过程中,其中热风有一次风、二次风、三次风, 还有冷却机形成的大量热风,在循环过程中带有一定温度的气体被排放在大气中,实现低温余热综合利用,用于发电和热力管网,是国家重点扶植的项目,“十一五”期间实现低温余热水泥生产线将达40%。目前在能源紧缺的浙江等省已有不少的案例。在北方地区一个典型的CDM项目是北京水泥厂的清洁发展机制,北京水泥厂是环保型企业,现有二条干法水泥生产线,规模分别为2000t/d和3200t/d,它还是中国水泥行业第一个兼有垃圾焚烧的企业。它正在实施的CDM项目是利用二台窑的预热,实现7.5MW汽机的预热发电。 在窑尾一级筒出口至排风机的管道抽出温度约300度的废气,同时在冷却机上打洞,抽出温度约150度的热空气,二套窑系统四个出口点,有四台锅炉,分别装在工艺点附近,锅炉出口蒸汽汇总进入汽机。根据标定温度设计锅炉,汽机发出的电能并入工厂中压电网。另外在北方地区用低温余热供热力管网,实现取暖和供热,这方面有专门介绍,本文就不再叙述。

六.结论

1.在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下,党中央提出建设资源节约型社会,是基于我国要长期发展的战略构想, 水泥行业是耗能大户, 它面临着如何降低能耗,发展综合利用,最大限度减少污染的艰巨任务。

2.降低能耗有多种措施,但离不开自动化。它起监控、协调、优化、管理的重要作用,通过TIA,MES可以使水泥大集团生产更有序,使工厂运行在最高生产率,最优的能耗指标。

3.综合利用废气,实现低温余热发电,有极其深远的社会影响,也有极大的经济效益。
我们相信在不久的将来,我国不仅是水泥产量世界第一,单位能耗是世界最低的,综合利用也是世界最好的。

(责任


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