水泥熟料综合能耗降低的技术与实践

0 前言
为了实现“碳达峰、碳中和”的双碳目标，水泥行业采用新型技术实现能耗的降低迫在眉睫，相应的减排路径及技术与装备亟需不断完善提升。

2021年以来国家相继出台了相应的“能耗双控及双碳”政策，很鲜明地提出了通过技术优化可很好地挖掘系统的节能降耗潜力；国家发改委等部委也发布了《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》，要求水泥企业2025年30%的生产线水泥熟料综合能耗小于100kg.ce/t.cl，但从实际运行情况可知，绝大部分水泥熟料生产企业能耗高于这个目标值；国家七部委也提出相关水泥熟料生产企业可通过采用先进的降低能耗的新型技术与装备来改进现有的生产线，从而进一步降低水泥生产综合能耗。

为了便于水泥企业参考，笔者就水泥生产线熟料综合能耗降低的技术进行总结，并以实践案例作为例证进行详解。

1 节能降碳技术与装备
笔者通过对水泥全过程碳排放的分析提出了陶氏3C碳中和理论，将整个水泥生产全周期进程的控碳环节划分为三个方面，即：产生CO2的源头原料及燃料的控制与降低（Carbon minimization），水泥生产过程的减碳操作（Carbon reduction），以及固碳或抵消排放出的CO2（Carbon counteraction），归纳为源头低碳、过程减碳以及末端去碳。

该理论体系主要围绕水泥生产矿山、水泥熟料烧成、物料粉磨及混凝土制备等产业链制定的降低能耗减少碳排放的技术路线，解决水泥行业降碳的痛点及难点问题。

其中“过程减碳”是指采用新技术、新材料、新工艺、新装备等新型高效节能技术与装备设计新生产线或对现有生产线进行技改升级，降低水泥熟料生产过程的燃料消耗、降低系统电耗，提升生产线能效水平。

这也是水泥熟料生产线综合能耗降低的主要技术措施。

1.1水泥熟料综合能耗分析
最新实施的《水泥单位产品能源消耗限额》（GB16780-2021）中对水泥熟料的综合能耗有专门的定义：即在统计报告期内，用能单位生产水泥熟料消耗的各种能源，折算成1 t熟料消耗的能源量。

包括水泥熟料生产主过程和辅助过程消耗的能源量。

具体计算公式如下：Esh=esh+0.1229Wsh
式中：Esh——熟料单位产品综合能耗，kg.ce/t.cl；
0.1229——每度电耗折合的标准煤量，kg.ce/kWh；
esh——熟料单位产品综合煤耗（核减余热发电量），kg.ce/t.cl；
Wsh——熟料单位产品综合电耗，kWh/t.cl。

现有的水泥熟料生产线烧成系统燃料消耗以标煤计大致在95~105 kg.ce/t.cl，熟料电耗约50kWh/t.cl，
余热发电约30kWh/t.cl，电耗折算的煤耗大约为20×0.1229≈2.46 kg.ce/t.cl，其他耗能占比很小，在此暂不考虑，则熟料的综合能耗基本在97.5~107.5
kg.ce/t.cl之间，目前除少量新建生产线外，大部分水泥熟料生产线综合能耗超
过了100 kg.ce/t.cl。

从能效构成及权重占比来看，电耗占熟料单位产品综合能耗比重小，减少耗煤是降低综合能耗的重点。

水泥熟料煅烧过程中燃料消耗及热损失主要由五部分组成：
（1）熟料煅烧理论所需要的热量，约占燃料消耗的55%~65%；
（2）窑尾预分解系统出口粉尘及废气的热损失，占总的燃料消耗的22%左右；
（3）篦冷机排出的粉尘及废气的热损失，占总的燃料消耗的12%左右；
（4）水泥熟料烧成系统装备的表面散热损失，占总燃料消耗的6.5%左右；
（5）篦冷机排出的熟料的热损失，占总的燃料消耗的2.4%左右。

5000t/d级熟料生产线典型热损分布见图1所示。

随着第四代篦冷机的大量使用，熟料的热回收热量（二、三次风回收的热能）基本占比达到74%以上，因此篦冷机废气显热（含粉尘）很难再有大幅降低的空间，熟料形成热是煅烧熟料理论所需消耗的能力，对于原料基本固定的生产线其下降空间基本没有，因此从目前热工技术与装备的发展趋势看，降低系统能耗的主要措施是降低系统表面散热及减少预热器废气（含粉尘）热损。

降低烧成热工设备的表面散热可以通过采用低导热系数的气凝胶或优质的纳米隔热材料来实现，目前新建生产线或是技改生产线基本都有使用且均达到了较好的使用效果。

本文重点论述降低预热器废气热损的技术与装备。

1.2水泥生产线降低能耗的技术与装备
对于水泥熟料煅烧系统而言：采用高效的合适规格的回转窑及低一次风量的高效窑头燃烧装置、带性能优良分解炉及高效低阻旋风筒的预热预分解系统、新型高热回收率及高稳定性的第四代冷却机完全能满足5000t/d级生产线实现综合
能耗达到93~95kg.ce/t.cl的水平。

通过这些新技术装备的应用，目前遵义赛德、河南孟电、华润武宣、槐坎南方及云水大椿树等生产线考核期间烧成系统煤耗基本达到93~94kg.ce/t.cl，生产线年度熟料综合能耗达到小于98kg.ce/t.cl的1级能耗水平。

这说明新建生产线正常运行时其熟料综合能耗（不考虑替代原燃料的情况下，下同）完全可以实现小于100kg.ce/t.cl的水平。

这些生产线的一个重点是窑尾采用了六级预热器系统，正常情况下预热器出口温度基本可以实现低于260℃。

图2是某厂的一个典型烧成系统操作画面，实际检测与画面显示基本一致。

但是对于现有的大部分五级预热器系统的生产线，其降低熟料综合能耗的技术方案又该如何确定呢？
前面已述及，目前500t/d生产线的熟料煤耗大部分处于95~105kg.ce/t.cl，熟料的综合能耗基本在97.5~107.5kg.ce/t.cl，可见不同生产线由于原燃料、技术装备及管理水平的不同差别还是比较大的，虽然不同的水泥熟料生产基地可以结合当地情况采用对水泥性能无不利影响的燃煤助剂、水泥生料助磨剂及替代燃料或原料等综合措施来降低熟料综合能耗：燃煤助剂可以一定程度上活化或改善煤
的燃烧特性，提高煤粉在分解炉中的燃尽度从而实现煤耗的降低；生料助磨剂可降低碳酸钙表面的分解活化能，相应降低碳盐酸的分解温度，降低碳盐酸分解所需热量进而降低煤耗。

华润水泥就有生产基地熟料综合能耗小于85kg.ce/t.cl的案例，因为不是本文论及的主要内容，在此不过多阐述。

下面以现有五级预热器系统的5000 t/d级生产线为例，重点论述在不考虑任何替代原燃料及各种助剂的情况下，如何实现熟料综合能耗小于100kg.ce/t.cl。

（1）水泥熟料的主要装备如篦冷机、三次风管、预热预分解系统、窑门罩及回转窑等全部采用优质纳米隔热材料或新型气凝胶[导热系数低于
0.015W/(m·K)]，经理论计算系统热损失可降低约1.5kg.ce/t.cl，国内的新建项目或窑系统技改项目已成熟应用，实践证明效果良好。

（2）采用多级换热（6级或7级）或交叉换热技术，六级或七级预热器系
统其换热次数较五级预热器增加，相应可加强气固之间的热交换，从而可进一步降低预热器出口温度，系统热损失可降低4~7kg.ce/t.cl，国内大量新建生产线的六级预热技术已充分证明了这点，七级换热技术从技术上分析应更优于六级系统。

目前新型干法水泥主导的换热技术仍是悬浮预热预分解技术，但该技术仍存在进一步改进或提升的可能。

七级换热技术（如图3所示）及“五级+”串并联耦合重构换热即交叉换热技术（如图4所示），一方面增加了预分解系统气流与物料的换热次数，同时固气比浓度增加，对加强系统气固的热交换更为有利，系统出口废气温度进一步降低，七级换热预热器系统出口废气温度较通常五级换热系统低约90℃,系统废气及粉尘带走的热损失能得到一定幅度降低，对烧成系统降低能耗意义更大。

交叉换热技术即“五级+”串并联耦合重构换热技术（见图4所示）预热器的级数不增加，但在预热器系统中气流与物料的换热次数增加了一次，入预热器系统的物料全部在“五级+”预热器系统中从其中一列交替喂入到另一列，物料交叉进入并行气流中，这样50％的气流与100％的物料进行热交换，同时预热器中固气比提高到2.0以上，系统的热交换效率进一步提高，出系统废气的温度得到有效降低。

现有生产线如受土建塔架荷载限制无法改造的六级或七级预热器，可推荐采用“五级+”预热器系统，其已具备推广应用的价值。

3 华润水泥节能降碳技术实践
华润水泥已经以点带面在多家水泥基地实施应用各种新技术的研发及推广，目前已在大部分5000t/d级生产线通过技术优化，包括采用新型高效篦冷机、高效低阻预热器及分解炉、新型高效风机、优质纳米隔热材料及新型气凝胶等新技术、新材料、新工艺、新设备等，降低煤耗的效果显著，能耗进一步降低。

安顺、金沙等基地2023年上半年熟料综合能耗均低于85.0kg.ce/t.cl，达到了能效领跑的水平。

已经实施优化技改的带五级预热器系统的5000t/d级生产线的能耗均降低了2.5kg.ce/t.cl以上，尤其是有2个采用五级+交叉换热的生产线能耗降低水平更是达到了4.5kg.ce/t.cl以上。

图5是交叉换热的典型操作画面。

目前我们计划开展6级或7级预热器系统的优化实践，预计将会达到更理想的节能降耗效果，“十四五”期间拟通过新技术、新装备及新材料的逐步推广应用，实现30%以上的生产线熟料综合能耗小于100 kg.ce/t.cl的1级水平，为我国水泥工业“十四五“双碳”目标的实现贡献力量。

华润水泥目前已经制定烧成系统节能降耗技术路线图，其中“烧成系统优化方案”（如表1所示）应用新型节能降碳技术完全可以使生产线实现单位熟料综合能耗小于100 kg.ce/t.cl水平（技改前设定：熟料综合能耗107.5 kg.ce/t.cl），辅以生料助剂煤耗可进一步再降低2.5 kg.ce/t.cl以上，熟料综合能耗完全可以稳定降低至100kg.ce/t.cl以下。

3 结束语
华润水泥通过研发及技术实践应用的总结，在陶氏“3C”节能降碳理论基础上，采用“过程减碳”技术，在对水泥熟料生产线能耗分布进行分析的基础上，提出现
有生产线烧成系统节能降碳技改方案：采用最新的技术与装备（多级耦合重构高
效预热器、第四代冷却机等）、推广应用新型节能材料（具有更低低导热系数的
优质纳米隔热材料、气凝胶等），完全可以实现5 000 t/d级生产线综合能耗达
到1级标杆水平，这是一条较为成熟可行的节能降碳技术路径。

对于加快水泥行
业实现“十四五”末30%生产线综合能耗达标具有重大的现实意义和可操作性，是
真正符合新发展理念和高质量发展要求的技术路线。