再论熟料烧成系统降碳方向及篦冷机能效提升途径.pdf
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1、中图分类号:TQ72.6 文献标识码:B 文章编号:008-0473(2023)05-000-07 DOI编码:0.6008/ki.008-0473.2023.05.00再论熟料烧成系统降碳方向及篦冷机能效提升途径白 彦1 唐 勇2 何含宇2 齐砚勇3(1.新疆天山水泥股份有限公司,上海 200126;2.川渝西南水泥有限公司,四川 成都 610095;3.西南科技大学,四川 绵阳 621010)摘 要 从熟料生产的角度,基于服役生产的常见的熟料烧成工艺,研究熟料烧成系统减少碳排放的方向。结论是:熟料生产过程中,化石燃料燃烧导致的碳排放约占34%,从当前烧成系统热能分布情况来看,降低系统热耗是
2、熟料烧成系统降碳最能产生效果的部分;降低系统热耗的主要措施是提高二、三次风的回收热,这取决于篦冷机系统回收能效的高低和热能的科学分配;将余热发电降低到25 kWh/t.cl,窑头余热发电少抽走的热量以二、三次风温度提高的方式进入窑、炉,可有效降低标煤耗,减少CO2的排放量;采用机械精密加工的篦冷机,会更有效提高热量回收,降低出篦冷机熟料带走热,对熟料生产过程较大幅度地减碳具有较为重大的意义。关键词 熟料烧成 碳排放 二次风温 三次风温 篦冷机0 引言2019年全球二氧化碳排放量达347.1亿t1,其中中国碳排放总量达98.3亿t,到2022年中国碳排放总量已高达110亿t2。我国作为世界上最大
3、的建材生产和消费国,建材行业是工业能源消耗和碳排放的重点领域,也是支撑我国碳达峰、碳中和总体目标如期实现的关键领域。其中建材行业排放量约占全国排放量的16%,水泥行业碳排放占建材行业的80%以上,水泥行业碳排放量占全国碳排放量的12%3。建材联合会2021年倡议,水泥行业2023年率先实现碳达峰。当前,减碳形势严峻,亟需采取有效措施来降低水泥行业的碳排放。近年来,关于水泥行业降低碳排放的途径,已有诸多文献见诸媒体4-6,涉及面十分广泛,而本文仅从熟料生产的角度,基于服役生产的常见的熟料烧成工艺,对熟料烧成系统减少碳排放的方向进行论述。鉴于篦冷机是燃料燃烧、熟料煅烧的发动机,扮演着冷却熟料、回收
4、再利用出窑熟料显热的关键角色,对降低煤耗、碳排放量起重要作用,本文将对篦冷机能效提升途径进行重点分析。1 熟料生产过程碳排放与能源消耗分析水泥熟料煅烧过程碳排放来源主要分成3类:消耗化石燃料、消耗电力和原料分解。从表1可知,水泥熟料生产过程中原料碳酸盐分解占62%,通过此手段降低熟料CO2排放,涉及到改变硅酸盐水泥熟料矿物组成,当代技术没有高效的解决方案。低碳水泥距实际应用还有很长的路要走,无法预见低CO2排放的水泥新品种出现。水泥熟料生产过程中消耗的电力不到60 kWh/t.cl,CO2排放仅占4.3%,减碳效果不显著。生产过程碳排放,化石燃料燃烧(我国水泥行业基本100%采用煤)排放约占3
5、4%,是最有可能降低的部分。然而,从表2可知,目前国内水泥行业中大多数生产线的能耗较高,这对实现减碳目标带来了很大的阻碍。表2数据表明,国内水泥厂的篦冷机运行状况差别较大。平均二、三次风温度分别在1 040、950 左右,优秀厂家二、三次风温度分别高达2023年第5期 新世纪水泥导报 No.5 2023 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛2表 熟料生产过程能源消耗与碳排放分析表2 近2年实测的国内不同生产线烧成系统的热耗分布备注:本文中所有热量均折算到标煤值:标煤耗(kgce/t.cl)=热量(kJ/kg.cl)/4.8/72023年第5期 No.5 2023 白彦
6、,等:再论熟料烧成系统降碳方向及篦冷机能效提升途径 烧成论坛31 250、1 090 左右,运行较差的厂家二、三次风温分别仅900、800 左右;AQC取风平均带走热在16 kgce/t.cl左右,高的厂家大于20 kgce/t.cl,低的厂家小于10 kgce/t.cl;出篦冷机熟料温度也相差较大,高的厂家在200 以上,低的厂家仅80 左右。为了在燃料消耗上降低碳的排放,越来越多的水泥生产线采用替代燃料,RDF、碎布头、树皮等。但我国现在的社会配置下替代燃料具有无法保证稳定来源、部分有害组分较高等劣势;其次,由于从分解炉加入,容易干扰分解炉正常工作,导致窑况不稳定,频繁减产,用煤量没有显著
7、降低。因此,研究烧成工艺减碳的技术手段,还得从烧成系统的热能分布情况着手。2 预热器、回转窑系统热能分布情况熟料烧成是水泥生产中最重要的环节之一,也是能源消耗最大的环节,关系到该环节的碳排放量。图1是XX厂预分解窑水泥生产线烧成系统(配置五级预热器)实测热量分布图,表3为配置五、六级预热器的预分解窑热平衡计算结果(C1预热器到回转窑出口)。从图1和表3可知,在烧成系统中热能支出主要包括出预热器废气、熟料形成、出窑熟料、设备散热等;热能收入主要包括燃料燃烧、篦冷机回收以及生料带入等。图 XX厂预分解窑水泥生产线烧成系统热量分布图表3 五级、六级预分解窑热平衡表(C预热器到回转窑出口)备注:图热量
8、分布数据与表3中的“五级”数据来自同一厂家。根据图1及表3的数据,对系统的节能分析如下:(1)熟料形成热:熟料形成热是系统支出热量的最大部分,占总热量的42%左右。由于硅酸盐水泥熟料矿物组成相差不大,熟料形成热变化很小,基本在57.758.7 kgce/t.cl。(2)出回转窑熟料带走热量:出窑熟料温度是动态变化的,窑况不同也会导致出窑熟料温度不同。由于现在燃烧器均于窑口(甚至为避免燃烧器头部集料,燃烧器前端部离窑口300 mm),回转窑内冷却带很短,出窑平均熟料温度在1 350 左右,熟料带出热量为49.6 kgce/t.cl。(3)预热器出口废气带走热:理论上,当煤耗为100 kgce/t
9、.cl时,考虑过剩空气(1.5%氧气含量)、生料物理水分(0.2%),标况理论烟气量仅1.1 Nm3/kg.cl。实际生产中,废气量在1.3 Nm3/kg.cl以2023年第5期 新世纪水泥导报 No.5 2023 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛4上的占绝大多数。笔者测到最低烟气量为西南某厂的1.2 Nm3/kg.cl。出预热器废气温度差别很大,五级预热器系统C1出口一般在290330 间,六级预热器系统C1出口一般在250280 间。废气带走热差别较大,在1723 kgce/t.cl之间。计算表明,每降低10,可降低煤耗约0.8 kgce/t.cl。现在运行的
10、绝大多数生产线中,即使预热器出口温度在采取措施后降低30,熟料标煤耗的变化也只有2.4 kgce/t.cl,降耗空间较小,成本较大。(4)预热器、分解炉、回转窑表面散热,综合200多条生产线数据,变化幅度也不大,8 kgce/t.cl左右。(5)提高收入热量、降低用煤量:收入热量中,生料带入热占比较小(1.6%左右),各厂家相差不大,节能空间有限。二、三次风回收热占总收入热量的25%左右。由表2数据可知,不同厂家的二、三次风回收热量相差较大,一般厂家在30 kgce/t.cl左右,优秀厂家在35 kgce/t.cl以上,较差的厂家小于25 kgce/t.cl,节能空间大。综上所述,降低系统热耗
11、、碳排放的主要措施是要提高二、三次风回收热。因此,篦冷机系统的热量分配尤为重要。3 篦冷机系统热量分布3.1 篦冷机收入热量分析对煤耗为100 kgce/t.cl的五级预热器预分解窑,熟料进入篦冷机带入热量为49.6 kgce/t.cl。鼓入室温空气进篦冷机冷却熟料,带入热量较低。四代篦冷机冷却空气量一般为1.5 Nm3/kg.cl,温度按40 计,接近3 kgce/t.cl。各厂家篦冷机总收入热量相差不大,在53 kgce/t.cl左右。3.2 篦冷机支出热量分析3.2.1 煤磨取风带走热表4中,煤磨取风带走热为1.8 kgce/t.cl,占总支出热量的3.5%左右。由大部分厂家的标定结果来
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