1.前言

  亞洲水泥公司的第一座德國洪堡公司（以下簡稱KHD） Pyrorapid水泥短窯生產線（Φ5×55m，兩組托輪，設計熟料產能4800t/d）1992年在張才雄資政的領導規(guī)劃下于臺灣花蓮廠投產，引進國內外先進技術、裝備和工藝，秉持創(chuàng)新理念，促進落實環(huán)境保護、節(jié)能減排、提高產品質量，當時為世界最大的水泥短窯，開啟了水泥短窯生產技術發(fā)展的重要里程碑。隨之響應大陸不斷發(fā)展基礎建設與國民經濟的宏偉目標，于1998年起陸續(xù)在江西九江、四川成都、湖北武漢及黃岡等地興建了12條水泥短窯生產線，2004年成立亞洲水泥（中國）控股公司（以下簡稱亞泥），目前擁有10條KHD Φ4.8×52m、設計熟料產能4200t/d短窯生產線，及2條KHD Φ5.2×61m、設計熟料產能6000t/d短窯生產線，所有短窯均為兩組托輪，配置有預煅預熱式管道分解爐系統(tǒng)及純低溫余熱發(fā)電站，通過精心設計的配套生產工藝、綠色礦山系統(tǒng)建設、及高效精細化管理等，亞泥短窯生產系統(tǒng)發(fā)揮明顯優(yōu)勢，尤其是江西亞東水泥公司#5#6號線在經歷20多年的實踐經驗后，采用多項創(chuàng)新工藝選用國產配套生料磨后，各項指標均處于國內國際領先地位。

  圖1.KHD Φ5.2×61m兩檔短窯

  2.水泥濕法長窯到短窯的演進

  水泥窯在1950年～1960年世界上以濕法長窯占主導地位，將生料制成含水為32%～40%的流動性料漿，其蒸發(fā)料漿水分需消耗許多熱量（占熟料單位熱耗的30%～35%）。濕法長窯直徑由3m發(fā)展到5m、窯長135～185m、熟料產量630～1680t/d，1966年最大的窯直徑達7.6m、長232m、熟料產量3600t/d，迄今仍為世界上最大尺寸的水泥回轉窯，單位熱耗1500～1600kcal/kg熟料。

  1930年～1960年德國和日本建設了較多的立波爾窯（半干法窯），單位熱耗為800～900kcal/kg熟料，其是將干粉生料加水制成含水分12～14%的5～25mm直徑的生料球，然后以平均0.7m/min的速度緩慢喂入窯燒成熟料。

  1960年代后期世界上改進以SP窯（干法窯）為主導，亦稱懸浮預熱器窯，熟料的單位熱耗比濕法長窯節(jié)約了40～45%。

  1970年代初期開始NSP窯（新型干法窯）的技術，功效較干法窯（SP）佳，增添三次風管的分解爐并使入窯生料的碳酸鈣分解率由約40%提高到約90%，熟料單位熱耗、電耗較SP窯進一步下降了。

  NSP窯由三組托輪長窯優(yōu)化發(fā)展出兩組托輪短窯，以長徑比（L/D值）做區(qū)分，三組托輪長窯L/D=14～17，兩組托輪短窯L/D=10～13。

  3.亞泥新型干法兩檔短窯的特點：

  單純說某一條短窯比某一條三檔長窯好是不太科學的，因為水泥生產是人、設備、原燃料、操作技術、管理體系等的有機結合，水泥企業(yè)管理水平高、原燃料品質穩(wěn)定優(yōu)良、操作控制嚴謹，將會改善熟料品質及降低生產成本。亞泥所轄各水泥公司目前擁有10條Φ4.8×52m、設計熟料產能4200t/d短窯生產線，及2條Φ5.2×61m、設計熟料產能6000t/d短窯生產線，根據其長期使用短窯的實際經驗，簡要報告新型干法兩檔短窯的特點如下。

  3.1節(jié)能效益：

  （1）減少入窯生料在過渡帶的不必要熱耗：

  短窯的入窯生料分解率達到95%以上，只有少部分碳酸鹽在窯中分解。對于傳統(tǒng)的新型干法三檔長窯來說，已絕大部分完成脫酸分解的生料還要在900～1300℃的窯過渡帶內停留15分鐘左右，然后才進入高溫燒成帶，會增加熱耗。而短窯長度較短，生料在過渡帶僅停留5～6分鐘就進入燒成帶，有效降低了熱耗。

  （2）減少了窯筒體的表面散熱：

  由于短窯的窯體較短，表面積較三檔長窯小，短窯的表面散熱損失是最低的，只有約24.42kcal/kg熟料，僅此項就比三檔長窯單位熱耗減少11.88kcal/kg熟料。

  （3）降低電耗：

  由于短窯窯體較短，重量較三檔長窯減少約10%，回轉窯電動機用電量因而下降。短窯長徑比較三檔長窯小，內截面積較三檔長窯大，因此減小了窯體內氣體流動的阻力，風阻處于較小水平，窯尾高溫風機的用電量因而降低。

  3.2熟料品質的提升：

  三檔長窯的入窯熱生料在過渡帶的長時間停留會使游離CaO結晶長大，活性降低，不利于C3S的形成。短窯的入窯熱生料在過渡帶僅停留5～6分鐘就進入燒成帶使游離CaO的活性得到了充分的利用，熟料的C3S含量增加、游離CaO含量低、3d、28d強度會有所提高，易磨性也得到改善。

  3.3窯磚耗成本的降低：

  由于短窯長徑比小，窯內熱輻射、對流、傳導效果優(yōu)于三檔長窯，窯內氣體速度亦隨之降低，而且可減少熟料粉塵的再循環(huán)，單位容積產量提高，加之機械方面的有利因素，所以耐火磚壽命明顯提高，磚耗顯著降低。對一般三檔長窯，噸熟料磚耗的國際先進指標為0.5～0.6kg/t熟料，而短窯可降到0.15～0.2 kg/t熟料，降低約60%。磚耗節(jié)約對降低水泥熟料成本意義重大。

  3.4機械結構上的優(yōu)勢：

  （1）可靠性提高、避免機件超負荷，兩點支承可實現窯托輪完全接觸摩擦傳動

  （2）可降低窯燒成帶單位有效內截面積熱負荷和窯磚消耗。

  （3）兩點支承的靜定結構系統(tǒng)，消除了一些超載因素的影響， 便于操作，檢修維護費較低。

  （4）窯體采用靜定支承系統(tǒng)，負荷分布均勻，受力穩(wěn)定，不會因為窯體彎曲或基礎沉降而增加支點荷載，也沒有過約束產生的附加彎曲應力。

  （5）消除了三支點由于基礎沉陷或磨損不均而引起窯體、輪帶和托輪等超載的危險，更便于安裝和調整；窯體重量減輕10%以上。

  （6）短窯機械結構穩(wěn)定比較合理，荷載作用在止推擋輪上的受力比三檔長窯小

  約14%。

  3.5環(huán)保上的優(yōu)勢：

  短窯配置窯頭低氮燃燒器、低氮分解爐、煤粉分級燃燒設備，實際運轉可以達成100%低氮煤粉燃燒脫硝，不需要噴入氨水即可控制窯尾NOx小于400mg/m3，現有SNCR系統(tǒng)用于脫硫。大幅降低氨水消耗量，脫硝氨水消耗最低可至0.1kg/噸熟料以下，因此還可略微降低熟料單位熱耗，具有明顯的經濟效益和環(huán)保效益。

  3.6運轉上的優(yōu)勢：

  （1）毋須頻繁檢測窯體中心線，檢修維護費降低。

  （2）窯運轉率提高，故障率低，設備及窯磚使用壽命長。

  3.7投資上的優(yōu)勢：

  （1）可減少窯相關設備的投資費用，且便于安裝調整。

  （2）窯相關設備重量較輕，占地面積較少，設備基礎減少1/3，節(jié)省了一次性投資。

  3.8兩檔短窯與三檔長窯的性能比較，如表1。

  表1.日產5000噸熟料的新型干法長窯（三檔托輪）與短窯（兩檔托輪）范例性能比較。

  4.亞泥所轄各廠新型干法兩檔短窯發(fā)展歷程：

  亞泥從1998開始在大陸設廠，共建設了12條短窯生產線。各條生產線建設完全避開了國內水泥同業(yè)的統(tǒng)一設計統(tǒng)一供貨模式。亞泥根據臺灣建廠經驗，各生產線主設備采用國際知名品牌“點菜式”配置，同時根據已經投產生產線使用的經驗對后續(xù)的生產線設備進行優(yōu)化改進。通過優(yōu)化配置、不斷摸索總結，亞泥的短窯系統(tǒng)配置日趨完善，各項指標均處于國內國際領先地位。

  4.1亞泥第一階段短窯系統(tǒng)：

  江西亞東#1#2號生產線屬于第一階段短窯系統(tǒng)，根據臺灣花蓮廠第一套短窯生產使用經驗進行優(yōu)化，生料磨采用KHD設計供貨的錘磨機+滾壓機系統(tǒng)，具有電耗低的特點。其中滾壓機采用KHD植釘滾輪，從2012年使用至今已經5年未堆焊檢修。旋窯采用KHDΦ4.8×52m短窯，預熱器采用五級旋風筒，設計產量4200t/d。實際產量達到5100t/d，超產率達到20%以上。冷卻機采用當時最先進的德國CP公司第三代冷卻機。江西#1線從1998年開始建設，配置了當時國際上一流的設備及制程。

  4.2亞泥第二階段短窯系統(tǒng)：

  隨著第四代冷卻機技術的發(fā)展運用，通過總結第一階段短窯系統(tǒng)運用經驗基礎上，2005年開始新建江西#3線、四川#1線率先采用丹麥FLS的第四代推棒式冷卻機，旋窯采用KHDΦ4.8×52m短窯，預熱器采用四級旋風筒，設計產量4200t/d。實際產量達到5300t/d，超產率達到26%。雖然其他主機設備系統(tǒng)沿用了第一階段的配置，但高效率第四代冷卻機運用后，熱回收效率高，二次三次空氣溫度高且穩(wěn)定，大幅提高短窯熟料的產量和品質，降低了生產成本。

  4.3亞泥第三階段短窯系統(tǒng)：

  生料磨采用滾壓機+VSK選粉機系統(tǒng)，雖然電耗低，但烘干能力差，影響系統(tǒng)產量和電耗。立磨系統(tǒng)具有烘干能力強，系統(tǒng)配置簡單，維護少的諸多優(yōu)點。從2008年開始陸續(xù)新建江西亞東#4線、黃岡亞東#1線，湖北亞東#1、#2線，四川亞東#2、#3線，旋窯采用KHDΦ4.8×52m短窯，預熱器采用五級旋風筒（其中湖北亞東#1線、四川亞東#2線采用四級旋風筒），生料磨采用萊歇立磨，冷卻機采用丹麥FLS的第四代推棒式冷卻機，旋窯設計產量4200t/d，實際產量達到5400t/d，超產率達到30%。高效率立磨系統(tǒng)投入運行，提高了運轉效率，同時將預熱器旋風筒級數由四級增加到五級，降低了系統(tǒng)熱耗。

  4.4亞泥第四階段短窯系統(tǒng)：

  隨著國內水泥裝備技術的進步，同時水泥企業(yè)競爭日趨激烈，只有在生產線建設階段不斷優(yōu)化工藝，配置高環(huán)保、高品質、高效率、低成本的生產設備，才能在激烈的市場競爭中脫穎而出。2011年開始新建江西亞東#5、#6線，生料磨采用國產合肥院大型立磨，旋窯采用KHDΦ5.2×61m短窯，預熱器采用KHD超低風阻六級旋筒預熱器，冷卻機采用丹麥FLS最新一代十字棒式冷卻機，冷卻機效果更好，輸送效率更高，徹底解決紅河、堆雪人等問題。江西亞東#5、#6線設計產量6000t/d，實際產量最大可以穩(wěn)定在7850t/d，超產率達到30%以上，熟料品質、系統(tǒng)熱耗、電耗均優(yōu)于其他短窯。

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  5.亞泥各階段短窯系統(tǒng)制程對比表：

  5.1表2.生料磨系統(tǒng)對比表：

  5.2表3.KHD預熱器結構參數對比表：

  5.2.1為降低系統(tǒng)阻力，提高低氮煤粉燃燒效果，KHD配合亞東要求將#5#6線分解爐直徑加大34.3%，分解爐高度提高213.60%，分解爐高度比花蓮廠短窯加高43.7米，總長度增加85.47米，比江西#4線加高33米，總長度增加64.2米。

  5.2.2通過以上改進，江西亞東#5#6線預熱器系統(tǒng)阻力明顯降低，生料預熱時間長，入窯生料分解率穩(wěn)定在98-99%。分解爐體積增大后低氮煤粉燃脫硝效果更為顯著，實現100%低氮煤粉燃燒脫硝，不需要噴入氨水可以控制窯尾NOx排放濃度小于400mg/m³

  5.3 表4 預熱器運轉參數對比表：

  5.3.1從以上表中可以看出，預熱器級數越多，一段排氣溫度越低，相應熱耗也會降低。但第一階段短窯系統(tǒng)采用五級旋風筒預熱器，由于采用第三代冷卻機，熱回收效率偏低，旋窯產量偏低，系統(tǒng)熱耗也偏高。

  5.3.2理論上將預熱器旋風筒級數越多，系統(tǒng)阻力越大。實際上以江西亞東#5、#6號線為代表的亞泥第四階段短窯系統(tǒng)，雖然是六級旋風筒預熱器，但系統(tǒng)阻力最低，甚至低于四級旋風筒預熱器，主要是KHD公司對預熱器配合亞東要求優(yōu)化設計，采用超低風阻旋風筒，加大分解爐及風道直徑，同時將分解爐高度按比例提高33米，延長了生料預熱時間，入窯生料分解率穩(wěn)定在98-99%，系統(tǒng)熱耗明顯下降。

  5.4表5.冷卻機系統(tǒng)對比表：

  以江西亞東水泥有限公司五六線為代表的第四階段短窯系統(tǒng)分別于2013年10月、2014年1月投產，通過總結前三階段短窯運轉經驗基礎上引進國內外先進技術、裝備和工藝，秉持創(chuàng)新理念，節(jié)能減排、降低生產成本、提高產品質量。江西亞東第五、六條水泥生產線經過近三年的摸索實踐，多項前瞻創(chuàng)新技術取得了豐碩成果，大幅降低生產成本，各項經濟指標處于國內領先地位，為江西亞東公司在激烈的市場競爭中處于優(yōu)異領先地位做出了貢獻。

  6.1石灰石輸送皮帶下坡發(fā)電：

  傳統(tǒng)帶運機輸送需要電力驅動，五六線石灰石輸送采用國產下坡節(jié)能發(fā)電帶運機。從礦山至石灰石均化堆場只有一條總長3.6km帶運機，輸送量1500t/h，輸送過程不需要耗用電能，利用下坡地勢發(fā)電，發(fā)電量約300kw/h，不僅節(jié)約電耗，還可以產生電能，增加發(fā)電收益?；爻唐Р捎孟冗M翻面技術，確保沿線無落料，避免沿途環(huán)境污染，節(jié)約清料人力成本，取得了顯著的經濟效益。

  6.2分磨砂巖粉改善生料易燒性，提高熟料產量和品質：

  江西亞東擁有儲量豐富的砂巖礦山，然而其大部分為硬砂巖，邦德功研磨指數偏高達約19 kwh/t，較難研磨，以前與石灰石、粘土、鐵質原料混合研磨成生料，砂巖中的石英結晶（SiO2）相對難以磨細而多分布在較粗的顆粒，此種生料易燒性差且熟料游離鈣（f-CaO）容易超限對質量不利。將砂巖單獨入砂巖磨研磨，75μm篩余細度控制更細，成品入砂巖粉庫儲存，粘土、鐵砂、石灰石三種原料混合入生料磨研磨，簡稱為“石灰石粉”，75μm篩余控制更粗，石灰石粉研磨后的半成品再與研磨好的砂巖粉按配比進行攪拌混合，混合好的生料再入生料庫均化，大幅提升生料易燒性。2012年11月18日江西亞東#3、#4線砂巖分磨系統(tǒng)建成投產，運行后生料易燒性大幅改善，#3、#4號窯熟料日產量增加150噸-200噸，熟料28天強度增加約2MPa。江西亞東#5#6根據#3#4線分磨砂巖粉經驗進行改進創(chuàng)新，形成新一代分磨砂巖與石灰石分磨先進工藝，采用單獨立磨研磨砂巖粉，配套設施建有6300噸砂巖粉庫（Ф17m x 52.5mH）及垂直螺旋絞刀輸送計量混合系統(tǒng)，供五六兩套窯共享。通過分磨砂巖粉，生料易性大幅提升，#5#6線旋窯產量提高到7850t/d，熟料品質優(yōu)于集團內其他短窯系統(tǒng)。

  表5.江西亞東水泥公司#5#6線短窯熟料化學成份記錄。

表6. 江西亞東水泥公司#5#6線短窯熟料及小磨熟料水泥物理性質記錄。

圖2.五六號生料立磨，用于研磨石灰石粉

圖3.七號砂巖磨，用于研磨砂巖粉

  6.3立磨改用新型陶瓷耐磨材料，提高使用壽命，節(jié)約檢修費用：

  6.3.1生料磨磨盤、磨輥母材采用球墨鑄鐵，吸震性更好，可有效減小磨盤震動，保護減速機。

  6.3.2磨盤、磨輥表面鑲嵌耐磨陶瓷材料，取代傳統(tǒng)的耐磨堆焊工藝，其陶瓷輥胎的保證使用壽命可達20000小時以上。在使用期內，磨盤、磨輥僅需定期檢查，無需停機維修，可減少立磨停機時間，有效提高生產效率，降低維修費用。綜合比較，使用耐磨陶瓷材料的成本僅為傳統(tǒng)耐磨堆焊工藝的60%左右。

  6.4 100%低氮燃燒代替氨水脫硝技術：

  江西亞東五六線投產初期采用SNCR+低氮燃燒進行脫硝，低氮燃燒煤粉比例只有42%，氨水耗用量大，由于五六線設計時加大了分解爐通風面積，低氮燃燒煤粉用量比例可以進行優(yōu)化上調，2016年2月份開始通過嘗試調整降低窯頭煤粉用量，適當增加低氮燃燒煤粉比例到63.9%，基本達成100%低氮煤粉燃燒脫硝目標，SNCR僅作為備用系統(tǒng)，只有在旋窯減料燒成時才少量噴氨水，目前SNCR系統(tǒng)主要用于脫硫，噸熟料脫硝氨水耗用降低至小于0.1kg/t，每年節(jié)約脫硝氨水用量4193.4噸，節(jié)約氨水費用300多萬元，取得了顯著的經濟效益和環(huán)保效益。

  圖4.窯頭高風速大推力低氮燃燒器

圖5.低氮煤粉噴入位置示意圖

圖6.預熱器結構圖

圖7.江西亞東六號旋窯運轉畫面

圖8.帶低氮燃燒脫硝六級旋風筒預熱器實景

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  6.5 丹麥史密斯最新型第五代十字架推棒式冷卻機：

  6.5.1冷卻機兼顧熟料冷卻及熱回收功能，五六線篦冷機采用低頻率、低壓力及長行程水平輸送熟料，設計能力8500t/d，無紅河及雪人問題；設置了中間熟料破碎機，使排氣溫度高于500℃，可提高AQC鍋爐熱回收發(fā)電效率，出口熟料溫度低于100℃，熱回收效率>75%，良好的熱回收效果促使二次空氣溫度在1200℃以上，三次風溫在950-1000℃，為旋窯提產到7850t/d創(chuàng)造了條件。

  6.5.2 冷卻機余熱發(fā)電AQC鍋爐無獨立沉降室，簡化設備，節(jié)約投資費用及后續(xù)運行維護費用。

圖9.江西亞東六號冷卻機運轉畫面

  6.6窯頭采用合肥院耐高溫袋式收塵機（排塵<15mg/Nm3），高效環(huán)保

  窯頭收塵機采用耐高溫袋式收塵機代替靜電收塵機，設備故障率低，利用冷風閥代替空氣冷卻器，節(jié)約投資費用。收塵機粉塵排放濃度<15mg/Nm3，遠低于國家標準30mg/Nm3，達到歐美發(fā)達國家排放標準。

  6.7高效率、高環(huán)保雙向曲線輸送帶運機

  6.7.1江西亞東二廠五六號生產線與長江碼頭距離約3公里，原燃料及熟料裝卸船依靠至碼頭間曲線輸送帶運機（總長2.92km），采用同時雙向輸送方式，帶運機穿山越嶺，曲線布置，中途經過居民生活區(qū)，上行送熟料至碼頭1000T/H,回程送原煤、鋼渣、石膏、礦渣等多種物料至二廠600T/H，每噸物料輸送電耗0.7KWH，比車輛運輸至碼頭節(jié)約費用4元/噸，每年節(jié)約轉運費用約1500萬元。

  6.7.2雙向帶運機無中間轉運站，無揚塵及噪音。

  6.7.3采低噪音、低阻力滾輪，無噪音擾民，回程采用翻面技術，皮帶無落料現象，省電環(huán)保。

  圖10.  2.92KM雙向輸送曲線帶運機（去程1000T/H，回程600T/H）

  6.8熟料、水泥裝船及煤炭、原物料卸船精準計量裝置

  6.8.1精準靜態(tài)計量筒稱裝置取代原有皮帶秤及水尺計量，同時機械式清倉與快速裝船，使碼頭高效環(huán)保，同時不必記錄監(jiān)看水尺。

  6.8.2散泥裝船計量誤差小于千分之二，熟料裝船計量誤差小于千分之二，煤炭計量誤差小于千分之三。較傳統(tǒng)計量方式誤差（百分之一至二）提高準確率約5倍且穩(wěn)定計量，并且大量節(jié)約看水尺時間及減少裝船誤差糾紛及損失。

  6.9包裝間采用自動化設備，提高發(fā)貨效率

  6.9.1包裝機選用哈佛伊堡的八嘴包裝機及噴射式自動插包機，自動插袋準確率達到98%，取代人工插袋，提高發(fā)貨效率。

  6.9.2正在規(guī)劃安裝全自動裝車機（設計時已預留安裝空間），真正實現全自動化包裝、插包及裝車作業(yè)。

  6.9.3正在設計安裝吹掃吸塵設備，實現包裝車間清潔生產。

  7.結束語：

  亞泥累積60余年生產優(yōu)質水泥的經驗，塑造企業(yè)品牌，率先深入鉆研與建設12條大型水泥短窯生產線，采用精心設計的配套生產工藝、建設綠色礦山系統(tǒng)、及高效精細化管理等，讓水泥短窯生產系統(tǒng)顯現亮麗成績，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、熟料產量高、品質優(yōu)、熱效率高、成本低，旋窯年運轉率達到95%以上，熟料產能超過設計能力30%以上，成為“高環(huán)保、高品質、高效率、低成本”示范工廠。尤其是江西亞東#5#6線各項指標均處于國內國際領先水平。水泥短窯生產線成為當今水泥行業(yè)生產優(yōu)質熟料、節(jié)能減碳、綠色環(huán)保的最佳選項之一。國內大型水泥集團紛紛前來參考交流，亞泥短窯技術的不斷發(fā)展推動了中國水泥技術的進步。

  亞泥積極響應國家供給側改革政策，不斷強化精細化管理措施、改善生產工藝、創(chuàng)新節(jié)能減碳環(huán)保相關技術、持續(xù)提升產品品質打造國家品牌，并籌建水泥窯協(xié)同處置城市固體廢棄物相關設施，善盡企業(yè)社會責任。展望未來，亞泥當以積極創(chuàng)新的思維，配合落實國家各項規(guī)劃及有關水泥建材行業(yè)的政策，為國家建設與人民福祉提供最優(yōu)質的產品和服務，撰寫本報告供國內外水泥同業(yè)參考與指教。

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