PDF《水泥行业提高能效的机会》

LBNL-72E 水泥行业提高能效的机会 Ernst Worrell, Christina Galitsky, Lynn Price 环境能源技术部

2008 年1月本项工作通过美国能源部,获得能源基金会与美国环境保护局的支 持,以及陶氏化学公司慈善捐款的资助,合同编号为 DE-AC02- 05CH11231.

ERNEST ORLANDO LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY 免责声明 本文件编写工作由美国政府资助.同时,虽然本文件中的信息被认为是准确 的,但是无论是美国政府或是其机构, 加州大学董事会或是其雇员都既不对文 件的准确性,完整性,信息的有用性,仪器,产品,以及披露的过程,或是其 使用不侵犯私有权进行明示或暗示的保障,也不负法律责任.此处提到的任何 具体商业产品,过程或有商标名称,商标,制造商名的服务,并不一定构成或 暗示美国政府或其机构,加州大学董事会的认可,推荐,或偏袒其使用.作者 在这里表示的观点和意见,并不一定代表美国政府及其机构,或加州大学董事 会. 劳伦斯伯克利实验室是一个机会均等的雇主. 水泥行业提高能效的机会 Ernst Worrell, Christina Galitsky and Lynn Price 劳伦斯伯克利国家实验室 环境与能源技术部 摘要 该报告阐述了在水泥行业应用的多项技术和措施以及实施这些措施所带来 的节约能源、成本以及减少二氧化碳排放等方面的效果.这些技术和措施,既 包括目前正在全世界水泥企业中应用的最新技术措施,也包括那些只在局部有 限应用的、或已接近商业化的先进措施. 本报告主要侧重于利用成熟的商业化技术进行改造的措施,但其中许多技 术已经应用于新工厂.在可能情况下,对于每一种技术或措施,将估计每吨水 泥的生产成本减少和能源节约效果,还将计算二氧化碳减排量.对水泥窑节能 机会的分析可分为适用于水泥不同生产阶段和适用于不同窑型的技术和措施: 原料(和燃料)制备;

熟料制备(适用于各种窑型,或只适用于回转窑,或只 适用于立窑);

产品粉磨;

以及可降低水泥熟料的能源消耗等管理措施.表1按工艺分类列出了各项措施,其中包括了工厂管理性措施.表2~表8给出了 每项技术的如下详细信息:吨水泥燃料和电能节约;

吨水泥年运行成本和资金 成本,或预计的投资回收期;

每项措施实现的二氧化碳减排量. 这些信息的收集最初是为了形成一份关于美国水泥行业的报告(Worrell and Galitsky,2004)和形成一份关于中国水泥行业节能机会的报告(Price and Galitsky,2007).本报告所提供的资料来源于公开发表的报告、期刊论 文和国际上广泛应用的案例研究. 目录 前言.1 提高能效的机遇.2 原料制备.2 熟料制备――所有炉窑.6 熟料制备――回转窑.9 熟料制备――立窑.17 产品粉磨.18 全厂范围措施.20 全厂范围照明.25 产品和配料变化.26 感谢.30 参考文献.31 表表1. 水泥行业的能效措施和技术.2 表2. 水泥厂中原料制备的能效措施.3 表3. 适用于各种炉窑的能效机会.6 表4. 适用于回转窑的能效机会.9 表5. 适用于立窑的能效机会.17 表6. 水泥厂产品终磨的能效措施.更多信息可以在下面的措施描述中找到: ...18 表7. 水泥厂全厂范围的能效措施.更多信息可以在下面的措施描述中找到.....20 表8. 在产品和配料变化方面的能效措施.26 表9. 中国使用的各种添加剂的价格和运输方式.27

1 前言 这份报告为水泥行业在节约能源,成本和二氧化碳排放量减少的多项技术和措 施实施方面提供适用的信息.这些技术和措施,既包括目前国际上水泥企业使 用的最先进的措施,也包括正在市场化或试用的先进措施.报告主要着重在可 用来进行旧厂改造的市场化的技术,但很多技术也适用于新厂.在可能的情况 下,对每一个技术或措施的每吨水泥生产的成本和能源节约进行了估算,然后 基于所采用的技术或措施计算了过程二氧化碳排放减少量.水泥窑节能机会的 分析分为技术和措施,适用于在中国使用的不同生产阶段和各种窑型.生料 (燃料)制备,熟料制备(适合各种窑型的,只适合回转窑的,只适合立窑 的),产品粉磨,以及全厂规模的能降低熟料生成能耗的措施或原料和产品改 变.

2 提高能效的机遇 表1中显示该报告中包括的分工艺能效措施以及通用措施.以下相关章节中有 更详尽的分工艺能效措施的描述. 表1. 水泥行业的能效措施和技术 原料制备 适用所有炉窑 高效输送送系统(干法) 改善耐火材料性能 原料预均化系统(干法) 减少窑表面热损失 立磨的过程控制优化(干法) 高效辊式磨(干法) 加强能源管理与过程控制 风机系统变频调速 高效分选机(干法) 浆料混合和均化(湿法) 立窑 更换为闭路洗磨(湿法) 以NSP 窑替代 燃料制备 改进窑燃烧系统 辊式磨用于燃料制备 煤研磨滚压机 回转窑 产品粉磨 预热器窑升级为预分解窑 加强能源管理和过程控制 中空窑改为 NSP 窑 高压辊压机 旧干法长窑改为 NSP 窑 高效选粉机 替换为往复推动式篦冷机 改良研磨介质(球磨机) 改进窑燃烧系统 通用措施 加强维护(绝缘,压缩空气系统,维修) 优化热回收/改造熟料冷却机 加强密封 高效电机 电机系统变频调速 低温余热发电(资金成本,单位为美元/千瓦) 优化压缩空气系统 高温余热发电 高效照明 低压损旋风筒 高效窑传动 改进产品配比 混合水泥 废物衍生燃料的使用 石灰石水泥 低碱水泥 钢渣在炉窑中的使用 原料制备 表2显示了与原料制备(包括燃料制备)相关的每项节能措施所达到的燃 料和电力节能量,以及预计的投资回收期和二氧化碳(CO2)减排量.表下是 对各项措施的描述.

3 表2. 水泥厂中原料制备的能效措施 能效措施(原料生产) 燃料节约 (吉焦/吨) 节电量 (千瓦时/吨) 预计投资回收期 (年) (1) CO2 减排量 (kgC/t) 高效输送系统(干法) - 3.4 >

10(1) 0.78 原料混预均化系统(干法) - 1.7-4.3 NA(1) 0.4-1.0 立磨的过程控制优化(干法) - 1.4-1.7

1 0.3-0.4 高效辊式磨(干法) 10.2-11.9 >

10(1) 2.3-2.7 高效选粉机(干法) - 4.8-6.3 >

10(1) 1.1-1.4 浆料混合和均化(湿法) - 0.5-0.9 <

3 0.1-0.2 带闭路选粉机的洗磨(湿法) 8.5-11.9 >

10(1) 2.0-2.7 辊式磨用于燃料制备 - 0.7-1.1 NA(1) 0.2-0.3 注释:上述数据按每吨水泥计算. (1) 回收期的计算只基于能源节约.在实际情况中,这种投资可能被能效以外的其它因素(例如,生产率 和产品质量)所影响,而作为正常商业周期或扩建项目的一部分,可能碰到这些因素.在这些情况下,这 项措施将具有更短的投资回收期,这将取决于工厂的具体条件. NA :数据不详. 高效输送系统(干法).在整个工厂内,需要利用输送系统运送粉状物 料,如入窑生料,窑灰和水泥成品等.这些物料通常利用气力或机械方式运 输.使用机械输送,其能耗比气力输送系统低.根据 Holderbank(1993)资料, 改用机械输送系统,平均单位节电量估计为 2.0 千瓦时/吨原料;

该系统的安装 成本约为

3 美元/吨原料.当需要更换输送系统来提高可靠性和减少停机时间 时,改为机械输送具有成本有效性. 生料预均化(均化)系统(干法).为了生产优质的产品,并维持窑中最 佳和高效的燃烧状态,原料的充分均化是至关重要的.质量控制从采石场开始 进行,并一直持续到均化库.用于控制原料混合比例的在线分析仪是质量控制 系统的重要组成部分(Fujimoto,1993;

Holderbank,1993). 大多数工厂利用压缩空气搅动在空气流态化均化库内的粉状生料(每吨生 料耗能 1.1~1.5 kWh).旧式干法工艺厂使用机械系统,它同时以可变速率从 6~8 座不同的筒仓输出物料(Fujimoto,1993),每吨生料耗能 2.2~2.6 kWh.现代工厂利用重力式均化库(或连续混合及储存筒仓)来降低能耗.在 这些筒仓中,物料向下漏到多个卸料点中的一处,在其倒锥筒中进行混合.重 力式均化库一般比空气搅拌系统的均化效率低.虽然大多数老厂使用机械或空 气流化床系统,但由于节电效果很大,越来越多的新厂更倾向于使用重力式均 化库(Holderbank,1993).当库内可被充气箱分割为连续小空间时,如果又 不想另外新建一座库,那么采用重力式连续均化库改造方案则更为合适 (Gerbec,1999 ), 改造带来的节能效果估计 为1.0-2.5 千瓦时/ 吨生料 (Fujimoto,1993;

Holderbank,1993;

Alsop &

Post,1995,Cembureau, 1997b;

Gerbec,1999);

改造的成本估计为 3.7 美元/吨原料(假设每个筒仓成 本为

55 万美元、平均年产量为

15 万吨).

4 生料过程控制(干法-立磨).现有立磨存在的主要问题是振动跳闸.在 高产量下运行时,人工操作难以保证平稳运行.当生料磨跳闸时,一小时内不 能开机,直到电机绕组冷却.根据模型预测,多变量控制器使总供料达到最大 化,同时维持目标残留量,并迫使振动的跳闸级处于安全范围.它的应用消除 了可避免的振动跳闸(在应用该控制项目之前,每个月跳闸

12 次);

生产量增 加6%,相应的单位能耗降低 6%(Martin 和McGarel,2001b),或0.8~1.0 千 瓦时/吨原料(基于 Cembureau,1997b). 辊压机的应用(干法).高效辊压机、与球磨机结合的辊压机联合粉磨系 统或筒辊磨可替代用于研磨某些原料(主要是硬石灰石)的传统球磨机.应用 这些先进的粉磨设备,既节约能源,又不影响产品质量.安装一台立式或筒辊 磨估计可节约能源 6~7 千瓦时/吨原料(Cembureau,1997b).在线立式辊式 磨的另外一个优点是,通过使用来自窑或熟料冷却机的大量低品位余热,可以 将原料干燥与研磨过程结合在一起(Venkateswaran and Lowitt,1988).

1998 年,亚利桑那州的普通硅酸盐水泥厂(Rillito,美国亚利桑那州)安装了 一台用于研磨原料的辊式磨,增加了生产能力、灵活性和生料细度,并降低了 电力消耗(De Hayes,1999).投资成本预计为 5.5 美元/吨原料(Holderbank, 1993). 高效选粉机/分离机.高效粉磨技术的最新进展是高效选粉机或分离机的使 用.选粉机分开小颗粒和粗颗粒,然后大颗粒再循环返回至磨机.高效分选机 在原料磨机和水泥成品磨机中都可以使用. 标准选粉机的分离效率一般较低,导致小颗粒循环,结果额外增加磨机电耗. 已经开发制造出了不同概念的高效选粉机(Holderbank,1993;

Süssegger, 1993).在高效选粉机中,物料的停留时间较长,能导致更清晰的分离,从而 可以减少过粉磨.通过应用高效选粉机,估计可节约 8%的 单位用电量 (Holderbank,1993).

1990 年,Tilbury 水泥厂(Delta,加拿大不列颠哥伦比亚省)用高效选粉机 改良了一台辊式磨,增加了产量并减少了用电量(Salzborn 和Chin-Fatt, 1993;

Süssegger,1993).应用实例表明能降低 2.8-3.7kWh/t 原料(Salzborn and Chin-Fatt, 1993;

Süssegger, 1993).,通过高效选粉机替带传统选粉机,可增加生 产能力 15%(Holderbank,1993);

而且由于生料和水泥具有更为均匀的粒度 (Salzborn and Chin-Fatt,1993),还能改善产品性能.粒度分布更为均匀的生 料,可节省熟料烧成的燃料,并提高熟料质量.根据 Holderbank(1993),投 资成本估计为每年每吨原料 2.2 美元. 浆料混合和均化(湿法).在湿法工艺中,浆料以间歇生产过程进行混合 和均化,混合一般利用压缩空气和旋转搅拌器进行.由于较低的效率,使用压

5 缩空气的能量损失较大.而高效混合系统,耗能量为 0.3~0.5 千瓦时/吨原料 (Cembureau,1997b).对于浆料混合系统,压缩空气系统是提高能效的潜力 之所在(见下文全厂范围的措施). 带有闭路分选机的洗磨(湿法).在大多数湿法窑中,管磨机与闭路或开 路分选机一起使用.高效管磨系统的耗电量约为

13 千瓦时/吨(Cembureau, 1997b ) , 利用洗磨更换管磨机,将减少5~7千瓦时/吨的电力消耗(Cembureau,1997b),而投资和运行费用与管磨系统差不多.当更换管磨机 时,洗磨应被视为一种替代方法,可降低 5~7 千瓦时/吨,或40~60%的电力 消耗. 燃料制备 煤是水泥行业中使用最广泛的燃料.燃料制备大部分在厂内进行.燃料 制备可包括煤的粉碎、粉磨和干燥.煤粉运输时是 湿的 ,以防止运输期间 形成粉尘和着火.通过将热气体输送到磨机中,将研磨和干燥两工艺过程结合 起来.煤是水泥行业中使用最广泛的燃料,并且是中国大多数水泥窑的主要燃 料.在各种类型的煤粉磨中,冲击式磨的平均能耗约为 45~60 千瓦时/吨,管 磨机约........