水泥熟料烧成系统电耗分析探讨

殷昭波（中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏 南京 211100）

0 概述

水泥生产企业为高能耗企业，水泥生产能耗费用在生产成本中占60%左右。水泥生产过程主要能耗为燃料燃烧热能和电能，其中电能消耗分布于整个水泥生产过程，具体情况如下：原燃料制备系统约占23%～48%，熟料烧成系统约占17%～27%，水泥成品系统约占35%～50%。本文现就熟料烧成系统电耗的基本组成及烧成系统的节能降耗措施作一浅要分析和探讨。

1 熟料烧成系统电耗的基本组成

熟料烧成系统主要包括：从生料均化出库至熟料入库，包括窑尾废气处理、煤粉计量输送系统。根据三条水泥熟料生产线烧成系统跟踪统计结果，烧成系统运行用主机设备装机功率及烧成系统生产用电耗分项估算见表1，2。

熟料烧成系统的电耗可分为三大类：物料输送、气流体传送及生产辅助。其中物料输送主要包括生料计量及输送、窑主电机、熟料破碎及输送、煤粉及窑灰输送；气流体传送主要包括一次风机、高温风机及窑尾排风机、熟料冷却风机及窑头排风机；生产辅助主要包括生产用水及压缩空气的消耗等。以上三类电耗估算及比例见表3。

由表1～3以及实际生产情况得出：

（1）烧成系统中物料输送及生产辅助类电能消耗仅占烧成系统总电耗的30%左右。对于物料输送，其输送方式及装置确定后，单位熟料电耗有变化，但变化较小，仅与系统配置设备的驱动效率相关，驱动效率越高，均摊的单位无功损耗就越小，相应熟料单位电耗也越低；对于生产辅助类设备电能消耗在整个烧成系统中占比较小，通过智能化装备的配置，现电能消耗也越来越低。

表1 烧成系统运行用主机设备装机功率 kW

表2 烧成系统生产用电耗分项估算 kWh/t

（2）烧成系统的电能消耗绝大部分在气流体传送上，占到烧成系统总电耗的70%左右，即风机对电能的转化利用率主导了系统电耗的高低程度，决定了烧成系统单位熟料电耗的高低，因此熟料烧成系统的节能降耗关键点在气流体传送系统。

表3 烧成系统生产用电耗分类估算

2 熟料烧成系统的节能降耗的措施

2.1 优化系统管网阻力

系统管网阻力为系统中设备阻力与连接管道阻力的总和。其中设备阻力主要有：预热器、余热锅炉、收尘器等。管道阻力主要来自各主机设备之间的连接管道。

随着水泥技术装备水平的进步，烧成系统中设备阻力已有了显著的降低。通过对烧成系统中超低阻、高效预热预分解系统的深入研究和改造应用，目前，五、六级预热预分解系统的一级旋风筒（C1）出口负压可控制在4500～5500Pa；SP余热锅炉运行阻力可控制在800～1000Pa，AQC余热锅炉运行阻力可控制在600～800Pa；窑头窑尾排风机进口负压主要为废气通过袋除尘器滤料时产生的阻力，目前，通过采用低阻高效滤料，窑头（尾）袋除尘器的阻力由以往的1200～1500Pa已降到了600～1000Pa的水平。在实际生产中，气体中粉尘性质对滤料阻力有很大影响，尤其是窑尾袋除尘器，这就需要生产操作管理人员提高操作管理水平，尽量减小其负面影响。

对于连接管道阻力，因水泥生产线产能较高，风管管径较大，管道沿程的阻力较小，假设管径30000mm、风速18m/s，100 m长管道沿程的阻力值约100Pa；而热风管上的阀门、汇出/汇入三通、变径、弯头的局部阻力较大，为热风管阻力的主要来源。以表1中#2线为例，若SP炉进出风与C1至高温风机风管的汇出汇入三通设置不当，进高温风机负压由5850Pa增加至6150Pa，其单位熟料电耗会增加约0.45kWh。可见管道系统阀门的设置、三通等管道部件的构造设计对降低电耗极其重要，因此设计时应首要考虑尽可能减少其数量和降低其阻力值；其次在设计中应注意可并联设置的设施尽量不采用串联设置。如窑头AQC炉的回风接口接至风冷器进口（即串联设置）与接至风冷器出口（即并联设置），窑头排风机进口负压前者比后者要高出约500～800 Pa左右，相对窑头排风机来说，其电耗则会有较大幅度的增加。

2.2 选用在正常工况条件下效率较高的风机

在熟料烧成系统中，除一次风机外，高温风机、窑尾排风机、窑头排风机、熟料冷却风机选用的都是离心式通风机或引风机。

一般情况下，离心风机轴功率（No）计算公式如下：

考虑机械传动效率（η1），则风机实际需要的轴功率（N）为：

其中，Ne—单位时间内气体通过风机所获得的总能量，即有效功率；P—从风机进口输送至出口的过程中所获得的能量增量，即风机的全压；Q—单位时间内通过风机输送的气体量，即风机的体积流量；ηo—风机的全压效率；η1—风机的机械传动效率。

由离心风机轴功率计算公式可见，流量、风压、风机效率决定了风机对电能的消耗。风机的效率是设备本身固有的，风机的工作点所对应风机的效率是不同的，且变化较大也较快，因此，合适的风机选型可不同程度的提高风机电能的利用率，从而达到节能降耗的目的。

在现有运行水泥生产线中，烧成系统用风机的实际运行值一般情况下高温风机较高，约70%～75%，窑头、窑尾排风机较低，基本在70%以下；三者的运行效率都有较大提升空间。若高温风机、窑头窑尾排风机效率均提高10%，则单位熟料三台风机总的电能消耗可下降1kWh/t以上。因此在设计或技改选型时要尽可能选用在正常工况条件下效率较高的风机，以降低实际生产的电能消耗。

对于熟料冷却用风机，因生产工况相对较稳定，且采用变频调速或更节能的永磁电机驱动技术，可使风机的效率达到80%以上，对第四代篦冷机来说，单位熟料电耗基本可控制在6.5kWh以内。

我们在选用离心风机时，还要考虑系统管网实际阻力及流量与离心风机性能的关系。风机转速固定的情况下，风机的流量、风压是一组对应值，当系统实际阻力低于设计值时，需要调节阀门开度以增加系统阻力来使风机流量达到系统需求。因此，设计选型时选择的系统阻力或流量如果与实际使用时的系统阻力或流量偏离过大，将带来额外的风机电能消耗。

由于水泥熟料烧成系统工况较复杂，实际生产过程中风机的风量、风压工况也会有较大变化，为达到节能降耗的目的，离心风机应尽可能采用变频调速技术，实现对风机风量、风压的精准调节。已建成水泥生产线进行技改时，对系统进行标定后确定实际需要的风量、风压工况参数，然后对风机进行针对性技术改造并采用变频调速技术，可大幅度降低系统电耗。

2.3 减少系统漏风

现有水泥生产线中系统或多或少都存在漏风问题，有些生产线预热预分解系统到窑尾排风机风量的总漏风率甚至超过50%，其单位熟料电耗因此大幅增加。我们的生产系统装置，虽不能做到与外界的连通隔绝，但可通过精心的设计、严格的施工以及精细化生产管理，来最大限度地降低系统漏风。系统漏风量的降低不仅可以直接降低风机的电耗，而且可以减小系统内管网阻力，从而进一步减少系统电耗。

3 小结

随着水泥技术装备水平的进步，目前水泥熟料烧成系统在上述范围内的单位熟料电耗一般可控制在20～25kWh之间，最优指标已可控制在20kWh以下；其中风机的电耗要占到70%左右。一般情况下，单位熟料的电耗会随产能的提高而降低，但因系统风量、阻力及风机效率的相互影响，当系统产能超过某一值时会出现高温风机、窑尾排风机及窑头排风机电耗急剧升高的情况，从而系统电耗急剧增加。因此在设计及实际生产中，我们应对烧成系统实际电耗的分布进行充分理解，找到最佳设计操作参数，以实现节能降耗目的，达到最佳经济技术指标。