水泥工業(yè)節(jié)能和自動(dòng)化

一．水泥行業(yè)節(jié)能的迫切性 

“十一五”規(guī)劃提出了我國要建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的構(gòu)想，并明確了我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展今年的預(yù)期目標(biāo)，即要求單位國內(nèi)生總值能耗降低4%左右。水泥生產(chǎn)是連續(xù)性很強(qiáng)的流程工業(yè)，它也是耗能大戶。由于城市建設(shè)、房地產(chǎn)、重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的需求，我國水泥工業(yè)發(fā)展在前幾年曾經(jīng)歷了一個(gè)鼎盛時(shí)期，2005年我國水泥產(chǎn)量累計(jì)約達(dá)9億噸，2010年我國水泥預(yù)期產(chǎn)量為12.5億噸。我國要建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，水泥工業(yè)面臨著如何降低能耗，發(fā)展綜合利用，最大限度減少污染的艱巨任務(wù)。據(jù)測(cè)算生產(chǎn)每噸水泥熟料，在熱耗為3142kj/kg時(shí)，需0.13噸標(biāo)準(zhǔn)煤（熱值為7000kcal），如按年產(chǎn)7億噸熟料計(jì)算，則每年我國水泥行業(yè)約需近9000萬噸煤，另水泥行業(yè)也是用電的大戶，生產(chǎn)每噸水泥需100~110度電，如按年產(chǎn)9億噸水泥，需為水泥行業(yè)提供近上千億度電?，F(xiàn)今水泥行業(yè)是國家宏觀調(diào)控的重點(diǎn)，也是節(jié)能的重點(diǎn)行業(yè)， 在“十一五”期間國家要求新型干法水泥噸熟料熱耗下降到110kg標(biāo)準(zhǔn)煤，水泥單位產(chǎn)品綜合能耗下降25%。在當(dāng)前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，水泥行業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和最高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。 

二．革新工藝，棄小建大，從物流、設(shè)備到管理采用MES  

我國水泥行業(yè)要綜合性降低能耗，首先要摒棄落后的生產(chǎn)工藝，如耗能大的濕法工藝生產(chǎn)；質(zhì)量性能差，污染重，效率低的立窯生產(chǎn)線等，應(yīng)改之采用先進(jìn)的新型干法工藝。當(dāng)今在我國已有上百條日產(chǎn)5000噸新型干法水泥熟料生產(chǎn)線分布在祖國各地，日產(chǎn)10000噸水泥熟料特大規(guī)模的水泥熟料生產(chǎn)線也有五條正在建設(shè)中。在“十一五”期間新型干法水泥比重提高到70%，企業(yè)平均生產(chǎn)規(guī)模要由2005年的20萬噸提高到40萬噸，同時(shí)淘汰落后的生產(chǎn)能力2.5億噸。目前水泥大集團(tuán)如海螺、華新、三獅已經(jīng)紛紛將原有的濕法工藝生產(chǎn)停產(chǎn)。 

工藝設(shè)備選型對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)，提高效率和降低能耗和電耗十分關(guān)鍵，如北京水泥廠在生料輸送上原采用氣力輸送，后改為提升機(jī)輸送，從原來約5kwh/t電耗降到約1kwh/t，另水泥磨或原料磨用立磨替代球磨，電耗將從約35kwh/t降到約17kwh/t；另外窯尾預(yù)熱器中每級(jí)旋風(fēng)筒和分解爐設(shè)計(jì)和制造的好壞，直接影響壓力損失和傳熱效果，也就直接系統(tǒng)的熱耗和電耗。水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模越大，工藝設(shè)備的單機(jī)容量大，同比熱耗和電耗就越低，“十一五”期間要求有實(shí)力的大集團(tuán)兼并小廠，水泥企業(yè)戶數(shù)將減少到3500家左右。 

我國水泥行業(yè)大集團(tuán)粗略統(tǒng)計(jì)已有十幾家，如海螺、華新、冀東、三獅、亞泰等，其屬下有許多水泥熟料廠和粉磨站，如海螺集團(tuán)今年水泥產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)九千萬噸，它的水泥熟料廠主要分布在離資源近的安徽等地，并擴(kuò)展到兩廣、浙江、江西；而根據(jù)水泥市場(chǎng)的需求，粉磨站分布在離市場(chǎng)近的上海、寧波、溫州、南通、張家港等城市附近?！笆晃濉逼陂g前十位的集團(tuán)生產(chǎn)規(guī)模都將達(dá)到3000萬噸，為此這些集團(tuán)必需綜合調(diào)度其生產(chǎn)訂單、物流、生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室信息和銷售等，采用MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，促使生產(chǎn)的穩(wěn)定、協(xié)調(diào)，并優(yōu)化生產(chǎn)過程，保證整個(gè)生產(chǎn)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，在提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量的前提下，將過程信息和整個(gè)公司的管理集成在一個(gè)信息管理系統(tǒng)中，將能耗降到最低，只有這樣，才能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和最高的勞動(dòng)生產(chǎn)率，并成為效率高、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良的企業(yè).。海螺、華新等集團(tuán)有的已建成PMIS，有的正在積極籌劃MES和ERP系統(tǒng)。 

三．采用全集成自動(dòng)化TIA，實(shí)現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)線監(jiān)控一體化 

一個(gè)大中型水泥廠的工藝線通常以一窯和三磨為主體組成不同的工藝區(qū)域，同時(shí)還有相應(yīng)的原料、中間物料儲(chǔ)存庫及輸送設(shè)備。對(duì)于不同規(guī)模的水泥工藝線，電機(jī)和用電設(shè)備的數(shù)量相差不多，但其容量卻不相同，規(guī)模大，設(shè)備容量越大，安全保護(hù)的措施越多；輔助生產(chǎn)流程包括電站系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)，如供水供熱系統(tǒng)和污水處理等，使其構(gòu)成為一個(gè)龐大的綜合系統(tǒng)。干法水泥的工藝過程實(shí)際上是物料流、燃料流和氣流綜合的煅燒和控制過程，在氣流中又包括冷風(fēng)、熱風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)，物料流包括原料流和半成品及成品流等，為此在工藝過程要監(jiān)控溫度、壓力、氣體成分和濃度、還有儲(chǔ)存庫的物位、流量、重量、閥門開度等，如包括設(shè)備本身需監(jiān)控的參數(shù)，一個(gè)典型的5000~5500t/d的單條水泥生產(chǎn)需檢測(cè)的物理參數(shù)約為500~600個(gè)， 另外需報(bào)警的點(diǎn)約為1000個(gè)，它包括模擬量和開關(guān)量。水泥生產(chǎn)工藝必須通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及時(shí)地監(jiān)視，并實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)的擾動(dòng)；特別是對(duì)物料流、氣流以及原料和燃料流的實(shí)時(shí)工況和協(xié)調(diào)關(guān)系，協(xié)調(diào)關(guān)系處理好壞將直接影響節(jié)能的效果。同時(shí)新型水泥干法生產(chǎn)線的工藝設(shè)備的單機(jī)容量大，如生料立磨的主機(jī)電機(jī)功率最大可到5MW，與之配套的附屬設(shè)備較多，它也必須通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及時(shí)地監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況，使其運(yùn)行在最佳狀態(tài)，以促使電能消耗最低。一個(gè)大型水泥企業(yè)所謂全集成自動(dòng)化，在橫向即包括主流程和所有輔助流程全由自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，如廣州越堡水泥公司，它從石灰石原料破碎，長(zhǎng)皮帶輸送直至水泥包裝發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的主生產(chǎn)流程線及輔助生產(chǎn)流程包括電站系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)，構(gòu)成為一個(gè)功能龐大的計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；縱向集成理念是從智能監(jiān)控儀表、電動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)機(jī)的控制回路開始一直到管理系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)將管理和控制系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，并優(yōu)化生產(chǎn)過程，使過程的電耗和熱耗最低。目前華新集團(tuán)已應(yīng)用TIA理念控制全集團(tuán)的生產(chǎn)和管理走出了可喜的一步。 

四．全集成能源管理，采用智能監(jiān)控儀表和最優(yōu)化控制軟件  
 
 筆者認(rèn)為水泥行業(yè)節(jié)能，除設(shè)備因素外，還應(yīng)從以下幾點(diǎn)著手：一是實(shí)現(xiàn)熟料的最佳煅燒，同時(shí)要減少熱輻射和系統(tǒng)的漏風(fēng)；二是實(shí)現(xiàn)磨系統(tǒng)的最佳負(fù)荷控制；三是交流調(diào)速系統(tǒng)的普遍應(yīng)用：由于干法生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)的耗電量約占整個(gè)廠用電量30%，另增壓水泵和循環(huán)水泵的裝機(jī)容量也不小。如將其換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在檔板和閥門上的能量節(jié)省下來，節(jié)能效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均節(jié)能在20%左右；四是綜合利用廢氣，實(shí)現(xiàn)低溫余熱發(fā)電等;五要逐漸采用替代燃料如廢棄輪胎等；六是實(shí)現(xiàn)全集成能源管理如電站綜合自動(dòng)化和燃料流的MIS管理等。 

熟料的最佳煅燒是在生產(chǎn)過程穩(wěn)定前提下，確保熟料質(zhì)量的一致性，并實(shí)現(xiàn)最高生產(chǎn)率和最低的熱耗。我國的極大多數(shù)的干法水泥生產(chǎn)線基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程穩(wěn)定，在保證熟料合格前提下，也有較高的生產(chǎn)率，但是否實(shí)現(xiàn)了最低的熱耗呢？從自動(dòng)化角度上，筆者認(rèn)為多數(shù)水泥廠工廠自動(dòng)化功能已實(shí)現(xiàn)了 SCADA功能，但還沒有到MES一級(jí)，優(yōu)化控制及專家系統(tǒng)等基本沒有。設(shè)置的智能監(jiān)控儀表基本能滿足工藝要求，但要滿足最佳煅燒還不夠完善。如反映窯煅燒時(shí)輻射的紅外筒體掃瞄儀已廣泛應(yīng)用，但大多數(shù)水泥廠僅用于窯筒體溫度測(cè)定，由于軟件的局限，紅外筒體掃瞄儀還沒有和最佳煅燒連在一起，它應(yīng)能反映燒成帶的窯皮情況、結(jié)圈大小，耐火磚的燒蝕程度等，由這些信息又間接反映了窯筒體輻射熱的大小和節(jié)能的潛力，故還沒有充分發(fā)揮其在節(jié)能的功效。  

窯尾的氣體分析是很重要的參數(shù)，它測(cè)定窯尾煙室氣體中含的O2，CO，NOX ， 這些參數(shù)可間接反映窯煅燒情況，系統(tǒng)漏風(fēng)情況以及所煅燒的熟料質(zhì)量，也可作為優(yōu)化或?qū)＜铱刂频闹匾獏?shù)，目前在國內(nèi)除少數(shù)幾個(gè)水泥廠外，大多數(shù)水泥廠沒有設(shè)置此裝置，主要原因是成套設(shè)備較復(fù)雜且價(jià)格較貴，在操作和分析數(shù)據(jù)方面也有一定難度，但從節(jié)能戰(zhàn)略角度來看，應(yīng)該予以重視，而且已有新推出的便于操作的新型探頭和取樣分析裝置，如西門子公司新研制的CEMAT分析裝置等。建議大水泥集團(tuán)在吸取國內(nèi)外先進(jìn)廠使用經(jīng)驗(yàn)逐步加以推廣。 
  
優(yōu)化或?qū)＜铱刂茖?duì)窯的煅燒工藝是錦上添花，要用好的確不易，但用好了也能節(jié)能。國內(nèi)水泥廠還沒有成功的實(shí)例，卻有失敗的經(jīng)歷?，F(xiàn)今IT的技術(shù)不斷發(fā)展，智能監(jiān)控儀表也越來越完善，筆者認(rèn)為走在水泥行業(yè)前端的大集團(tuán)，可做試點(diǎn)，借鑒如Optimize IT優(yōu)化專家系統(tǒng)，使工廠運(yùn)行在最高生產(chǎn)率。在優(yōu)化或?qū)＜铱刂茖?shí)施前，也應(yīng)把有限的PI控制回路投入，如：窯頭罩負(fù)壓控制回路，分解爐出口溫度控制回路，增濕塔出口溫度控制回路，冷卻機(jī)蓖床速度控制回路，高溫風(fēng)機(jī)出口壓力控制回路等。 

水泥廠的電耗集中在三磨，它約占全部電耗的70~80%，降低磨運(yùn)行的電耗又是節(jié)能的重點(diǎn)，其關(guān)鍵是磨運(yùn)行在最佳的負(fù)荷狀態(tài)，負(fù)荷控制回路若能可靠投入運(yùn)行，即能降低磨運(yùn)行的電耗。對(duì)球磨而言，被控過程變量是磨機(jī)和提升機(jī)的功率，磨音的頻率等；在立磨被控過程變量則是進(jìn)出口的壓差，調(diào)節(jié)參量是定量給料機(jī)的喂料量。 目前國內(nèi)用PID回路投入的幾乎沒有，因?yàn)樗嵌嘧兞?、非線性、純滯后的回路，可通過組態(tài)為PI的串級(jí)回路或開發(fā)專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)單元或建模預(yù)估的方法來實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的負(fù)荷控制，國外已有較成熟的軟件，如CEMAT等。  

五．綜合利用廢氣，實(shí)現(xiàn)低溫余熱發(fā)電 

前述干法水泥的工藝過程氣流活躍在整個(gè)生產(chǎn)過程中，其中熱風(fēng)有一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)， 還有冷卻機(jī)形成的大量熱風(fēng)，在循環(huán)過程中帶有一定溫度的氣體被排放在大氣中，實(shí)現(xiàn)低溫余熱綜合利用，用于發(fā)電和熱力管網(wǎng)，是國家重點(diǎn)扶植的項(xiàng)目，“十一五”期間實(shí)現(xiàn)低溫余熱水泥生產(chǎn)線將達(dá)40%。目前在能源緊缺的浙江等省已有不少的案例。在北方地區(qū)一個(gè)典型的CDM項(xiàng)目是北京水泥廠的清潔發(fā)展機(jī)制，北京水泥廠是環(huán)保型企業(yè)，現(xiàn)有二條干法水泥生產(chǎn)線，規(guī)模分別為2000t/d和3200t/d，它還是中國水泥行業(yè)第一個(gè)兼有垃圾焚燒的企業(yè)。它正在實(shí)施的CDM項(xiàng)目是利用二臺(tái)窯的預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)7.5MW汽機(jī)的預(yù)熱發(fā)電。 在窯尾一級(jí)筒出口至排風(fēng)機(jī)的管道抽出溫度約300度的廢氣，同時(shí)在冷卻機(jī)上打洞，抽出溫度約150度的熱空氣，二套窯系統(tǒng)四個(gè)出口點(diǎn)，有四臺(tái)鍋爐，分別裝在工藝點(diǎn)附近，鍋爐出口蒸汽匯總進(jìn)入汽機(jī)。根據(jù)標(biāo)定溫度設(shè)計(jì)鍋爐，汽機(jī)發(fā)出的電能并入工廠中壓電網(wǎng)。另外在北方地區(qū)用低溫余熱供熱力管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)取暖和供熱，這方面有專門介紹，本文就不再敘述。 

六．結(jié)論 

1．在當(dāng)前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，黨中央提出建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，是基于我國要長(zhǎng)期發(fā)展的戰(zhàn)略構(gòu)想， 水泥行業(yè)是耗能大戶， 它面臨著如何降低能耗，發(fā)展綜合利用，最大限度減少污染的艱巨任務(wù)。   
 
2．降低能耗有多種措施，但離不開自動(dòng)化。它起監(jiān)控、協(xié)調(diào)、優(yōu)化、管理的重要作用，通過TIA，MES可以使水泥大集團(tuán)生產(chǎn)更有序，使工廠運(yùn)行在最高生產(chǎn)率，最優(yōu)的能耗指標(biāo)。 

3．綜合利用廢氣，實(shí)現(xiàn)低溫余熱發(fā)電，有極其深遠(yuǎn)的社會(huì)影響，也有極大的經(jīng)濟(jì)效益。 
我們相信在不久的將來，我國不僅是水泥產(chǎn)量世界第一，單位能耗是世界最低的，綜合利用也是世界最好的。