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【技术 | 富氧燃烧助力水泥企业实现能耗限额新标准】

2022/03/28
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摘要: 通过分析水泥工业能耗限额标准 GB16780 新旧版的差异及新版标准实 施的意义,对于水泥企业如何实现新标准中要求的能耗指标进行了探讨。并结合 富氧烧成系统的原理与实践经验对于水泥窑炉富氧烧成系统的实施提出了方案 及实施建议。


随着“双碳”“双控”的新形势,国家市场监督管理总局(国家标准化管理委员 会)发布公告批准了 602 项国家标准,其中就包括 GB16780-2021《水泥单位产 品能源消耗限额》,公告中指出,此标准将于 2022 年 11 月 1 日起正式实施。新 标准的实施将把水泥行业能效水平推动到一个新的高度,对于水泥人来说,这样 的变化既是挑战也是机遇,如何采用水泥行业的新工艺新方法来应对能效指标的 挑战是需要大家认真研究和讨论的课题。


施行单位产品能耗限额,目的是根据技术经济开展程度,将过于落后、严重 浪费能源和高污染的技术和工艺强迫淘汰,达到节约能源和进步经济效益的目的。 是利用法制手段来实现工业节能的有效方法之一,也是为推进工业技术进步所采 取的强迫性措施。根据国家的节能政策,假如实际单位水泥产品能耗超过能耗限 额限定值,那么须责令企业限期整改,并且要进行相应的处分例如实行惩罚性电 价政策。因此,对于新版水泥企业能耗限额标准的实施应当引起所有水泥人的高 度重视。


1、水泥工业能耗限额新标准解析 

 1.1 更改了能源消耗相关指标的术语和定义 2 / 6 取消了旧版标准中的“可比”能耗定义,例如“可比熟料综合煤耗、可比熟料 综合电耗、可比熟料综合能耗”等名称改为“单位孰料产品综合煤耗、单位熟料 产品综合电耗、单位熟料产品综合能耗”等。这些术语的修改保证了与上位标准 GB/T 2589 以及 GB/T 12723 一致。

1.2 补充了能源限额等级 2021 年发布的新版标准将能效指标进行了分级,分为 1 级、2 级、3 级共 三级能效,基本可以与原标准的限定值、准入值、先进值相对应。另外,限额 指标中取消了水泥综合电耗,增加了水泥制备工段电耗。在此列出新旧版标准 中列出的各项限额值以供对比,从对比数据看,1 级能效指标(对应旧版标准 的先进值)下降幅度非常大,详见表 1: 表 1:


GB 16780 新旧版限额值对比表

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1.3 更改了单位产品能耗限额指标计算的影响因素修正系数 具体来说改动包括: 

a) 修订了海拔高度修正,即现有企业用能单位生产所在地海拔高度超过 1500m 时进行海拔修正,而旧版是超过 1000m 需进行修正 3 / 6 

b) 取消孰料与水泥强度修正,意味着不鼓励多耗能而生产过于富余强度的 水泥与熟料 

c) 取消余热直接利用修正。


2. 水泥行业内富氧燃烧技术的原理

富氧燃烧技术起源于美国,成熟于德国,已经在各行业所涉及到的燃烧领域 开始了广泛的应用。作为一种高效燃烧技术,富氧燃烧既可以减少能耗,又能降 低排放。是被行业内专家认可的一项新工艺,有利于助力水泥企业达到新国标能 耗限额指标。 


先从原理上来分析,由于目前水泥窑炉一般情况下采用空气助燃,空气含 量氧气占 21%,煤粉在回转窑内常常因氧气含量不足而导致燃烧不够充分,同 时 79%的氮气不参与反应,作为烟气排放,带走热量造成能源浪费且造成环境 污染。通过富氧燃烧技术可以极大改善窑炉内煤粉燃烧工况: 


2.1. 提高煤的活性,降低煤的理论燃烧温度,进而提高煤的燃烧速度、燃 尽率:富氧燃烧使得煤粉可以迅速达到着火点并将燃料的能量更集中的释放, 用在窑炉烧成段,减少了燃烧的边际效应,减少了煤粉不完全燃烧而导致的能 量浪费。 

2.2. 提高燃烧的集中度和火焰强度,增加燃烧热量的利用率,能够提高火 焰绝对温度,进而提高燃烧温度,减少火用损失。 

2.3. 提高火焰黑度,进而提高辐射强度和强化辐射传热;将燃料燃烧释放 的能量更多的传给物料,减少其释放出的能量随废气流失造成的浪费。

2.4. 减少燃烧后排气量,降低烟气带走热量。减少燃烧用风,减少废气排 放,降低热能损失。减少废气排放,同时具有减小废气处理系统能力降低投资、 降低高温风机和尾排排风机电耗的好处。


3. 水泥行业富氧烧成系统的应用现状及实施建议

近几年,水泥行业内的富氧燃烧技术与系统整体方案已经逐渐迈向成熟, 并且取得了很好的效果。在此列举几个成功案例。 


3.1. 山东某厂 5000t/d 水泥窑炉富氧燃烧系统:富氧制备原理为深冷法直 送富氧,标定结果显示,富氧投入后实现了提产 450t/d,标煤耗降低 7.8kgce/tcl。 中控画面显示火焰温度与二三次风温都有很大提升,并且窑电流非常稳定,说 明富氧系统的投用对于稳定窑炉工况也有非常积极的作用。公司对于富氧燃烧 提产、提质、节煤等各方面都很满意,系统于 2017 年 4 月稳定运行至今。该 系统是目前相关资料所记载的世界上运行时间最长的水泥窑炉富氧燃烧系统。 

3.2. 安徽池州某厂 5000t/d 水泥窑炉富氧燃烧系统:富氧制备原理为深冷 法直送富氧,该系统达到了很好的预期。从热工标定报告显示,富氧投入后实 现了提产 500t/d,标煤耗降低 7kgce/tcl,吨熟料综合电耗仅增加了 0.4kWh/tcl。 富氧技术实施后,火焰温度和二三次风温度明显提升,窑况更加稳定,富氧燃 烧降低空气过剩系数,降低烟气生成量,C1 出口废气量减少。也极大减少了二 氧化碳的排放量。 


在总结比较了前期富氧系统失败的经验教训以及结合近几年富氧烧成系统 成功运行的案例来看,我们基本可以得出如下几条富氧系统在水泥窑炉上的实施建议:

A. 富氧制备成本是需要首要考虑的因素。深冷直送法制备富氧是将氧含量 为 22%~45%的高温富氧产品直通窑炉内部,无需再次通过与空气混配。直送 法既保证了系统长期运行的安全性、可靠性、稳定性,又避免了再次混配消耗 能量从而降低了制氧成本,保证了整个系统的经济效益性。从标定数据来看, 深冷直送法制氧系统可以控制水泥吨熟料综合电耗仅上涨 0.4kW·h/t·cl(第二代 深冷直送法制氧系统),是有记载的成功案例中电耗最低的制氧系统。

B. 富氧的各项参数(包括氧含量、流量、温度、压力等)均要与窑炉工况 匹配度高。也就是各项参数需要实时可调,可以配合水泥生产企业的原料及燃 料不同批次及堆场的变化来调整富氧产品的各项参数。 

C. 由于在水泥企业环境中无法避免的存在细小的粉尘颗粒,这对制氧设备 来说,在此环境下能长期稳定运行是个巨大挑战。以往的水泥厂富氧燃烧失败 案例与其设备在粉尘环境下工作效果逐渐衰退也有一定关系。所以对于粉尘环 境要求敏感性高的制氧设备不建议采用。

D. 富氧设备的运行维护成本及设备使用寿命也是需要长期考虑的因素。深 冷直送法富氧设备设计寿命为 20 年,而且无人值守,操作维护简单,能极大 降低水泥企业的日后运维成本。


4. 结束语 

由于 GB16780-2021《水泥单位产品能源消耗限额》将于 2022 年 11 月 1 日正式实施,留给所有水泥企业的时间还有不到一年。在双碳战略及能耗双控 的大环境下,水泥产业采用新技术和新工艺提高水泥生产效率,减少能源消耗, 达到国家的能效限额是大势所趋。水泥窑炉的富氧燃烧系统作为一项理论上与 实践中都相对成熟的技术,能轻松助力各水泥企业早日达到相关限额标准。此外,各位水泥行业的从业人员在节能降耗的道路上需要不断吸收新的技术,引 进新的工艺,继续奋力前行