易门大椿树:智能化与绿色发展的华丽转身

地处中国西南边陲的云南省易门县,是国家对外开放县和云南省革命老区。全县江河沿岸受河流切割影响,山谷相间,地形复杂,孕育了丰富的石灰石等非金属矿产资源。近年来,易门县立足资源禀赋和区位优势,抢抓滇中城市经济圈一体化发展,被列入云南省重点培育的工业强县,云南省新型工业化产业示范基地。

图为云南易门大椿树水泥有限责任公司。

2019年5月,云南易门大椿树水泥有限责任公司日产4000吨新型干法水泥熟料生产线产能置换项目正式启动,年产熟料120万吨、水泥160万吨。建成投产后,预计每年实现工业产值6亿元、上缴税收6000万元。

为把该生产线打造成“新二代”标杆,中材国际工程股份有限公司(南京)(以下简称中材国际(南京))董事长沈军提出要求:该生产线必须超越“二代线”技术标准,实现深度节能、超低排放、智能制造、装备先进、绿色环保的建设目标。

高质量发展的新征程

2012年,中国建筑材料联合会提出“第二代新型干法水泥生产线”的发展目标,2018年4月中国建筑材料联合会组织召开“两个二代”示范线遴选会议,提出“新二代”示范线的技术经济指标要求。为此,中材国际(南京)成立新的第二代新型干法水泥技术攻关小组,总经理印志松任攻关小组组长,集聚了技术中心、工艺所、设备所、自电所、信息智能中心等多部门,集中上百名科技人员,投入数亿元资金和物资,从工艺、装备、结构、智能化等方面,全力攻关“新二代”水泥技术与装备的核心难题,开发出满足“新二代”所有指标要求的具有自主知识产权的核心技术和装备。

为确保“新二代”攻关项目的顺利进行,攻关小组每年都制定攻关计划,其内容包括:攻关项目的立项申请、立项审批,项目的实施过程中的跟踪与考核、协调与指导,攻关项目资金保障与监督,攻关项目成果审查与验收,以及制定对攻关人员的奖励办法等。尤其是在智能化研究方面,有计划、有目标地推进智能化系统的建设,先后打造了陕西铜川尧柏万吨线、贵州正安西南、宁夏吴忠赛马等20多条水泥智慧生产线,形成了全面建设数字化水泥工厂的能力。

自2013年以来,中材国际(南京)完成的工艺技术装备等“新二代”攻关项目近百项,取得发明专利2项、实用新型专利等14项、完成各项软著22项,获建材行业、集团一等奖8项、二等奖4项、三等奖2项,另有10项发明专利还在申报中。

以上所有努力,让中材国际(南京)得以站上高质量发展的新台阶,为易门大椿树新的第二代新型干法水泥示范线的建设奠定了坚实基础。

节能高地上的美丽风景

今年1月26日,易门大椿树项目正式投料生产。尽管工厂地处1800米高海拔地区,但烧成的熟料实际热耗96kg标煤,可比热耗91.5kg标煤;熟料综合电耗43.5kWh/t;水泥综合电耗61.5kWh/t,各项指标均达到国内外一流水平。

节能降耗,是新的“二代线”成功与否的核心指标。但是,作为传统工业的水泥制造业,其工艺、技术、装备等经过多年打磨,早已有了相当的成熟度,每降低1kg煤耗、1kWh电耗,足以让研发人员呕心沥血。自2013年以来,中材国际(南京)的科研人员为了实现系统节能降耗的目标,不断推进原料粉磨、水泥粉磨、预分解系统等多项技术与装备的优化升级。这些核心技术与装备经过长期的优化完善,终于在易门大椿树项目建设中厚积薄发,发挥了关键作用。

技术中心主任朱刚告诉笔者,为了实现节能降耗的目标,必须把每一点多余的热耗降下来。针对五级预热器出口温度排放偏高的问题,研发人员确定开发低动力消耗、低系统能耗、超低阻预热预分解的六级预热器。研发人员在总结以往工程经验的基础上,采用入口气流旋转动量矩优化、外涡旋导流、内涡旋强度控制、旋风自然长控制等技术手段,对各级旋风筒进行差异化结构设计和参数控制,成功实现了高分离效率,低系统压力损失。此后,该预热器在多条水泥生产线上成功应用,并不断优化完善,不仅使其运行阻力降至4600Pa至4800Pa,更使预热器出口温度排放从320℃下降至260℃。在易门大椿树项目中,研发人员充分考虑到高海拔条件下气体密度减小对热量、动量传递和燃烧反应的影响,通过理论分析和CFD模拟,进一步优化分解炉设计,强化风、煤、料的配合,优化炉内燃烧,使生料分解率高达97%。构建以分解炉为核心的新型绿色环保低碳等多目标协同预分解系统,在烧成系统研发上取得重要突破,不仅提升了生料分解效率,同时具备了尽可能高的自脱硝功效,对原燃料及生产操作的适应性更好,也满足了工厂未来协同处置300t/d城市生活垃圾、污泥、危废物的需求。

为实现节能降耗的目标,科研人员还注重集成国内的其他先进技术。据了解,采用新型纳米绝热保温材料,可以有效减少散热导致的直接热损耗,但国内纳米绝热材料的生产厂家和品种众多,存在性价比、实际使用效果差异较大等诸多问题。为此,研发人员搭建了纳米绝热材料实验室,建立起完整的纳米保温材料性能测试系统和评价体系,对产品高温导热系数、抗压性能、体积密度、线收缩率等关键性能指标进行全面的测试与分析评估,并针对10多个工程项目的烧成系统制定了不同的隔热内衬方案。尤其是在易门大椿树项目中,设计人员还将新型纳米隔热材料应用于烧成系统部分高温设备,在高性价比的前提下,烧成系统设备表面散热损失降低20%以上,高温设备表面温度下降30℃左右。

智能化赋能水泥工厂巨大潜力

伴随着工业互联网时代的全面开启,数字化、智能化浪潮正席卷全球,中国水泥行业迎来全新变革的重要机遇。中材国际(南京)紧跟时代发展脉搏,自主研发数字化设计、管理、运维三大数字化平台,自主打造水泥工厂智能化建设系统(NC-CPIS),建立起了数字化、可视化、高效化的水泥工厂运营新模式。

易门大椿树项目的智能化建设,从矿石开采到水泥出厂,大量引入国际一流装备,应用“智能、协同、绿色、安全”的中央控制系统、物联感知系统、无人值守装卸料系统、智能质控系统、智慧物流系统,利用云计算、大数据、AI技术等前沿科技全面赋能,生产效率提高24%,能源利用率提高12.6%,运营成本降低11.8%。

2012年,初期的“二代线”还没有对智能化矿山提出具体要求,但中材国际(南京)的高层领导敏锐捕捉到这一大趋势。在分析研讨会上,他们详细剖析了当时水泥矿山信息化建设存在的不足。工艺所所长刘昊告诉笔者,这些不足突出表现在4个方面:一是缺乏相关标准,没有矿山的顶层设计和规划;二是缺乏多学科融合应用,使智能化平台无法为其提供解决途径;三是重硬件轻软件,获取的大量信息得不到充分有效利用,造成信息资源浪费;四是“信息孤岛”现象严重,系统互不兼容,信息技术的强大优势有待于进一步深入挖掘。

基于以上认识,中材国际(南京)成立了智能化数字化矿山专题研发组,着力于矿山设计、安全保障、高效生产、经济运营、绿色环保5个方面智能化环节的绿色矿山建设。与此同时,公司引进了三维矿业设计软件,推进矿山设计的三维数字化进程,并通过3个真实的矿山设计项目,从矿山地形地质图的导入到剖面图的定位、钻孔数据录入再到探槽数据的三维呈现、三维DTM地形建模、矿床实体模型生产及矿床块体模型到开采境界优化等,最终形成了《矿山三维数字化工作方法和经验的总结报告》,并在数十个矿山项目中得到成功应用,为易门大椿树新的“第二代”数字智能化绿色矿山建设奠定了基础。

易门大椿树项目配套石灰石矿山年产200万吨矿石,按照二级安全标准化和数字智能化矿山的要求进行建设。建设过程中,中材国际(南京)为其量身定制了“一个中心+四个平台+三个系统”的整体架构系统,分别为1个数据中心,数字采矿软件、生产执行系统、三维可视化管控、手机调度系统4个平台,无人值守称重、跨带式矿石品位在线分析、视频监控3个系统。系统投运后,进厂矿石品位合格率从56.5%大幅提升至85%以上,低品位资源利用率提高30%,炸药单耗降低20%,矿山生产效率提高10%。

多措并举让氮氧化物排放降下来

绿色环保是“新二代”水泥生产线成功与否的关键,也是“新二代”技术的重要特征。水泥工业颗粒物排放占全国颗粒物排放总量的15%至20%,NOx排放占全国工业排放总量的10%至12%,仅次于燃煤电厂和汽车尾气,给环境保护带来巨大压力。因此,国家在《“十二五”节能减排规划》《水泥工业大气污染物排放标准》中就明确规定了水泥工业NOx排放的约束性指标,不断加大NOx排放总量的控制力度。尤其是在2018年4月,中国建筑材料联合会出台了《新的第二代新型干法水泥示范线主要技术经济指标达标要求》,对主要生产设备粉尘排放量、水泥窑NOx排放、水泥窑SO₂​排放等提出了更高的要求。

水泥工业NOx排放主要来自回转窑和分解炉的燃烧过程。为打造高效低氮的烧成系统,中材国际(南京)从烧成工艺和装备入手,集成先进工艺技术,以降低NOx和颗粒物的排放。先后承担了国家“863”项目《水泥预分解窑系统降低氮氧化物的技术研究》、国家重大产业技术开发项目《降低水泥窑氮氧化物排放的关键技术开发》、江苏省成果产业化项目《新型干法水泥生产过程NOx减排技术的产业化研究》,承建了100多条脱硝生产线,脱硝效率均大于60%,凭借丰富的理论研究和工程经验,主编了脱硝国家标准GB51045和JCT2303。

研发人员针对目前大多数水泥企业采用选择性非催化还原法(SNCR)脱硝技术成本高、运输、储存风险大、生产过程存在大量污染的问题,研究开发出一种降低水泥熟料烧成系统NOx的装置,具有可调可控、可连续操作、水煤浆喷入量大、脱硝效率高、SNCR的氨水用量低、对烧成系统影响小等优点。尤其是在易门大椿树项目中,研发人员针对1800米的高海拔,利用模拟软件,结合生产实际工况,通过对海拔、环境和烧成温度对水泥生产及NOx形成过程影响的研究,得到不同海拔下分解炉内NOx、温度和氧含量等参数的分布,设计出适用于高海拔地区专用预分解脱硝系统。

经过多年积累,研发人员开发了具有自主知识产权的脱硝旋流燃烧器,具有减少NOx生成、一次风量低、调节范围广、对煤质适应性强的突出优点。该燃烧器通过优化改进了回转窑用燃烧器的结构形式,从源头上控制住NOx的产生,自脱硝效率达到50%以上。

在总结以往工程经验的基础上,研发人员开发出多目标协同的预分解系统,充分考虑喷旋结合、入炉物料分散控制等,使物料在预热预分解生料的同时,具备较好的自脱硝功能。

易门大椿树项目的设计按照NOx排放控制要求,采用预分解自脱硝+SNCR组合脱硝技术,窑尾烟囱NOx排放控制在100mg/Nm⊃3;以下;采用优化升级的预分解煤粉分级燃烧自脱硝技术,在不喷入氨水的情况下,分解炉出口的烟气中NOx本底值约400mg/Nm⊃3;;采用低粉尘环境下氨氮充分混合、接触及反应的新一代高效SNCR脱硝技术,在预热器C6旋风筒的锥部喷入适量的氨水,与NOx发生氧化还原反应,进一步控制烟气中NOx的排放。项目还根据原料中低价硫含量及其转化率的测试分析结果,充分利用水泥熟料烧成系统碱性环境,利用高活性的CaO将烟气中的SO₂固化成CaSO₄,满足了窑尾烟囱SO₂排放<50mg/Nm⊃3;的要求。项目预留了协同处置固废、危废的接口和处置空间,在后期条件合适情况下增设该部分内容。

今年10月,云南省工信厅公示第一批云南省智能制造标杆企业,易门大椿树水泥有限责任公司智能制造生产线榜上有名,主要运行指标“国内一流,云南最优”,达到了新的第二代新型干法水泥示范线技术标准,符合国家智能制造标准体系建设指南的相关要求,对云南省的水泥工业发展有着重大意义。(杜小卫  于欢  董思含)

责编:丁涛

校对:张健

监审:韩凤凤