易門大椿樹：智能化與綠色發展的華麗轉身
——中材國際（南京）“新二代”技術研發應用紀實
■杜小衛 于 歡 董思含
地處中國西南邊陲的云南省易門縣，是國家對外開放縣和云南省革命老區。全縣江河沿岸受河流切割影響，山谷相間，地形復雜，孕育了豐富的石灰石等非金屬礦產資源。近年來，易門縣立足資源稟賦和區位優勢，搶抓滇中城市經濟圈一體化發展，被列入云南省重點培育的工業強縣，云南省新型工業化產業示范基地。
圖為云南易門大椿樹水泥有限責任公司。
2019年5月，云南易門大椿樹水泥有限責任公司日產4000噸新型干法水泥熟料生產線產能置換項目正式啟動，年產熟料120萬噸、水泥160萬噸。建成投產后，預計每年實現工業產值6億元、上繳稅收6000萬元。
為把該生產線打造成“新二代”標桿，中材國際工程股份有限公司（南京）（以下簡稱中材國際（南京））董事長沈軍提出要求：該生產線必須超越“二代線”技術標準，實現深度節能、超低排放、智能制造、裝備先進、綠色環保的建設目標。
高質量發展的新征程
2012年，中國建筑材料聯合會提出“第二代新型干法水泥生產線”的發展目標，2018年4月中國建筑材料聯合會組織召開“兩個二代”示范線遴選會議，提出“新二代”示范線的技術經濟指標要求。為此，中材國際（南京）成立新的第二代新型干法水泥技術攻關小組，總經理印志松任攻關小組組長，集聚了技術中心、工藝所、設備所、自電所、信息智能中心等多部門，集中上百名科技人員，投入數億元資金和物資，從工藝、裝備、結構、智能化等方面，全力攻關“新二代”水泥技術與裝備的核心難題，開發出滿足“新二代”所有指標要求的具有自主知識產權的核心技術和裝備。
為確保“新二代”攻關項目的順利進行，攻關小組每年都制定攻關計劃，其內容包括：攻關項目的立項申請、立項審批，項目的實施過程中的跟蹤與考核、協調與指導，攻關項目資金保障與監督，攻關項目成果審查與驗收，以及制定對攻關人員的獎勵辦法等。尤其是在智能化研究方面，有計劃、有目標地推進智能化系統的建設，先后打造了陜西銅川堯柏萬噸線、貴州正安西南、寧夏吳忠賽馬等20多條水泥智慧生產線，形成了全面建設數字化水泥工廠的能力。
自2013年以來，中材國際（南京）完成的工藝技術裝備等“新二代”攻關項目近百項，取得發明專利2項、實用新型專利等14項、完成各項軟著22項，獲建材行業、集團一等獎8項、二等獎4項、三等獎2項，另有10項發明專利還在申報中。
以上所有努力，讓中材國際（南京）得以站上高質量發展的新臺階，為易門大椿樹新的第二代新型干法水泥示范線的建設奠定了堅實基礎。
節能高地上的美麗風景
今年1月26日，易門大椿樹項目正式投料生產。盡管工廠地處1800米高海拔地區，但燒成的熟料實際熱耗96kg標煤，可比熱耗91.5kg標煤；熟料綜合電耗43.5kWh/t；水泥綜合電耗61.5kWh/t，各項指標均達到國內外一流水平。
節能降耗，是新的“二代線”成功與否的核心指標。但是，作為傳統工業的水泥制造業，其工藝、技術、裝備等經過多年打磨，早已有了相當的成熟度，每降低1kg煤耗、1kWh電耗，足以讓研發人員嘔心瀝血。自2013年以來，中材國際（南京）的科研人員為了實現系統節能降耗的目標，不斷推進原料粉磨、水泥粉磨、預分解系統等多項技術與裝備的優化升級。這些核心技術與裝備經過長期的優化完善，終于在易門大椿樹項目建設中厚積薄發，發揮了關鍵作用。
技術中心主任朱剛告訴筆者，為了實現節能降耗的目標，必須把每一點多余的熱耗降下來。針對五級預熱器出口溫度排放偏高的問題，研發人員確定開發低動力消耗、低系統能耗、超低阻預熱預分解的六級預熱器。研發人員在總結以往工程經驗的基礎上，采用入口氣流旋轉動量矩優化、外渦旋導流、內渦旋強度控制、旋風自然長控制等技術手段，對各級旋風筒進行差異化結構設計和參數控制，成功實現了高分離效率，低系統壓力損失。此后，該預熱器在多條水泥生產線上成功應用，并不斷優化完善，不僅使其運行阻力降至4600Pa至4800Pa，更使預熱器出口溫度排放從320℃下降至260℃。在易門大椿樹項目中，研發人員充分考慮到高海拔條件下氣體密度減小對熱量、動量傳遞和燃燒反應的影響，通過理論分析和CFD模擬，進一步優化分解爐設計，強化風、煤、料的配合，優化爐內燃燒，使生料分解率高達97%。構建以分解爐為核心的新型綠色環保低碳等多目標協同預分解系統，在燒成系統研發上取得重要突破，不僅提升了生料分解效率，同時具備了盡可能高的自脫硝功效，對原燃料及生產操作的適應性更好，也滿足了工廠未來協同處置300t/d城市生活垃圾、污泥、危廢物的需求。
為實現節能降耗的目標，科研人員還注重集成國內的其他先進技術。據了解，采用新型納米絕熱保溫材料，可以有效減少散熱導致的直接熱損耗，但國內納米絕熱材料的生產廠家和品種眾多，存在性價比、實際使用效果差異較大等諸多問題。為此，研發人員搭建了納米絕熱材料實驗室，建立起完整的納米保溫材料性能測試系統和評價體系，對產品高溫導熱系數、抗壓性能、體積密度、線收縮率等關鍵性能指標進行全面的測試與分析評估，并針對10多個工程項目的燒成系統制定了不同的隔熱內襯方案。尤其是在易門大椿樹項目中，設計人員還將新型納米隔熱材料應用于燒成系統部分高溫設備，在高性價比的前提下，燒成系統設備表面散熱損失降低20%以上，高溫設備表面溫度下降30℃左右。
智能化賦能水泥工廠巨大潛力
伴隨著工業互聯網時代的全面開啟，數字化、智能化浪潮正席卷全球，中國水泥行業迎來全新變革的重要機遇。中材國際（南京）緊跟時代發展脈搏，自主研發數字化設計、管理、運維三大數字化平臺，自主打造水泥工廠智能化建設系統（NC-CPIS），建立起了數字化、可視化、高效化的水泥工廠運營新模式。
易門大椿樹項目的智能化建設，從礦石開采到水泥出廠，大量引入國際一流裝備，應用“智能、協同、綠色、安全”的中央控制系統、物聯感知系統、無人值守裝卸料系統、智能質控系統、智慧物流系統，利用云計算、大數據、AI技術等前沿科技全面賦能，生產效率提高24%，能源利用率提高12.6%，運營成本降低11.8%。
2012年，初期的“二代線”還沒有對智能化礦山提出具體要求，但中材國際（南京）的高層領導敏銳捕捉到這一大趨勢。在分析研討會上，他們詳細剖析了當時水泥礦山信息化建設存在的不足。工藝所所長劉昊告訴筆者，這些不足突出表現在4個方面：一是缺乏相關標準，沒有礦山的頂層設計和規劃；二是缺乏多學科融合應用，使智能化平臺無法為其提供解決途徑；三是重硬件輕軟件，獲取的大量信息得不到充分有效利用，造成信息資源浪費；四是“信息孤島”現象嚴重，系統互不兼容，信息技術的強大優勢有待于進一步深入挖掘。
基于以上認識，中材國際（南京）成立了智能化數字化礦山專題研發組，著力于礦山設計、安全保障、高效生產、經濟運營、綠色環保5個方面智能化環節的綠色礦山建設。與此同時，公司引進了三維礦業設計軟件，推進礦山設計的三維數字化進程，并通過3個真實的礦山設計項目，從礦山地形地質圖的導入到剖面圖的定位、鉆孔數據錄入再到探槽數據的三維呈現、三維DTM地形建模、礦床實體模型生產及礦床塊體模型到開采境界優化等，最終形成了《礦山三維數字化工作方法和經驗的總結報告》，并在數十個礦山項目中得到成功應用，為易門大椿樹新的“第二代”數字智能化綠色礦山建設奠定了基礎。
易門大椿樹項目配套石灰石礦山年產200萬噸礦石，按照二級安全標準化和數字智能化礦山的要求進行建設。建設過程中，中材國際（南京）為其量身定制了“一個中心+四個平臺+三個系統”的整體架構系統，分別為1個數據中心，數字采礦軟件、生產執行系統、三維可視化管控、手機調度系統4個平臺，無人值守稱重、跨帶式礦石品位在線分析、視頻監控3個系統。系統投運后，進廠礦石品位合格率從56.5%大幅提升至85%以上，低品位資源利用率提高30%，炸藥單耗降低20%，礦山生產效率提高10%。
多措并舉讓氮氧化物排放降下來
綠色環保是“新二代”水泥生產線成功與否的關鍵，也是“新二代”技術的重要特征。水泥工業顆粒物排放占全國顆粒物排放總量的15%至20%，NOx排放占全國工業排放總量的10%至12%，僅次于燃煤電廠和汽車尾氣，給環境保護帶來巨大壓力。因此，國家在《“十二五”節能減排規劃》《水泥工業大氣污染物排放標準》中就明確規定了水泥工業NOx排放的約束性指標，不斷加大NOx排放總量的控制力度。尤其是在2018年4月，中國建筑材料聯合會出臺了《新的第二代新型干法水泥示范線主要技術經濟指標達標要求》，對主要生產設備粉塵排放量、水泥窯NOx排放、水泥窯SO2排放等提出了更高的要求。
水泥工業NOx排放主要來自回轉窯和分解爐的燃燒過程。為打造高效低氮的燒成系統，中材國際（南京）從燒成工藝和裝備入手，集成先進工藝技術，以降低NOx和顆粒物的排放。先后承擔了國家“863”項目《水泥預分解窯系統降低氮氧化物的技術研究》、國家重大產業技術開發項目《降低水泥窯氮氧化物排放的關鍵技術開發》、江蘇省成果產業化項目《新型干法水泥生產過程NOx減排技術的產業化研究》，承建了100多條脫硝生產線，脫硝效率均大于60%，憑借豐富的理論研究和工程經驗，主編了脫硝國家標準GB51045和JCT2303。
研發人員針對目前大多數水泥企業采用選擇性非催化還原法(SNCR)脫硝技術成本高、運輸、儲存風險大、生產過程存在大量污染的問題，研究開發出一種降低水泥熟料燒成系統NOx的裝置，具有可調可控、可連續操作、水煤漿噴入量大、脫硝效率高、SNCR的氨水用量低、對燒成系統影響小等優點。尤其是在易門大椿樹項目中，研發人員針對1800米的高海拔，利用模擬軟件，結合生產實際工況，通過對海拔、環境和燒成溫度對水泥生產及NOx形成過程影響的研究，得到不同海拔下分解爐內NOx、溫度和氧含量等參數的分布，設計出適用于高海拔地區專用預分解脫硝系統。
經過多年積累，研發人員開發了具有自主知識產權的脫硝旋流燃燒器，具有減少NOx生成、一次風量低、調節范圍廣、對煤質適應性強的突出優點。該燃燒器通過優化改進了回轉窯用燃燒器的結構形式，從源頭上控制住NOx的產生，自脫硝效率達到50%以上。
在總結以往工程經驗的基礎上，研發人員開發出多目標協同的預分解系統，充分考慮噴旋結合、入爐物料分散控制等，使物料在預熱預分解生料的同時，具備較好的自脫硝功能。
易門大椿樹項目的設計按照NOx排放控制要求，采用預分解自脫硝+SNCR組合脫硝技術，窯尾煙囪NOx排放控制在100mg/Nm3以下；采用優化升級的預分解煤粉分級燃燒自脫硝技術，在不噴入氨水的情況下，分解爐出口的煙氣中NOx本底值約400mg/Nm3；采用低粉塵環境下氨氮充分混合、接觸及反應的新一代高效SNCR脫硝技術，在預熱器C6旋風筒的錐部噴入適量的氨水，與NOx發生氧化還原反應，進一步控制煙氣中NOx的排放。項目還根據原料中低價硫含量及其轉化率的測試分析結果，充分利用水泥熟料燒成系統堿性環境，利用高活性的CaO將煙氣中的SO2固化成CaSO4，滿足了窯尾煙囪SO2排放＜50mg/Nm3的要求。項目預留了協同處置固廢、危廢的接口和處置空間，在后期條件合適情況下增設該部分內容。
今年10月，云南省工信廳公示第一批云南省智能制造標桿企業，易門大椿樹水泥有限責任公司智能制造生產線榜上有名，主要運行指標“國內一流，云南最優”，達到了新的第二代新型干法水泥示范線技術標準，符合國家智能制造標準體系建設指南的相關要求，對云南省的水泥工業發展有著重大意義。
責編：張文齋
校對：張健
監審：韓鳳鳳
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