水泥業

水泥的生產,一般可分生料磨製、煅燒和水泥製成等三個程序。生料磨製即石灰石和黏土等原料,進行磨機磨細之程序;生料經懸浮預熱機預熱至750℃左右進入旋窯進行約1,450℃高溫煅燒,經煅燒成漿狀的生料自旋窯底部流出後迅速進入高速空冷的冷卻機,將漿料急冷至約100~200℃,完成堅硬的熟料(clinker)製作。熟料與石膏等經成份比例秤量後送入水泥磨機研磨,即完成水泥製作。進一步說明水泥生產製程如下:

A.生料研磨:

將石灰石(碳酸鈣含80%以上)、粘土、矽砂、鐵渣等原料以適當比例配料,在研磨機內加以粉碎再經均勻拌合選粉、集塵後存於生料庫中。

B.熟料燒成:

生料在懸浮預熱器,先經懸浮預熱塔及預熱室的燃燒,而後再經旋窯以 1,450 ~ 1,500℃高溫燒至半熔融,再掉入冷卻機中予以冷卻後,稱為熟料,經提運機轉熟料庫儲存。

C.水泥研磨:

將熟料及石膏送入水泥磨,磨至標準細度即成為水泥製品。水泥製成後尚需測試期強度,卜特蘭一型水泥28天強度標準是380 kg/㎝2;另於研磨過程中,亦可依客戶需求,加入適當之矽質、鋁質或爐石粉等添加劑,而產出飛灰水泥、高爐水泥及矽質水泥等各類水泥。

D.包裝:

水泥出貨概分為散裝及袋裝二類,散裝水泥則由出貨口直接按地磅數卸貨至散裝車內,袋裝水泥則由水泥儲存庫經包裝機稱重及檢斤包裝後裝車出貨。

1.生產水泥製程能耗方面的最佳製程選擇

根據歐盟Integrated Pollution Prevention and Control( IPPC)出版之” Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Cement, Lime and Magnesium Oxide , 2013”報告,有關生產水泥在能源耗用方面的最佳製程選擇,採用乾式且具有多階預熱與預煅燒之製程(如圖1所示),單位耗能範圍為2,900~3,300 MJ/噸熟料,這些製程應包含:

圖1、水泥廠製程流程與主要設備圖

A.降低熱能消耗(Reduce Thermal Energy Cinsumption):

(a)應用最適化旋窯系統,並採用電腦化之最佳控制系統、現代化進料系統、以及盡可能作預熱與預煅燒之順暢與穩定操作,使生產狀況能接近設計值。

(b)從旋窯系統,尤其是冷卻區回收廢熱,用來乾燥原料。

(c)依原料之特性與燃料之性質,設置適當階數的旋 風預熱器。

(d)選用對熱能消耗有正面影響的燃料。

(e)選用最佳且適當的旋窯系統,可燃燒廢棄物以取代傳統燃料。

(f)盡量減少旁通輸送(Bypass Flows )。

B.降低初級能源消耗(Primary Energy Consumption):

(a)藉由添加高爐爐石與飛灰的方式,降低水泥內的熟料含量。

(b)設置汽電共生系統,回收各項廢熱以產汽發電。

C.降低電能消耗:

(a)使用電力管理系統

(b)降低洩入系統的空氣量

(c)高效率研磨設備

(d)最佳程序控制

2.水泥窯廢熱發電技術

水泥熟料煅燒過程中,由窯尾預熱器、窯頭熟料冷却器等排掉的400℃以下之低温廢熱,其熱量約占水泥熟料燒成總耗熱量30%以上,造成的能源浪費相當大。水泥的生產過程,一方面消耗大量的熱能,另一方面也消耗大量的電能。如果將排掉的400℃以下低温廢熱轉換成電能並提供水泥廠的製程使用,可使水泥生產總耗電降低30%以上,對於水泥廠可大幅降低單位耗電與對外購電,也可减少CO2的排放而有利於保護環境。

A.國外節能效益:

目前國際上有進行水泥窯廢熱發電技術及設備研究與開發的國家主要有日本、荷蘭、以色列、德國等國家,其中尤其以日本鋼管(JFE)、日本川崎重工(KHI)的技術及設備在國際上推廣應用所占的比重最大。以日本鋼管(JFE)與日本川崎重工(KHI)為例:

(a)利用的廢氣餘熱:窯尾350~200℃,熟料冷却器400~90℃。

(b)主蒸汽参數:0.69~2.4MPa(280~340℃)。

(c)主要設備:SP鍋爐、AQC鍋爐、汽輪機、發電機。

(d)每噸熟料發電量:36~45kwh/t。

B.國外成本效益:

根據中國(2007)的分析資料,每kw裝機投資金融為9000~12000元人民幣,相當於43,200~57,600元台幣/kW;發電成本(含折舊)為0.16~0.2元人民幣/kwh,以2007年的幣值,約4~8年可以回收。

3.新式懸浮預熱器(NSP)

生料在懸浮預熱器(SP)或新懸浮預熱式窯(NSP),先經懸浮預熱塔及預熱室的燃燒,而後再經旋窯以 1,450 ~ 1,500℃高溫燒至半熔融,再掉入冷卻機中予以冷卻後,稱為熟料,經提運機轉熟料庫儲存。旋窯預熱機的預熱段數越多,可提升旋窯效率。

A.國外節能效益:

依國外的經驗,每增加一級預熱器可減少4~6%的單位耗熱,如表1所示。

表1、預熱器段數與單位熟料之耗熱關係

B.國外成本效益:

無相關資料。

圖2、多段式懸浮預熱器與旋窯系統

4.採用豎磨

利用機械本身直接施力於被磨原料上,豎磨利用兩個或多個圓錐形之研磨滾輪,在一水平研磨盤或碗狀器研磨內,以一定平面或曲面上依一軌跡而滾轉。此種生料磨包括有洛氏磨(Loesche-Mill)、波利休士雙滾輪磨(Polysius double roller Mill)、卜菲夫-MPS磨(Pfeiffer-MPS-Mill)及日本宇部立磨(UBE-Vitic Mill)等多種型式。其主要功能是用於水泥生料粉研磨以及相關礦石粉料之研磨,亦是省能之要務。同時原料顆粒可較大於管磨機系3〜4倍。如圖3所示。

圖3、 豎磨機

A.國外節能效益:

依國外的經驗,管磨機平均磨噸生料要14度電,豎磨研磨機則平均約7度電,省能50%。

B.國外成本效益:

無相關資料。

5.空壓設備節能最佳化技術

美國能源部針對該國國內企業實施壓縮空氣系統節能改善進行調查,其統計結果如表2所示,一般最受業者忽視的「減少壓縮空氣洩漏」節能改善措施,其節能潛力相當大。壓縮空氣需投入相當多的能源,但因其無色無味,促使業者對空壓系統的洩漏較不重視。一般而言,洩漏對空壓系統能源損耗影響大,會浪費空壓電能總輸出的20~30%。

表2、壓縮空氣系統採用節能改善措施之效益
可實施的節能措施 平均節能率(%) 最大節能率 平均投資回收年限(ROI)
1 減少壓縮空氣洩漏 26.3 % 59.3 % 0.9
2 降低系統壓力 2.0 % 10.6 % 1.3
3 安裝/調整空車控制系統 10.5 % 33.5 % 0.8
4 採用多機連鎖 7.6 % 33.6 % 2.7
5 減低總運轉時數 2.6 % 15.8 % 0.1
合計 43.7 % 65 % 0.8

說明:上述數據為美國能源部調查統計資料。

資料來源:工研院「壓縮空氣系統能源查核及節約能源案例手冊」

參考文獻:

1. European Commission(2013), ” Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Cement, Lime and Magnesium Oxide ”.

2.Industrial Efficiency Technology Database(2014), Cement Sector, http://ietd.iipnetwork.org/content/cement

3.唐金泉,中国水泥窑余热发电技术,大连易世达能源工程有限公司,2007。

4.The cement plant operations handbook, International Cement Review,5th edition, pp. 40-41.