新型干法水泥生產(chǎn)線高硫煤應用技術

李小燕，俞為民，彭學平，王秀龍，朱金波

新型干法水泥生產(chǎn)線高硫煤應用技術

李小燕，俞為民，彭學平，王秀龍，朱金波

針對水泥預分解窯燃用高硫煤遇到的預熱器系統(tǒng)結皮、堵塞以及熟料中SO3含量較高的突出問題，首先從理論上闡述了燒成系統(tǒng)硫循環(huán)過程中發(fā)生的化學反應，分析了窯內氧氣濃度、溫度、窯內停留時間以及還原氣氛等因素對硫揮發(fā)的影響，提出了對應的減輕硫揮發(fā)程度的措施。在理論分析基礎上，從固硫技術、預分解系統(tǒng)的設計和生產(chǎn)操作過程的控制等三個方面介紹了我公司高硫煤應用技術。

高硫煤；煙室料幕；旁路放風；固硫劑；系統(tǒng)設計

1前言

高硫煤是指全硫含量（St,d）＞2%的煤種，因其具有很大的區(qū)域價格優(yōu)勢，在水泥工業(yè)的經(jīng)濟價值不容忽視。GB/T7563-2000《水泥回轉窯用煤技術條件》規(guī)定，水泥回轉窯用煤要求全硫St,d＜2.0%。高硫煤的全硫含量高于此規(guī)定值，作煅燒燃料時會給水泥生產(chǎn)帶來一系列問題。主要有以下兩個方面：其一，熟料煅燒過程中大量的硫存在會導致SO3在回轉窯、分解爐和預熱器的循環(huán)富集，造成預熱器系統(tǒng)結皮、堵塞及窯結后圈，影響燒成系統(tǒng)的操作和水泥生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。最容易發(fā)生結皮和堵塞的部位是窯尾煙室、下料斜坡、縮口及最下一級旋風筒的錐體、最下兩級旋風筒的下料管等部位。其二，如果大量的硫固化在熟料中則會導致熟料質量下降，繼而對水泥的主要性能產(chǎn)生影響，如熟料強度有所變化、水泥凝結時間不正常、石膏摻入量不易掌握和控制、影響混合材的摻入量等。GB/T 21372-2008《硅酸鹽水泥熟料》規(guī)定水泥熟料中SO3含量≤1.5%，若采用高硫煤可能會使熟料中SO3含量超標。

2應用理論研究

2.1 有關硫的主要化學反應

燒成系統(tǒng)內硫所發(fā)生的主要化學反應如表1所示。在回轉窯的燒成帶火焰溫度約1800～2400℃，煤粉燃燒過程中煤中硫氧化生成SO2。在過渡帶，氣流溫度約1400～1600℃，煤粉燃燒所生成的SO2與1300℃以上高溫的各種堿性氧化物和氧化鈣作用生成硫酸鹽，如K2SO4、Na2SO4、CaSO4。此類化合物中堿的硫酸鹽一般較穩(wěn)定，不易分解，而CaSO4較易分解生成SO2。在分解爐內，CaCO3分解生成CaO和CO2，分解爐內煤粉燃燒所生成的SO2幾乎全部被CaO吸收生成CaSO4，并隨物料經(jīng)最低級預熱器、窯尾煙室進入窯內。

在預分解窯系統(tǒng)內，燃料所含的硫在窯頭和分解爐內燃燒所生成的SO2，均被堿性氧化物和氧化鈣所吸收生成硫酸鹽。部分硫酸鹽在熟料煅燒過程中由于高溫或者還原氣氛發(fā)生分解釋放出SO2，然后又在溫度較低的區(qū)域被吸收生成硫酸鹽，如此重復上述過程形成硫循環(huán)。未被分解的硫酸鹽隨熟料從窯頭落至篦冷機內冷卻。

氣氛對硫酸鹽分解有很大的影響。在氧化氣氛下，CaSO4在溫度較高情況下（如溫度高于1200℃）直接分解，發(fā)生反應（1）。在還原性氣氛下，CO氣體的存在會使CaSO4的分解機理變得復雜，較低溫度下（如1060℃）就可以發(fā)生反應式（2）和（3）；如果存在未燃盡的煤粉落在物料上，則會發(fā)生反應（4）。一般認為在水泥窯燒成帶溫度下，堿的硫酸鹽是可以穩(wěn)定存在的，但在還原氣氛下也可能發(fā)生反應（5）和（6）。

2.2 硫的揮發(fā)系數(shù)（ε）

窯內硫的揮發(fā)主要來自熟料中CaSO4的分解。硫的揮發(fā)系數(shù)ε與窯的操作條件（包括窯內氧氣濃度、溫度、窯內停留時間以及還原氣氛）、窯料的硫堿比以及是否采用固硫劑等有關。針對反應式（1），由葛爾德堡—瓦格質量作用定律，基于各反應物濃度的平衡常數(shù)K可由式（7）決定。在溫度一定的情況下，K是一常數(shù)，隨著氧氣濃度的增加，硫的揮發(fā)系數(shù)ε降低。另外，硫的揮發(fā)系數(shù)ε隨窯料溫度及高溫下停留時間的增加而增加。局部還原氣氛也會對硫的揮發(fā)系數(shù)ε產(chǎn)生很大影響。

表1 燒成系統(tǒng)內有關硫的主要化學反應

表2 影響硫揮發(fā)系數(shù)ε的因素以及對應措施

硫的揮發(fā)系數(shù)ε與硫堿比的值有關。若是窯料中SO3含量過高，意味著部分SO3和堿的氧化物生成不易分解的堿的硫酸鹽，剩余的SO3則與氧化鈣生成極易分解的CaSO4。硫堿比愈高，則生成的CaSO4愈多，硫的揮發(fā)系數(shù)ε也愈高。固硫劑的使用也有助于抑制硫的揮發(fā)。表2總結了影響硫揮發(fā)系數(shù)ε的因素以及水泥生產(chǎn)過程中與這些因素相對應的措施。

2.3 硫結皮、結圈

這里僅論述與硫等揮發(fā)性組分相關的結皮與結圈現(xiàn)象。經(jīng)過多次循環(huán)，窯氣中有害的揮發(fā)性組分濃度逐漸增高，當這些物質在窯尾冷卻時就會冷凝到物料與設備內壁上，凝結了大量揮發(fā)性物質的物料流動性較差，它們沉積、粘結和堵塞窯尾煙室、預熱器及其料管，妨礙了正常的生產(chǎn)操作。

CaSO4-K2SO4-Na2SO4三元系統(tǒng)的最低共熔點＜800℃，當存在KCl時，上述系統(tǒng)的共熔點溫度可接近700℃。硫硅鈣石2C2S·CaSO4、鈣明礬石2CaSO4·K2SO4等礦物大多數(shù)是針狀和纖維狀晶體，使結皮、結圈料具有一定強度，是導致結皮、結圈的重要因素之一。

3高硫煤應用技術

新型干法水泥生產(chǎn)線采用高硫煤作為燃料，已經(jīng)取得了一些技術進展。為了將高硫煤更多更好地用于水泥廠，可以從如下三方面來努力，即，將硫排出系統(tǒng)不再參與循環(huán)，減少硫在燒成設備內壁的凝結和抑制硫的揮發(fā)。下面主要從固硫技術、預分解系統(tǒng)的設計和生產(chǎn)操作過程的控制這三方面來介紹。

3.1 固硫技術

之所以限制預分解系統(tǒng)燃煤硫含量是因為缺乏硫穩(wěn)定固化于熟料中的誘導因子。另外，很多情況下高硫煤的燃燒速度慢，未燃盡的煤粒導致還原氣氛的出現(xiàn)，會加重硫的循環(huán)富集。為實現(xiàn)高硫煤在水泥行業(yè)的順利應用，最理想的辦法是在保證熟料質量的前提下，將硫固化于熟料中，這不僅會減輕硫循環(huán)對燒成設備的破壞，降低維護費用，而且可以減少水泥粉磨過程中的石膏用量。

固硫劑的引入可以拓寬水泥廠燃煤硫的控制范圍。固硫劑中的有效組分可促進硫的固化穩(wěn)定，使煤中硫以化合物形式存在于熟料中離開窯系統(tǒng)。固硫劑可大幅加快煤粉的燃燒反應速度，縮短煤粒的燃盡時間，不僅能提高火焰溫度，也可有效消除硫循環(huán)富集的條件，保證窯況的穩(wěn)定和燒成質量的提高。固硫劑用量可視煤質及窯況需要在1‰～3‰范圍內及時調整。

3.2 預分解系統(tǒng)的設計

（1）煙室料幕技術

我公司原有的料幕技術，將C4下料或喂入預熱器的冷生料，分出一部分從回轉窯煙室上方直接喂入，在窯口形成一道低溫生料幕。當出窯廢氣通過料幕時，由于料幕物料溫度較低，或者是物料吸收煙室廢氣熱量后分解，從而降低了煙室溫度，廢氣中氣態(tài)硫凝結到生料表面并隨氣流進入窯尾系統(tǒng)。通過分料比例的調節(jié)，可以控制煙室溫度在適宜范圍內，SO2由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)快速凝結在冷生料上，從而可以防止上升煙道和煙室的結皮。但是，物料在進入窯內高溫帶后還會繼續(xù)揮發(fā)從而再次循環(huán)，沒有從根本上減輕硫循環(huán)。

料幕的關鍵技術在于保證物料均勻分散，原有的料幕技術很難實現(xiàn)這一點。我公司提出了新的料幕形式（如圖1所示），并搭建了煙室料幕實驗平臺，系統(tǒng)研究了多種因素對料幕物料分散程度的影響，最終實現(xiàn)了粉料在煙室空間的較好分散，運行過程中不積料、不堵塞且能保證較少的冷風摻入。新的料幕形式能夠更好地緩解或消除煙室的結皮，為熟料生產(chǎn)的穩(wěn)定運行提供條件。圖2給出了在實驗室條件下原有料幕與最新開發(fā)的料幕對物料分散情況的對比，最新開發(fā)的料幕具有顯著優(yōu)勢。

（2）旁路放風技術

當原燃料中揮發(fā)性組分高出正?？刂频姆秶?，設置旁路放風系統(tǒng)是可行的方法之一。旁路放風有兩個明顯作用：一是在原燃料中有害組分超標的情況下能穩(wěn)定系統(tǒng)操作。旁路放風系統(tǒng)可以破壞有害組分的循環(huán)富集，減少進入預熱預分解系統(tǒng)的有害組分的含量，消除或減少預熱器的結皮堵塞現(xiàn)象，減少窯尾上升煙道和下料斜坡結皮和捅料，改善窯內通風狀況，緩解窯內結圈或長厚窯皮的形成，系統(tǒng)設備運轉率會有所提高，從而能提高產(chǎn)量。二是提高熟料質量。旁路放風有利于降低熟料中SO3和堿（特別是K2O）的含量，這一點在使用高硫燃料或要求生產(chǎn)低堿水泥時尤為重要。但是，增設旁路放風裝置不僅會增加系統(tǒng)熱耗、料耗及電耗，而且會增加設備操作人員和基建投資，對生產(chǎn)操作控制提出了挑戰(zhàn)，且旁路窯灰的處理較麻煩。在揮發(fā)性有害組分的循環(huán)過程中，以Cl－的循環(huán)最為嚴重，旁路放風效果最好，其次為SO3和K2O，Na2O的揮發(fā)率最低。

（3）針對性的設備選型技術

圖1 新的料幕技術

圖2 實驗室物料分散情況對比

表3 高硫煤應用技術總體方案

根據(jù)新型干法水泥生產(chǎn)線燃用高硫煤的特點，窯系統(tǒng)必須在氧化氣氛條件下操作，盡量避免還原氣氛出現(xiàn)，因此在項目設計階段必須有針對性地考慮設備的選型，可采取的技術措施包括加大回轉窯的規(guī)格、回轉窯尾端擴大技術、新型煙室結構、加大高溫風機的選型能力等。另外，在分解爐、煙室、最低級旋風筒及下料管等易結皮部位應盡量采用抗結皮澆注料，盡可能減少結皮對系統(tǒng)生產(chǎn)的影響。

（4）預分解系統(tǒng)高效節(jié)能技術

通過技術組合和優(yōu)化，如果燒成系統(tǒng)熱耗能夠降低，則燒成系統(tǒng)用煤量可以相應減少，由高硫煤帶入系統(tǒng)的硫也就可以有效減少，從而大大緩解高硫組分帶來的影響。

3.3 高硫煤的生產(chǎn)操作技術

（1）回轉窯的操作

為保證窯氣呈氧化氣氛從而減少硫的揮發(fā)，在生產(chǎn)過程中可適當增加回轉窯內的過?？諝庀禂?shù)。也要適當提高窯速，盡量采用薄料快燒的操作思路。

（2）窯頭燃燒器的布置和火焰形狀的調節(jié)

在不影響熟料質量的前提下，燃燒器的位置應盡可能保證熟料料面受熱均衡，既要避免還原氣氛和局部物料過熱情況的出現(xiàn)，減輕硫的揮發(fā)，也要避免火焰射流碰撞窯皮。燃燒器端部到窯口的距離和燃燒器各風道參數(shù)都是很重要的操作參數(shù)。從使用高硫燃料的水泥廠反饋的結果來看，燃燒器及火焰特性在解決結皮、結圈問題上的作用不可忽視。燃燒器應調節(jié)好內外風，保持燃燒時具有較大的動量，從而保證煤粉的完全燃燒。

（3）生料配料

盡量使用易燒性較好的生料，有利于降低熟料煅燒溫度，減少硫的揮發(fā)。生料中的堿對硫循環(huán)能起到抑制作用，因此配料過程中應充分考慮硫堿比在適宜的范圍內。在預分解系統(tǒng)使用高硫燃料時，可以考慮引入高堿原料（如鉀長石）作為配料組分，以調節(jié)硫堿比。

（4）控制煤粉細度和穩(wěn)定原煤

為避免煤粉出現(xiàn)局部不完全燃燒后，煤粒沉積到窯料表面與窯料中的硫酸鈣作用，應按照煤粉的揮發(fā)分來控制入窯煤粉細度。同時要加強進廠原煤的控制和搭配，保持入窯煤粉硫含量的均勻性，盡量減少煤粉硫含量變化帶來的窯操作變化。

（5）熟料fCaO的控制

為減少窯料內的硫酸鹽過熱分解，生產(chǎn)過程中應盡量控制熟料中fCaO含量不能過低。如果可能，確定熟料中fCaO的目標值為1.5%～2.0%。

（6）預見性

操作中應提前考慮變化因素，盡量避免窯在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)波動而造成硫的揮發(fā)系數(shù)發(fā)生變化。

（7）加強監(jiān)測

加強對回轉窯筒體表面溫度的監(jiān)測，在過渡帶結長窯皮初期，通過燃燒器火焰位置變化和火焰狀況的調整來及時處理長窯皮，防止對窯系統(tǒng)操作造成太大的影響。

（8）結皮清理

出現(xiàn)結皮后可及時借助空氣炮、高壓水槍等工具清除結皮。表3匯總了我公司應對水泥生產(chǎn)線煅燒高硫煤的總體技術方案。

4結語

經(jīng)過多年來的努力，目前水泥生產(chǎn)線燃煤全硫的控制范圍可以拓寬到St＜8%，綜合利用各項技術措施后能夠實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。然而燃用高硫煤的水泥廠生產(chǎn)出來的熟料SO3含量較高，很多時候超出《硅酸鹽水泥熟料》標準要求的值。目前急需出臺一系列新標準定義高硫熟料和利用這種熟料生產(chǎn)的水泥。另外，在考慮高硫煤的價格優(yōu)勢時，必須重視使用高硫煤對熟料強度和水泥性能產(chǎn)生的影響?！?/p>

Application Techniques of High-sulfur Coal for Modern Dry Process Cement Production Line

LI Xiao-yan,YU Wei-min,PENG Xue-ping,WANG Xiu-long,ZHU Jin-bo
(Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.Ltd.Tianjin 300400)

Aiming at preheater system build-ups and high SO3content clinker when firing high-sulfur coal in the cement precalciner kiln,chemical reactions occurring during the sulfur cycle in the pyroprocessing zones were illustrated.The influence of oxygen content,temperature,retention time in the kiln,reducing atmosphere and other factors on the sulfur volatilization was analyzed and corresponding solutions were proposed to reduce it.Based on the theoretical analysis,application techniques of high-sulfur coal presented by our company were introduced from three aspects,including sulfur-fixing technology,precalciner system design and operation control.

high-sulfur coal;meal curtain;bypass;sulfur-fixed agent;process design

TQ172.622.29

A

1001-6171（2014）02-0026-04

天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司，天津300400；

2013-11-19；編輯：趙蓮