硫堿比在水泥生產(chǎn)中的控制與應(yīng)用

嚴(yán) 峻，聶 松，劉松柏

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

0 引言

水泥生產(chǎn)所用的原、燃料通常含有一定量的鉀、鈉、硫等有害揮發(fā)性組分，這些揮發(fā)性組分會在回轉(zhuǎn)窯的高溫帶揮發(fā)，以氣態(tài)形式存在于回轉(zhuǎn)窯氣氛中。氣態(tài)形式的堿與硫在向窯尾和預(yù)熱器低溫區(qū)域運(yùn)動過程中易冷凝為液態(tài)，并在水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集［1-2］。如果原、燃料成分控制不當(dāng)，不僅會造成水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)結(jié)皮、結(jié)圈，影響水泥熟料的正常生產(chǎn)，還會影響水泥熟料的質(zhì)量［3-4］。

硫堿比就是研究水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)硫和堿的含量關(guān)系時(shí)所提出的一個概念，其計(jì)算公式如式（1）所示。在新型干法水泥生產(chǎn)工藝中，硫可以與堿反應(yīng)生成硫酸鹽，硫酸鹽的沸點(diǎn)較高，在煅燒過程中二次揮發(fā)率低，能夠固定在水泥熟料中，并隨水泥熟料排出窯外［5］。通過適當(dāng)控制原、燃料的硫和堿含量，可以有效避免鉀、鈉、硫等揮發(fā)性組分在水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)富集形成結(jié)皮。

因此，研究水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)鉀、鈉、硫的反應(yīng)機(jī)制、遷移規(guī)律及含量關(guān)系，對于水泥的生產(chǎn)工藝及熟料的質(zhì)量控制具有極其重要的意義。

1 硫堿比對水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)運(yùn)行的影響

通過控制水泥生產(chǎn)所用原、燃料的硫堿比，可以有效改善堿對水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響。然而，關(guān)于硫堿比的合理取值范圍還存在一定爭議?？偨Y(jié)歸納現(xiàn)有研究成果，發(fā)現(xiàn)硫堿比的控制大致有以下三個范圍：

第一，原、燃料的硫堿比應(yīng)控制在0.6 以上。胡宏泰［6］指出，南非某廠所采用原、燃料的硫堿比為0.49，水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)結(jié)皮頻繁；當(dāng)采用堿含量高的原料使硫堿比提高到0.6 左右時(shí)，結(jié)皮基本消失。因此，建議在缺乏充分生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)的情況下，硫堿比應(yīng)該控制在0.6～1.0 之間。如果生料中的堿含量低于1.0%，硫堿比可取1.0。一般采用0.6～0.8 為宜。

第二，熟料的硫堿比應(yīng)控制在0.6 以上。薛俊東［7］研究了硫堿比對冀東水泥豐潤有限責(zé)任公司水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響。結(jié)果表明，當(dāng)熟料的硫堿比為0.35 時(shí)，窯尾煙室及C5 錐體和下料管結(jié)皮頻繁，窯內(nèi)結(jié)大塊，并不時(shí)地有飛砂料出現(xiàn)。在生料中加入適量磷石膏后，熟料的硫堿比提高至0.61，水泥窯系統(tǒng)的運(yùn)行狀況明顯好轉(zhuǎn)，窯尾結(jié)皮較之前大幅度減少。冀東水泥豐潤有限責(zé)任公司將熟料的硫堿比控制在0.6～0.8 之間。陸純煊等［8］結(jié)合國內(nèi)外多家水泥廠的實(shí)際生產(chǎn)也發(fā)現(xiàn)了類似的研究結(jié)果，即使熟料中的堿含量高達(dá)2%，只要將熟料的硫堿比控制在0.6～0.7 之間，就可以保證水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

第三，原、燃料的硫堿比應(yīng)低于0.6。孫樹林等［5］在調(diào)研北方三家水泥廠時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生料中的硫堿比不超過0.152 時(shí)，水泥窯系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)基本正常；當(dāng)硫堿比介于0.152～0.24 之間時(shí)，預(yù)熱器經(jīng)常出現(xiàn)塌料現(xiàn)象；當(dāng)硫堿比大于0.24 時(shí)，就會出現(xiàn)堵塞風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)硫堿比大于0.38 時(shí)，很快就會堵塞。劉華餛［9］通過總結(jié)國內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了硫堿比的控制范圍：當(dāng)硫堿比為0.3～ 0.6 時(shí)，預(yù)熱器系統(tǒng)結(jié)皮輕微，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)硫堿比為0.6～1.0 時(shí)，預(yù)熱器系統(tǒng)容易結(jié)皮；當(dāng)硫堿比超過1 時(shí)，預(yù)熱器和分解爐系統(tǒng)結(jié)皮頻繁而且嚴(yán)重，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)易結(jié)圈，不能保證水泥熟料的正常生產(chǎn)。張鵬［10］在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，原、燃料的硫堿比控制在0.35～0.65 之間時(shí)，水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，而較高的硫堿比易造成上升煙道結(jié)皮。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，水泥原、燃料中的鉀、鈉、硫等揮發(fā)性組分在一定溫度下?lián)]發(fā)，硫和堿在氣態(tài)下結(jié)合成沸點(diǎn)較高的硫酸堿，之后隨水泥熟料排出窯外。因此，具有決定意義的不是原、燃料的硫堿比，而是水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)氣態(tài)硫與氣態(tài)堿的摩爾比［9］。從操作的角度考慮，當(dāng)原、燃料的硫堿比使水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣態(tài)硫與氣態(tài)堿的摩爾比接近1 時(shí)，硫堿比最為合適［11］。水泥生產(chǎn)所用的原料以及熱工制度不同，均會導(dǎo)致硫和堿的揮發(fā)特性存在一定差異。此外，結(jié)皮的特征礦物主要包括2CaSO4·K2SO4、2C2S·CaCO3和2C2S·CaSO4［5，6，12］。在這些結(jié)皮礦物中，只有2CaSO4·K2SO4含有K2O，且其質(zhì)量占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SO3。孫樹林等［5］通過分析不同水泥廠結(jié)皮的化學(xué)成分（見表1），也發(fā)現(xiàn)了結(jié)皮中硫的富集程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于堿。硫和堿形成的融體只是引起結(jié)皮的誘因，水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)結(jié)皮堵塞還與融體對粉塵的粘結(jié)能力有關(guān)［13］。綜上所述，揮發(fā)性組分的揮發(fā)特性以及融體的粘結(jié)能力存在差異是導(dǎo)致不同水泥生產(chǎn)線硫堿比的控制范圍不一致的兩個主要原因。當(dāng)生料和燃料經(jīng)過優(yōu)選后，揮發(fā)性組分仍然超過控制限量時(shí)，一般需要通過旁路放風(fēng)將堿從窯尾排出［6，14］。采取旁路放風(fēng)可以有效緩解預(yù)熱器結(jié)皮，但也會帶來一些問題。旁路放風(fēng)會使水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熱耗增加，并且還有大量飛灰需要處理，導(dǎo)致投資及經(jīng)營費(fèi)用顯著增加。

表1 不同工廠化學(xué)結(jié)皮分析結(jié)果［5］

2 硫和堿對熟料和水泥性能的影響

若硫堿比控制不當(dāng)，不僅會使水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)嚴(yán)重結(jié)皮，還會影響熟料和水泥的性能，對水泥水化速率和強(qiáng)度產(chǎn)生影響［15-16］。

喬齡山［17］研究了硫和堿對熟料巖相結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著SO3含量的增加，阿利特礦物含量減少，晶體變大，貝利特礦物含量增加，鋁酸鹽和鐵酸鹽含量變化不大，尺寸則明顯減?。粔A含量的升高也會造成阿利特礦物明顯下降，貝利特礦物含量相應(yīng)增加。

趙東明［18］發(fā)現(xiàn)提高熟料的硫堿比能夠改善水泥生料的易燒性，在煅燒過程中，硫能增加高溫液相量，降低液相黏度，提高熟料的早期強(qiáng)度，而硫固溶在阿利特中會降低阿利特的水化活性，不利于熟料的28d 強(qiáng)度發(fā)展。

喬麗娜等［19］和熊運(yùn)貴等［20］研究了硫堿比對水泥漿流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)硫堿比過低會導(dǎo)致水泥漿體的流變性能變差。究其原因，水泥水化時(shí)中的堿快速溶解在液相中，促進(jìn)了水泥的水化，并且堿還會提高熟料煅燒過程中的液相黏度，使熟料礦物結(jié)晶困難，顆粒細(xì)小，水化速度較快［19-21］。通過使用高硫煤或摻入適量石膏，則可以有效解決水泥漿流動性惡化的問題［18］。

3 結(jié)語

合理控制硫堿比可以避免揮發(fā)性組分在水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集，改善水泥熟料的質(zhì)量，改善水泥漿體的流變性能。硫堿比的控制范圍主要取決于原、燃料中硫和堿的揮發(fā)特性，以及融體的粘結(jié)能力。在采用堿含量較高的原、燃料時(shí)，選擇合適的硫堿比能有減輕揮發(fā)性組分對水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)正常運(yùn)行和水泥熟料質(zhì)量的不利影響。