淺析水泥熟料燒成熱耗降低途徑*

張巧偉，張向紅，喬麗娜，閆亞瓊

（河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系 河北 秦皇島 066004）

0 引言

近幾十年來，水泥工業(yè)經(jīng)歷了多次變革，其生產(chǎn)工藝與設(shè)備不斷改進(jìn)，并且產(chǎn)量逐年提高。目前，全球水泥產(chǎn)量約為40 億t，預(yù)計(jì)到2050年，全球水泥產(chǎn)量將超過50 億t[1,2]。新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)是一種以預(yù)分解和懸浮預(yù)熱技術(shù)為核心的水泥生產(chǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化和生產(chǎn)過程自動化，且具有高效、環(huán)保、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)[3]。盡管如此，水泥生產(chǎn)能耗仍非常高，占工業(yè)能耗總量的12%~15%[4]。在我國，水泥行業(yè)的能耗約占全國建材行業(yè)總能耗的35%[5]。隨著化石燃料日益緊缺，且燃料價格不斷上漲，降低水泥熟料燒成熱耗已經(jīng)迫在眉睫，這對于水泥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 熟料燒成熱耗的來源

關(guān)于熟料燒成熱耗，國際先進(jìn)水平的熟料燒成熱耗約為2 800 kJ/kg，而我國在水泥熟料生產(chǎn)過程中，熟料燒成熱耗主要控制在3 000 kJ/kg 左右[6]。與國際先進(jìn)水平相比，我國水泥熟料燒成熱耗還存在一定差距。采用新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)制備水泥熟料時，熟料燒成熱耗來源于兩個方面：一是熟料理論形成熱；二是水泥窯系統(tǒng)的熱損失。

熟料理論形成熱與生產(chǎn)所用的原材料密切有關(guān)。根據(jù)生料在加熱過程中化學(xué)反應(yīng)熱和物理熱，可以計(jì)算得到硅酸鹽水泥熟料的理論形成熱為1 756 kJ/kg[7]。熟料形成過程中消耗的熱量主要用于生料自由水的蒸發(fā)、粘土礦物結(jié)合水的脫水、石灰石中碳酸鹽的分解、以及熟料礦物的形成，其中碳酸鹽的分解是水泥熟料生產(chǎn)過程中熱耗最高的一個環(huán)節(jié)，約占吸熱總量的一半。Ca（OH）2的分解熱為1 963 kJ/kg CaO，而CaCO3的分解熱則高達(dá)3 178 kJ/kg CaO，如果采用主要成分為的Ca（OH）2電石渣生產(chǎn)水泥熟料，熟料的理論形成熱可降低至1 064 kJ/kg[8]。另外，水泥熟料的礦物組成也會影響熟料的理論形成熱。以無水硫鋁酸鈣為主要礦物的硫鋁酸鹽水泥熟料燒成溫度比硅酸鹽水泥熟料低近200℃[9]，其理論形成熱約為1 168~1 279 kJ/kg[1]。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，熟料的形成會產(chǎn)生大量的熱損失。生產(chǎn)工藝和水泥窯產(chǎn)量均會影響熟料的燒成熱耗。從圖1 可以看出，新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)熟料所需熱耗最低，并且隨著窯產(chǎn)量的增加，熟料燒成熱耗也有所降低[2,10]。新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成為目前最主要的水泥生產(chǎn)工藝，在我國，產(chǎn)量低于2 500 t/d 的水泥熟料生產(chǎn)線也逐漸被淘汰[10]。

圖1 生產(chǎn)工藝和水泥窯產(chǎn)量對熟料燒成熱耗的影響[2]

通過對水泥回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行熱平衡測試，可以獲得生產(chǎn)線的熱量分配。吳昊澤等[11]統(tǒng)計(jì)分析了40余條5 000 t/d 水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的熱平衡測試結(jié)果，如表1 所示。水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熱損失主要為預(yù)熱器出口廢氣帶走熱量、系統(tǒng)表面散熱以及出冷卻機(jī)余風(fēng)帶走的熱量。除熟料燒成所必需的熟料理論形成熱之外，預(yù)熱器出口廢氣帶走的熱量是最主要的熱量支出，占總支出熱量的20%~26%，系統(tǒng)表面散熱和冷卻機(jī)余風(fēng)帶走的熱量占比也均高達(dá)10%。

表1 水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)熱平衡參數(shù)范圍[11]

2 降低熟料燒成熱耗的措施

2.1 合理選擇水泥熟料生產(chǎn)所用原材料

水泥熟料生產(chǎn)所用原材料主要包括石灰質(zhì)原料和硅鋁質(zhì)原料，這些原材料的組成與特性對熟料理論形成熱有著顯著的影響。傅圣勇等[12]研究發(fā)現(xiàn)不同成因品位的石灰石直接與熱耗相關(guān)，低品位石灰石熱耗比高品位石灰石低10%~15%。隨著天然礦石資源日益緊缺，工業(yè)廢渣在水泥熟料生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普遍。田桂萍[13]通過物理化學(xué)理論計(jì)算，研究了粉煤灰、鋼渣、電石渣等工業(yè)廢渣對水泥熟料形成熱的影響。結(jié)果表明，采用工業(yè)廢渣替代傳統(tǒng)的原材料，可以降低水泥熟料的理論形成熱。在原料中引入適量礦化劑，也可以促進(jìn)熟料燒結(jié)，降低熟料形成溫度[14]。在經(jīng)濟(jì)成本允許的情況下，優(yōu)先選用工業(yè)廢渣等作為水泥熟料生產(chǎn)原材料，有利于降低熟料燒成熱耗。

2.2 降低預(yù)熱器出口廢氣帶走的熱損失

預(yù)熱器出口廢氣帶走的熱損失主要取決于廢氣量和廢氣溫度。因此，降低預(yù)熱器出口廢氣帶走的熱損失應(yīng)從降低預(yù)熱器出口廢氣量和廢氣溫度考慮。

預(yù)熱器出口廢氣由3 部分構(gòu)成，即煤燃燒產(chǎn)生的理論煙氣、生料水分蒸發(fā)和碳酸鹽分解產(chǎn)生的水蒸氣和二氧化碳，以及過?？諝鈁15]。煤燃燒產(chǎn)生的理論煙氣量、生料水分蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣量和碳酸鹽分解產(chǎn)生的二氧化碳量與原燃料本身的性質(zhì)及消耗量有關(guān)，相同規(guī)格和類型生產(chǎn)線之間的差異較小。水泥窯系統(tǒng)漏風(fēng)和系統(tǒng)操作會影響預(yù)熱器出口廢氣中的過?？諝饬?。系統(tǒng)漏風(fēng)風(fēng)量占廢氣量的比例較小，但其造成的熱損失卻非常大。水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)漏風(fēng)會增大預(yù)熱器出口的廢氣量，從而增加廢氣帶走的熱損失。系統(tǒng)漏風(fēng)也會擾亂系統(tǒng)的正常運(yùn)行，增加熟料燒成熱耗。窯頭漏風(fēng)會降低火焰和燒成帶溫度，窯尾漏風(fēng)會影響預(yù)熱器和分解爐內(nèi)物料分解，這些都會導(dǎo)致熟料燒成熱耗增加[16]。因此，在系統(tǒng)用風(fēng)合理的條件下，要降低預(yù)熱器出口的廢氣量，就需要保證系統(tǒng)具有良好的密封性。

預(yù)熱器出口廢氣溫度與各級旋風(fēng)筒換熱效率和分離效率密切相關(guān)。一般而言，氣體與物料之間的換熱效率和分離效率越高，預(yù)熱器出口廢氣溫度越低。物料在氣體中均勻分布，可以增加氣料間的接觸面積，從而提高換熱效率[17]。換熱效率和分離效率很大程度上取決于預(yù)熱器系統(tǒng)本身的性能。采用多級低阻高效旋風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)，能提高氣料之間換熱效率和分離效率，降低預(yù)熱器出口廢氣溫度[6,17]。

2.3 減少系統(tǒng)的表面散熱

系統(tǒng)表面散熱主要?dú)w因于回轉(zhuǎn)窯筒體表面散熱和預(yù)分解系統(tǒng)表面散熱，分別占系統(tǒng)表面散熱的60%和25%左右。通過降低回轉(zhuǎn)窯筒體表面散熱和預(yù)分解系統(tǒng)表面散熱，熟料形成過程中的熱損失。采取的主要措施是根據(jù)回轉(zhuǎn)窯不同帶的特征，合理設(shè)計(jì)和使用相應(yīng)的耐火材料，同時預(yù)分解窯系統(tǒng)表面也應(yīng)該采用合適的隔熱保溫材料，以減少系統(tǒng)的表面散熱。此外，也有科研人員發(fā)現(xiàn)，用短窯替代長窯，可以降低系統(tǒng)表面散熱帶來的熱損失[18]。

2.4 優(yōu)化冷卻機(jī)的冷卻效率

冷卻機(jī)內(nèi)的冷卻風(fēng)應(yīng)與熟料之間應(yīng)進(jìn)行充分的熱交換，提高入窯頭二次風(fēng)和入分解爐三次風(fēng)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)高效利用冷卻機(jī)冷卻熟料時回收的熱量。因此，通過采用新型篦式冷卻機(jī)，并合理控制二次風(fēng)、三次風(fēng)的溫度和風(fēng)量，可以減少冷卻機(jī)余風(fēng)帶走的熱損失。

3 結(jié)語

熟料燒成熱耗包括熟料理論形成熱和水泥窯系統(tǒng)的熱損失。降低熟料燒成熱耗主要有以下兩條途徑：

（1） 降低熟料理論形成熱。熟料理論形成熱約占熟料燒成熱耗的50%，合理選擇水泥熟料生產(chǎn)所用原材料，如使用粉煤灰、鋼渣等工業(yè)廢渣，或引入礦化劑，均有利于降低熟料理論形成熱，從而減少熟料燒成熱耗。

（2） 減少水泥窯系統(tǒng)熱損失，包括降低預(yù)熱器出口廢氣帶走的熱損失、減少系統(tǒng)的表面散熱、優(yōu)化冷卻機(jī)的冷卻效率等。水泥窯系統(tǒng)熱損失與生產(chǎn)設(shè)備自身性能和系統(tǒng)操作密切相關(guān)。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)保證系統(tǒng)的密封性良好，耐火材料及隔熱保溫材料選用恰當(dāng)，二次風(fēng)和三次風(fēng)操控合理。