淺析回轉(zhuǎn)窯預熱器結(jié)皮原因及應對思路

李 強 張金鐲 廉 鋒 隋善耘 李付新 王福宏 賀敬軍

(平邑中聯(lián)水泥有限公司，山東 臨沂 273300)

1 預熱器結(jié)皮原因簡述

預熱器結(jié)皮的原因有很多，從“人機料法環(huán)”等角度皆可闡述，但本質(zhì)原因只有一個，那就是由揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)富集造成，其他原因都是間接通過揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)富集來發(fā)揮作用的。

水泥熟料的生產(chǎn)工藝中，生料中主要的揮發(fā)性物質(zhì)有硫、氯、堿三種，其中堿指鉀和鈉。這些揮發(fā)性組分在高于一定溫度后揮發(fā)成氣態(tài)，并被氣流帶到溫度較低的區(qū)域，大部分(80%～90%)冷凝并被該區(qū)域的生料吸收，并隨著生料重新回到高溫區(qū)，繼而再次揮發(fā)，然后再次被吸收，如此循環(huán)往復，此過程稱為內(nèi)循環(huán)；另一小部分(10%～20%)揮發(fā)性組分則附著在生料粉塵(窯灰)上，被氣流帶出預熱器，但最終會進入生料均化庫，然后再次隨生料喂入預熱器，此過程叫做外循環(huán)。

水泥窯系統(tǒng)結(jié)皮是由硫、氯、堿形成的低溫共熔體，當有氯存在時，氯堿的最低共熔溫度為低于800℃,相當大的共熔溫度范圍在500℃～700℃，甚至低于500℃[1]，碳酸堿和硫酸堿熔點范圍在800℃～1 100℃附近(硫酸堿的熔融溫度相對較高)，硫酸鈣的最低分解溫度在1 200℃以下，還原性氣氛越強，分解溫度越低。揮發(fā)分物質(zhì)在揮發(fā)前的溫度范圍內(nèi)基本以熔融態(tài)存在，熔融的液相物質(zhì)粘結(jié)生料顆粒和飛灰形成結(jié)皮。

根據(jù)不同揮發(fā)性成分的熔融和揮發(fā)特性，可以大體判斷不同位置結(jié)皮的主導元素，一般在窯尾過渡帶形成的結(jié)皮或結(jié)圈，以及窯尾煙室及上升煙道區(qū)，主導元素為硫和堿，該位置結(jié)皮的化學成分硫含量相當高；五級和四級預熱器主要以鉀、鈉、氯為主導，從四級以上，氯元素的主導越來越高，在二、三級的疏松性結(jié)皮中氯含量相對高，因為氯堿受熱以直接揮發(fā)為主，可以簡單的認為完全由氯元素主導的結(jié)皮沒有大的粘結(jié)性，因此上幾級預熱器中正常的結(jié)皮都相當疏松，并且較薄。但這不能說明氯元素危害不大，相反，氯元素揮發(fā)不受其他元素的抑制，其揮發(fā)率最高，并且能明顯的促進堿和硫的揮發(fā)[1，2]，因此氯堿循環(huán)是造成總體揮發(fā)率高的重要因素。

隨著揮發(fā)性組分的往復循環(huán)，揮發(fā)性成分在系統(tǒng)內(nèi)的濃度逐步增大，同時被熟料帶出窯外的揮發(fā)性成分越來越多，直至達到進入量(生料中含量)與排出量(熟料中含量)的平衡，系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性組分的濃度達到最大值。

此時揮發(fā)性成分的濃度遠大于入窯生料內(nèi)的含量，這些揮發(fā)性組分既能冷凝在入窯生料的顆粒上，也容易冷凝在溫度較低的內(nèi)壁上，同時粘結(jié)部分生料顆粒形成結(jié)皮，并且結(jié)皮有不斷增厚的趨勢，同時物料對結(jié)皮的沖刷有降低結(jié)皮厚度的趨勢，二者相互作用，當燒制程度穩(wěn)定時可以形成動態(tài)的平衡，結(jié)皮厚度往往會穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，但實際生產(chǎn)中想要長時間保持這種平衡狀態(tài)是很難的，尤其是止料或投料等過程，會非常明顯的增大結(jié)皮的厚度和范圍，操作不當甚至會引起預熱器堵塞。所以往往隨著燒成系統(tǒng)運行時間的延長，結(jié)皮越來越厚，造成熟料的產(chǎn)量質(zhì)量都難以提高的困境。

2 當前主流的解決思路及相應的機理

為了解決預熱器結(jié)皮的問題，水泥行業(yè)和學術(shù)界做了許多相關(guān)的研究和實踐，形成了一些可行的解決思路，下面結(jié)合這些研究實踐的結(jié)論對相關(guān)的解決思路闡述如下。

思路一：降低原材料及燃料中的堿含量、硫含量及氯離子含量，避免使用高硫煤、高灰分煤和低灰熔點的煤，熟悉原料的易燒性，并設計與之匹配的燒成工藝。減少原燃材料中的揮發(fā)性組分含量，相當于降低了系統(tǒng)氣相中揮發(fā)性物質(zhì)的濃度，也就是降低了循環(huán)量，這對減輕結(jié)皮堵塞現(xiàn)象有一定的效果，也是一個基礎操作。煤的灰熔點低容易在窯尾加重結(jié)皮結(jié)圈，同時原料的易燒性影響最低共熔點，因此要匹配合理的燒成制度。

思路二：在循環(huán)富集區(qū)域設置旁路放風系統(tǒng)。該操作也是從降低揮發(fā)性成分循環(huán)量的角度出發(fā)，其基本工藝是將部分富含揮發(fā)性組分的高溫氣流引出系統(tǒng)外經(jīng)冷卻、收塵、凈化后排入大氣中(放風量從3%～30%不等)，同時將氣流中所攜帶的窯灰收集后廢棄掉(注意窯灰不能回到系統(tǒng)內(nèi))。通過旁路放風技術(shù)，一定程度降低系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性組分的濃度，但是該方案的缺點也非常地明顯，首先是熱耗高，每排出10%的廢氣，熱耗增加40kca～50kcal/kg熟料[3]，同時浪費掉1%的生料粉，廢氣的凈化難度大?，F(xiàn)在山東區(qū)域應用窯外放風技術(shù)的企業(yè)很少。

思路三：調(diào)整合理的硫堿比。硫堿比理論的本質(zhì)是降低堿的揮發(fā)率，一定濃度范圍內(nèi)的SO2可抑止堿金屬化合物的揮發(fā)，從而降低其揮發(fā)率，進而達到降低氣相中堿濃度的目的；適當?shù)奶岣吡蚝坑兄谏扇埸c較高的K2SO4或Na2SO4[4]。因此一般的企業(yè)都會根據(jù)實踐經(jīng)驗按照一定的硫堿比調(diào)整配料和燃煤。但是需要說明的是，硫堿比理論在學術(shù)界是有爭議的，不同的研究，不同的條件下，該方案的效果差異較大，同時一些專家不建議當堿含量升高時，為了調(diào)整硫堿比而人為的提高原料和燃料的硫含量[5]。

還有研究表明：Al2O3和SiO2都能抑制堿金屬的揮發(fā)率，其中Al2O3和堿的產(chǎn)物熔點較高，對減輕結(jié)皮堵塞有利；SiO2和堿的產(chǎn)物熔點較低(1 100℃～1 200℃開始呈現(xiàn)為液態(tài))，可能會加重結(jié)皮，特別是在窯尾部分。因此利用Al2O3或SiO2調(diào)節(jié)結(jié)皮或有研究的價值，但是硅酸鹽熟料中硅、鋁的含量都不是微量組分，同時由于工藝的限制，調(diào)整的空間也很有限。目前還沒有在實踐中用“鋁堿比”或“硅堿比”來控制結(jié)皮的研究[6]。

思路四：在線清理結(jié)皮。傳統(tǒng)的在線清理結(jié)皮方法主要是利用空氣炮循環(huán)吹打，同時定期利用鋼釬或高壓水槍清理煙室內(nèi)的結(jié)皮，這種方法固然有效，但是從安全、能耗、工藝穩(wěn)定的角度來考慮，不是理想的解決方案。目前比較好的方案有利用亞音頻裝置清理結(jié)皮、使用抗結(jié)皮的耐火材料、安裝不易與結(jié)皮粘附的微晶板和微晶筒，使結(jié)皮無法順利的粘結(jié)，這些方法已發(fā)展成簡單有效、安全、穩(wěn)定、節(jié)約能耗的解決方案。

思路五：控制揮發(fā)性組分的凝結(jié)位置。當系統(tǒng)各因素穩(wěn)定，形成的結(jié)皮往往會在一個相對穩(wěn)定的位置，并且達到一定的平衡后厚度保持不變。假如我們能控制系統(tǒng)各因素的相對穩(wěn)定，同時控制預熱器內(nèi)的溫度區(qū)間，就有可能使結(jié)皮的主要位置處在一個不易堵塞的區(qū)域，這個方案對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求非常高，從這個層面來講，生料在線分析儀及石灰石在線分析儀等儀器設備對穩(wěn)定生產(chǎn)以及控制結(jié)皮的意義非常重大。另外雖然目前能通過溫度、壓力等工藝參數(shù)間接的判斷結(jié)皮的狀態(tài)，但是如果能在關(guān)鍵部位安裝一些探測儀器來實時測量內(nèi)部結(jié)皮的厚度，能更有利于結(jié)皮的控制。

3 結(jié) 語

揮發(fā)性組分的循環(huán)富集是與新型干法回轉(zhuǎn)窯工藝共存的特性，可以說是燒成工藝的一部分，因此在此工藝基礎上，結(jié)皮不能根本消除。制定合理的熱工制度，努力提高燒成系統(tǒng)穩(wěn)定性是一條穩(wěn)妥可行且一舉多得的方案。另外采用清理結(jié)皮先進技術(shù)和設備，研究和使用抗結(jié)皮材料是目前比較可靠的研究方向。