旁路放風(fēng)生產(chǎn)低堿水泥熟料技術(shù)分析探討

杜繼平

旁路放風(fēng)生產(chǎn)低堿水泥熟料技術(shù)分析探討

Technical Analysis and Discussion of Producing Low-alkali Cement Clinker with Bypass System

杜繼平

1 概述

目前，隨著工業(yè)化生產(chǎn)的大發(fā)展和原料資源的日趨緊張，在水泥生產(chǎn)中使用一些含堿、氯、硫量高的原料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料，不僅是社會發(fā)展對資源利用的要求，而且也是水泥技術(shù)及裝備本身進步的體現(xiàn)。既要做到這一點，又不影響正常的生產(chǎn)操作，采用旁路放風(fēng)技術(shù)是有效可行的途徑。同時，目前水泥市場競爭空前激烈，各個生產(chǎn)廠家除了努力降低生產(chǎn)成本，占有價格上的優(yōu)勢外，也都力求生產(chǎn)出高質(zhì)量的水泥熟料，如低堿水泥在銷售上就有明顯的競爭力。生產(chǎn)低堿水泥除了盡量使用低堿原料以外，對于堿含量略顯偏高的原料采用旁路放風(fēng)技術(shù)，實踐證明也是一種有效可行的方法。在美國，由于原料中含堿量普遍較高，而市場又需要低堿水泥，所以，旁路放風(fēng)幾乎被美國的各個水泥生產(chǎn)廠家所采用。

河南JZ水泥有限公司為增強市場競爭力，擬采用旁路放風(fēng)技術(shù)生產(chǎn)低堿水泥熟料（熟料中鈉當量含量≤0.6%），同時利用旁路放風(fēng)進行余熱發(fā)電，旁路放風(fēng)的窯灰用于生產(chǎn)非低堿水泥時的混合材。這個項目（5000t/d）與業(yè)主現(xiàn)有生產(chǎn)線所使用的煤和石灰石礦點不同，但其他輔助原料來源相同，而堿的主要來源是輔料當中的河泥，業(yè)主現(xiàn)有生產(chǎn)線不能生產(chǎn)低堿水泥。基于此，業(yè)主要求采用其提供的2010年現(xiàn)有生產(chǎn)線全年生料的平均化學(xué)成分（見表1）及本次試驗得出的有害元素的一次揮發(fā)率（見表2）來進行燒成系統(tǒng)旁路放風(fēng)計算，得到的結(jié)論是：只有當放風(fēng)量達到40%左右時才能生產(chǎn)出低堿水泥熟料。

2 堿旁路放風(fēng)的設(shè)置

生料中所含的堿等有害揮發(fā)性組分在窯內(nèi)高溫帶揮發(fā)以后，隨著窯氣進入窯尾預(yù)熱器，并發(fā)生一定的反應(yīng)，在溫度較低的區(qū)域凝結(jié)在生料表面上，又隨著生料重返窯內(nèi)，在到達高溫帶后又進行揮發(fā)，如此重復(fù)上述過程。經(jīng)過多次循環(huán)，窯氣中這些有害的揮發(fā)性組分濃度逐漸增高，這些富集了大量揮發(fā)性物質(zhì)的生料其流動性較差，它們沉積、粘結(jié)和堵塞窯尾煙室、預(yù)熱器及其料管，妨礙了正常的生產(chǎn)操作；而殘存于熟料中的有害成分影響了熟料質(zhì)量。采用旁路放風(fēng)就是在窯尾含堿濃度高的部位設(shè)置旁路裝置，將這種含高濃度揮發(fā)性物質(zhì)的氣體部分或全部放掉，以減輕或避免它們對正常操作的危害，或提高熟料質(zhì)量。

表1 2010年現(xiàn)有生產(chǎn)線生料平均化學(xué)成分，%

表2 實驗得到本項目有害元素的一次揮發(fā)率，%

窯氣中堿蒸氣和硫有非常高的結(jié)合能力，它們首先發(fā)生化合反應(yīng)，并凝聚在生料表面，除一小部分和廢氣排出可忽略不計外，最終都隨生料進入燒成帶。在還原氣氛中硫酸堿同樣分解，但在氧化氣氛中硫酸堿就比較穩(wěn)定，進入燒成帶內(nèi)其揮發(fā)率較低，除少量再一次揮發(fā)外大部分隨熟料出窯。由于堿與硫化合以后基本不再循環(huán)，因而生料或燃料中的硫?qū)A循環(huán)起到了抑制作用。氯對堿循環(huán)的作用與硫相反，它能促進堿的循環(huán)，進入燒成帶的氯幾乎全部揮發(fā)，只有極少部分在燒成帶被熟料帶走。在生料和燃料中揮發(fā)出來的氯化物可以與生料中的堿，或與已進入窯氣中尚未與硫化合的堿蒸氣形成氯化堿。揮發(fā)過程中被帶到窯氣中的氯更易和鉀反應(yīng)生成氯化鉀，一般只是在氯化鉀形成后，過量的氯才進而形成氯化鈉。這種化合物在800℃～900℃時蒸氣壓接近為零，也就是說在該溫度下幾乎全部凝結(jié)在生料表面上，隨著生料又返回窯內(nèi)，或者凝結(jié)在相應(yīng)溫度下的設(shè)備內(nèi)壁，造成該區(qū)域發(fā)生堵塞并形成很硬的結(jié)皮。當溫度超過1000℃時，氯化堿比其他堿化合物具有更大的蒸氣壓，并且在窯內(nèi)燒成溫度（1450℃）以下達到沸點，因而它在進入窯后不久又重新?lián)]發(fā)，到燒成帶幾乎全部揮發(fā)成氣體。因此，當生料中的氯含量超過一定限度時，堿循環(huán)急劇增加，導(dǎo)致在溫度處于800℃～1000℃區(qū)間的預(yù)熱器或管道內(nèi)嚴重結(jié)皮，危害窯系統(tǒng)的正常操作。同時，氯化堿還能與已生成的硫酸堿形成低共熔點混合物，粘附在生料表面上，降低生料流動性，有助長結(jié)皮的趨勢。當原燃料中堿與硫、氯化合后仍有剩余時，可以與生料中的CaCO3化合形成在低溫下熔融的極易揮發(fā)的堿金屬碳酸鹽而構(gòu)成循環(huán)，形成結(jié)皮問題。同時，這部分過量的堿也可能在燒成溫度下成為熟料液相的組成部分，它是不再揮發(fā)。在熟料冷卻過程中，如果這部分堿不包括在玻璃體中，它就會與熟料礦物發(fā)生反應(yīng)。例如K2O與C2S發(fā)生反應(yīng)形成KC23S12，并產(chǎn)生游離CaO；Na2O與C3A化合形成NC8A3，同樣也產(chǎn)生游離CaO。前者阻礙C2S充分吸收CaO生成C3S，后者促進鋁酸鹽析晶，加速水泥早期水化和凝結(jié)，并均造成游離CaO增加。如果燒成帶還原氣氛占優(yōu)勢，那么以這種方式留在熟料中的堿就會增加。在嚴重還原氣氛下，熟料中可能形成硫化鐵堿（KFeS2），這樣熟料中硫和堿的含量就比一般預(yù)計的更高。此外，堿的存在還會顯著提高燒結(jié)過程中高溫液相的粘度，使C3S形成更加困難。與正常水泥相比，高堿水泥需水量較大，凝結(jié)較快，早期強度較高，但后期強度較低。

通過上面的分析，一方面由于窯尾系統(tǒng)的結(jié)皮堵塞，會影響窯系統(tǒng)的正常操作，要求抑制堿的揮發(fā)；另一方面由于熟料中堿、硫或氯等的含量過高，會影響熟料質(zhì)量，要求促進堿、硫或氯的揮發(fā)。在一定的原燃料和正常操作的條件下，如果既要求降低熟料堿含量，又要求避免預(yù)熱器結(jié)皮堵塞，唯一可行的辦法就是采用旁路系統(tǒng)排出一部分堿，從而破壞他們在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)。雖然采用旁路系統(tǒng)將使熟料燒成熱耗、料耗、系統(tǒng)電耗及一次性投資、生產(chǎn)維護有所增加，但它是解決系統(tǒng)內(nèi)有害組分循環(huán)問題或降低熟料中有害組分含量有效可行的方法。

到目前為止，被人們普遍接受的觀點是：當生料中總堿量（K2O+Na2O）超過1%時，就可能影響窯系統(tǒng)的正常操作，需考慮采取必要的措施。有時生料中有害組分的含量可能不會影響窯的正常操作，但考慮到市場或其他特殊需求，需要降低熟料中堿等有害組分的含量，以提高水泥質(zhì)量。這樣在原燃料無法改變的情況下，采用旁路放風(fēng)技術(shù)就是有效可行的辦法。

3 堿旁路放風(fēng)的技術(shù)指標及運行分析

總的來說，堿旁路放風(fēng)有兩個明顯作用：一是在原料中堿含量超標的情況下能穩(wěn)定系統(tǒng)操作。這主要表現(xiàn)在旁路放風(fēng)能降低窯系統(tǒng)堿的循環(huán)，消除或減少預(yù)熱器的結(jié)皮堵塞現(xiàn)象，減少窯尾上升煙道和下料斜坡結(jié)皮和涌料，改善窯內(nèi)通風(fēng)狀況，緩解窯內(nèi)結(jié)圈或長厚窯皮的形成，有利于窯的正常操作，系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)率會有所提高，從而能提高窯的產(chǎn)量；二是提高熟料質(zhì)量。旁路放風(fēng)有利于降低熟料中堿（特別是K2O）的含量，這一點在要求生產(chǎn)低堿水泥時顯得尤為重要。

3.1 技術(shù)指標

當然，增設(shè)旁路放風(fēng)裝置不僅會增加設(shè)備操作人員和基建投資，對生產(chǎn)操作控制帶來一定的麻煩，而且系統(tǒng)熱耗、料耗及電耗都會有所增加。通過旁路放風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計算以及熱平衡計算可知，對于預(yù)分解窯來說，每旁路放風(fēng)1%的窯尾氣體，系統(tǒng)熱耗約增加8.36～12.54kJ/kg熟料，旁路窯灰量約增加1.5～2.5g/kg熟料。窯系統(tǒng)電耗按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)，每放風(fēng)1%的窯尾氣體，電耗增加0.1～0.2kWh/t熟料。

對于河南JZ水泥有限公司，根據(jù)燒成系統(tǒng)旁路放風(fēng)量的計算結(jié)果，中材國際天津分公司分別對不放風(fēng)、放風(fēng)20%、放風(fēng)30%及放風(fēng)40%這四種情況下的技術(shù)指標進行了對比，結(jié)果見表3。

3.2 運行成本分析

根據(jù)公司不同放風(fēng)量情況下的技術(shù)指標對比可以看出，隨著放風(fēng)量的增加，系統(tǒng)熱耗和電耗也會相應(yīng)增加，也就意味著生產(chǎn)運行成本相應(yīng)增加。假設(shè)實際生產(chǎn)中無煙煤的熱值為22990kJ/kg，每噸無煙煤的成本為800元，電價為0.6元/kWh，運行成本的增加情況見表4。

表3 公司不同放風(fēng)量情況下的技術(shù)指標對比

表4 公司不同放風(fēng)量情況下的運行成本分析

從表4中看出，在未考慮旁路放風(fēng)余熱發(fā)電的發(fā)電量（這會變相使生產(chǎn)成本降低）、未考慮旁路放風(fēng)和水泥生產(chǎn)使用的窯灰?guī)斓仍O(shè)施帶來的固定資產(chǎn)折舊和新增人員成本以及未考慮因為生料理論料耗的增加而引起的生料成本的增加（窯灰作為混合材可以適當降低水泥成本）的情況下，公司系統(tǒng)旁路放風(fēng)量每增加1%，熟料的燒成熱耗成本就增加0.44元/t熟料，燒成電耗成本增加0.12元/t熟料。因此，公司在生產(chǎn)低堿水泥熟料時，要求放風(fēng)量約40%左右，此時熟料的燒成熱耗成本約增加17.5元/t熟料，燒成電耗成本約增加4.8元/t熟料，合計增加成本約22.3元/t熟料。假定水泥粉磨時熟料的配比為80%，那么旁路放風(fēng)40%時每噸水泥增加成本約17.8元/t熟料。也就是說，如果低堿水泥的銷售價格每噸高于普通水泥約18元，則通過旁路放風(fēng)生產(chǎn)低堿水泥從運行成本上分析應(yīng)該是可取的（這里旁路放風(fēng)氣體余熱發(fā)電產(chǎn)生的效益未考慮）。

3.3 旁路窯灰的處理

旁路窯灰的顆粒分布決定于旁路引出口的位置和幾何形狀，以及該處的氣體速度。有些窯灰較粗，而另一些在63μm篩余上僅有少量殘余，因此幾乎不能準確地描述出其粒度分布。同樣，旁路窯灰的流動特性變化也是很大，有時旁路窯灰象水一樣很容易從料斗中流出來，有時旁路窯灰又很難從卸料斗內(nèi)卸出，所以我們在設(shè)計旁路窯灰儲存和輸送時應(yīng)該考慮到這些因素。

旁路窯灰的再利用問題目前還是一個比較復(fù)雜的問題，國際上也沒有一個很好的解決辦法，通常是丟棄處理。但根據(jù)具體情況，旁路窯灰可以用來進行二次煅燒、修路或生產(chǎn)肥料等，如果旁路窯灰的摻入不影響水泥的性能要求，也可利用旁路窯灰作為水泥混合材。

根據(jù)公司的設(shè)計規(guī)模為5500t/d、低堿水泥占水泥總比例的百分比45%進行計算，平衡每天水泥（15%的PO42.5、20%的PC32.5R和15%的PC32.5）調(diào)配中能夠摻入的窯灰最大值為280t，與之相對應(yīng)的系統(tǒng)放風(fēng)量為26%。如果放風(fēng)量超過26%，就會產(chǎn)生多余窯灰如何廢棄的問題。如果放風(fēng)量等于或小于但接近于26%，則需平衡市場銷售。如果有一個月市場全部需要低堿水泥，則窯灰儲存量就要達到8100t。

4 結(jié)語

新型干法預(yù)熱預(yù)分解窯系統(tǒng)在采用的原燃料中有害揮發(fā)性組分高出正常控制的范圍，引起窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)結(jié)皮堵塞而影響正常生產(chǎn)，或要求降低熟料中堿的含量時，設(shè)置旁路放風(fēng)系統(tǒng)是最有效可行的方法。采用旁路放風(fēng)系統(tǒng)可以減少入預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)有害組分的含量，破壞有害組分的循環(huán)富集，達到減輕甚至防止窯尾系統(tǒng)結(jié)皮堵塞，或使熟料中堿含量能保持在預(yù)定范圍內(nèi)的目的。

河南JZ水泥有限公司擬采用旁路放風(fēng)技術(shù)生產(chǎn)低堿水泥熟料，同時利用旁路放風(fēng)進行余熱發(fā)電，旁路放風(fēng)的窯灰用于生產(chǎn)非低堿水泥時的混合材，理論計算分析，在系統(tǒng)旁路放風(fēng)量約40%左右時，能夠滿足生產(chǎn)低堿水泥熟料的要求，但是系統(tǒng)熱耗、料耗及電耗都會有所增加，生產(chǎn)運行成本也會有所增加。從生產(chǎn)運行成本分析，在系統(tǒng)旁路放風(fēng)量約40%左右時，如果低堿水泥的銷售價格每噸高于普通水泥約18元，且剩余窯灰有合理廢棄的渠道，則通過旁路放風(fēng)生產(chǎn)低堿水泥應(yīng)該是可取的。

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