高可燃性燒失量石灰石在水泥行業中的應用

周紅戰，隋傳昂，張永富，王希武，商祥義

石灰石在水泥生料中的配比一般占80%以上，因此原材料中石灰石的品質將直接影響到熟料的產質量與燒成系統的穩定性。

燒失量又稱灼減量，是指坯料在燒成過程中所排出的結晶水、碳酸鹽分解出的CO2、硫酸鹽分解出的SO2以及有機雜質排除后物量的損失總和[1]。石灰石中的燒失量主要源于其本身碳酸鹽的分解：

燒失量中含有高可燃性成分的石灰石，用作水泥熟料生產的主要原材料極其困難。由天津水泥工業設計研究院負責設計、研發、供貨的越南Quan Trieu水泥有限公司2000t/d新型干法水泥生產線，就是這種石灰石應用的成功范例。

1 原燃材料化學成分及可燃性燒失量的燃燒特性

本項目石灰石來自越南Quan Trieu一大型露天煤礦開采后的剝落物，顏色呈灰黑色，外觀類似煤矸石，但與煤矸石成分有本質區別，其CaO含量一般在46%以上，其他成分也符合水泥熟料生產要求。本項目所用石灰石、輔料及燃料數據見表1、表2。

1.1 原燃材料數據

正常情況下，通過計算：碳酸鈣和碳酸鎂分解所帶出的燒失量為（CaO、MgO生料中的含量見表3）（44/56×42.38+44/40.3×0.99）/100=34.38%。通過對比發現，本項目中生料實際燒失量為36.94%，與計算值34.38%相差2.56%，明顯偏高。對于這部分多余的不明燒失量將會給水泥熟料生產帶來多大影響，由于當時國內外沒有相關技術文件論述，為保證燒成系統適應煅燒這種石灰石配制的生料，特將這種特殊石灰石和其他原燃料委托中國水泥發展中心物化檢測所檢測分析。

表1 石灰石及輔料化學成分，%

表2 煤粉工業分析

表3 生料化學成分，%

1.2 可燃性燒失量的燃燒特性

經中國水泥發展中心物化檢測所熱分析檢測后發現，這部分不明燒失量主要來自于石灰石，且具有可燃性。檢測結果表明：每千克石灰石煅燒后其可燃性燒失量放出的熱量約為310kJ，換算成標準煤（每千克標準煤發熱量為29260kJ）相當于每千克石灰石中含有0.0106kg標準煤，即石灰石中所含標準煤為1.06%。通過石灰石熱分析圖（圖1）我們可以知道，這部分可燃物起始燃燒溫度為310℃，終止燃燒溫度為586℃[2]，通過與表4對比后發現，其燃燒特性與普通煙煤燃燒特性比較接近。

2 高可燃性燒失量對燒成系統的影響及解決措施

高可燃性燒失量通過石灰石帶入生料中，然后進入預熱器預熱、分解爐分解，最后在回轉窯中煅燒、篦冷機內冷卻。整個過程如果沒有這部分可燃性燒失量存在，各項技術指標都在可控范圍內。但由于本項目石灰石中所含可燃性燒失量的特殊性，我們必須對整個系統重新進行配置。由熱分析檢測已知，石灰石中的不明燒失量放出的熱量約為310kJ，這部分熱量和1.06%的標準煤放出的熱量相當。假如按設計2000t/d熟料、石灰石配比85%計算，每小時生料消耗量約為135t，則這部分生料中可燃性燒失量所帶入的熱量換算成標準煤為(不考慮水分、各項損失的情況下)：135×85%×1.06%≈1.22t，也就是說如果每小時投料135t，就會有1.22t標準煤隨生料帶入系統。如果這部分熱量能夠充分加以利用，必然能夠節能降耗；但如果利用不當，這部分熱量也會給生產帶來麻煩。

圖1 石灰石（生料中配比為90.5%）DSC曲線

2.1 高可燃性燒失量生料對燒成系統的影響

由于這部分可燃性燒失量與普通煙煤燃燒特性比較接近，其起始燃燒溫度為310℃，終止燃燒溫度為586℃，這個溫度階段是生料在預熱器系統的預熱階段，可燃性燒失量經預熱器預熱后達到燃點，必然會在預熱器系統中燃燒放出熱量，使局部產生高溫，引發一系列問題：

表4 各種燃料的燃燒起始溫度及終止反應溫度

（1）預熱器系統溫度升高，從理論上計算，本項目所含的多余燒失量可使預熱器出口溫度上升70～110℃，局部高溫區可能發生結皮、堵塞。根據以往使用高燒失量的粉煤灰配料的經驗，預熱器的堵塞通常發生在三級、四級甚至二級旋風筒。

（2）由于預熱器系統溫度升高，可能會造成預熱器系統收塵困難。

（3）C1出口溫度到450℃左右，對后續設備的安全性能產生影響。

2.2 燒成系統的解決方案和措施

通過實驗和上述分析，為確保燒成系統安全、穩定運行，系統關鍵要解決可燃性燒失量燃燒時產生的局部高溫對預熱器系統造成的結皮堵塞。根據各廠實際經驗，預熱器系統堵塞的部位一般發生在三、四、五級旋風筒錐體，主要原因是局部溫度過高，物料粘結致使結皮堵塞。結合燒高燒失量粉煤灰系統的經驗，其堵塞部位多發生在三級筒[3]，因此如果能使這部分多余的可燃性燒失量在進入三級筒之前在某一特定空間實現完全燃燒，也就能減少或避免三級筒錐體的結皮堵塞，實現燒成系統的安全穩定運行。參照本項目可燃性燒失量的燃燒特性，設計人員決定對預熱器系統重新進行設計（原設計和改進后設計的預熱器如圖2、圖3所示）：

（1）C4旋風筒出口上升煙道改為煅燒生料中可燃性燒失量的燃燒爐（見圖3）。

（2）確保燃燒爐中不明燒失量的完全燃燒。雖然理論計算只要保證出C4旋風筒的氣體中O2含量在3.5%（即正常控制范圍）以上，燃燒爐中的燒失量即可燃燒完全，但考慮到燃燒爐中為厭氧環境，可能會有不完全燃燒的狀況發生，因此設計上考慮引少量純空氣的三次風入煅燒爐，以保證多余燒失量的充分燃盡。

圖2 正常五級單系列懸浮預熱器+TTF分解爐

圖3 技改后的五級單系列懸浮預熱器+TTF分解爐及燃燒爐

（3）考慮到多余燒失量燃燒時產生的熱量可能會造成旋風筒收塵困難，特增設兩組喂料系統（見圖3）：①直接入C1-C2連接管道；②直接入C2-C3連接管道。如果預熱器收塵系統良好，則選擇①方案；如果預熱器收塵系統飛灰非常大，收塵困難，則選擇②方案。

（4）由于C1出口溫度較正常高，因此C1出口高溫氣體先經過增濕塔降溫，然后進入高溫風機。

3 熟料的煅燒與系統的穩定性

2011年7月，越南Quan Trieu水泥有限公司2000t/d新型干法水泥生產項目順利點火投料。經過一段時間的試生產，優化生產中的工藝操作參數，熟料煅燒順利，由于原料中可燃性燒失量的特殊性，窯頭、窯尾用煤量較國內同等規模生產線明顯減少，煙室、分解爐下縮口無結皮現象，

表5 系統正常投料期間主要工藝參數

表6 燒成系統考核記錄

表7 熟料全分析（%）及率值

表8 熟料不同齡期的抗壓強度，MPa

系統正常穩定，各項技術指標符合生產要求，質量指標符合國家標準（fCaO≤1.5%）；采用圖3①方案，預熱器系統收塵良好，安全可靠，C1出口溫度在設計控制范圍內，完全達到設計要求（見表5）。2011年9月9日至2011年9月12日，本項目燒成系統順利通過72h性能考核，各項考核指標見表6。

4 生料的易燒性與熟料的物理性能

實際生產表明，以高可燃性燒失量石灰石為主要原材料的生料，易燒性較好,窯頭、窯尾用煤量較低，即使采用兩高配料：熟料KH≥0.95，SM≥2.6（見表7），熟料中fCaO也很少超過1.5%，熟料質量穩定，煙室、預熱器系統生產過程中未發生結皮、堵塞。實踐證明，無論是優化配料方案，還是提高煅燒水平，采用高可燃性燒失量石灰石為原料煅燒的熟料強度和普通石灰石煅燒的熟料強度相當（見表8）。

5 生產中遇到的問題

由于是首次使用這種高可燃性燒失量石灰石作原料，缺乏相應操作經驗，生產過程中也遇到了不少問題，主要表現在以下幾個方面：

（1）石灰石為大型露天煤礦開采剝落物，成分波動很大，造成生料率值波動相對較大，影響燒成系統熱工制度的穩定。

（2）調試初期回轉窯系統出現結圈漏料，通過優化操作參數，調整配料方案[4]，移動、調節窯頭燃燒器等措施得到明顯改善[5]。2012年1月份窯系統運轉率達到99%，保障了正常穩定的生產。

（3）熟料中細粉料較正常石灰石配料的熟料稍多，通過觀察水泥磨運行情況，采用高可燃性燒失量石灰石配料的熟料，易磨性較正常石灰石配料的熟料稍差。

6 結語

高可燃性燒失量石灰石原材料在水泥行業中的成功應用，不但解決了其堆放難、污染大、占地多等實際問題，而且能物盡所用、變廢為寶，既節約了資源和能源，又降低了企業生產成本，為企業利潤最大化創造了良好條件。

[1]沈威,黃文熙,閔盤榮.水泥工藝學[M].武漢:武漢工業大學出版社，1998.

[2]天津水泥設計院技術研發中心.越南Quan Trieu項目燒成系統方案說明[G].2009.

[3]張志勇,于加濱.粉煤灰配料對預分解窯燒成系統的影響[J].水泥,2004(2):25-26.

[4]盧揚芬.調整配料方案解決新型干法窯結圈問題[J].水泥技術，2008（1）：61-63.

[5]劉威.燃燒器位置及火焰形狀對預分解窯煅燒的影響[J].水泥,2006（10）：39-4.