最先進的水泥熟料生產工藝——綠源1000t/d流化床水泥窯的實踐

齊硯勇

（西南科技大學，四川 綿陽市 621010）

世界上最成熟、最先進的水泥熟料煅燒方式為預分解窯生產工藝。 隨著目前污染的加劇，能源越來越緊張，亟需燒成熱耗低、環境污染少的新的燒成工藝。在水泥熟料生產工藝的發展過程中，已經成功地將流態化技術用于生料的預熱和預分解，從而大幅度降低了熱耗，提高了熟料質量和產量。流化床水泥熟料煅燒的工業化成為世界水泥工作者的前沿課題。山東綠源1000t/d流化床水泥熟料燒成窯，目前已順利燒制出優質熟料[1-2]。本文對流化床水泥窯的實際生產進行簡單的介紹、總結，對生產數據進行較為粗略的分析，對其熟料的巖相及物理性能進行描述，綜合性地說明流化床水泥窯的優點。

1 流化床窯的系統構成

1.1 工藝流程

流化床水泥窯系統的工藝流程見圖1。

1.2 主要組成

流化床窯系統的設備見表1。主要組成如下：

（1）懸浮預熱分解系統（SC）

由五級預熱器和分解爐組成（示意圖為4級預熱器），生料在懸浮預熱分解系統中被預熱和預分解。

（2）流化床水泥窯（FCK）

生料在1300℃高溫下完成造粒、燒結成熟料，熟料平均粒徑為1～3mm，造粒過程中不需要額外提供粒種。

（3）冷卻系統

冷卻系統由流化床淬冷器（FBQ）和移動床冷卻器（PBC）組成。在淬冷器中，熟料由1300℃迅速冷卻至1000℃，以保證得到優質熟料。在移動床冷卻器中，熟料被冷卻至約110℃，可有效回收熟料的余熱。

圖1 流化床窯系統工藝流程圖

表1 流化床窯系統的設備規格

2 實際生產數據

2.1 原料、燃料

煅燒水泥熟料的原材料有石灰石、粘土、砂巖、鐵粉、鋁礬土，成分分析如表2所示。五組分按照配比要求生產出合格的生料。所用燃料煤的工業分析如表3所示，燒成的熟料化學成分分析如表4。

表2 原料的化學成分分析

表3 煤的工業分析

2.2 熟料的巖相分析及性能測試

流化床水泥窯燒成的熟料顆粒均勻，粒度為1～3mm左右。對燒制的熟料進行化學成分分析如表4，進行巖相分析如圖2，進行X射線衍射分析如圖3，物理性能測試結果如表5所示。

表4 熟料的化學成分分析

根據表4的成分分析可知，該熟料硅率高，鋁率高，飽和系數低，液相量少粘度大，易燒性變差，但是1～4號熟料樣品fCaO含量不高，證明流化床水泥窯可以適用于易燒性差的生料。這是由于在流態化煅燒工藝中，物料從1000℃以下的預熱帶迅速進入到1300℃以上的煅燒帶，生料分解產生的高活性的CaO、SiO2等氧化物，在活性降低以前，已進行固相反應。因此，反應比較完全。

由圖2（a）、（b）可知，熟料顆粒有環帶結構，熟料顆粒中心由形成溫度低的B礦與中間相構成，外圍交叉出現A礦、B礦環狀結構。由于燒成過程中煤粉不同時刻的混入，形成A、B礦不同含量的環狀結構。由圖2（c）可看出，A礦尺寸略小，大小分布均勻，包裹有C2S，含量較高；B礦發育良好，雙晶紋明顯，大小合適；fCaO較少。由圖2（d）可看出，中間相含量低，鋁相較為明顯。綜合以上特征，熟料硅率高，表現為高溫急燒，在高溫段停留時間短，燒成時間不足，冷卻良好。對于此種硅率、鋁率高的配方，在回轉窯中高溫燒成也未必保證熟料中fCaO含量低，但是圖中流化水泥窯燒成的熟料基本上看不到fCaO。

圖3 熟料XRD圖譜

從圖3看出，該熟料的主要峰與化學式為C54S16MA的A礦匹配得特別好，證明此種C3S結晶狀態好，并且圖譜中C4AF的特征峰較弱，而C3A的特征峰特別明顯。這與熟料的硅率、鋁率高是相對應的。

表5 熟料的物理性能

表5中流化床窯熟料強度與預分解窯熟料相比，早期強度高是急速煅燒中，生料反應生成較多的鋁酸鹽礦物，后期強度高可能是因為C3S的含量較高，這一特征可從巖相圖片中看出。流化床窯熟料綜合樣的強度也不比其他熟料差，性能優良。

3 物料平衡與熱量平衡

流化床水泥窯燒成系統的物料平衡和熱量平衡分別如表6、7所示。一般來說，2500t/d新型干法回轉窯C1出口溫度310～370℃，熱耗占21%～23%；5000t/d新型干法回轉窯C1出口溫度290～340℃，熱耗大約占18%～21%。四川某廠一級筒出口溫度高達310℃，廢氣帶走熱716kJ/kg.c1，占19.8%，而該流化床水泥窯C1出口廢氣帶走熱為276 kJ/kg.c1，僅占11.4%，熱耗較低。當產量增加時，流化床窯單位熟料的燃料燃燒熱耗、C1出口熱耗及單位熟料表面散熱將進一步降低，能源利用效率會更高。另外，2500t/d或 5000t/d的新型干法回轉窯余風熱耗大約為10%～18%，而流化床水泥窯沒有余風。

流化床水泥窯流動床淬冷器和移動床冷卻器的組合，保證了熟料冷卻過程中很高的熱回收率，這樣冷卻空氣量降低至流化床水泥窯中燃料燃燒所需的空氣量；而在傳統的篦式冷卻機中，由于熱回收率低，需要大量的過剩空氣，所以流化床水泥窯熟料帶走的熱耗和CO2排放要相應地降低。如表7所示，流化床水泥窯出冷卻機熟料溫度低，熟料帶走熱耗僅占2.72%，而一般回轉窯的熟料帶走顯熱占3%～4%。

表6 物料平衡表

表7 熱量平衡表

3 流化床水泥窯的特點

流化床水泥窯的核心技術是大顆粒流態化水泥熟料煅燒工藝[3-6]，用流化床反應器來代替傳統水泥生產中的回轉窯和立窯煅燒設備，從而達到降低能耗、提高質量和減小污染的目的，具體表現為如下所述：

（1）CO2排放量降低10%～25%，NOx排放量減少40%以上。

流化床水泥窯系統為1300～1400℃的無焰燃燒，而回轉窯系統為1800～2000℃的火焰燃燒。表面散熱低、冷卻機無余風排出。熱耗降低，燃燒形成的CO2相應減少。燒成溫度低，流化床水泥窯系統的NOx排放量顯著減少，約為200～240ppm，比現有預分解窯系統減少約40%。

（2）能源利用率高，熱耗下降10%～25%

目前，2500t/d新型干法回轉窯的熟料熱耗為3000～3700 kJ/kg.c1，5000t/d新型干法回轉窯為2800～3300 kJ/kg.c1，而流化床水泥窯單位熟料的燃料熱耗為2289.6kJ/kg.c1，熟料能耗最低。如表7所示，流化床水泥窯的燒成效率為70.39%，一般來說，2500t/d新型干法回轉窯燒成效率為40%～50%，5000t/d新型干法回轉窯為48%～55%，因而流化床窯能源利用效率更高。

用流化床水泥窯燒成的熟料粒度小而均勻，約2mm左右，這樣在流化床淬冷器和移動床冷卻器中的熱交換很好，熱效率可達80%以上，比現在的篦式冷卻機提高了10%以上。另外，與回轉窯系統相比，散熱表面積及表面溫度也減小，如表8所示，表面散熱耗比僅占6.38%，與表中所列廠家表面散熱能耗相比最低，這兩種因素使熱耗下降10%～25%。

（3）煤種的選擇有很大的靈活性。

回轉窯由于其熱交換靠熱輻射，要求火焰溫度達1800～2000℃，然而由于流化床的傳熱是接觸傳熱，流化床的溫度達到1400℃時對于燒成反應的發生來說已經足夠。另外，回轉窯不宜采用低熱值的劣質煤和高碳低揮發分煤，這類煤會降低火焰溫度或者延遲燃燒，但在流化床水泥窯系統中，流化床的良好燃燒和傳熱性決定了它不但可以使用優質煤，更可以使用劣質煤，劣質煤也能保持良好的燃燒狀況，因此煤種的選擇余地很大。

表8 預分解窯、流化床窯燒成系統表面散熱對比

（4）生產各種水泥的轉換性好。

利用流化床的燃燒特點，造粒和燒結溫度能被精確控制，因此轉換生產各種水泥比較容易，而且系統的優良特性保證生產出的特種水泥質量好，成本低。

（5）建設成本、運轉成本和維護成本低。

與回轉窯比，流化床水泥窯系統的設備占用土地面積減少70%，建廠投資減少10%～30%。由于沒有像回轉窯和篦式冷卻機那樣的活動部件，流化床水泥窯系統的機械設備和耐火材料的使用壽命增長，在熱耗降低的同時，運轉和維修成本也下降。

4 結 論

（1）與NSP回轉窯方式相比，流化床方式的燒成技術可以減少燃料百分之十幾，降低NOx和CO2的排放量，并能使用低品位煤，還可以燒成多品種水泥。

（2）將已預熱及燒成的水泥原料粉造粒成1～2毫米的熟料顆粒來完成硅酸鹽熟料的煅燒反應是流化床窯區別于新型干法回轉窯的關鍵，也就是說流化床水泥熟料煅燒技術雖然在預熱和分解上采用了新型干法的生產技術，但是在燒成上發生了質的變化。

[1]張運科，槐業進.日產千噸流化床水泥窯落戶淄博[N].中國建材報，2005（07）.

[2]山東淄博第一條流態化水泥工藝線再次試產[J].建材發展導向，2012（04）:74.

[3]李曉光.煅燒水泥熟料用大顆粒流化床的動力學特性研究[D].西安建筑科技大學，2006.

[4]范海宏,徐德龍,肖國先,李曉光,鄧軍平.大顆粒流態化水泥熟料煅燒試驗研究[J].水泥工程，2003（06）:25-27.

[5]范海宏，徐德龍，肖國先，李曉光，鄧軍平.利用流化床煅燒水泥熟料的試驗研究[J].新世紀水泥導報，2004（01）:37-39.

[6]段然.大顆粒流化床水泥熟料煅燒工藝熱模試驗研究[D].西安建筑科技大學，2008.