水泥生產工藝方面的中庸之道(連載三)

賈華平

（天瑞集團水泥公司，河南汝州市 467500）

11 生產水泥就不得不燒制熟料嗎

眾所周知，生產水泥熟料真是麻煩，投資又大、能耗又高、還污染環境，有沒有搞錯，我們為什么要生產水泥、為什么要燒制熟料呢？

按照傳統的邏輯，我們要搞構筑物就要有混凝土，搞混凝土就要有水泥，搞水泥就離不了熟料。但進一步細化就會發現，水泥變成混凝土之間還有一個過程產品，水泥—→水化產物—→混凝土—→構筑物。在水化產物中，起主要作用的是硅酸鈣水化物，我們能不能直接生產硅酸鈣水化物呢？

2009年12月16日，在“中國水泥網”上，出現了一篇來源于“新華網”的短文，《德國開發出“綠色”水泥生產工藝》：德國卡爾斯魯厄技術研究所14日宣布，他們開發出一種“綠色”水泥生產工藝。這種基于水合硅酸鈣技術的水泥生產工藝，可以比傳統水泥生產工藝少排出一半的二氧化碳，所需的原料用量將大大減少，且生產過程所需的溫度低于300℃，而傳統水泥生產通常需要約1450℃的高溫環境，大幅降低了能耗。

對此報道，多數網友的看法是“既希望又懷疑”，其實“這一次是真的”，我們今天就來談談這個問題：

該工藝正是繞開了高溫燒制水泥熟料，轉而直接生產硅酸鈣水化物，然后進行干燥，再粉磨制成含有一定水的“水泥”，這些水以化學方式結合在具有水硬性的水化硅酸鈣里面。該水泥被命名為“才利特門特水泥（Ce1itement）”。

才利特門特水泥的生產原理是卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的發明。才利特門特股份公司由Schwenk集團、卡爾斯魯厄理工學院共同創建，力圖將才利特門特水泥推向市場。據不完整的信息，2011年10月，該工藝的實驗廠開工建設；2013年2月至4月，該工藝的粉磨車間又進行了擴建，提升了產量；該工藝已經在德國獲得多項國家大獎，其基本原理見圖1。現有硅酸鹽工藝原理見圖2。

圖1 才利特門特水泥的生產和使用原理圖

圖2 現有硅酸鹽水泥的生產和使用原理圖

傳統的水泥是沒有水的，加水后開始水化反應和硬化；才利特門特水泥本身已含有一定的化學結合水，再加入水、砂子、骨料，便像普通波特蘭水泥一樣制成了混凝土。

才利特門特水泥的基本生產方法是，利用石灰和砂子作為基本原料，石灰系數控制在0.5～2的范圍就足夠了。由于大多數的CO2排放來自石灰石，因此本水泥和普通硅酸鹽水泥比較，可以減少高達50%的CO2排放；才利特門特水泥可以在低于 300℃下生產，與需要高溫燒制的硅酸鹽水泥熟料比較，低溫工藝和減少石灰石用量的雙重因素，對節能減排具有顯著的經濟和環境效益。

才利特門特水泥和硅酸鹽水泥類似，并且顯示出極好的性能。相組成非常均勻，性能調節直接簡單，也就是說其強度是時間的函數。才利特門特水泥具有如下優點：① 鈣硅摩爾比小于2，減少了對碳酸鈣的需求；② 低溫工藝合成，簡化了工藝和裝備；③ 減少來自原料和燃料的二氧化碳排放；④ 可以與普通硅酸鹽水泥混合使用，與傳統的水泥類膠凝材料兼容；⑤ 成分均勻，容易控制硬化過程及產品質量；⑥ 混凝土具有高度連接的硅酸鹽構筑單元和低孔隙率，構筑物具有良好的耐久性和抗侵蝕能力。

才利特門特水泥的基本生產流程如下：

（1）基本原料：初始原料類似于現有硅酸鹽水泥的生產，鈣的成分來源于石灰石，硅的成分來源于不同的硅質原料，鈣硅的摩爾比在0.5-2的之間；

（2）水熱合成：蒸壓釜內，在150～300℃ 的各自飽和蒸汽壓下，原料和水轉換成硅酸鈣水化物，然后再進行干燥，形成需要進一步加工的水熱產品；

（3）活化調節：將水熱產品與其他硅酸鹽組分進行混合，使用添加劑、混合材以調控產品的性能，通過粉磨激發各個礦物相的活性；

這樣，具有水硬性的水合硅酸鈣——才利特門特水泥，就生產出來了。

12 新型干法工藝離不開預均化堆場嗎

就目前來講，預均化堆場確實是減小生料波動，穩定熟料生產的經濟有效的措施。但占地那么大、投資那么高，有的時候，確實不具備建設條件，那我們就無路可走了嗎？或者說強制上預均化堆場可能就不是最佳方案了。

準確的說，預均化堆場應該只是生料均化的措施之一，生料的均化應該貫穿于生料制備的全過程。礦山搭配開采、原料預均化堆場、原料的準確配料、生料在粉磨過程中的拌混、生料均化庫，等多個環節構成生料的均化鏈。每經過一個環節都會使原料或半成品進一步得到均化。

進一步講，每個環節的均化原理不盡相同，均化效果也不盡一樣，其投資效果比也有差別，但其各環節的均化效果具有疊加效應，是可以相互彌補的。一般來講，原料預均化堆場和生料均化庫是均化過程的主要環節，它們占全部均化工作量的80%左右。

某個環節的均化效果與其入料的標準偏差有很大的相關性。也就是說，上一個環節的均化效果好了，下一個環節的均化效果會自動降低，上一個環節的均化效果差了，下一個環節的均化效果就會自動提高，在整個均化鏈中，總的均化效果不是各環節均化效果的簡單代數和。

由于空間上的均化都不能避免離析現象，在每個空間均化環節中，拌混和離析同時存在。隨著入料標準偏差的增大，拌混作用加強而離析作用減弱；隨著入料標準偏差的減小，拌混作用減弱而離析作用加強。

所以，就整個均化鏈來講，拌混的次數越多、拌混的程度越大，均化效果就會越好。但均化到一定程度，當拌混作用等于離析作用時，均化效果就出現了一個極限值，做不到無限的提高。

現在把問題說回來，如果不具備建設預均化堆場的條件，就不要硬建，完全可以通過加強其他環節的均化作用來彌補。那么，在礦山搭配開采、原料的準確配料、生料粉磨過程的拌混、生料均化庫幾個環節中，哪一個環節還有較大的均化潛力可挖呢？就目前的技術來講，應該是生料均化庫和原料的準確配料。

（1）采用更好的生料均化庫

生料均化庫是目前預分解窯生產系統的一個重要設施，他的均化效果好壞對入窯生料質量的穩定影響很大。由于它用于大工業生產的物料流上，各研究單位對其下了很大的功夫，設計了多種上進下出、邊進邊出的生料均化庫，但結果都不盡理想。

實際上，均化效果取決于時間上的均衡與空間上的均化，在一種設施不能同時滿足兩者時，就應該采用“先檢驗后使用” 的基本理念將兩者割裂開來，先解決空間上的均化，再解決時間上的均衡，就簡單多了。

德國的po1ysius公司是世界上著名的水泥裝備公司，他對一些工廠的設計，大部分仍然采用了“先檢驗后使用”的原始庫型，但卻具有良好的均化效果。

Po1ysius給某3200t/d線設計的生料均化庫是兩個雙層庫，由此將入庫、均化、出庫從時間上分割開來；雙層庫的上層為間歇式攪拌庫，配料系統累積調整實現庫滿時最終平均值合格，停止入庫后用氣力攪拌至質量基本均一，然后將上層攪拌庫的合格生料卸入下層的儲存庫待用。

這種設計好像是繁瑣了點，但非常實用。不但具有良好的均化效果，而且由于庫的個數多，給生產管理帶來諸多便利。其流程圖見圖3。

圖3 雙層均化庫布置圖

（2）采用更好的配料技術

均化為了什么，比如生料，就是要使在一定空間內的生料，實現其化學成分的均一。其過程是配料和攪拌，兩者是相輔相成的，配得好可以少攪拌，配得差就得多攪拌，可見配料是一個均化的關鍵環節。

配料的最佳方法是什么呢？就是我們在質量管理上提出多年的“先檢驗后使用”原則。這對連續性的大工業生產而言，要確實做到“先檢驗后使用”是不現實的，但這給我們指明了方向，我們可以向這個方向趨近。

在線檢測就是一個很好的方法，它可以在5～20秒內提供一個檢測結果，根據檢測結果每分鐘可以調整一下配料比例；而我們現在用的熒光儀檢測出磨生料，大約是滯后一個小時才調整一次配料。一分鐘與一小時相比，可以說已基本接近了“先檢驗后使用”。

理想的在線分析配料系統是：在每個組分的配料秤前加一臺在線分析儀，以及時檢測該組分的化學成分，根據各組分的檢測結果，通過計算機及時調整各組分的配料比例，使配料的各組分基本實現“先檢驗后使用”，并在出磨生料上保留現有熒光分析儀檢測，以最終檢驗配出的生料到底怎樣，對在線分析儀配料系統進行校正。

該系統能大大的減小對各組分原料預均化堆場、生料均化庫的依賴，減小甚至取消這兩種庫的建設，節約占地、減少投資。

十幾年來，國內已陸續有少數生產線配置了在線分析儀，并取得了越來越多的成功經驗，與已廣泛使用的X螢光分析儀相比，它對原料成分控制的水平和能力要主動、準確、均勻得多。

遺憾的是，國內大部分在線分析儀仍是用于事后檢驗，仍然沒有在配料上前饋使用，原因主要是在線分析儀比熒光分析儀投資要高得多。實際上這是一個誤區，在線分析儀與單一的熒光分析儀比確實貴了不少，但與原料預均化堆場比，它實在是太便宜了。

目前，在線分析儀的重要性，已經在國內得到逐步認識。比如，冀東集團在2012年就提出要求，所有新建生產線，必須采用在線分析儀；南方水泥集團也在2012年提出要求，新建生產線可以在預均化堆場和在線分析儀之間任選其一。

2012年07月19日，我有幸考察了遼源金剛水泥在線分析儀的使用情況，現記錄如下：

該廠有兩條5000t/d熟料生產線，每臺窯配置兩臺中卸烘干生料磨。始建于2004年，2005年1#窯投產，2007年2#窯投產，現場5S管理搞得不錯。該廠石灰石礦山較差，以收購為主，有20多個礦點供貨，而且品位較低，石灰石CaO含量在40% ～ 45%左右。1#窯投產后入窯KH合格率只有20%左右，生產極不穩定。

2007年給1#窯的兩臺生料磨配置了兩臺美國賽默飛世爾的在線分析儀，入窯KH合格率提高到70%左右，產質量都有很大的好轉。2008年，用1#窯的兩臺分析儀的配料結果同時間接控制2#窯的兩臺生料磨，也取得了較好的結果，使2#窯的入窯KH合格率提高到50%以上。

2011年又給2#窯的兩臺生料磨配置了丹東測控的兩臺在線分析儀，不再用1#窯的分析結果間接控制。2012年4月份投入使用，使2#窯的入窯KH合格率提高到60%左右。2013年7月16，由于丹東工控的技術人員說他的在線分析儀效果已經超過了賽默飛世爾，我便與遼源金剛的主要生產領導通了電話，該領導說：原來丹東工控確實不如賽默飛世爾，但后來又作了兩次升級改造，去年底改完，從今年的使用情況對比，丹東工控沒有說謊，他的合格率確實比賽默飛世爾高了一些，都能到70%以上。

圖4 遼源金剛賽默飛世爾在線分析儀

問題已經清楚了，遼源金剛雖然設有預均化堆場，但在上在線分析儀以前，入窯KH合格率只有20%左右，上在線分析儀以后合格率提高了50個百分點。我們一般的水泥廠，不上預均化堆場都能超過20%，也就是說，在上在線分析儀以后，入窯KH合格率都能超過70%。

可以想象，如果再加上高效的生料均化庫、甚至采用多臺在線分析儀配料方案，再加強礦山的搭配開采，而取消投資幾千萬的預均化堆場，滿足新型干法工藝生產應該是沒有問題的。

13 內水高但價位低的煤就是不能用嗎

根據水泥生產的情況，一般將煤粗略的分為三類：褐煤、煙煤、無煙煤等幾種。① 褐煤：多為塊狀，質地疏松，易磨性好；含揮發分40%左右，燃點低，上火快，火焰粗大；發熱量較低，燃燒時間短。② 煙煤：一般為小塊狀、粒狀、粉狀，質地細致，含揮發分30%以上，燃點不太高，較易點燃；發熱量較高，上火快，火焰長，燃燒時間較長。③ 無煙煤：有粉狀和小塊狀兩種，質地緊密，不太好磨；揮發分含量在10%以下，燃點高，不易著火；但發熱量高，剛燃燒時上火慢，火上來后比較大，火力強，火焰短，燃燒時間長。

從實際使用來看，水泥廠的燃料以煙煤為好，發熱量與燃燒特性比較適中，但由于用途廣泛而價格較高；以褐煤最差，不但發熱量低，而且內水普遍較高，但由于用途較少而價格具有絕對的優勢。不論從資源利用的大局考慮，還是從企業成本的降低著想，都希望能夠解決褐煤的使用問題。

遺憾的是，褐煤在水泥廠的應用業績很不理想。云南和緬甸的幾家水泥企業曾使用晾干的褐煤作燃料，暴露的問題主要是由于水分高、熱值低，不能滿足熟料燒成要求的溫度，導致熟料質量較差、產量與使用煙煤相比也下降了20%左右。那么水泥廠到底能不能用褐煤、又該怎么用呢，這里作一些進一步的分析，供大家在實踐中參考。

水分的存在對煤粉的燃燒是極其不利的，它不僅浪費了大量的運輸資源，而且當煤作為燃料時，水分在蒸發時還要消耗大量的熱量。最近，內蒙古工業大學化工學院，就褐煤在水泥廠的利用作了一些研究，提出了利用水泥燒成系統熱廢氣的褐煤脫水工藝，熱平衡計算能將含水15%～50% 的褐煤制成含水5%～8%的煤粉，效益計算每年能為2500t/d的分解窯帶來1000萬元的效益。

先不說這套工藝系統是否可行，退一步講，市場上可以直接買到內水5%～8%的褐煤，如果能利用這一部分褐煤，對水泥廠來講，效益已經十分可觀了。

根據褐煤內水高、熱值低的特點，確實不適合作為頭煤使用，但作為尾煤使用，這兩個特點都影響不大；而且其還具有燃點低、燃燒時間短的另外兩個特點，這另外兩個特點更適合在分解爐內使用。

對于分解窯用煤，有頭煤尾煤之分，尾煤約占整個用煤量的60%左右，如果這60%能用上價廉的褐煤，其效益也是十分可觀的。但這需要增加相應的設施，要求頭尾煤分別采購及進廠、分別儲存及均化、分別粉磨及使用，需要增加一定的投資。

如果在一個廠區內有兩條以上的煤粉制備系統，問題就簡單多了，通過兩個系統的分工制備、交叉使用，略作改造就可以完成頭尾煤的“三個分別”，使用褐煤的投資將會大幅度降低，可行性將更強。

據合肥院的有關專家介紹，進一步的試驗表明，在尾煤使用褐煤以后，預熱器出口的溫度有所降低，余熱發電降低1kWh/t熟料左右；廢氣量有所增加，高溫風機轉速需要加大，電耗增加1kWh/t熟料左右；分解爐的燃燼率有所提高，煤耗降低2kg/t熟料左右。使用褐煤的正負生產效益基本持平，但采購成本卻下降了，采購成本的下降就轉化為使用褐煤的綜合效益。

14 壓低出磨溫度煤磨系統就能不著火嗎

煤粉自燃在多數水泥廠，不論是管磨還是立磨，都發生過，對于揮發分高的煙煤，甚至在原煤堆場、煤預均化堆棚就自燃，不但對生產運行影響大、事故損失較大，而且威脅到人身安全，必須給予高度的重視。

一些水泥廠在自燃幾次后，就被徹底嚇怕了，不去認真分析自燃的原因，而是一味的強調煤磨的出磨溫度，武斷的將出磨溫度控制得低低的，有的甚至下令“不得超過50℃”，由此嚴重影響了煤磨的粉磨能力和烘干能力，影響了窯的正常生產，但煤粉自燃甚至爆炸還是在不斷的發生。我們天瑞也不例外，原因何在呢？

所謂自燃，實際上就是自我燃燒，我們首先來看看燃燒的條件是什么。

燃燒的三大要素∶可燃物、氧化劑、溫度。就煤磨系統的自燃來講，就是有足夠濃度的煤粉、氧指數以上的氧含量、著火點以上的溫度，三個要素缺一不可。這既是防止著火的理論基礎，也是滅火措施的理論基礎。

① 足夠濃度的煤粉。就現有煤粉制備系統來講，設計單位已充分考慮了安全問題，在正常生產中，只要系統的通風沒有問題，氣體中的煤粉濃度遠遠達不到著火條件；

② 氧指數以上的氧含量。氧指數是指著火后剛夠支持持續燃燒時氧氣含量的最小份數。現有的煤粉制備系統都能滿足這個要求，包括從窯尾取熱源的煤粉制備系統；

③ 著火點以上的溫度。幾種煤炭的著火點大致如下：無煙煤550～700℃；煙煤400～550℃；褐煤300～400℃。連著火點最低的褐煤也在300℃以上，煤粉制備系統的設計運行溫度，入磨風溫≤300℃、出磨風溫在70℃左右≯80℃，也是有安全保障的。

現在，我們再來分析一下自燃的原因：

① 雖然氣體中的煤粉濃度沒有達到著火要求，但是在整個煤粉制備系統中，難免存在積存煤粉的死角，死角的煤粉濃度對著火來講是綽綽有余的，這也正是在投產初期強調要先磨一些石灰石的原因，目的就是填充這些死角；而且在系統自燃一次后，系統難免發生局部變形、產生新的死角，而且著火的次數越多產生的死角就越多，這也正是越是著火越愛著的原因。

② 就現有的煤粉制備系統來講，只要拉風生產，其氧含量總是超過著火要求的，那為什么有的系統就著火有的不著呢，同一個系統為什么有時著火而大部分時間不著呢？所以，這不是煤粉制備系統自燃的原因。

③ 既然我們把出磨溫度控制在了80℃以下，遠遠沒有達到煤粉的著火點，那為什么煤粉制備系統有時會著火自燃呢？無論是著火還是燃燒，都是煤粉的氧化反應，只不過是劇烈的氧化反應而已。80℃雖然不能著火，但不等于不能氧化，氧化就要產生熱量，堆積在死角的煤粉又不能及時的將產生的熱量散發出去，就會使煤粉內的熱量越積越多、溫度就會越來越高，直至達到著火點以上，最終著火自燃。

通過以上分析，我們已經知道了防止煤粉制備系統著火自燃的措施，不是過分的控制出磨溫度，而是努力避免和消滅系統中的死角。

15 通道數越多燃燒器就越好嗎

先講一個多少年以前的故事：時值多風道燃燒器在我國興起的時代，在一次討論會上，多數人認為三風道好、四風道更好，但有一位曾在日本小野田工作一年多的領導說，“我那個廠的窯頭放有兩風道、三風道、四風道的燃燒器，隨便使用，基本沒什么差別”，雙方爭論得非常激烈。

我看爭論不休就插了嘴：你們說的很對，目前三風道、四風道的燃燒器確實比我們用的兩風道好；但龔總說的也不錯，龔總是專家型領導，他不會說謊。大家怪我和稀泥，我解釋道：這要看你用什么煤，日本人用的是進口的大同煤、還要優質的，而我們用的是本地煤、還舍不得用好的，它們對燃燒器的要求不一樣，兩者怎么能相比呢？細糧怎么做都好吃，而粗糧必須細做才能可口。

實際上，為了控制生產成本，目前國內的水泥廠都舍不得用好煤，這就對燃燒器提出了更高的要求。由于現在的多風道燃燒器是由最初的單風道發展來的，所以給人的直觀感覺就是風道越多越好。但事實并非如此，什么都有個極限，風道數也不是越多越好。

法國的pi11ard公司，是世界上最著名的專業研究生產燃燒器的公司，他們也曾搞過六風道、七風道的燃燒器開發，但目前推行的還是三風道、四風道燃燒器；另一家對水泥技術有廣泛研究的f1smidth公司，也曾經主推過Centrax四風道燃燒器，但現在又回到了不但內三還要外二的Duof1ex燃燒器上。實際證明，燃燒器的通道越多，火焰的剛度就越差。

多股風因出口縫隙小，核心速度衰減過快，射流穿透深度不夠。形成火焰粗大、局部高溫、易產生大量NOx，而火焰后段“剛度”不足，成形效果差。這不得不進一步提高一次風機壓頭，但由于空氣壓縮因子原因和空氣中音障的存在過高的壓力并不能有效地轉化為速度頭。

由于出口速度高和一次風用量少的要求，旋流風及直流風環形出口縫隙往往很小，機加工和使用過程中難以保證較高的同軸度要求，易發生火焰變形偏轉。若改用多個小噴嘴結構則由于引射面積的增加大大增加了燃燒初期二次風的引射量，即不利于熱力NOx的控制也不利于火焰形狀的控制。

過多的通道數，減少了外風通道的通過風量，使燃燒器外套管得不到足夠的冷卻，引起變形從而導致燃燒器外層耐火澆注料的過早損壞。

那么，怎么才叫一個好的燃燒器呢？一個好的燃燒器應該具有如下特點：

（1）具有較小的一次風量，能形成理想且可調的火焰形狀。火焰細而不長且強勁有力、整體溫度高而溫度峰值低、一次風量小且燃燒完全、煅燒能力強而氮氧化物低；

（2）具有較高的出口風速，以強化風煤混合、強化對二次風的卷吸。但也不是越高越好，當接近音速（340m/s）時，給一次風加壓只能浪費電能，而不會增大多少風速；

（3）具有較多的、有效的、方便的現場調節手段，而且最好能在中控室進行遠程操控，對煤種和窯況的適應性強。各廠家都不是固定的原燃材料，而且窯的煅燒工況也在不斷的變化；

（4）取消內外風調節閥門，降低一次風電耗。就現有的燃燒器來講，一般消耗在調節閥上的阻力約占30%左右，完全可以由風機調速功能代替；

（5）在確保燃燒特性良好的情況下，能有效的調整火焰長度。用調節火焰長度取代燃燒器在窯內的機械進出；

（6）中心盾頭大小合適，能在火焰根部形成一定的熱煙氣回流。這對于著火點高的煤非常重要，也是減少點火油耗的重要措施，也是減少過早的卷吸二次風產生氮氧化物的措施；

（7）中心盾頭具有一定的旋流功能，以促使煤粉的濃淡分離，形成局部的高濃度區。研究表明，煤粉濃度越高越容易著火；

（8）設有大小合適、分布合理的中心風，不結焦、不掛胡子。過大了影響熱煙氣回流，過小了導致燒流的煤灰在燃燒器頭部粘掛影響燃燒器的特性，嚴重時會造成火焰分岔，這對于易燃性好的煤尤其重要。