旁路放風(fēng)與高硫煤的應(yīng)用

劉慶江，高增毅，方婉，沈欣

某φ4.7m×72m預(yù)分解窯設(shè)計產(chǎn)量5 000t/d，實際產(chǎn)量5 600t/d，該項目所在地出產(chǎn)煙煤，但其硫含量高（St.ad＞2%），為了能夠高效利用本地煤，取得更好的技術(shù)經(jīng)濟效益，經(jīng)研究決定，采用旁路放風(fēng)技術(shù)，解決硫含量高的問題。

1 原、燃料使用情況

1.1 原、燃料化學(xué)成分

由表1、表2可見，項目所用原、燃料中的硫、氯離子含量皆高，黑粘土中的堿含量也偏高。

1.2 配料情況

干基原料配比情況見表3，生料及熟料化學(xué)成分分析見表4，生料及熟料率值及礦物組成見表5。

表1 原、燃料化學(xué)成分分析，%

表2 原煤工業(yè)分析

表3 干基原料配比，%

表4 生料及熟料化學(xué)成分分析，%

表5 熟料礦物組成（%）、生料及熟料率值

表6 熟料中有害成分的含量，%

2 熟料有害組分限量指標(biāo)分析

當(dāng)前，我們?nèi)匀涣?xí)慣采用上世紀(jì)七十年代國外水泥公司制定的指標(biāo)討論旁路放風(fēng)設(shè)置，本項目用的是Krupp Polysius公司的標(biāo)準(zhǔn)，也部分融入了F.L.Smidth公司過剩硫的概念。項目熟料中有害成分的化合物含量見表6，不設(shè)旁路放風(fēng)時熟料有害組分限量指標(biāo)情況見表7。

從表7可見，項目原、燃材料中僅氯離子一項含量超標(biāo)，似乎可以不放風(fēng)。但仔細(xì)研究，另外三項SO3、R2O、SE含量均處于警戒水平，結(jié)合其他企業(yè)生產(chǎn)實踐，分析造成以上問題的癥結(jié)所在，具體原因如下：

（1）在預(yù)分解窯系統(tǒng)內(nèi)，煤粉所含的硫在窯頭和分解爐內(nèi)所生成的SO2均被堿性氧化物和氧化鈣吸收生成硫酸鹽，CaSO4-K2SO4-Na2SO4三元系統(tǒng)的低共熔點＜800℃，當(dāng)存在KCl時，低共熔點接近700℃，此時在窯尾很易形成硫硅鈣石（2C2S·CaSO4）、鈣明礬石（2CaSO4·K2SO4）、硫鋁酸鈣（3CA·CaSO4），這些礦物大多呈針狀或纖維狀晶體，是造成結(jié)皮、結(jié)圈的重要因素，且結(jié)皮、結(jié)圈牢固，不易清除。

（2）若硫固化在熟料中，則會使熟料強度降低，水泥凝結(jié)時間不正常，石膏摻入量不易掌握。

（3）項目1.36%的堿合量對熟料后期強度有影響。

綜上所述，為使用高硫煤生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料，項目原、燃料中氯離子含量高，必須研究采用旁路放風(fēng)技術(shù)。

表7 不設(shè)旁路放風(fēng)時熟料有害組分限量指標(biāo)

表8 旁路放風(fēng)計算依據(jù)

3 旁路放風(fēng)量計算

采用經(jīng)典Weber法進(jìn)行旁路放風(fēng)量的計算，堿循環(huán)簡圖見圖1，計算公式如下：

圖1 堿循環(huán)簡圖

旁路放風(fēng)計算依據(jù)與計算結(jié)果見表8～表13，從計算結(jié)果可見：

（1）在10%放風(fēng)的情況下，Cl-、SO3、K2O三項取得了良好的效果：Cl-、SO3遠(yuǎn)離限量指標(biāo)；清除了過剩硫，窯尾不存在促進(jìn)窯皮生成的CaSO4，為使用本地高硫煤創(chuàng)造了條件；熟料中堿含量有所降低，使其擺脫了對熟料后期強度影響的限量（1.5%）界限。

（2）旁路放風(fēng)10%時，排出的旁路窯灰量為20g/kg熟料，熟料熱耗增加83.6kJ/kg熟料。若提高放風(fēng)量，排灰量和熱耗會呈正比增加，應(yīng)盡量避免。

（3）放風(fēng)量和揮發(fā)性組分的降低率并非呈正比關(guān)系，如SO3在放風(fēng)10%時，熟料中SO3含量可降低25%；在放風(fēng)20%時，熟料中SO3含量可降低39%，并非可降低50%，堿也是如此。這樣的原料只能生產(chǎn)一般熟料，即使放風(fēng)50%也不能生產(chǎn)低堿熟料。本項目在生產(chǎn)低堿熟料時，使用了運距較遠(yuǎn)的低堿硅鋁質(zhì)原料。

表9 旁路放風(fēng)計算結(jié)果（K2O情況，g/kg熟料）

表10 旁路放風(fēng)計算結(jié)果（Na2O情況，g/kg熟料）

表11 旁路放風(fēng)計算結(jié)果（SO3情況，g/kg熟料）

綜上所述，我們確定設(shè)置10%放風(fēng)系統(tǒng)。放風(fēng)點在窯尾煙室斜坡部正前方，放風(fēng)口寬4.5m，高1.5m，變徑后的放風(fēng)管道直徑2.1m，從窯尾煙室放風(fēng)后有近36m的上升煙道，用于沉降較大顆粒物料，以減少排灰量，改善管道通風(fēng)環(huán)境。在上升煙道的最上方，煙氣自上而下直通PH爐，用于余熱發(fā)電，發(fā)電量為400kW/h。發(fā)電后的低溫氣體經(jīng)除塵后，由管道接入燒成系統(tǒng)排放煙囪排出。此設(shè)計有效解決了放風(fēng)管道堵塞的問題，使旁路系統(tǒng)實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運行和余熱利用。通過設(shè)置旁路放風(fēng)系統(tǒng)，企業(yè)既可使用較為經(jīng)濟的本地高硫煤，熱損失和排灰處理量也不至過大。旁路放風(fēng)設(shè)置情況見圖2、圖3，中控室操作畫面見圖4。

表12 旁路放風(fēng)計算結(jié)果（Cl-情況，g/kg熟料）

表13 熟料中揮發(fā)性組分含量與旁路放風(fēng)量

圖2 旁路放風(fēng)出口及上升煙道圖（左視）

圖3 旁路放風(fēng)傾斜煙道與PH爐鏈接圖（右視）

圖4 旁路系統(tǒng)操作畫面

表14 2019年四季度實測生產(chǎn)情況

表15 2019年四季度熟料平均強度

表16 熟料中有害成分的含量，%

4 改造效果

在設(shè)有旁路放風(fēng)設(shè)施的條件下，項目2019年四季度實測生產(chǎn)情況及熟料平均強度見表14、表15，熟料中有害成分含量見表16。

通過設(shè)置10%的放風(fēng)量，本項目使用本地高硫煤進(jìn)行生產(chǎn)的設(shè)想得以實現(xiàn)，生產(chǎn)成本降低且熱損失不大，排灰量不多，得到的技術(shù)經(jīng)濟效益可觀；窯內(nèi)工況呈清晰態(tài)，窯尾結(jié)皮趨勢減弱，操作較輕松；熟料中有害組分含量大幅降低，熟料性能改善，強度提高，產(chǎn)量有所增加。

遼闊的新疆是干旱地區(qū)，巖礦中鉀、鈉、硫、氯離子含量均偏高。快速發(fā)展的新疆在建工程項目很多，對水泥質(zhì)量均有嚴(yán)格要求，例如高鐵工程大部分使用低堿水泥（Na2OE≤0.6%），普通水泥也要求Na2OE≤0.8%。除嚴(yán)格選料外，設(shè)置旁路放風(fēng)系統(tǒng)也可降低熟料中有害組分含量，我們采用了這兩種辦法，滿足了水泥市場對水泥質(zhì)量的要求。