硫堿比在水泥生產中的控制與應用

嚴 峻，聶 松，劉松柏

江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

0 引言

水泥生產所用的原、燃料通常含有一定量的鉀、鈉、硫等有害揮發性組分，這些揮發性組分會在回轉窯的高溫帶揮發，以氣態形式存在于回轉窯氣氛中。氣態形式的堿與硫在向窯尾和預熱器低溫區域運動過程中易冷凝為液態，并在水泥回轉窯系統內循環富集［1-2］。如果原、燃料成分控制不當，不僅會造成水泥回轉窯系統結皮、結圈，影響水泥熟料的正常生產，還會影響水泥熟料的質量［3-4］。

硫堿比就是研究水泥回轉窯系統內硫和堿的含量關系時所提出的一個概念，其計算公式如式（1）所示。在新型干法水泥生產工藝中，硫可以與堿反應生成硫酸鹽，硫酸鹽的沸點較高，在煅燒過程中二次揮發率低，能夠固定在水泥熟料中，并隨水泥熟料排出窯外［5］。通過適當控制原、燃料的硫和堿含量，可以有效避免鉀、鈉、硫等揮發性組分在水泥回轉窯系統內富集形成結皮。

因此，研究水泥回轉窯系統內鉀、鈉、硫的反應機制、遷移規律及含量關系，對于水泥的生產工藝及熟料的質量控制具有極其重要的意義。

1 硫堿比對水泥回轉窯系統運行的影響

通過控制水泥生產所用原、燃料的硫堿比，可以有效改善堿對水泥回轉窯系統運行狀況的影響。然而，關于硫堿比的合理取值范圍還存在一定爭議?？偨Y歸納現有研究成果，發現硫堿比的控制大致有以下三個范圍：

第一，原、燃料的硫堿比應控制在0.6 以上。胡宏泰［6］指出，南非某廠所采用原、燃料的硫堿比為0.49，水泥回轉窯系統結皮頻繁；當采用堿含量高的原料使硫堿比提高到0.6 左右時，結皮基本消失。因此，建議在缺乏充分生產實踐數據的情況下，硫堿比應該控制在0.6～1.0 之間。如果生料中的堿含量低于1.0%，硫堿比可取1.0。一般采用0.6～0.8 為宜。

第二，熟料的硫堿比應控制在0.6 以上。薛俊東［7］研究了硫堿比對冀東水泥豐潤有限責任公司水泥回轉窯系統運行狀況的影響。結果表明，當熟料的硫堿比為0.35 時，窯尾煙室及C5 錐體和下料管結皮頻繁，窯內結大塊，并不時地有飛砂料出現。在生料中加入適量磷石膏后，熟料的硫堿比提高至0.61，水泥窯系統的運行狀況明顯好轉，窯尾結皮較之前大幅度減少。冀東水泥豐潤有限責任公司將熟料的硫堿比控制在0.6～0.8 之間。陸純煊等［8］結合國內外多家水泥廠的實際生產也發現了類似的研究結果，即使熟料中的堿含量高達2%，只要將熟料的硫堿比控制在0.6～0.7 之間，就可以保證水泥回轉窯系統的穩定運行。

第三，原、燃料的硫堿比應低于0.6。孫樹林等［5］在調研北方三家水泥廠時發現，當生料中的硫堿比不超過0.152 時，水泥窯系統運轉基本正常；當硫堿比介于0.152～0.24 之間時，預熱器經常出現塌料現象；當硫堿比大于0.24 時，就會出現堵塞風險；當硫堿比大于0.38 時，很快就會堵塞。劉華餛［9］通過總結國內實際生產經驗，提出了硫堿比的控制范圍：當硫堿比為0.3～ 0.6 時，預熱器系統結皮輕微，可以保證系統穩定運轉；當硫堿比為0.6～1.0 時，預熱器系統容易結皮；當硫堿比超過1 時，預熱器和分解爐系統結皮頻繁而且嚴重，回轉窯內易結圈，不能保證水泥熟料的正常生產。張鵬［10］在實際生產過程中發現，原、燃料的硫堿比控制在0.35～0.65 之間時，水泥回轉窯系統能夠正常運行，而較高的硫堿比易造成上升煙道結皮。

在實際生產過程中，水泥原、燃料中的鉀、鈉、硫等揮發性組分在一定溫度下揮發，硫和堿在氣態下結合成沸點較高的硫酸堿，之后隨水泥熟料排出窯外。因此，具有決定意義的不是原、燃料的硫堿比，而是水泥回轉窯系統內氣態硫與氣態堿的摩爾比［9］。從操作的角度考慮，當原、燃料的硫堿比使水泥回轉窯內氣態硫與氣態堿的摩爾比接近1 時，硫堿比最為合適［11］。水泥生產所用的原料以及熱工制度不同，均會導致硫和堿的揮發特性存在一定差異。此外，結皮的特征礦物主要包括2CaSO4·K2SO4、2C2S·CaCO3和2C2S·CaSO4［5，6，12］。在這些結皮礦物中，只有2CaSO4·K2SO4含有K2O，且其質量占比遠遠小于SO3。孫樹林等［5］通過分析不同水泥廠結皮的化學成分（見表1），也發現了結皮中硫的富集程度遠遠高于堿。硫和堿形成的融體只是引起結皮的誘因，水泥回轉窯系統結皮堵塞還與融體對粉塵的粘結能力有關［13］。綜上所述，揮發性組分的揮發特性以及融體的粘結能力存在差異是導致不同水泥生產線硫堿比的控制范圍不一致的兩個主要原因。當生料和燃料經過優選后，揮發性組分仍然超過控制限量時，一般需要通過旁路放風將堿從窯尾排出［6，14］。采取旁路放風可以有效緩解預熱器結皮，但也會帶來一些問題。旁路放風會使水泥回轉窯系統的熱耗增加，并且還有大量飛灰需要處理，導致投資及經營費用顯著增加。

表1 不同工廠化學結皮分析結果［5］

2 硫和堿對熟料和水泥性能的影響

若硫堿比控制不當，不僅會使水泥回轉窯系統嚴重結皮，還會影響熟料和水泥的性能，對水泥水化速率和強度產生影響［15-16］。

喬齡山［17］研究了硫和堿對熟料巖相結構的影響，發現隨著SO3含量的增加，阿利特礦物含量減少，晶體變大，貝利特礦物含量增加，鋁酸鹽和鐵酸鹽含量變化不大，尺寸則明顯減?。粔A含量的升高也會造成阿利特礦物明顯下降，貝利特礦物含量相應增加。

趙東明［18］發現提高熟料的硫堿比能夠改善水泥生料的易燒性，在煅燒過程中，硫能增加高溫液相量，降低液相黏度，提高熟料的早期強度，而硫固溶在阿利特中會降低阿利特的水化活性，不利于熟料的28d 強度發展。

喬麗娜等［19］和熊運貴等［20］研究了硫堿比對水泥漿流變性能的影響，發現硫堿比過低會導致水泥漿體的流變性能變差。究其原因，水泥水化時中的堿快速溶解在液相中，促進了水泥的水化，并且堿還會提高熟料煅燒過程中的液相黏度，使熟料礦物結晶困難，顆粒細小，水化速度較快［19-21］。通過使用高硫煤或摻入適量石膏，則可以有效解決水泥漿流動性惡化的問題［18］。

3 結語

合理控制硫堿比可以避免揮發性組分在水泥回轉窯系統內循環富集，改善水泥熟料的質量，改善水泥漿體的流變性能。硫堿比的控制范圍主要取決于原、燃料中硫和堿的揮發特性，以及融體的粘結能力。在采用堿含量較高的原、燃料時，選擇合適的硫堿比能有減輕揮發性組分對水泥回轉窯系統正常運行和水泥熟料質量的不利影響。