鎂渣大比例替代石灰石生產(chǎn)熟料的生產(chǎn)實踐

強玉琴，周應(yīng)慶，彭嘉選，韓軍強，崔建勤（甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

0 前言

新疆某公司2000t/d熟料生產(chǎn)線（以下簡稱“A廠”）于2009年6月建成投產(chǎn)。2017年，公司響應(yīng)國家節(jié)能降耗等系列政策要求，采用甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司（以下簡稱“甘肅土木”）的專有核心技術(shù)——“水泥窯大溫差交叉料流預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)工藝技術(shù)”對燒成窯尾進(jìn)行了節(jié)能降耗技術(shù)改造[1]。項目投產(chǎn)后，因進(jìn)廠石灰石礦點較多，主要成分波動較大，質(zhì)量無法保證，經(jīng)過對當(dāng)?shù)亟饘冁V廠排放的鎂渣進(jìn)行分析論證，采用鎂渣替代部分石灰石生產(chǎn)，至今已穩(wěn)定運行3年多，取得了很好的效果。

鎂渣的主要化學(xué)成分為CaO和SiO2，并含有少量CaF2，主要礦物成分為C2S，具有一定的水硬性。鎂渣可以替代部分天然石灰石原料生產(chǎn)水泥熟料[2-4]，在熟料煅燒時可起到誘導(dǎo)結(jié)晶和礦化等作用。通過對國內(nèi)外鎂渣使用現(xiàn)狀的研究發(fā)現(xiàn)，由于受工藝技術(shù)所限，其配比一般在5%～15%之間，最佳配比在10%，替代石灰石的量相對較小，對產(chǎn)品性能的改善不顯著。基于此，項目團隊利用改造后的大溫差預(yù)熱預(yù)分解工藝系統(tǒng)對生料中不同鎂渣配比進(jìn)行了應(yīng)用研究，結(jié)果表明，鎂渣替代石灰石比例可以大幅提高，配比穩(wěn)定在18%以上，最高達(dá)到了22%，同時，熟料產(chǎn)、質(zhì)量大幅度提高，燒成煤耗大幅度下降，呈現(xiàn)出資源綜合利用和增產(chǎn)、提質(zhì)、節(jié)能、降耗的巨大潛力和價值。

1 改造前的基本情況

1.1 主機設(shè)備配置

熟料生產(chǎn)線主要工段主機設(shè)備配置見表1。可以看出，窯尾預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)是典型的2000t/d配置，但回轉(zhuǎn)窯、篦冷機等主機設(shè)備能夠滿足2500t/d生產(chǎn)能力的要求。

1.2 原、燃料及主要熟料生產(chǎn)指標(biāo)

2016年，進(jìn)廠主要原燃料化學(xué)成分及原煤工業(yè)分析分別見表2和表3。改造前，生產(chǎn)采用石灰石、煤矸石、石英石、頁巖、銅礦渣等組份配料。進(jìn)廠石灰石來自3～4個礦點，主要成分波動較大，CaO在40.59%～53.62%之間，尤其是SiO2在2.80%～14.86%之間，含量高且波動很大，加劇了石灰石的質(zhì)量波動，且SiO2基本以游離態(tài)存在，硬度大，活性低，耐高溫，不易參加化學(xué)反應(yīng)。

2 燒成窯尾技術(shù)改造

2017年2月28日～4月16日，哈密南崗采用我公司核心專利技術(shù)對燒成窯尾進(jìn)行了節(jié)能降耗技術(shù)改造，形成了獨具特色的“大溫差交叉料流預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)工藝”。技術(shù)改造的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：

表1 熟料生產(chǎn)線主要工段主機設(shè)備配置

（1）大溫差交叉料流系統(tǒng)。對C2、C3下料系統(tǒng)進(jìn)行大溫差交叉料流系統(tǒng)改造。其核心是通過增大氣料換熱溫差，提高生料的換熱效率，降低系統(tǒng)出口溫度，降低熱耗。

（2）高效、低氮分解爐系統(tǒng)。一是對分解爐煤粉燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造。通過改變分解爐的噴煤方式，改變?nèi)紵齾^(qū)環(huán)境氣氛，實現(xiàn)前置脫硝，降低SNCR脫硝系統(tǒng)的氨水消耗量，同步解決分解爐錐部結(jié)皮和堵塞等相關(guān)問題。

二是在原有分解爐容積不變的情況下，通過改造分解爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)和鵝頸管，提高煤粉在爐內(nèi)的燃盡率，使煤粉在爐內(nèi)高效燃燒，整個斷面的溫度均勻穩(wěn)定；消除分解爐與C5出口溫度倒掛現(xiàn)象；消除鵝頸管彎頭積灰，改善系統(tǒng)的通風(fēng)，降低系統(tǒng)阻力；緩解和消除預(yù)熱器系統(tǒng)的結(jié)皮、堵塞以及窯內(nèi)結(jié)圈、結(jié)球和長后窯皮等問題。

三是利用生料在爐內(nèi)多點喂入和多次噴旋疊加效應(yīng)，實現(xiàn)了生料在爐內(nèi)的進(jìn)一步強化換熱和快速分解，延長物料在爐內(nèi)停留時間，有效提高入窯生料分解率。

（3）配套改造。配套改造項目主要有：窯尾煙室，窯頭、窯尾密封裝置等。

通過技術(shù)改造，實現(xiàn)預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)的料氣大溫差強化換熱，提高換熱效率，使入窯生料碳酸鈣快速和充分分解，增強分解爐對原燃料的適應(yīng)性，提高熱穩(wěn)定性，增大操作彈性，達(dá)到提高熟料產(chǎn)質(zhì)量，降低能耗和低氮環(huán)保的目的。

3 鎂渣替代石灰石的應(yīng)用研究

改造項目投產(chǎn)后，在進(jìn)廠石灰石質(zhì)量無法滿足生產(chǎn)要求的情況下，對當(dāng)?shù)亟饘冁V廠排放的鎂渣用于替代石灰石配料的方案和煅燒適應(yīng)性進(jìn)行了充分的可行性論證，確定以10%的鎂渣替代部分石灰石進(jìn)行配料，經(jīng)過2017年的生產(chǎn)運行證明效果良好。2018年開始，將鎂渣配比由10%逐步提高到18%以上，最大配比達(dá)到22%，由于鎂渣排放量有限，2019年鎂渣配比基本保持在18%進(jìn)行生產(chǎn)。實踐證明，改造后的大溫差預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)可以實現(xiàn)鎂渣配比的提高，并且效果良好。

表2 原燃料化學(xué)成分 %

表3 原煤工業(yè)分析

3.1 鎂渣化學(xué)成分和配料方案

鎂渣化學(xué)成分和配料方案分別見表4和表5。

表4 各年份鎂渣平均化學(xué)成分 %

表5 生料配料方案 %

經(jīng)實驗分析，鎂渣主要化學(xué)成分是CaO和SiO2，CaO含量較高，一般在52%～58%之間，可替代部分石灰石進(jìn)行配料，且質(zhì)量相對穩(wěn)定，利用鎂渣替代部分石灰石進(jìn)行配料，極大地緩解了石灰石供應(yīng)緊張和質(zhì)量差的狀況，同時，最大限度地實現(xiàn)了鎂渣固體廢棄物的再利用。

3.2 不同鎂渣配比下的熟料質(zhì)量、產(chǎn)量、消耗對比

鎂渣配比0%、10%、15%、18%時的熟料化學(xué)成分、熟料產(chǎn)質(zhì)量及能耗指標(biāo)等分別見表6～8。

表6 不同鎂渣配比的熟料化學(xué)成分及礦物組成

表7 不同鎂渣配比的熟料強度

表8 不同鎂渣配比的熟料產(chǎn)量、煤耗、電耗

采用鎂渣配料，帶入的MgO會使液相出現(xiàn)溫度降低，液相粘度下降，因此，在配料方案上進(jìn)行了必要的調(diào)整，即在熟料KH保持不變的情況下，適當(dāng)提高SM，盡可能提高硅酸鹽礦物含量，保證熟料強度；同時，適當(dāng)降低Fe2O3含量，抵消MgO的有害作用，適應(yīng)MgO增加后液相量增加和粘度降低對回轉(zhuǎn)窯造成的不利影響，適應(yīng)預(yù)分解窯的煅燒工藝要求，提高易燒性，進(jìn)一步提高熟料產(chǎn)量。當(dāng)鎂渣配比18.0%，液相量在25%左右，也說明配料方案適應(yīng)窯系統(tǒng)的煅燒。

由表7可以看出，鎂渣配比從0%增加到10%，熟料3 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別增加了0.3 MPa和4.3MPa，增幅分別為1.3%和8.5%；鎂渣配比從10%增加到18%，熟料3d抗壓強度和28d抗壓強度均增加了7.4 MPa，增幅分別為31.0%和13.5%。28d抗壓強度最大可達(dá)64.5MPa。

表8可以看出，鎂渣配比從0%增加到10%，熟料產(chǎn)量增加了1094t/d，增幅56.63%；單位熟料綜合電耗降低了28.24kWh/t，降幅31.62%；單位熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了31.06kg/t，降幅22.11%。鎂渣配比從10%增加到18%，熟料產(chǎn)量增加了634 t/d，增幅20.95%；熟料綜合電耗降低了9.76 kWh/t，降幅15.99%；熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了7.33kg/t，降幅6.70%。

3.3 不同廠鎂渣配料后熟料質(zhì)量對比

與同規(guī)模B、C廠最佳鎂渣配料10%時的熟料成分和熟料質(zhì)量對比見表9、10。

表9 不同廠鎂渣配比的熟料化學(xué)成分及礦物組成對比

表9、10中，A廠進(jìn)行了大溫差預(yù)熱預(yù)熱分解系統(tǒng)工藝技術(shù)改造，鎂渣配料達(dá)到了18.0%，與同規(guī)模的B、C廠最佳配料10.0%相比，抗壓、抗折強度均大幅度提高。

3.4 鎂渣配料18.0%煅燒熟料的巖相分析

18.0%鎂渣配料煅燒熟料巖相見圖1。從圖1可以看出，熟料中C3S與C2S之和78%以上，A礦晶形完整，粒徑在20～50 m之間，呈六方板狀或長柱狀，表面和邊棱光潔；B礦呈圓粒狀，見交叉雙晶紋，粒徑在40 m左右；A礦、B礦均勻分布，其間基本上被白色、黑色中間相隔開。

3.5 鎂渣配料18.0%煅燒熟料的窯系統(tǒng)熱工參數(shù)

鎂渣配料18.0%的窯系統(tǒng)熱工參數(shù)見表11。燒成窯尾大溫差系統(tǒng)改造完成后，在沒有鎂渣配料時，窯系統(tǒng)熟料產(chǎn)量由改造前的1 932 t/d提高到20750t/d；鎂渣配料10.0%階段，熟料產(chǎn)量為3026t/d；鎂渣配料18.0%階段，熟料產(chǎn)量為3660t/d，與改造前相比，熟料產(chǎn)量大幅度提升。

4 經(jīng)濟效益分析

（1）降低原料成本效益。按進(jìn)廠原料價格，石灰石55元/t，鎂渣18元/t計算，降低單位生料成本7.5元/t。按照熟料產(chǎn)量3660t/d，年運轉(zhuǎn)時間200d，單位生料料耗1.4kg/kg計算，年降低生產(chǎn)成本769萬元。

（2）熟料增產(chǎn)效益。鎂渣配料18.0%，熟料產(chǎn)量平均在3660t/d，與未摻鎂渣相比，提高了1728t/d，按照熟料售價300元/t，制造成本197元/t，年運轉(zhuǎn)時間200d計算，年新增效益3560萬元。

（3）節(jié)約煤電效益。鎂渣配料18.0%，熟料綜合電耗降低38kWh/t，熟料綜合煤耗降低38.39kg/t，按照年產(chǎn)熟料73.2萬t，煤價格320元/t，電價0.46元/kWh計算，年節(jié)約電費1280萬元，年節(jié)約原煤成本1177萬元，年節(jié)約煤，電成本共計2457萬元。

以上未計提高熟料強度后的效益。年增收節(jié)支效益總計6786萬元以上，效益顯著。

5 結(jié)語

（1）通過項目團隊進(jìn)行的大溫差預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)的工藝創(chuàng)新和技術(shù)改造，使工藝特征發(fā)生明顯變化，鎂渣替代石灰石的比例達(dá)到了18.0%以上，突破了傳統(tǒng)工藝條件下鎂渣替代石灰石的比例，大量節(jié)約了天然資源，消納了工業(yè)固體廢棄物。

（2）充分發(fā)揮和利用鎂渣的材料特性，進(jìn)一步改善了熟料礦物組成，獲得了一些特殊特征的熟料成分，并且晶形完整，邊緣光潔，不穩(wěn)定態(tài)的f-MgO也不存在，從而提高了熟料中有效礦物組份，大大提高了熟料質(zhì)量。

（3）采用鎂渣大比例替代石灰石配料后，有效發(fā)揮了大溫差預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)工藝的優(yōu)勢，熟料產(chǎn)量大幅度提高，煤電消耗大幅度下降，年增收節(jié)支效益6 786萬元以上。

表11 鎂渣配料18.0%的窯系統(tǒng)熱工參數(shù)