陳東明，鄭金召，王偉，劉鵬飛，李云飛

高揮發(fā)分、低熱值燃煤在預分解窯的應用

Application of High-Volatile and Low-Calorific Coal in Precalcining Kiln

Application of High-Vo

陳東明1，鄭金召1，王偉1，劉鵬飛2，李云飛2

內(nèi)蒙古阿榮旗蒙西水泥有限公司1號窯在長期生產(chǎn)中，使用揮發(fā)分高于30%（經(jīng)常接近35%）、熱值低于18392～20064kJ/kg、性能接近褐煤的煙煤，煅燒出較好質量的熟料。本文以此為例，對燃煤及生產(chǎn)實踐作一較詳盡的分析。

1 煤的性能

1.1 揮發(fā)性

煤在隔絕空氣的條件下加熱分解出的可燃氣體物質稱為揮發(fā)分，其主要成分為氫氣、碳氫化合物、一氧化碳及少量的硫化氫等。在相同的熱值下，煤中揮發(fā)分越高，其燃點溫度越低、火焰越長、越易燃燒完全。揮發(fā)分含量大的煤容易著火燃燒，燃燒過程中揮發(fā)分析出后的焦碳空隙率增大，與空氣接觸面積相應增大，使這種煤易于燃燼。揮發(fā)分含量過高，容易在燃燒時造成缺氧狀況下燃燒，所分解的大量碳粒子難于生成CO2，而使煙氣呈還原狀況。

在正常燃燒情況下，煤的揮發(fā)分越高，燃點溫度越低（圖1）。

揮發(fā)分的另一特點是：煤的揮發(fā)分越高，則爆炸的危險性越高，據(jù)資料報道[1]，揮發(fā)分＞35%的高揮發(fā)煙煤較＜25%的低揮發(fā)煙煤的爆炸的危險性高得多，在設計、生產(chǎn)操作中，尤應注意。

1.2 水分

燃煤中有兩種水，一種是附著水（物理水），另一種是結晶水（化學水），附著水在粉磨過程中能夠烘干，而結晶水隨煤粉入窯。煤粉的水分多，燃燒時放出的有效熱量便減少，相應降低燃燒溫度。燃料在燃燒時，水分吸熱變成水蒸氣并隨煙氣排至大氣，不利于生產(chǎn)。

1.3 灰分

燃煤中的灰分不但不能燃燒，而且降低燃料的發(fā)熱量，阻礙可燃物質與氧的接觸，增加燃料著火和燃燒的困難，相應增大燃燒損失；燃料中灰分增加，則降低火焰溫度。

燃煤灰分增多，則燃燒溫度下降，且完全燃燒困難些。要求有較高的預熱空氣溫度及其他改善著火條件的措施，才能使灰分高的燃煤燃盡。在燃燒過程中，灰分沉降在窯料內(nèi)，改變窯料成分及熔融溫度，尤其是堿硫成分含量較高的燃煤，生產(chǎn)中應予注意。

1.4 熱值

圖1 揮發(fā)分含量和燃點的關系

燃煤的熱值越低，所需燃燒的空氣量越多，產(chǎn)生的廢氣量也多，以窯熱耗為3010kJ/kg熟料為基準，計算結果大致是熱值為18810kJ/kg的燃煤，較熱值為22990kJ/kg的燃煤每公斤熟料所需的空氣量多0.0145m3（標），所產(chǎn)生的廢氣量多0.0580m3（標）。這意味著熱值越低，產(chǎn)生的廢氣量越多，熱損失也越大，不利于生產(chǎn)熟料的產(chǎn)量，在一定程度上影響熟料質量。

2 回轉窯內(nèi)燃煤的燃燒特性

2.1 煤粉細度

煤粉細度越細，則燃燒表面積越大，燃點的溫度越低。如果燃煤的揮發(fā)分較高，則有利于煤粉燃燒，入窯煤粉的篩余可提高，細度可放粗。

E.SLeinbis提出篩余與揮發(fā)物含量的關系如圖2所示[2]。從圖來看，揮發(fā)分含量與篩余值關系大致為：0.09mm篩篩余值約為其揮發(fā)分值的0.5至0.8倍。

近年來，我國燃煤中的煤矸石等成分較多，細度可按圖2曲線適當降低些，大致為細度≤揮發(fā)分。

2.2 揮發(fā)分與燃燒溫度的關系

G.Soidel著文稱[3]：揮發(fā)分高且熱值低的褐煤在窯內(nèi)的燃燒溫度低于揮發(fā)分低且熱值高的煙煤，其窯內(nèi)出現(xiàn)的高溫部位也靠后（圖3、表1）。從圖上看，揮發(fā)分較高的褐煤，在同一細度下，和揮發(fā)分較低的煙煤相比，在窯內(nèi)最大熱流位置偏后，同一種煤，顆粒愈粗，其最大熱流位置愈偏后。

2.3 火焰溫度

理論火焰溫度（或燃燒溫度）即燃燒時所獲得的熱量完全用來加熱燃燒中形成的煙氣，并不考慮H2O在高溫下的分解和燃燒速度等影響，理論燃燒溫度可用下式計算[4]：

表1 煙煤、褐煤的灰分、揮發(fā)分及熱值

式中：tyrR——理論燃燒溫度，℃

QyrR——熟料窯內(nèi)燃燒熱量，kJ/kg

Qyrh——離窯熟料帶走熱量，kJ/kg

ηL——冷卻機熱回收效率（以小數(shù)表示）

VfQ——燃燒中每放出1000kJ熱量時，產(chǎn)生燃氣量，m3/103kJ

VxQ——燃燒中每放出1000kJ熱量時需要空氣量，m3/103kJ

α——窯燃燒時空氣過剩系數(shù)CP——煙氣定壓比熱

設定：VfQ=0.279m3/103kJ，VkQ=0.267m3/103kJ

上式可簡化為：

從式（2）可以看出，在一定燃料質量范圍內(nèi)，理論燃燒溫度不僅與二次空氣回收的熟料離窯帶走熱有關，且與窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量和熟料回收熱之間的熱量和燃燒煙氣生成量成正比，多燃燒煤相應多產(chǎn)生煙氣。因而單位煙氣的熱焓量基本不變，在正常燃燒條件下的理論燃燒溫度也不會有很大變化。

但熟料回收熱的增加并不增加煙氣量，因此，它就成了提高燃燒溫度的主要熱源。在水泥回轉窯內(nèi)，燒成熱耗越低，熟料熱回收熱量占燃燒生成熱量的比例就越大，相應的理論燃燒溫度將越高。

預分解窯內(nèi)燃燒40%燃料量，其窯內(nèi)燃料燃燒熱為1271.33kJ/kg，熟料回收熱為627.3kJ/kg，使總熱量達到1898.6kJ/kg，相當于燃料燃燒熱量的0.493，每公斤熟料產(chǎn)生的煙氣量僅0.355m3，單位煙氣量的熱焓量為5347kJ/m3。此值和熱耗5852kJ/kg的濕法窯相比，同一熱值的煤粉所產(chǎn)生的理論燃燒溫度高約1.229倍。

上述情況說明，理論燃燒溫度與熟料生產(chǎn)方式有關，更與入窯的二次空氣溫度有關。水泥熟料生產(chǎn)中預分解窯二次空氣溫度最高，火焰溫度可以說是在二次空氣溫度基礎上升溫的，二次空氣溫度越高，火焰溫度越高。

理論燃燒溫度表達了火焰溫度可能達到的極限值，理論燃燒溫度越高，火焰溫度也越高。作為揮發(fā)分高的煙煤，只有盡量提高入窯的二次空氣溫度，才能有利于提高火焰溫度。雖然高揮發(fā)分、低熱值煤燃燒增加了煙氣量，降低了火焰溫度，經(jīng)核算后入窯煤粉的熱值在18810～20064kJ/kg時，且所含結晶水一般＜4%，在生料易燒性合適時，有可能燒出合適的熟料。

3 燃煤性能

從投產(chǎn)初期5個月進廠的110批（平均每周進廠約二十批次）的原煤性能檢測情況見表2。投產(chǎn)初期燃煤月平均值見表3。

從進廠原煤工業(yè)分析來看，原煤水分最高達29.90%，平均19.57%，而原煤中的結晶水Mad平均達到4.35%，Aad平均21.89%，Vad平均31.39%，Qnet,ad最高為 22855kJ/kg，最低為 13464kJ/kg，平均為 19002kJ/kg。上述數(shù)據(jù)表明，工廠使用的原煤具有水分高、結晶水高、灰分高、揮發(fā)分高、熱值低等特點，屬質次的煙煤，尤其是結晶水高，易出現(xiàn)爆燃。揮發(fā)分高則燃點低，燃燒溫度低。灰分高，不利于燃燒溫度的提高，燃燒的穩(wěn)定性差。熱值低，則煙氣量增大，相應增大煙氣熱損失，此類煤對煅燒水泥不利，在一定程度上影響熟料的產(chǎn)質量。

4 燃煤燃燒注意事項

水泥熟料煅燒是一項系統(tǒng)工程，涉及到原燃料性能、工藝裝備性能及生產(chǎn)操作控制狀況，而高水分、高灰分、高揮發(fā)分、低熱值的燃煤，由于其燃燒溫度偏低且產(chǎn)生的煙氣量偏高，煙氣內(nèi)所含的熱值偏低，不利于熟料煅燒，影響產(chǎn)質量。若需燃燒高揮發(fā)分、低熱值質次的燃煤，不能孤立地看待，而需從原燃料性能、工藝裝備及生產(chǎn)操作等各方面系統(tǒng)來解決，使之能夠煅燒出合格的熟料。

4.1 燃料

做好進廠原煤的均化，盡可能使入窯煤粉的熱值、揮發(fā)分、灰分、水分、細度保持均勻，避免因燃煤性能波動影響熟料生產(chǎn)。

在煤粉制備過程中，盡可能將水分（物理水）烘干，減少含水入窯煤粉因水分蒸發(fā)降低燃燒溫度。

控制煤粉細度，一方面考慮高揮發(fā)分燃煤易燃的特點，另一方面還需考慮燃煤內(nèi)結晶水（化學水）在烘干時，易造成炭顆粒疏松引起快速燃燒形成局部缺氧的還原燃燒，導致窯內(nèi)煙氣局部還原狀況，引起硫酸鹽分解，在窯尾形成低融熔結皮物，影響熟料質量及損壞耐火襯料等。

4.2 原料

盡可能選用易燒性較好的石灰石質和硅質原料。改善入窯生料的易燒性，在熟料強度等合適的前提下，適當降低石灰飽和系數(shù)、硅酸率的率值，在粉磨裝備產(chǎn)能允許的前提下，合理地降低SiO2、CaCO3等礦物的細度。

表2 進廠原煤工業(yè)分析

表3 投產(chǎn)初期和窯原煤月平均分析

做好原料的均化，避免生料率值波動造成高的熟料煅燒溫度而燃料熱值低、灰分揮發(fā)分低，燃燒時產(chǎn)生的低燃燒溫度出現(xiàn)欠燒的狀況。

4.3 裝備

選用高性能的篦冷機，提高入窯的二次空氣溫度，相應提高窯內(nèi)燃煤的燃燒溫度。

選用高沖力的燃燒器，在燃燒過程中，盡可能多卷吸二次空氣量，減少一次空氣用量，以提高煤粉的燃燒溫度。

盡量減少燒成工藝裝備系統(tǒng)的漏風量，避免漏風降低火焰和煙氣溫度。

4.4 操作

盡量控制低氧含量，避免窯內(nèi)煙氣出現(xiàn)還原氣氛，避免硫酸鹽分解產(chǎn)生的SO2在窯尾形成低熔融物結皮、結圈及預熱器系統(tǒng)堵塞、坍料等事故。

合理控制游離氧化鈣，在熟料煅燒合格的前提下，適當提高fCaO數(shù)值，相應降低熟料煅燒溫度。

5 生產(chǎn)實踐

5.1 煤粉制備

生產(chǎn)過程中，由于原煤的批次變化，帶來較大的性能變化，通過均化盡可能保持性能均勻，在投產(chǎn)的前六個月內(nèi)，月平均灰分控制在21%±4%，揮發(fā)分控制在30.61%～32.28%，熱值控制在18392～19855kJ/kg煤。與此同時，盡可能烘干原煤的附著水，保持低水分煤粉入窯，同時控制煤粉細度，保持篩余低于15%。

5.2 原料選擇

投產(chǎn)初期，采用SiO2含量高達93.84%的硅石，此類硅石不易磨，且不易燒，以至于出現(xiàn)生料篩余高達18.10%。為盡量降低游離氧化鈣，生產(chǎn)中fCaO控制在＜0.60%，但熟料中C3S含量僅為45.19%，C2S高達36.03%，28d強度僅為52MPa。在生產(chǎn)過程中，雖然盡量將生料磨細，在熟料煅燒中適當?shù)靥岣遞CaO的數(shù)值，但熟料強度僅提高至～53MPa。為改善生料易燒性，將硅石改為SiO2含量66%～69%的硅砂，此類硅砂易磨且易燒性較好，生料細度也易控制，篩余控制在10%以內(nèi)。雖然所含堿含量超過1%，在一定程度上影響熟料強度，但所生產(chǎn)的熟料中，C3S含量增至54%以上，C2S降至24%以下，熟料強度逐步提高至55MPa以上（表4）。

表4 熟料化學成分、礦物組成、率值及強度

表5 近期水泥熟料礦物組成、率值及強度

5.3 生產(chǎn)控制

在生產(chǎn)中不僅要做好原燃料的均化控制工作，而且做好入窯生產(chǎn)中的KH、SM、AM及出磨生料的水分、細度合格率以及合理提高fCaO的含量等有關參數(shù)。同時操作好篦冷機，提高入窯的二次空氣溫度（儀表控制在1100℃以上）以及控制好燃燒器的操作，形成局部峰值溫度，以保持較為合格的熟料產(chǎn)品。表4為投產(chǎn)前半年的熟料化學成分、礦物組成及強度。最高月平均熟料強度可達55.6MPa，熟料產(chǎn)量雖有影響，但仍保持在5200～5300t/d。上述情況充分表明，只要做好原燃料的均化工作，即使入窯煤粉熱值在18392kJ/kg時，仍能生產(chǎn)合格的熟料。

在半年生產(chǎn)的基礎上，進一步做好入窯喂料量、燃料成分、燃料喂入量和設備運轉率的穩(wěn)定，同時做好風、煤、料和窯速的合理匹配，以保持窯系統(tǒng)熱工制度的穩(wěn)定。

合理優(yōu)化和調(diào)整篦冷機和燃燒的操作，保持穩(wěn)定高溫的入窯和入爐二次和三次風量，針對原燃料的變化，對窯料和窯況及熱工設備進行合理動態(tài)調(diào)整，以保持適合的火焰形狀和位置，以達到熱工制度的穩(wěn)定。

加強預熱器、分解爐的控制，穩(wěn)定入窯物料的高分解率。上述措施十分有利于熟料產(chǎn)量和質量的提高，從近期的熟料產(chǎn)品強度來看，經(jīng)常出現(xiàn)28d強度超過57MPa(見表5)。

[1]Philip Alsop PHD,The Cement Plant Opera?tions Handbook(4thEdition,2005.1),P124.

[2]E.Sleinbis,Multi-Jet Burner For The Special Requirement Of Pulverized Coal Firing,ZKG,1982.5,P250-253.

[3]G.Seidel,Influence Of The Fineness Of Coal And Liquate On The Flame Formation In Rotary Kilns,V.D.Z Congress 1993,P443.

[4]胡宏泰，朱祖培，陸純煊主編.水泥制造和應用[M].山東科學技術出版社，P216.

TQ172.622.26

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沈 穎