高硫煤用于預分解窯煅燒的若干問題探討

回顧了高硫煤用于水泥預分解窯煅燒燃料的技術(shù)難點和已經(jīng)開展的研究工作，分析了硫揮發(fā)的原理和減輕硫揮發(fā)的方法，介紹了減少結(jié)皮堵塞的幾個設(shè)計特點。論述了水泥廠高硫煤應(yīng)用中的熱點問題，包括過?？諝庀禂?shù)與局部還原氣氛、燃燒器的結(jié)構(gòu)與火焰調(diào)節(jié)、游離CaO的出現(xiàn)、高硫煤對燒成過程中液相的影響等多個方面。

預分解窯；高硫煤；硫循環(huán)；氣氛；燃燒器

1 前言

高硫煤是指全硫含量（St,ad）大于2%的煤種，因其具有很大的區(qū)域價格優(yōu)勢，在水泥工業(yè)的經(jīng)濟價值不容忽視。使用高硫煤作為水泥熟料煅燒燃料，熟料燒成過程中被吸收的硫超過一定量后會對水泥熟料質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，繼而可能對硅酸鹽水泥的主要性能如凝結(jié)時間、強度等產(chǎn)生影響；硫在窯系統(tǒng)的循環(huán)富集會使燒成設(shè)備結(jié)皮、結(jié)圈甚至堵塞等，使生產(chǎn)無法連續(xù)進行[1]。為了更好地了解高硫煤燃燒對熟料形成過程的影響，致力于解決高硫煤用于水泥行業(yè)存在的熱點和難點問題，水泥工作者研究了硫含量對水泥熟料燒成和礦物組成的影響[2-3]；剖析了硫在熟料中的存在形式及其分布狀況[4]，分析了結(jié)皮、結(jié)圈礦物的成分[5-6]，探討了解決結(jié)皮、結(jié)圈問題的可行性措施[7]；討論了使用高硫燃料情況下的工藝和裝備技術(shù)[8]以及適用的耐火材料[9]。

本文結(jié)合筆者多年來的理論研究和工程實踐，對高硫煤用于水泥廠的各種問題進行討論，并提出解決方法。

2 硫循環(huán)及應(yīng)對思路

在預分解窯系統(tǒng)中，由燃料引入的硫分別在窯頭和分解爐內(nèi)燃燒生成SO2，可以被堿性氧化物和氧化鈣吸收生成硫酸鹽。其中，部分硫酸鹽在高溫帶分解，釋放出的SO2氣體隨窯氣向窯尾運動，到達最底兩級預熱器等較低溫度區(qū)域時，冷凝在溫度較低的生料上，并隨著生料一起進入窯內(nèi)，然后又被吸收生成硫酸鹽，從而形成預熱器和窯之間的硫循環(huán)和富集。未分解的硫酸鹽隨熟料從窯頭落至篦冷機內(nèi)冷卻，成為熟料成分。

造成預分解系統(tǒng)結(jié)皮堵塞的原因很多，硫、堿、氯等揮發(fā)性物質(zhì)會加劇結(jié)皮、堵塞的發(fā)生。預分解窯最底級旋風筒下料管、窯尾煙室以及回轉(zhuǎn)窯分解帶溫度較高部位的結(jié)皮、結(jié)圈和結(jié)球，很多是由硫酸鹽及其復合化合物引起的。

解決高硫煤帶來的問題最理想的方法就是減少硫揮發(fā)，將硫盡可能地固化于熟料中。當然熟料中SO3含量不能高于國標GB/T 21372-2008規(guī)定的上限值1.5%。K2SO4、Na2SO4以及一些復合硫酸鹽比較穩(wěn)定，不易分解，而CaSO4較容易分解。在氧化氣氛下，CaSO4在溫度較高情況下（如溫度高于1200℃）直接分解，發(fā)生反應(yīng)（1）。在還原性氣氛下，CO氣體的存在會使CaSO4的分解機理變得復雜，較低溫度下（如1060℃）就可以發(fā)生反應(yīng)式（2）和（3）；如果存在未燃盡的煤粉落在物料上，則會發(fā)生反應(yīng)（4）。一般認為水泥窯燒成帶溫度下，硫酸堿是可以穩(wěn)定存在的，但在還原氣氛下也可能發(fā)生反應(yīng)（5）和（6）。

窯內(nèi)硫的揮發(fā)主要來自CaSO4的分解。硫的揮發(fā)系數(shù)ε與窯的操作條件包括窯內(nèi)氧氣濃度、溫度及在窯內(nèi)停留時間等有關(guān)。針對反應(yīng)式（1），由葛爾德堡—瓦格質(zhì)量作用定律，基于各反應(yīng)物濃度的平衡常數(shù)K可由式（7）決定。在溫度一定的情況下，K是一常數(shù)；隨著氧氣濃度增加，硫揮發(fā)系數(shù)∈降低。

溫度升高，停留時間增加，硫揮發(fā)系數(shù)ε增加。提高窯轉(zhuǎn)速是縮短物料在窯高溫區(qū)停留時間的方法之一。硫揮發(fā)系數(shù)ε也與物料中硫堿比相關(guān)，氯的存在也會對硫循環(huán)起到促進作用。

除了減輕硫的揮發(fā)，旁路放風可以破壞硫循環(huán)。但實踐表明，在SO2循環(huán)和富集的區(qū)域內(nèi)旁路放風對減弱硫循環(huán)的效果很有限。另外，一些設(shè)計特點可以使煙氣中的硫更容易凝結(jié)在物料上，不容易凝結(jié)在燒成設(shè)備上，從而避免了粘結(jié)堵塞。目前主要可行的方法是安裝料幕，以改變物料分布，其關(guān)鍵在于保證物料均勻分散。另一種方法是將倒數(shù)第二級旋風筒的下料分出一部分，從回轉(zhuǎn)窯煙室上方用壓縮空氣直接喂入，使物料得到充分分散，通過摸索分料比例，控制煙室溫度在適宜范圍內(nèi)，SO2由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)快速凝結(jié)在冷生料上，可有效降低煙室溫度，從而緩解或消除煙室的結(jié)皮，保證熟料生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。

3 熱點問題

針對高硫煤做水泥廠燃料，筆者就窯內(nèi)通風與燃燒器風煤配合、主燃燒器的布置和火焰形狀調(diào)節(jié)、過高的游離氧化鈣含量、液相表面張力太小導致的飛砂料這幾點做了深入探討。

3.1 過?？諝庀禂?shù)與局部還原氣氛

根據(jù)分解反應(yīng)式（1），O2濃度增加，硫揮發(fā)系數(shù)∈降低，因此增加窯的過?？諝饪梢詼p少硫的揮發(fā)。但必須注意的一點是，確保窯系統(tǒng)整體空氣過?？赡芷鸩坏嚼硐氲男Ч仨毐苊饩植康脱鯕夥栈蛘哌€原氣氛。窯尾煙室氧含量為8%是不是就意味著不存在還原氣氛呢？未必。如果煤粉過粗或者燃燒器風煤混合不佳，局部還原氣氛還是可能存在的。煤粉顆粒太粗，未燃燒的煤粉就會裹入物料繼續(xù)燃燒，導致局部范圍內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛，大大增加這個區(qū)域硫的揮發(fā)系數(shù)。而主燃燒器一次風動量不足就會導致風煤混合不佳，據(jù)文獻報道[10]燃燒器動量要超過10N/MW才行。

表征燃燒器性能的一個通用指標就是動量與熱負荷的比值，單位為N/MW，用來指示燃燒器射流的軸向能量與燒成帶熱負荷的比值。盡管整體計算過程比較冗長，軸向動量可以用下式[11]估算（在評估多通道燃燒器性能時，一般不考慮送煤風）。

式中：

PA%——燃燒器一次風的比例

VPA——燃燒器一次風離開燃燒器頭部時的軸向速度分量

水泥窯使用替代燃料可以降低水泥生產(chǎn)燃料成本，減少溫室氣體排放。替代燃料可以從不同的喂料點進入水泥生產(chǎn)線。當從上升煙道或者從窯尾煙室喂入大塊替代燃料時，一些替代燃料掉進窯尾煙室料層上繼續(xù)燃燒，導致局部還原氣氛的出現(xiàn)，硫循環(huán)加劇，在分解爐和底級旋風筒形成堅硬硫結(jié)皮，也會導致熟料大球產(chǎn)生。

3.2 主燃燒器和火焰調(diào)節(jié)

燃燒器的位置要盡可能地保證物料料面受熱均勻。將主燃燒器沿著窯的軸線布置，可使煤粉顆粒在接觸到物料顆粒之前有更長的時間參與燃燒，避免還原氣氛的出現(xiàn)，而且火焰遠離物料層會減輕硫的揮發(fā)。但是也要避免火焰離物料表面太遠而偏向窯襯內(nèi)壁，火焰射流則會碰撞窯皮，從而燒壞窯皮和窯襯。

燃燒器端部伸到窯口的距離也是一個很重要的操作參數(shù)。燃用高硫煤的情況下，最理想是燃燒器端部與窯口齊平，這可能有三方面的好處：其一，入窯二次風的速度矢量沿著窯中心線和垂直窯中心線的方向有兩個分量，遠離窯口垂直分量變小。在窯口處，垂直分量較大，會帶動火焰頭部遠離料層。其二，燃燒器端部與窯口齊平可以減少物料在高于硫揮發(fā)溫度范圍內(nèi)的停留時間。這兩點都有助于減少硫的高溫揮發(fā)。其三，窯尾溫度不致過高，更接近揮發(fā)性組分的凝結(jié)溫度，更有利于料幕等發(fā)揮作用。

再者，調(diào)節(jié)主燃燒器產(chǎn)生短而強的火焰，這樣可以縮短燒成帶的長度，減少物料在窯溫最高部位的停留時間。當然，通過調(diào)整各風道參數(shù)，保證燃燒器在較短距離內(nèi)燒成熟料也是一個需要考慮的因素。

除了上面提到的影響火焰的幾個因素外，還必須考慮二次風溫對火焰形狀的影響。工況風量隨著溫度的變化而變化，二次風溫升高，風量變大，風速相應(yīng)變大，火焰頭部上揚，燒成帶溫度降低，分解帶物料容易竄到燒成帶。二次風溫降低，風量變小，風速相應(yīng)降低，火焰頭部下移，容易沖刷物料，極易產(chǎn)生還原氣氛。二次風溫的變化會對火焰位置產(chǎn)生影響，是結(jié)圈和結(jié)皮產(chǎn)生的一個重要原因，這一點必須充分引起重視，獲得穩(wěn)定的二次風溫遠比獲得高的二次風溫更具有現(xiàn)實意義。

從使用高硫燃料的水泥工廠反饋的結(jié)果來看，燃燒器及火焰特性在解決結(jié)皮、結(jié)圈問題上的作用不可忽視。首先將燃燒器沿著窯的軸線布置，然后將燃燒器朝著遠離物料的方向調(diào)節(jié)（～50mm）。另外將燃燒器火焰調(diào)得盡量短，采用較多的過剩空氣（需要考慮NOx排放量）。當找到最佳的燃燒器布置后（以盡可能低的硫揮發(fā)系數(shù)為依據(jù)），考慮采用料幕，物料旁路可以減弱硫循環(huán)帶來的不利影響，料幕分料比例也需要實際摸索。最后可以根據(jù)結(jié)皮堵塞發(fā)生的位置，布置空氣炮。

3.3 游離CaO

堿過量的情況下，熟料中R2O含量大于SO3含量，多余的K2O則會形成C23S12·K2O（KC23S12），多余的Na2O則會形成C8A3·Na2O（NC8A3），即R2O取代CaO形成含堿化合物，析出的CaO無法被吸收形成C3S，從而增加熟料中fCaO含量。值得注意的一點是，熟料中硫堿達到平衡并不意味著熱生料中硫堿也達到平衡[10]。與熟料相比，熱生料中硫的富集程度大于堿的富集程度，這就意味著熱生料中一部分硫酸鹽以CaSO4形式存在，到燒成帶CaSO4分解產(chǎn)生fCaO。而此時已經(jīng)接近燒成過程的結(jié)尾，生成的CaO無法被C2S吸收形成C3S（時間不足），從而導致熟料中fCaO含量較高。另外，在海拔較高的水泥廠[12]，空氣密度下降，窯內(nèi)供風難度增加，則硫循環(huán)趨于嚴重。

3.4 液相與飛砂料

液相性質(zhì)主要有液相形成溫度、液相量、粘度、表面張力等，在熟料燒成過程中至關(guān)重要，對于燃用高硫煤的工廠尤為重要。采用高硫煤做燃料的情況，液相初析溫度降低0～30℃，液相量也增加。液相粘度小，有利于C2S與CaO在液相中的擴散，加快C3S的形成。溫度增加，離子動能增加，液相粘度降低。液體粘度與液體組分有關(guān)，SO3、K2SO4、Na2SO4、MgO含量增加時，液體粘度下降；而當K2O、Na2O含量增加時，液體粘度上升。

液體表面張力決定了熟料結(jié)粒的大小。從國外文獻報道得知，熟料平均粒徑與表面張力有一個近乎線性的關(guān)系，表面張力每減少0.1N/m，熟料粒度減小10mm。表面張力會影響液固表面潤濕程度，液體表面張力越小，越容易潤濕熟料顆粒和固相物質(zhì)，從而減弱顆粒的聚集作用，生成的熟料顆粒粒徑較小。溫度增加，離子動能增加，液體表面張力降低。液體表面張力取決于液體的結(jié)構(gòu)，也受液體表面層的結(jié)構(gòu)和成分的影響。帶s電子的元素如K、Na、Mg負電性增加，表面張力相應(yīng)增加；帶p電子的元素如S、Cl負電性減小，表面張力相應(yīng)降低。熔體中 K+、Na+、SO42-共存時，表面張力降低。

液相出現(xiàn)溫度提前，液相量增加和液相粘度降低固然有利于煅燒，但硫酸堿又降低了液相的表面張力，其結(jié)果是改善了熟料顆粒的可浸潤性，卻降低了顆粒之間的粘著力。采用高硫煤做燃料的工廠，液相粘度和表面張力降低，使得熟料顆粒結(jié)構(gòu)疏松，物料在窯內(nèi)滾動時難以形成較大顆粒，或形成了較大顆粒也會由于多次滾動而散開，產(chǎn)生大量細粉料。所以過高的硫酸鹽飽和度或過高的硫酸堿含量，便會在窯中產(chǎn)生過多的熟料細粉料。

飛砂料有兩類，一類是因為熟料液相量太少而產(chǎn)生，此種情況下配料中SiO2含量太高，Al2O3和Fe2O3含量太低，不足以使熟料結(jié)粒較大；另一類是由于液相表面張力太小導致的粘散料，煅燒高硫煤水泥廠出現(xiàn)的飛砂料屬于后者。水泥廠應(yīng)該重視原料尤其是燃料帶入的硫量，控制合適的硫堿比，這是獲得適當?shù)氖炝辖Y(jié)粒所不可缺少的措施。有一個水泥廠曾采用降低煅燒溫度的方法來緩解飛砂現(xiàn)象，收到成效，其實質(zhì)是通過降低煅燒溫度，增大液相表面張力，從而使結(jié)粒變大。

4 小結(jié)

水泥生產(chǎn)過程中均存在不同程度的上述問題，本文側(cè)重闡述水泥廠燃用高硫煤情況下對這些問題的認識。高硫煤作為水泥煅燒的燃料，不僅對窯的熱工制度形成挑戰(zhàn)，影響熟料的產(chǎn)質(zhì)量，而且會對水泥熟料形成的化學過程產(chǎn)生一定影響。隨著高硫煤產(chǎn)量的日益增多，高硫煤在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)一定會得到更深層次的研究。

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陶從喜1，李小燕2

Research and Application of Firing High-sulfur Coal in Precalciner Kiln System

TAO Cong-xi,LI Xiao-yan
(1 Sinoma Technology&Equipment Group,Tianjin 300400,China;
2 Sinoma International Engineering(Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China;)

The technological difficulties and research carried out were reviewed for the cement precalciner kiln fired with high-sulfur coal as the fuel.The principle of sulfur evaporation was analyzed and solutions to reduce sulfur evaporation were sketched.Several design features which helped to eliminate build-ups were introduced.The hot issues for the application of high-sulfur coal in the cement plants were discussed,including excess air coefficient and local reducing atmosphere,the burner orientation and flame adjustment,uncombined free lime,the influence of high-sulfur coal on the sintering flux and so on.

Precalciner kiln;High-sulfur coal;Sulfur recirculation;Atmosphere;Burner

TQ172.625.2

A

1001-6171（2012）04-0032-03

通訊地址：1中材裝備集團有限公司，天津 300400；2中國中材國際工程股份有限公司天津分公司，天津300400；

2012-01-13；編輯：沈穎