高硫煤用于預(yù)分解窯煅燒的若干問題探討

回顧了高硫煤用于水泥預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)分解窯最底級旋風(fēng)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(fù)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(dāng)然熟料中SO3含量不能高于國標(biāo)GB/T 21372-2008規(guī)定的上限值1.5%。K2SO4、Na2SO4以及一些復(fù)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(fù)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(rèn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)與燃燒器風(fēng)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(dǎo)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，因此增加窯的過剩空氣可以減少硫的揮發(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?，必須避免局部低氧氣氛或者還原氣氛。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(fēng)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(dǎo)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(fēng)動量不足就會導(dǎo)致風(fēng)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(biāo)就是動量與熱負(fù)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(fù)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(fēng)）。

式中：

PA%——燃燒器一次風(fēng)的比例

VPA——燃燒器一次風(fēng)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(dāng)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(dǎo)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(fēng)筒形成堅硬硫結(jié)皮，也會導(dǎo)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(fēng)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?fù)]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(dāng)然，通過調(diào)整各風(fēng)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(fēng)溫對火焰形狀的影響。工況風(fēng)量隨著溫度的變化而變化，二次風(fēng)溫升高，風(fēng)量變大，風(fēng)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(fēng)溫降低，風(fēng)量變小，風(fēng)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(fēng)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(fēng)溫遠比獲得高的二次風(fēng)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(dāng)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(dǎo)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(fēng)難度增加，則硫循環(huán)趨于嚴(yán)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(dāng)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(fù)電性增加，表面張力相應(yīng)增加；帶p電子的元素如S、Cl負(fù)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(dǎo)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(dāng)?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(rèn)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(xué)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