吳秀俊，秦健，張春銀

（云南省建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司 云南 昆明 650221）

0 引言

全國已探明褐煤保有儲量1 300億t，占煤炭總儲量的13%。新生代第三紀(jì)褐煤煤田儲量約占全國褐煤的1/5,主要分布于云南省小龍?zhí)丁⑴R滄、保山、昭通和先鋒等地。云南省煤的保有儲量中，褐煤為157.26億t,占全省煤炭總儲量的65.8%。其主要礦區(qū)多已開采，大多用于火電廠鍋爐燃煤。

褐煤是炭化程度較低的煤種，具有高揮發(fā)分、高水分和低熱值的特點(diǎn)，所以燃燒時(shí)形成的最高溫度較低。水泥廠的燃料以煤為主，褐煤又是云南省和東南亞地區(qū)的主產(chǎn)煤，所以多年來褐煤燒制水泥熟料始終是云南省建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司以下簡稱“云南省建材院”的主要課題之一。

1 褐煤的品質(zhì)分析

褐煤產(chǎn)地和工業(yè)分析詳見表1，褐煤的元素分析、化學(xué)成分以及燃燒特性詳見表2～表4。

（1）燃煤的分類主要依據(jù)可燃基揮發(fā)份（干燥無灰基揮發(fā)份Vdaf%），詳見表5。

（2）褐煤的發(fā)熱量和煤質(zhì)特征與成煤時(shí)代密切相關(guān)，其中以早、中侏羅紀(jì)褐煤的發(fā)熱量較高，揮發(fā)分較低；晚第三紀(jì)褐煤的揮發(fā)分較高，發(fā)熱量較低。由表1的數(shù)據(jù)可見，云南褐煤成煤年代以新生代第三紀(jì)為主，晚于緬甸地產(chǎn)褐煤。

（3） 云南褐煤除先鋒煤礦外，含硫量普遍偏高，小龍?zhí)逗置夯抑蠸O3更是高達(dá)16%左右。

表1 褐煤產(chǎn)地和工業(yè)分析

表2 褐煤的元素分析/%

（4） 煤的礦相分析。X衍射分析表明（圖1～圖4）煤的主要組分為碳和有機(jī)質(zhì)，圖譜上沒有明顯的峰值，僅表現(xiàn)為低角度或2θ角20O～30O的隆起；其無機(jī)組分為高嶺土、石英、氧化鐵和水云母。小龍?zhí)逗置哼€含有一定量的碳酸鈣和硫酸鈣，灼燒后，煤灰中含有無水硫酸鈣和游離石灰。

表3 煤灰的化學(xué)成分 /%

表4 煤炭燃燒特性

表5 煤的分類 /%

2 褐煤的燃燒特點(diǎn)

煤是由不同巖相成分組成的具有多種官能團(tuán)和化學(xué)鍵的復(fù)雜混合物。氣氛、壓力、燃燒器結(jié)構(gòu)等外部因素和粒徑、巖相、煤階等內(nèi)部因素均對煤粉燃燒特性產(chǎn)生影響。

（1）褐煤具有揮發(fā)分高、燃點(diǎn)低、化學(xué)活性強(qiáng)的燃燒特性（表4），在燃燒過程中表現(xiàn)為著火快、燃盡快，火力不易集中。

（2） 褐煤的水分含量高于其它煤種，主要由兩部分組成：表面游離狀態(tài)的外在水和毛細(xì)孔中的內(nèi)在水。煤粉烘干、磨制過程中，煤的外在水多已脫出，而內(nèi)在水份仍然保留。褐煤的高內(nèi)水將導(dǎo)致燃燒器火焰的溫度降低。水分增加1%，火溫下降10～15℃。所以，水泥工業(yè)較少單獨(dú)使用褐煤作為燒成用煤。

圖1 滇西褐煤X衍射圖

圖2 小龍?zhí)逗置篨衍射圖

圖3 小龍?zhí)逗置夯襒衍射圖

圖4 華坪煙煤X衍射圖

（3） 德國利用褐煤首先對其氣化，再用所得的煤氣或半焦產(chǎn)品燒制水泥熟料，這是最合理的使用方法。該項(xiàng)技術(shù)雖已在歐洲成熟應(yīng)用，但這種方法并不適用于所有的褐煤，且處理成本較高。

3 褐煤在水泥立窯中的應(yīng)用

滇南的德宏、保山、臨滄等地區(qū)，20世紀(jì)70～80年代的立窯水泥廠燒制水泥熟料，曾經(jīng)使用褐煤。由于立窯中燃煤和生料成球入窯，助燃空氣由窯底部鼓入，褐煤的燃點(diǎn)僅為300～500℃，所以揮發(fā)份在窯的預(yù)熱帶即揮發(fā)或燃燒，熱損失高達(dá)30%～40%，起不到煅燒熟料的作用。熟料燒成僅依靠煤中的固定碳組分，致使窯的熱效率低下，不僅煤耗很高，水泥質(zhì)量也很差（表6）。鑒于上述原因，云南省20世紀(jì)80年代以后的立窯均改用無煙煤燒制水泥熟料。

表6 1979年云南立窯水泥廠褐煤燒制水泥

4 褐煤在水泥濕法長窯中的應(yīng)用

云南開遠(yuǎn)水泥廠原有兩臺Φ3.3m×118m的濕法長窯，1970年底開始使用當(dāng)?shù)匦↓執(zhí)睹旱V出產(chǎn)的高硫褐煤燒制水泥熟料。燒成用煤采取全褐煤方案，并對煤磨、噴煤管和原料進(jìn)行了改造和調(diào)整。

4.1 開遠(yuǎn)水泥廠生產(chǎn)用煤

開遠(yuǎn)水泥廠生產(chǎn)用煤狀況詳見表7～表8。

表7 生產(chǎn)用煤工業(yè)分析

表8 煤灰成分/%

4.2 開遠(yuǎn)褐煤生產(chǎn)的熟料質(zhì)量和產(chǎn)量

開遠(yuǎn)褐煤生產(chǎn)的熟料質(zhì)量和產(chǎn)量詳見表9。

表9 熟料質(zhì)量和產(chǎn)量

4.3 窯灰的成分

窯況正常時(shí)，熟料K2O揮發(fā)率達(dá)到70%以上，K2O含量0.5%～1.0%，其余進(jìn)入窯灰。窯灰的主要礦相為：碳酸鈣、硫酸鉀、石英、硅酸二鈣及少量游離石灰（表10）。

表10 開遠(yuǎn)廠窯灰化學(xué)成分/%

4.4 使用開遠(yuǎn)褐煤采取的技術(shù)措施

4.4.1 調(diào)整原材料

小龍?zhí)逗置簱]發(fā)份高，固定碳低，其無機(jī)組分中含有一定量的碳酸鈣和二水石膏，所以煤灰中CaO>40%；SO3>15%。為此，廠家采用泥灰?guī)r代替部分石灰石配料，不但減少了石灰石礦山的浮土剝離量還改善了生料的易燒性。

4.4.2 調(diào)整配料方案

在提高生料飽和比的同時(shí)，降低了硅酸率；提高生料氧化鋁含量和鋁氧率。使液相量增加，提高了生料的易燒性（表9）。

4.4.3 調(diào)整回轉(zhuǎn)窯的操作

（1）褐煤的實(shí)物煤耗較煙煤增加近一倍，褐煤中的揮發(fā)份>40%；為此提高了一次風(fēng)量，達(dá)到一倍以上。

（2） 采取“薄料快燒”的煅燒制度，提高窯轉(zhuǎn)速，降低喂料量，增加物料與火焰及氣流的熱交換。采用小龍?zhí)逗置簾扑嗍炝?，為了保證熟料質(zhì)量，熟料產(chǎn)量明顯下降，由原設(shè)計(jì)產(chǎn)量16 t/h，降為12 t/h左右。

表11 盈江燃煤工業(yè)分析

（3） 入磨褐煤水分高達(dá)25%～30%，煤磨產(chǎn)量下降明顯，為此，更換了煤磨，并提高了入磨風(fēng)溫。

利用幾何畫板、Excel等計(jì)算機(jī)軟件為學(xué)生創(chuàng)設(shè)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，我們可以設(shè)計(jì)微課引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，支持和鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、開展課題研究，使學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的過程變得更加活潑、有趣，更富有吸引力，使十分繁瑣抽象的推理變得更加生動、直觀、看得見、摸得著，更易于操作[2].

（4） 該廠泥灰?guī)r和砂巖中堿含量較高，小龍?zhí)陡吡蚝置喝紵a(chǎn)出的SO3主要以硫酸鉀的形態(tài)存在于窯灰中。由于褐煤水分高，燃燒產(chǎn)生的水蒸氣，還會形成大量的H2S和SO2，對環(huán)境造成較大的污染。

小龍?zhí)陡吡蚝置涸陂_遠(yuǎn)濕法長窯燒制水泥熟料的實(shí)踐，雖然為我們使用褐煤燒制水泥熟料提供了技術(shù)上的參考和借鑒。但因窯產(chǎn)量和環(huán)保等問題，20世紀(jì)80年代以后，開遠(yuǎn)水泥廠已逐步改用煙煤。

5 褐煤在盈江水泥廠新型干法水泥窯的試驗(yàn)

滇西南地區(qū)煙煤和無煙煤資源匱乏，若能采用當(dāng)?shù)睾置?，將有利于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。為此，2010年云南省建材院院曾在盈江水泥廠Φ3.5m×54m新型干法水泥窯進(jìn)行過短期的試驗(yàn)。試驗(yàn)采用30%保山褐煤與70%華坪煙煤摻配，詳見表11～表13。

表12 盈江窯用燃煤燃燒特性指標(biāo)

表13 盈江水泥廠摻燒褐煤試驗(yàn)熟料

摻入30%褐煤后，入窯煤粉水分由1%左右上升到3%，混煤火焰較單獨(dú)燃燒煙煤時(shí)稍偏長，火焰不集中，熱力強(qiáng)度有所降低。表13的數(shù)據(jù)表明，摻燒褐煤后，熟料率值未做明顯改動，但立升重、產(chǎn)量和強(qiáng)度均稍有下降。由于當(dāng)?shù)睾置簝r(jià)格較低廉，工廠仍可獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益（表18）。

6 緬甸褐煤燒制水泥熟料

緬甸曼德勒地區(qū)主產(chǎn)褐煤，且不具備褐煤氣化和焦化的基礎(chǔ)條件。若熟料生產(chǎn)僅依賴進(jìn)口煙煤，將使水泥成本居高不下。為了降低水泥的生產(chǎn)成本，云南省建材院2016～2017年在緬甸旦多淼水泥廠5 000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，采用本地褐煤與進(jìn)口煙煤搭配進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)。

6.1 緬甸燃煤分析

6.1.1 生產(chǎn)用燃煤工業(yè)和元素分析

與云南省褐煤比較，緬甸本地（曼德勒）褐煤的成煤年代較早，可燃基揮發(fā)分和硫含量較低（表14），但該地褐煤產(chǎn)點(diǎn)多，質(zhì)量波動很大。窯用煙煤由澳洲進(jìn)口質(zhì)量較為穩(wěn)定（表15）。

表14 燃煤工業(yè)分析

表15 進(jìn)廠燃煤的標(biāo)準(zhǔn)偏差

6.1.2 緬甸燃煤的燃燒特性

采用本地褐煤和澳洲煙煤按一定的比例混合摻燒，由于單種煤的燃燒特性對混煤有一定的影響，所以本項(xiàng)目進(jìn)行了煤的熱分析試驗(yàn)（詳見圖5～圖7）。本試驗(yàn)采用德國耐馳STA409 PG/PC型熱分析儀，檢測條件按照GB/T33304-2016“煤炭燃燒特性試驗(yàn)方法熱重分析法”的要求，氣氛為空氣和氬氣，升溫速率20℃/min。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行計(jì)算，得出緬甸燃煤的燃燒特性（表16）。

圖5 本地褐煤熱分析圖譜

圖6 澳洲煙煤熱分析圖譜

圖7 褐煤+煙煤（1∶1）熱分析圖譜

（1） 著火溫度Ti/℃。著火溫度是指可燃混合物化學(xué)反應(yīng)達(dá)到自燃時(shí)的最低溫度，按照標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算，緬甸褐煤的著火溫度為349.4℃；澳洲煙煤為478.6℃；混合煤的著火溫度354℃較接近褐煤。

（2） 燃盡溫度Tf/℃。燒掉98%可燃質(zhì)燃料時(shí)的溫度定義為燃盡溫度，緬甸褐煤的燃盡溫度500.9℃，澳洲煙煤626.8℃，混合煤614℃；兩種煤按1∶1混合后，燃盡溫度接近煙煤，混和煤在熱分析圖譜上表現(xiàn)為雙峰（詳見圖7）。

表16 緬甸燃煤的燃燒特性

（3） 最大燃燒速率vp/(%/min)。當(dāng)?shù)睾置鹤畲笕紵俾?0.60%/min，溫度396℃；澳洲煙煤最大燃燒速率10.31%/min，溫度555.1℃；混合煤在圖譜上出現(xiàn)兩個(gè)峰值：6.48%/min、429.4℃和6.30%/min、556.0℃。表明兩種煤并非完全同步燃燒，因而降低了混合煤的平均燃燒速率。

（4）混煤著火溫度明顯降低，燃盡溫度改善不明顯。對于回轉(zhuǎn)窯高溫?zé)蓭Ш突鹧娴男纬捎幸欢ǖ挠绊憽?/p>

6.2 緬甸褐煤使用中存在的問題和采取的措施

（1）按煤的品種劃分，煙煤較易粉磨，褐煤較難粉磨。該廠在生產(chǎn)中為了滿足熱工煅燒的需要，采用了混合粉磨的方法，以提高煤粉的均勻性并降低粉磨電耗。煤磨產(chǎn)量基本穩(wěn)定的前提下，隨著褐煤摻加比例增加，煤粉篩余量和內(nèi)水含量上升。

表17 出磨煤粉工業(yè)分析

（2） 煤工業(yè)分析標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)值表明（表15），緬甸本地褐煤的質(zhì)量波動很大，分析基低熱值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為3 073kJ/kg，是澳洲煙煤的五倍，生產(chǎn)上采取了兩次均化的措施，保證了出磨煤粉質(zhì)量和轉(zhuǎn)窯工藝的穩(wěn)定（表17）。

（3） 該廠采用高硅石灰石配料，高硅石灰石不僅石英含量高，且方解石呈重結(jié)晶狀，晶粒粗大，低溫分解率偏低。為此，提高了分解爐的配煤比例。

（4） 出磨煤粉水分較高（≥4%）；煙煤與褐煤的不同步燃燒，降低了混合煤的平均燃燒速率，影響了回轉(zhuǎn)窯高溫?zé)蓭Ш突鹧娴男纬?，至使火焰延長，火溫下降，窯頭飛砂較大。為此，調(diào)整了配料率值，適當(dāng)降低熟料硅酸率，將液相量由24.5%提高到27.8%。

6.3 生產(chǎn)試驗(yàn)的效果

試生產(chǎn)期間，熟料各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國家相關(guān)規(guī)定的要求，熟料產(chǎn)量超過設(shè)計(jì)水平；熟料3天抗壓強(qiáng)度≥30MPa，28天抗壓強(qiáng)度≥55 MPa。3月份大窯進(jìn)行增產(chǎn)試驗(yàn)，提高了生料喂料量和窯轉(zhuǎn)速，臺時(shí)產(chǎn)量由220 t/h提高至245t/h。熟料強(qiáng)度稍有下降，平均為54.5 MPa。

（1） 熟料成分和性能詳見表18～表19。

表18 熟料成分指標(biāo)/%

表19 熟料物理性能

（2）熟料產(chǎn)量和水泥能耗。試驗(yàn)過程中褐煤的摻加比例逐漸增加到50%，但熟料的標(biāo)準(zhǔn)煤耗仍可保持在106kg/kg.熟料左右（表20）。

7 結(jié)論

（1）褐煤是一種低價(jià)煤，其高水分、高揮發(fā)份、低熱值和易風(fēng)化、易自燃的特點(diǎn)，影響了它在水泥工業(yè)中的應(yīng)用。通過我們多年的實(shí)踐表明，在我國西南和南亞等匱乏煙煤的地區(qū)，摻用當(dāng)?shù)睾置簾扑嗍炝?，最大的?yōu)勢是降低水泥的生產(chǎn)成本；合理使用自然資源。云南盈江水泥廠窯用燃料中摻用30%當(dāng)?shù)睾置?，燃煤成本每噸熟料下?2元，該項(xiàng)措施若按設(shè)計(jì)產(chǎn)量計(jì)算每年可增加收益900多萬元。緬甸旦多淼水泥廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了澳洲煙煤和當(dāng)?shù)睾置喊?:1比例配合，燒制水泥熟料的穩(wěn)定生產(chǎn)，僅此一項(xiàng)每年收益可達(dá)3 000多萬元（表21）。

表21 摻褐煤燒制的熟料生產(chǎn)成本和收益

表20 熟料產(chǎn)量和水泥能耗

（2）褐煤的品質(zhì)與其成礦條件和成礦年代相關(guān)，云南褐煤多屬新生代第三紀(jì)，水分高、揮發(fā)份高、熱值低，雜質(zhì)含量較多，燒制水泥熟料時(shí)，可適量摻加。開遠(yuǎn)的高硫褐煤使用于開遠(yuǎn)水泥廠的濕法長窯只是個(gè)例，并不適用于其它窯型。

緬甸曼德勒褐煤質(zhì)量波動很大，但成礦年代較早，揮發(fā)份和水份較低，平均發(fā)熱量可達(dá)20 900kJ/kg（5 000kcal/kg）左右，通過嚴(yán)格均化后，可以較大量地替代煙煤。

（3）褐煤的高水份和高揮發(fā)份及混合煤的不同步燃燒，對回轉(zhuǎn)窯的火焰溫度和燒成帶的位置會產(chǎn)生影響，從而影響到熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。所以，必須適當(dāng)調(diào)整褐煤與煙煤的摻配比例及配料方案，改善生料易燒性；加強(qiáng)窯工藝的管理和窯參數(shù)的調(diào)整。

（4） 水泥工廠用褐煤作燃料，其水分高、易磨性差，應(yīng)選擇適宜的粉磨設(shè)備和工藝條件。并根據(jù)其易風(fēng)化、易自燃的特性，做好安全防范工作，確保安全生產(chǎn)。