診斷法降低立窯熱耗的原理及方法

1 診斷法降低立窯熱耗原理
　　影響熱耗的因素錯綜復(fù)雜?？梢院敛豢鋸埖卣f，水泥生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)對熱耗都有影響。簡單列舉有：石灰石晶體結(jié)構(gòu)及品位，粘土質(zhì)原料中石英含量，生料配料方案，礦化劑及微量因素，生料細(xì)度及級配，燃料的性質(zhì)（灰分、揮發(fā)分）、來源和顆粒級配，配煤方式（全黑、半黑），料球大小、強(qiáng)度、孔隙率、爆破率和級配，窯體結(jié)構(gòu)（喇叭口角度和高度），保溫層，卸料塔篦類型，風(fēng)機(jī)類型，風(fēng)量，腰風(fēng)，立窯看火操作方式等等。
　　降低熱耗的方法可以分為傳統(tǒng)的經(jīng)驗分析法和我們提出的診斷分析法。
1．1 經(jīng)驗分析法
　　經(jīng)驗分析法是指水泥工作者運用多年積累的經(jīng)驗判斷產(chǎn)生熱耗的原因并提出降低熱耗的具體方法。這是一種目前廣為應(yīng)用的方法。實際上，研究熱耗的資料豐富，但幾乎所有的研究者都是就影響熱耗的某一個或幾個方面的因素進(jìn)行研究，而沒有把這些因素綜合起來；在水泥生產(chǎn)一線的技術(shù)人員對影響熱耗的各種因素雖有自己的認(rèn)識，但由于經(jīng)驗、知識的局限性，習(xí)慣性地會把所遇到的問題從自己熟悉的專業(yè)知識方面尋找原因，提出解決辦法，分不清哪些因素制約了一個特定廠的熱耗水平。比如，一個擅長配料的化驗室主任總是想從改進(jìn)配方方面來降低熱耗，而一個懂設(shè)備的副廠長可能會更多地從設(shè)備改造方面來著手。
　　顯然，經(jīng)驗分析法的有效運用需要技術(shù)人員知識全面、經(jīng)驗豐富，否則難以跳出僅從某一個或幾個因素進(jìn)行孤立研究的局限性，陷入盲人摸象的困境。
1．2診斷分析法
　　科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，單單依靠經(jīng)驗的時代已一去不復(fù)返。我們歷經(jīng)4年，在研究了全國各地水泥廠實際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了科學(xué)診斷法降低熱耗的構(gòu)想，其基本思想是：雖然熱耗影響因素很多，但其中20％的因素決定了80％的熱耗水平，通過現(xiàn)代分析測試手段對立窯進(jìn)行全面的診斷分析，從復(fù)雜的多種因素中鑒別出主要因素，找到解決問題的對策。
　　具體地說，影響熱耗的因素可以分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因即易燒性，原料的反應(yīng)活性、配方、礦化劑及微量因素、生料細(xì)度等等的影響，最終都表現(xiàn)為易燒性的好壞；外因可以分為煙氣帶走熱、窯體表面散熱、化學(xué)不完全燃燒和熟料帶走熱。通過分析測試得到特定廠的易燒性和煙氣帶走熱、窯體表面散熱、化學(xué)不完全燃燒和熟料帶走熱的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與全國各地水泥廠同類數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找到影響該廠熱耗的主要原因，對癥下藥，解決問題。比如，通過對內(nèi)外因的測試和比較，發(fā)現(xiàn)特定廠熱耗高主要原因是生料易燒性差，再通過X衍射（XRD）、熱重分析（TG-DTA）、細(xì)度分析，找到影響該廠影響易燒性的具體原因，最后通過工藝測試即可解決問題。
2．降低立窯熱耗的方法
　　2000年我們按照這一思路研究水泥立窯熱耗，實地考察、測試了全國近百家水泥廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并為多家水泥廠提供了診斷服務(wù)，均取得了良好效果，現(xiàn)就其中細(xì)節(jié)作一闡述。
2．1生料易燒性的評價方法和改善途徑
　　生料易燒性受多種因素的影響，簡單列舉有：熟料三率值、礦化劑品種和比例、晶種、石灰石分解溫度、黏土品種、煤炭中硫含量、廢渣摻入、細(xì)度等。水泥廠一線的技術(shù)人員往往陷入迷宮，找不到主要原因。判斷易燒性好壞不要主觀臆斷，應(yīng)該進(jìn)行易燒性試驗。如何進(jìn)行易燒性測試呢？
　　易燒性測試不要照搬教科書上介紹的方法，因為那些方法往往更適于旋窯水泥廠。立窯水泥廠應(yīng)根據(jù)其生料特點作適當(dāng)改變。
　　首先，易燒性試驗應(yīng)該取生料球，而不是生料粉，因為生料粉壓片需要專門模具，而且壓制的生料片密度高，與生產(chǎn)實際情況發(fā)生偏離，試驗結(jié)果會不準(zhǔn)確。
　　由于立窯都采取全黑或半黑配煤工藝，生料中含有煤炭，如果直接進(jìn)行易燒性試驗，生料內(nèi)的煤炭容易形成還原性氣氛而造成易燒性試驗完成，所以應(yīng)先在低溫下使生料球脫炭。脫炭后的生料球在高溫爐中1100℃、1200℃、1300℃下煅燒40分鐘，快速冷卻后磨細(xì)測定f－CaO，得到生料燒成曲線。1100℃為低溫易燒性，反映了石灰石的易分解性；而1300℃則反映了該生料的高溫易燒性，決定了熟料煅燒溫度的高低。將所研究廠的易燒性曲線與全國各地不同水泥廠生料易燒性曲線進(jìn)行比較，就會得出特定廠易燒性好壞的評價。
　　要找到降低立窯熱耗的方法，還要在易燒性優(yōu)劣評判出來之后，尋找其具體原因，這就需進(jìn)行生料比表面積或細(xì)度測定、碳酸鈣分解溫度和分解熱測定、結(jié)晶二氧化硅含量測定，運用現(xiàn)代分析手段熱重-差熱（DG-DTA）分析和X衍射（XRD）分析手段作進(jìn)一步研究。
　　實踐中改善易燒性有很多方法。首先筆者不主張通過配制特殊的配方，如無鐵配料，來改善易燒性。實際上硅酸鹽水泥自發(fā)明以來，已生產(chǎn)和使用一百多年了，被證明是可靠、耐久的，如過大地改變配方，實際上已經(jīng)不是硅酸鹽水泥了，不要說生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的種種問題不可預(yù)測，其應(yīng)用性能，如混凝土耐久性、對外加劑的適應(yīng)性等更令人擔(dān)憂。不顧混凝土的性能一味追求水泥低成本，是對社會不負(fù)責(zé)任的行為。
　　根據(jù)我們對全國各地近百家生料易燒性的研究發(fā)現(xiàn)，礦化劑摻量和比例是影響易燒性好壞的關(guān)鍵因素。水泥廠配料中應(yīng)適量提高其中硫、氟含量，并注意其比例，特別要優(yōu)先使用高硫煤，其帶入的硫是有機(jī)硫和硫化鐵硫，活性高，在生料中的分布也比摻石膏更均勻；而氟摻量過高后可能帶來凝結(jié)時間過長的問題，還可能帶來急凝和慢凝問題。很多地方螢石價格昂貴，可用鋼渣代替，因為鋼渣中也含有大量氟。
　　另外，水泥廠應(yīng)優(yōu)先考慮摻用各種工業(yè)廢渣，如鋼渣、石灰渣、化肥廠炭化渣、煤矸石等。工業(yè)廢渣經(jīng)過高溫煅燒，處于活化狀態(tài)，常常含有石灰、甚至硅酸二鈣和活性硅鋁，可節(jié)省一部分能量，有的還起晶種作用。另外，工業(yè)廢渣可能帶入多種微量元素，也起了多元礦化作用。
　　配方中要主意氧化鎂的作用。一些技術(shù)人員以為氧化鎂過高會帶來安定性不良，一味追求低氧化鎂，是錯誤的。實際上適量氧化鎂可增加高溫液相量，并降低液相粘度，是廉價的輔助礦化劑。
　　另一個錯誤認(rèn)識，是認(rèn)為生料越細(xì)易燒性越好。從理論上講，生料越細(xì)反應(yīng)性越好，但過細(xì)的生料使得磨機(jī)產(chǎn)量下降、電耗增加。根據(jù)我們的研究對比發(fā)現(xiàn)，生料細(xì)度細(xì)到一定程度后，對易燒性的改善效果已不明顯。在能源緊缺和電費高昂的今天，片面追求通過高細(xì)度來改善易燒性，不是明智和有效之舉。
2．2立窯熱損失的測定方法及降低途徑
　　立窯熱損失主要有窯體表面散熱、熟料帶走熱、煙氣帶走熱和化學(xué)不完全燃燒熱損失，這些熱損失都可以定量測定、計算出來。將測定出的各種熱損失與其它廠家數(shù)據(jù)對比，就能發(fā)現(xiàn)特定廠哪種熱損失較高，再采取相應(yīng)措施予以降低。
　　在各種熱損失測定中，化學(xué)不完全燃燒熱損失最難測定，需要特殊的儀器和技巧。首先，取氣要有代表性。立窯煅燒穩(wěn)定性差、工況隨著時間不斷波動，而且窯面寬闊，中部、邊部燃燒狀況差別大，還可能存在風(fēng)洞，一不小心取樣就沒有代表性，測定出的結(jié)果也就沒有價值。要在窯況正常時取氣，取氣點要沿窯周和窯徑均勻分布；深度也要適當(dāng)，過淺漏入空氣量大；過深會燒壞取樣裝置。其次，取氣要用專門設(shè)備。過去取氣都用雙連球，抽力小，往往漏入空氣。應(yīng)該用電動、可調(diào)抽風(fēng)裝置；第三，氣體分析也有技術(shù)。奧氏氣體分析儀仍然是立窯氣體分析最佳儀器，要經(jīng)過有經(jīng)驗的進(jìn)行培訓(xùn)后，方可正確使用。具體說來，使用時要準(zhǔn)確判斷吸收液是否具有足夠的吸收能力，吸收液吸收能力下降要及時發(fā)現(xiàn)并予以更換；要注意氣體吸收順序，順序顛倒結(jié)果就不準(zhǔn)確，差別會很大；液體瓶升降速度要適當(dāng)，否則氣壓過大漏氣嚴(yán)重，也導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)。
　　窯體保溫不好常常被水泥廠認(rèn)為是熱耗高的主要原因，因為窯體表面溫度影響熱耗的原理很直觀。但我們對各地水泥廠實測對比研究和發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下，化學(xué)不完全燃燒是制約熱耗的主要原因。煤炭完全燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，不完全燃燒則轉(zhuǎn)變?yōu)镃O，后者放熱量僅為前者的三分之一，損失極大。由于CO無色無味，不易為水泥廠發(fā)現(xiàn)和重視，實際上這一問題非常嚴(yán)重，以至于看火工人被熏倒在窯面上這樣事故經(jīng)常發(fā)生。
　　保證煤炭完全燃燒就能降低CO濃度。首先要砌筑結(jié)構(gòu)合理的窯體，特別要注意喇叭口的形狀。料球在喇叭口內(nèi)完成干燥、預(yù)熱和燒成過程，喇叭口的角度取決于料球收縮率，而高度取決于料球下沉速度。喇叭口角度和高度與料球水分、生料易燒性、燃料燃燒特性、看火工操作方式等因素有關(guān)。有些立窯廠多次擴(kuò)徑，但高度不足，這時一定要打破窯房高度限制，保證喇叭口高度，否則難以保證立窯的產(chǎn)量和熱耗。
　　料球大小是決定CO量的另一重要因素。在保證通風(fēng)的條件下，料球越小，煙氣中CO濃度越低。這是因為料球小，料球表面積增大，氧氣與煤炭接觸面積增大，燃燒完全；相反，如料球過大，即使總通風(fēng)量充足，但料球內(nèi)部氧氣濃度低，導(dǎo)致料球內(nèi)的煤炭不能完全燃燒，而表面氧氣過量，燃燒率達(dá)到100％不可能再提高，因氧氣過量還帶走了不少熱。還要注意，料球大小要均勻，因為料球粒徑均勻可提高通風(fēng)透氣率。從理論上講，無論粒徑大小，均勻球體堆積后其孔隙率是相同的，而直徑大小不同的球堆積孔隙率則降低。
　　煤炭燃燒特性對CO的影響是被立窯水泥界忽略的一個重要因素。所謂燃燒特性是指煤炭著火溫度的高低、燃燒速度的快慢。發(fā)熱量決定了煅燒所能達(dá)到的溫度，而燃燒特性則決定了達(dá)到這一溫度的所需時間的長短。燃燒特性主要與煤炭揮發(fā)分有關(guān)，揮發(fā)分越高，煤炭燃燒越快，表現(xiàn)為立窯上火快、產(chǎn)量高，但常常有熟料輕燒現(xiàn)象；反之，如揮發(fā)份低，則燃燒慢，上火慢、產(chǎn)量低，但熟料中水泥礦物結(jié)晶完善、化合好。在我國四川、湖南、云南地區(qū)，立窯水泥廠往往就地取材，使用揮發(fā)份高達(dá)15％的煤炭，由于立窯中氧氣供應(yīng)量是一定的，煤炭燃燒速度過快，必然導(dǎo)致化學(xué)不完全燃燒增加，熱耗普遍偏高；而福建、唐山地區(qū)所使用的無煙煤揮發(fā)份2%～4％，燃燒緩慢，煤炭燃燒完全，熱耗普遍較低。同一配方、相同操作方法，將高揮發(fā)分煤炭換為低揮發(fā)分煤炭，可使熱耗降低10%～20％。實際上，既要保證產(chǎn)量，又要保證熱耗，最好選擇燃燒特性不同的兩種煤炭搭配使用，分段逐步燃燒，保證燃燒完全。
　　總之，診斷法是科學(xué)降低立窯熱耗的新思路。通過科學(xué)診斷，可以在復(fù)雜的多種因素中準(zhǔn)確抓住特定廠熱耗高的主要原因，有的放矢地采取措施，優(yōu)化工藝條件，從而大幅降低熱耗，提高競爭力。 摘自《國際建材設(shè)備》