南方水泥低熱值煤在生產(chǎn)中的應(yīng)用

  摘要：低熱值、劣質(zhì)燃料在水泥生產(chǎn)中的使用會(huì)產(chǎn)生熟料煅燒困難、窯系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定以及能耗上升等問題。如何使用低熱值和劣質(zhì)燃料，降低生產(chǎn)成本，保持窯系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并保證熟料產(chǎn)、質(zhì)量是很多水泥企業(yè)需要解決的問題。該文根據(jù)相關(guān)實(shí)踐，在技術(shù)改造、設(shè)備選用、工藝參數(shù)調(diào)整、過程控制等方面進(jìn)行了探討，提出了相應(yīng)方法。

  1 前 言

  燃料質(zhì)量不僅影響水泥熟料煅燒的產(chǎn)量、質(zhì)量，而且直接關(guān)系到水泥生產(chǎn)成本的高低。當(dāng)前水泥產(chǎn)能快速發(fā)展，能源緊缺問題日益突出，煤炭?jī)r(jià)格逐年上漲，充分利用新型干法分解窯爐技術(shù)利用低熱值、劣質(zhì)燃料是水泥工業(yè)面臨的重要課題之一。

  低熱值、劣質(zhì)燃料具有高灰份、低揮發(fā)份、固定碳含量低、燃點(diǎn)高、燃燒速度慢等特點(diǎn)，在水泥生產(chǎn)中的使用會(huì)產(chǎn)生熟料煅燒困難、窯系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定以及能耗上升等問題。如何使用低熱值和劣質(zhì)燃料，降低生產(chǎn)成本，保持窯系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并保證熟料產(chǎn)、質(zhì)量是很多水泥企業(yè)需要解決的問題。本文根據(jù)南方水泥的相關(guān)實(shí)踐，在技術(shù)改造、設(shè)備選用、工藝參數(shù)調(diào)整、過程控制等方面進(jìn)行探討，提出如下具體方法。

  2 采用風(fēng)掃磨進(jìn)行粉磨，降低煤粉細(xì)度

  煤粉的燃盡時(shí)間正比于顆粒直徑的二次方，煤粉燃燒時(shí)，煤粉細(xì)度越小，煤粉比表面積越大，煤粉與空氣中氧氣的接觸面積也越大，可降低燃點(diǎn)，燃燒也就更容易。在使用低熱值和劣質(zhì)煤時(shí)，降低煤粉細(xì)度尤為關(guān)鍵（建議控制在≤2%）。低熱值和劣質(zhì)煤灰分高（＞35%），矸石含量大，易磨性差，若采用立輥磨進(jìn)行粉磨，吐渣現(xiàn)象嚴(yán)重，很難達(dá)到所需細(xì)度，而采用風(fēng)掃磨（管磨）則能保證細(xì)度達(dá)到要求。選用風(fēng)掃磨時(shí)要充分考慮煤磨的能力，現(xiàn)代化大型風(fēng)掃煤磨由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，技術(shù)可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)率高，配合高效選粉機(jī)調(diào)節(jié)靈活方便等優(yōu)點(diǎn)被普遍采用，而且規(guī)格日趨大型化，此也是針對(duì)粉磨低熱值劣質(zhì)及無煙煤的要求。風(fēng)掃煤磨系統(tǒng)烘干能力一定要和粉磨能力相匹配，即根據(jù)原煤易磨性和水份增縮粉磨倉和烘干倉長(zhǎng)度，否則將制約系統(tǒng)產(chǎn)量，在原煤水份大的情況下，盡量提高入磨溫度和出磨溫度，出磨溫度控制在75～80℃。

  3 提高二、三次風(fēng)溫，保證煤粉燃燒起火溫度

  煤粉燃燒時(shí)，煤粉周圍的空氣溫度越高，煤粉燃燒越容易。新型干法窯外分解窯爐煤粉主要分入窯頭和分解爐內(nèi)燃燒，窯頭和分解爐的助燃空氣和空氣溫度均由篦冷機(jī)的二、三次風(fēng)提供，而二、三次風(fēng)溫的高低直接影響煤粉燃燒的速度和燃燼率。決定二、三次風(fēng)溫高低的關(guān)鍵是篦冷機(jī)冷卻的熱交換效率，重視篦冷機(jī)的操作，增加篦冷機(jī)熱端料層厚度，控制各段篦下壓力，保證篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度合理，加風(fēng)先加高溫段風(fēng)量，后加低溫段風(fēng)量（減風(fēng)則相反），在降低出篦冷機(jī)熟料溫度的同時(shí)提高二、三次風(fēng)溫。一般要求出篦冷機(jī)的二次風(fēng)溫在1100～1200℃，三次風(fēng)溫≥950℃較為合理。篦冷機(jī)的技改一定要和窯爐系統(tǒng)結(jié)合起來考慮。目前新型步進(jìn)式模塊化篦床加中置輥式破碎機(jī)的篦冷機(jī)系統(tǒng)，較好地解決了二、三次風(fēng)溫的問題。

  4 熱分解系統(tǒng)改造，保證煤粉和物料停留時(shí)間

  低熱值和劣質(zhì)煤易燃性差，燃燒和燃盡需用時(shí)間比正常煙煤要長(zhǎng)，控制不當(dāng)容易出現(xiàn)煤粉在分解爐內(nèi)燃燒不盡，部分煤粉到五級(jí)筒內(nèi)再燃燒的現(xiàn)象，導(dǎo)致五級(jí)筒和分解爐溫度倒掛，分解爐縮口和C4筒下料閥的結(jié)皮積料和塌料現(xiàn)象，直接影響預(yù)熱器系統(tǒng)的安全（尤其是2006年前的生產(chǎn)線分解爐容積較小，物料在爐內(nèi)停留時(shí)間只有不到3秒），因此，要對(duì)預(yù)熱器分解系統(tǒng)進(jìn)行必要改造。

  系統(tǒng)改造措施有：窯尾各級(jí)下料管撒料裝置改造，提高窯尾預(yù)熱器的換熱效率，降低C1筒的出口溫度。下料管也需做相應(yīng)調(diào)整，并對(duì)C4筒入爐物料分料進(jìn)行必要改造。通過延伸分解爐上升管道或分解爐擴(kuò)徑，增加分解爐有效容積，調(diào)整分解爐煤粉燃燒器位置（下移），達(dá)到提高分解爐的氣體停留時(shí)間（4.5秒以上為宜）和分解爐主燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度，縮短煤粉的燃盡時(shí)間，確保分解爐內(nèi)煤粉完全燃燒，提高入窯物料的分解率。

  系統(tǒng)的密封堵漏也必須重視。系統(tǒng)漏風(fēng)致冷風(fēng)摻入，首先造成預(yù)熱器系統(tǒng)溫度、風(fēng)速和分離效率降低，總用風(fēng)量加大，被迫采取提高高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來滿足窯內(nèi)正常煅燒，從而使高溫風(fēng)機(jī)負(fù)荷增大、電耗增加；其次是減少了由篦冷機(jī)進(jìn)入窯內(nèi)的二次風(fēng)量；篦冷機(jī)的漏風(fēng)則降低了二、三次風(fēng)溫，使窯頭煤粉不完全燃燒或火焰變長(zhǎng)，造成窯內(nèi)結(jié)圈、結(jié)蛋，篦冷機(jī)堆“雪人”等。

  系統(tǒng)漏風(fēng)點(diǎn)除窯門罩、窯頭、窯尾密封及篦冷機(jī)檢查門、檢修門外，還有預(yù)熱器各級(jí)下料翻板閥的內(nèi)漏風(fēng)及各級(jí)檢修門、孔等部位。

  使用低熱值煤時(shí)，必須保證風(fēng)煤混合充分，窯尾的O2含量要控制適當(dāng)偏高，C1筒出口的O2含量較使用正常煙煤時(shí)高1%，約在5～6%，保證氧化氣氛，減少或避免還原氣氛對(duì)熟料煅燒及產(chǎn)質(zhì)量的影響。C1～C4出口溫度在滿足物料分解換熱狀況下偏低控制，防止結(jié)皮產(chǎn)生。C5出口溫度控制在＜900℃，比使用煙煤時(shí)高10～20℃。

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  5 選擇大推力窯頭燃燒器   保證火焰形狀控制符合煅燒要求

  現(xiàn)代新型干法窯外分解系統(tǒng)窯頭采用多通道煤粉燃燒器，這種燃燒器需要兩種風(fēng)：一種是煤風(fēng)，用于煤粉輸送；另一種是凈風(fēng)，用于控制調(diào)節(jié)火焰形狀和強(qiáng)度，為煤粉燃燒提供足夠的動(dòng)量或推力。凈風(fēng)按照在煤風(fēng)的外面和內(nèi)部又可以分為內(nèi)風(fēng)和外風(fēng)。煤鳳和凈風(fēng)風(fēng)之和稱為一次風(fēng)。

  理想的煤粉燃燒器，要能產(chǎn)生足夠高的火焰溫度，火焰溫度穩(wěn)定，保證風(fēng)煤混合均勻，燃燒完全，減少CO生成，降低一次風(fēng)量，最關(guān)鍵是能方便地調(diào)節(jié)火焰形狀符合熟料煅燒需要。

  新型大推力燃燒器能利用內(nèi)軸流風(fēng)和內(nèi)旋流風(fēng)二者的風(fēng)速和風(fēng)壓調(diào)節(jié)配合，形成由煤粉燃燒器里圈噴射出來的氣體形成不同的旋轉(zhuǎn)速度和擴(kuò)散的角度，便于根據(jù)煤質(zhì)的變化情況對(duì)火焰的長(zhǎng)度和形狀進(jìn)行無級(jí)調(diào)整，得到需要的火焰形狀，調(diào)節(jié)可以利用內(nèi)軸流風(fēng)和內(nèi)旋流風(fēng)的閥門大小改變風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)整，也可以通過改變內(nèi)軸流風(fēng)的開度大小和內(nèi)旋流風(fēng)的縫隙大小來改變風(fēng)速調(diào)整，火焰形狀大小可以在煤質(zhì)變化時(shí)保持窯內(nèi)煅燒需要的形狀。同時(shí)還可以對(duì)外軸流風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)整來保證火焰形狀符合要求。

  所以要適應(yīng)低熱值和劣質(zhì)煤燃燒應(yīng)該采用低一次風(fēng)量大推力的新型窯頭燃燒器，更換窯頭一次風(fēng)機(jī)，提高一次風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。一次風(fēng)率（煤風(fēng)＋凈風(fēng)）以小于7%為宜，其中煤風(fēng)約占30%，凈風(fēng)約占70%。

  6  加強(qiáng)過程控制與操作

  要保證低熱值煤的正常使用，加強(qiáng)過程控制與操作很有必要，應(yīng)從如下幾點(diǎn)著手改進(jìn)：

  （1）加強(qiáng)原煤的均化，低熱值和劣質(zhì)煤普遍存在礦點(diǎn)多，來源雜等情況，為此，減少煤質(zhì)波動(dòng)顯得尤為重要，水泥企業(yè)應(yīng)采用煤預(yù)均化堆場(chǎng)。

  （2）調(diào)整窯頭、分解爐（即頭、尾）煤的比例，適當(dāng)提高頭煤用量和適當(dāng)減少尾煤用量，在穩(wěn)定控制煤粉細(xì)度的前提下使頭煤快速充分燃燒，消除窯內(nèi)還原氣氛，提高窯前清晰度，加快分解爐煤粉燃燒。同時(shí)合理控制入分解爐上下分料比例，逐步增加下部分料，防止溫度過高產(chǎn)生結(jié)皮，保證分解爐的熱工制度穩(wěn)定。

  （3）注意調(diào)整燃燒器各參數(shù)

  當(dāng)二次風(fēng)溫達(dá)到1100℃以上及低熱值和劣質(zhì)煤煤粉的細(xì)度很細(xì)時(shí)，頭煤比例增加易出現(xiàn)黑火頭過短，燒成帶縮短，窯前筒體溫度升高等現(xiàn)象，此時(shí)燃燒器內(nèi)旋流風(fēng)適當(dāng)變小，強(qiáng)化外軸流風(fēng)，控制火焰形狀，提高火焰溫度，消除頭煤增加后煤粉燃燒不完全現(xiàn)象。燃燒器定位適當(dāng)，以防止煤粉過細(xì)存在爆燃情況而造成窯前3～7米處溫度偏高，導(dǎo)致主窯皮不穩(wěn)定和損壞耐火磚。

  （4）生料控制和配料方案

  煤料對(duì)口是熟料煅燒的基礎(chǔ)，在使用低熱值和劣質(zhì)煤時(shí)，生料細(xì)度要適當(dāng)降低，主要控制0.2mm篩余＜1%，同時(shí)熟料三率值控制在：KH：0.90～0.92；SM：2.6～2.7；IM：1.5±0.1；從而確保窯況穩(wěn)定和熟料產(chǎn)質(zhì)量、熱耗處于正常水平。石灰石最好采用預(yù)均化堆場(chǎng)進(jìn)行均化，以保證生料成分均勻。

  （5）耐火材料的改進(jìn)

  低熱值和劣質(zhì)煤在燃燒中因細(xì)度細(xì)，窯頭易形成集中火焰和爆燃，使燒成帶縮短，主窯皮不穩(wěn)定，因此燒成帶應(yīng)適當(dāng)減少鎂磚長(zhǎng)度，過渡帶稍長(zhǎng)，應(yīng)選用抗熱震穩(wěn)定性好，抗炸裂、抗剝落的剛玉磚替代。

  7 案例介紹

  筆者公司一條2500t/d熟料線，于2005年10月投產(chǎn)，一直使用煙煤，標(biāo)準(zhǔn)煤耗、熟料綜合電耗等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)不甚理想，為降低燒成熱耗，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力，經(jīng)前期充分調(diào)研論證，于2012年4月份針對(duì)使用低熱值煤對(duì)該線燒成系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化改造，主要改造內(nèi)容如下:

  （1）煤磨由立磨改為管磨；

  （2）分解爐擴(kuò)容，鵝頸管加長(zhǎng)，總?cè)莘e增加 800 立方米；

  （3）篦冷機(jī)高溫段增加擋墻，前面四臺(tái)充氣梁風(fēng)機(jī)加大，確保穩(wěn)定厚料層，提高二、三次風(fēng)溫；

  （4）新建了Φ80米石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)及堆取料機(jī)；

  （5）改進(jìn)原煤堆場(chǎng)堆取料機(jī)；

  （6）窯內(nèi)應(yīng)用新型低導(dǎo)熱磚；

  （7）加強(qiáng)了分解爐的保溫；

  （8）窯頭應(yīng)用大推力燃燒器；

  （9）優(yōu)化自動(dòng)化及控制系統(tǒng)；

  改造后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不但克服了原煤雜、熱值低（小于5000大卡）的不利因素，而且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了百分之百使用低熱值無煙煤；熟料標(biāo)煤耗由改造前的119kg/t下降到108kg/t以下；熟料28天抗壓強(qiáng)度由59MPa提高到61.5MPa；熟料綜合電耗由61.5kWh/t下降到58.5kWh/t；為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

  8 結(jié)束語

  隨著能源資源的逐漸減少和環(huán)境污染的日益加劇，如何高效利用低熱值和劣質(zhì)燃料，降低對(duì)優(yōu)質(zhì)煤炭的依賴度，已是水泥工業(yè)必須面對(duì)的課題。實(shí)踐證明，只要對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行合理改造，通過科學(xué)控制和規(guī)范操作，現(xiàn)代新型干法窯完全能夠使用低熱值和劣質(zhì)燃料進(jìn)行熟料煅燒，保證優(yōu)質(zhì)低耗高產(chǎn)。