低值煤煅烧优质水泥熟料

    引言

    水泥回转窑作为水泥熟料生产的关键装备，其具燃料燃烧、气固换热、化学反应、物料输送等多重功能，然而燃料释放能量的过程是实现其它功能的基础。随着国内能源供应的日益紧张，煤炭价格急速上涨，采用低热值煤生产优质水泥熟料是降低水泥生产成本的必然趋势。

    利用劣质煤（指无烟煤、贫煤及褐煤）代替优质烟煤煅烧水泥熟料，易引起烧成带温度低、飞沙料增多，熟料产、质量下降。还可产生灰分沉积及窑内液相量的过早出现，引起窑内结圈，结蛋，影响窑内通风和窑的运行，因此开发适应水泥预分解窑使用低热值煤的燃烧器是解决水泥窑生产优质熟料的重要措施。

    目前，新型干法生产工艺的煤燃烧器皆为三通道、四通道的喷煤管。笔者认为，不能顺利采用低质煤的原因在于喷煤管的参数设计的不适应与运行参数不匹配。只要采用针对低品质煤设计的喷煤管，选择适当的运行参数，低品质煤才能到优质煤同样的效果。新型干法水泥的低质煤主要是指发热量低于5000kcal/kg，挥发分并不很低(≥20％)而灰分高(≥28％)的煤。低挥发分煤一般是指灰分不高(≤25％)，发热量不低(≥5000 kcal／kg)而挥发分较低，也可列入低质煤中。对于这些劣质煤只有提高其燃烧速率才能保证烧成带火焰集中，温度提高，事实上煤粉燃烧速率主要与煤粉中固定碳的燃烧速率有关，在回转窑的烧成带，固定碳的燃烧处于扩散燃烧区，此时燃烧速度不随燃料性质而改变和温度的关系也不大，而和气体流速紧密相连，因此开发大推力的新型煤粉燃烧器对劣质煤十分有益。

    1.燃烧器与熟料质量的关系

    优质水泥熟料来源于较高含量的硅酸盐矿物，而硅酸盐矿物含量的高低与回转窑内的温度场密切相关。

    水泥回转窑既是一个燃烧设备、又是一个化学反应器。生料通过高温烧成带，吸收f-CaO，形成C₃S，得到晶形发育良好的优质水泥熟料。窑内燃料燃烧火焰的位置、形状，直接决定熟料在高温区的温度、停留时间。熟料的微观结构和性能关系密切，图1～图8为2500t/d熟料域分解窑煅烧熟料的岩相照片。

    由图可以看出，大窑熟料岩相特点：烧成带长度，烧成带热力不集中，物料通过烧成带时间长，造成A矿、B矿尺寸明显偏大，A矿晶体中包裹物多。进入冷却机冷却速度慢，A矿容受液相熔蚀。28天抗压强度57MPa。

    图11为某3200t/d熟料预分解窑，窑内出现还原气氛，出现白色亮点金属铁采用Pillard喷煤管，熟料28天抗压强度仅52MPa。图12为某2500t/d熟料岩相照片。由于受热不均匀，A矿尺寸差异巨大。

    因此，优良性能的燃烧器(型式、结构、工作参数等)，保证燃料在窑内燃烧时，与高温二次空气迅速混合、燃烧，形成一个合理的温度场及热工制度，从而使回转窑系统充分发挥其应有的功能，实现优质、高效、低耗、长期安全运转，并满足环境保护规定的要求。
  
    水泥窑用喷燃器从单风道发展为四风道甚至五风道，在提高燃烧性能的同时，也带来一系列的问题:首先，多股风互相干扰，喷燃器出口阻力过大。其次，在保证低一次风率的同时增加风道，必然要提高风速，导致射流核心速度衰减过快，火焰刚度不够。多风道导致喷燃器调节的多组合，操作过于灵活，难以掌握。而且，风道出口缝隙小，加工困难，很难保证同轴度的要求。同时由于多通道燃烧器风速和通道的增加，喷煤管头部磨损严重，中部容易弯曲，而风量的下降造成火焰刚性下降，对尾部高温度气体的卷吸能力降低，从而降低劣质煤的燃烧速率。

    2.使用劣质燃料的分析
 
    劣质燃料目前还没有严格统一的定义，从水泥工业中燃料利用技术的发展历程来看，燃料的品位是一个相对的概念，燃料的品位与燃料本身的特性及其工作环境密切相关，因此，以燃料的使用效果作为判断的标准应该是合适的。本文中所谓的劣质燃料，主要是针对新型干法水泥回转窑而言的。

表1 水泥窑用煤的品质要求

A_d（%）

V_daf（%）

Q_net.ad（KJ/㎏）

湿法回转窑，悬浮预热器窑、预分解窑

<28

18-30

>20900

立波尔窑

<25

18-30

>22990

    根据表1中的对燃料品质的要求，结合考虑燃料的使用效果，对于新型干法回转窑而言，低品位燃料包括以下几种:
   
    (1)低挥发分燃料，如贫煤、无烟煤、石煤、煤研石、石油焦等。
    (2)低发热量燃料，如褐煤、石煤、煤矸石、油页岩等。
    (3)高灰分燃料，如石煤、煤矸石、煤泥、油页岩等。
    (4)高水分燃料，如褐煤、煤泥等。
    (5)高硫分燃料，如石煤、石油焦等。

    这些燃料在着火、稳燃、燃尽方面存在一系列的技术难题，容易导致水泥熟料品质降低、产量下滑和能耗增加等，通常被认为是不宜在新型干法回转窑中采用的。因为劣质燃料具有以下特点：

    (1)着火性能下降。

 
    图13 着火温度随升温速率变化趋势图

    (2)燃烧稳定性降低。

 
    图14    稳燃指数随升温速率变化趋势图

     (3)燃尽性能

    （4）燃烧特性

    TG-DTG曲线特征点可以比较直观地反映煤在某个方面的燃烧特性，但是还不能全面地反映整个着火、燃烧和燃尽过程，因此通过TG-DTG曲线特征点的有机组合，提出了一系列的综合燃烧特性参数。

    (1)可燃性指数  
    
    相大光认为，煤在燃烧反应初期为化学动力学控制，反应速度主要与温度有关，其燃烧动力学方程可简化为:

     
 
    式中，d W/dT为燃烧反应速度;E为活化能;C为反应常数。对上式求导并且T=Ti可得:

     
 
    该式左边第一项考虑了活化能的影响，第二项表示最大燃烧速度与着火时燃烧速度之比，第三项为着火时燃烧速度曲线的斜率，这三项可以表征从着火到剧烈燃烧阶段的变化趋势。因此，可以认为上式右边项反应了煤燃烧反应前期的反应能力，并将其定义为煤的可燃性指数。

    （2）着火稳燃特性指数Rw

     
 
    (3)燃尽特性指数Cb

     
 
    式中，f1为初始燃尽率，为着火点对应的失重量与煤种可燃质含量的比值，即温度为Ti时的转化率，反映了挥发分、着火特性的影响，值越大，煤的可燃性越好。f2为后期燃尽率，其表达式为0.98-f1，反映了煤中碳的燃尽性能，与含碳量、碳的存在形态等煤质特性有关，值越大，燃尽性能越好。因此，燃尽特性指数Cb综合考虑了煤的着火和燃烧稳定性等因素对燃尽的影响，值越大，煤燃尽性能越好。表2为不同煤种着火性能的综合对比。

表2 各种煤的燃烧性能比较

烟煤

褐煤

贫煤

无烟煤

石煤

着火温度（℃）

446

350

535

570

573

最大燃烧速率温度（℃）

528

418

608

650

646

燃尽时间（min）

9.8

12.9

8.65

8.7

8.85

可燃性指数

2.87

3.97

1.9

1.53

0.64

着火稳燃指数

2.64

3.29

2.26

2.11

2.04

傅氏通用着火指数

4.91

6.39

2.33

0.42

0.07

初始燃尽率

15.77

23.58

14.47

14.1

26.85

后期燃尽率

83.80

74.42

85.34

83.90

71.1

燃尽特性指数

140.71

136.01（20℃/min）

333.46（50℃/min）

139.21

132.32

224.18

    综上所述，褐煤的着火和稳燃性能在试验样品中是最好的，但是后期燃尽性能较差。贫煤的着火、稳燃和燃尽性能优于无烟煤，但比烟煤差。无烟煤的着火和稳燃性能比较差，燃尽也较困难。石煤的着火和稳燃性能在样品中最差，但是从燃尽指数来看，石煤表现出良好的燃尽性能。

    劣质煤由于受到燃烧速度的影响，碳粒不能及时燃尽而随气流进入回转窑的温度，极易造成还原气氛，从而降低生料的最低共熔点，造成结尾圈。物料中碳粒的存在会形成大量的游离氧化钙矿巢，从而降低熟料质量。由于固定碳的燃烧速率缓慢，随着物料向前移动，物料之间极易粘结成大块，从而造成窑内的结球。因此提高固定碳粒的燃烧是煤粉燃烧器改进的关键。

    3.多通道燃烧器的改进

    了解多通道燃烧器的流场分布是改进燃烧器的基础，因此合适的流畅状态和升温速率对劣质煤燃烧速率的提升特别有益。

    1)直流风速度变化对燃烧器流场的影响
 
    直流风的速度一般为204-350m/s，当直流风的速度较大时(图16)，由于其强烈的速差射流作用，使燃烧器的轴线位置形成较大的负压，造成旋流风与中心风形成的回流区消失，同时回流区延轴向延伸。而当直流风速度减小时(图17)其与旋流风的速度差减小，使燃烧器头部形成的负压减小，而此时，由于旋流风与中心风速度差很大，因而形成压力梯度更大的负压区。

    2)旋流风速度对燃烧器气相流动的影响

    当旋流风速度增大时，切向速度(动量)与轴向速度(动量)线性增大，因此，此时的旋流强度仅与其切向气流的旋转半径有关。而由于切向速度增加其旋转半径增大，因而其旋流强度增大，图中显示为回流区2, 3沿切向外移

    3)旋流风角度对燃烧器气相流动的影响

     当旋流角增大时，其切向速度减小，轴向速度增大，因而旋流强度增大。对比旋流角分别为25°， 30°(图20、图21时的速度矢量图可以发现:旋流角增大时，其轴向速度衰减减漫，回流区1, 2速度梯度减小，且沿轴线前移。

    因此，在实际的工业应用中可以通过控制直流风和旋流风来调整回流区1, 2的形状和大小，使燃烧带温度集中的同时又不形成局部高温，同时，回流区1不宜过大，以避免煤粉火焰直接接触窑壁，有利于窑皮的形成。通过控制中心风和旋流风来调整回流区3的形状和大小，以满足稳定生产和劣质煤的燃烧。具体的措施应视具体清况而定，一般清况下，为满足新型干法水泥生产工艺快烧决冷的要求，应方查当增大旋流风角度，使煤粉燃烧温度集中，为燃用劣质煤，应在增强旋流风速、旋流角的同时，适当减小中心风速，以增强高温烟气的回流，提高煤粉温度，为满足稳定生产则应控制中心风，以避免燃烧器的高温损坏，而对于降低NOx的问题，则可采用与劣质煤燃烧的类似手段，增加高温烟气的回流，以减小O2的浓度，从而减少NOx的生成量。

    图22是PYRO-JET燃烧器外风速度为150,200,250,300,350 m/、时卷吸率随射程变化规律，结果表明:卷吸率总是随着外风速度的提高而提高。但是，当外风速度从300 m/ s升高到350 m/ s时，其卷吸率整体变化较小。因此，本文认为该类燃烧器的外风操作速度宜控制在300 m/ s左右时为最佳。

    当燃烧无烟煤时，煤粉自喷煤器喷出后，着火点的位置明显偏后，黑火头长度近似是优质烟煤的两倍多(3.3m左右)，而贫煤的着火位置与烟煤比较接近(1.lm左右)。随着煤质变差，燃烧火焰核心区域(烟气温度高于1800℃区域)的轴向长度明显加人，如无烟煤的燃烧火焰核心区的轴向长度约为35d，而燃烧烟煤时约为12d，贫煤与烟煤在火焰核心区内的温度分布也存在明显的差异( 20d)。火焰核心区拉长，表明火焰的热力强度降低。煤质变差时，烟气的初始升温速率较小，如燃烧无烟煤时，烟气温度从500℃～660℃升温到1750℃所需窑长约为13d，而烟煤最多不会超过2. 5d;燃烧后期，无烟煤的烟气温度变化仍不断地进行，而烟煤的温度变化就相对减弱。总之，无烟煤的燃烧过程相对比较平缓。

    在煤粉燃烧器出口附近，由于运动的不稳定性，使得旋涡的轴线不断来回波动，回流区域难于掌握，为了确保测试精度，本实验采用了流场显示与热线检测相结合的研究方法，即用流场指示边界，再测定相应的速度值，以测出的负速度及回流区域积分得回流量，并以理论模拟结果作为参考，其回流区域和回流量如图23所示，回流量是回流区中的回流体积流量与一次风体积流量之比。由图可见，回流区的长度大约为0.6d，与一般燃烧器的黑火头长度基本相当，由此可以粗略地看出回流区在煤粉点火及火焰稳定中所起的作用;回流量的最大体积流量约为一次风量的4.5%左右，一般来说回流量的大小是煤粉燃烧器设计中需要重点考虑的参数，尤其是用于燃烧劣质煤的煤粉燃烧器该点更为重要，回流量太小，影响燃烧的稳定性，回流量太大，易于烧坏喷嘴及产生不必要的动压损失，甚至根本不能用。

    分析新型的大推力喷煤管，它具有适应劣质煤的明显特征：采用了环形通道射流，其射流厚度明显增加，火焰刚度增加，使火焰的热流分布和熟料煅烧要求达到较好的匹配，有利于提高熟料的产量和质量；全部的一次净风作为燃烧器外套管冷却风量使之得到充分冷却，减缓了因过热变形导致浇注料应力增加速度，减缓了损坏的速度；采用了可调式旋流器；取消了传统燃烧器旋流风和直流风调节阀，不改变一次风量的同时，可调节旋流强度和出口动量，降低一次风用量，可明显节约一次风机电耗；由于增加了环形射流厚度，新型双通道燃烧器可延缓煤粉和二次风混合速率，降低火焰峰值温度和调节了火焰高温中心的位置，有效地延长烧成带耐火砖寿命。

    劣质煤的燃烧是水泥工业一个长期研究的课题。其中低挥发分煤由于其挥发分少，着火点高，燃烬时间长，给燃用劣质煤造成了很大的困难。在使用低挥发分劣质煤燃料时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发分燃料一般具有较高的着火点，挥发分燃烧所产生的热量不足以使炭粒加热到着火温度而使燃烧持续进行。确保低挥发分煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量，使下游炽热的燃烧产物回流到火焰根部以提高该处一次风和煤粉温度。

    4采用富氧燃烧
   
    和传统的燃烧相比，富氧燃烧由于氧浓度的提高，燃烧特性有了很大改变，主要体现在以下几个方面。1.降低着火热和着火温度，有利于燃料的点燃，为煤粉富氧直接点火创造了条件;2.加快燃烧速率，提高燃烧温度场，促进燃料燃烧完全;3.降低过量空气系数，减少烟气排放量和排烟损失;4.提高炉膛温度，强化炉内传热;5.改进燃烧，特别是对低发热值的燃料。
   
    富氧燃烧作为一种新型的燃烧方式己经越来越受到人们的重视。对于煤粉燃烧，采用富氧燃烧方式有提高能源利用率:采用富氧气体作为氧化剂，可以减小过量空气系数，即氧化剂的体积，降低烟气排放量，减少了排烟损失;另一方面使得烟气中的二氧化碳体积分数提高，从而给二氧化碳的分离创造了一定条件，提取出来的二氧化碳还可以作为一种副产品使用，提高了经济性。如果采用纯氧燃烧，就可以实现二氧化碳的零排放。强化窑内传热:随着氧浓度的提高，直接的影响就是窑内温度场的提高，使燃烧变的更加稳定，为燃烧低质创造有利条件。

    5.结论
　　
    采用劣质煤煅烧水泥熟料，设计中，要充分考虑到劣质煤的燃烧特性，选用合适的煤磨、篦冷机、预热分解系统、风机等相关设备，通过加强管理和优化操作，采用劣质煤，可以煅烧出优质、高产的水泥熟料。劣质煤煅烧水泥熟料,可充分利用当地的燃料资源，降低水泥厂生产成本，具有广阔的应用前景。现在，国内普遍使用的旋流式四风道煤粉燃烧器，在燃烧低热值煤时燃烧器的推动力就显得不足，拉长了火焰长度，降低了火焰集中程度，从而造成烧成带温度偏低，同时由于劣质煤的燃烧速度缓慢，碳粒只有在高温状态下才能提高燃烧速率，因此提高二次风对煤粉燃烧的推动作用十分重要，增加回流区的数量和强度，使高温的二次风能在最短时间内烘干点燃低热值煤是解决低热值煤预分解窑内应用的重要措施。因采用大推力喷煤管是水泥厂应用劣质煤的基础。

    如今，水泥厂竟争越来越激烈，为了降低水泥成本，越来越多的水泥厂希望使用劣质煤煅烧水泥熟料。本文针对劣质煤的特点及其对干法水泥厂回转窑煅烧的影响，介绍了煅烧劣质煤是在新型干法水泥厂的应对措施，阐述了劣质煤煅烧水泥熟料，不仅可以大幅降低水泥生产成本，更具有广阔的应用前景。