低值煤煅烧优质水泥熟料

低值煤煅烧优质水泥熟料

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

Qnet.ad（KJ/

Ad（%）Vdaf（%）

㎏）

湿法回转窑，悬浮预热器

<28 18-30 >20900

窑、预分解窑

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