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雜?？梢院敛豢鋸埖卣f，水泥生產的每個環(huán)節(jié)對熱耗都有影響。簡單列舉有：石灰石晶體結構及品位，粘土質原料中石英含量，生料配料方案，礦化劑及微量因素，生料細度及級配，燃料的性質（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、強度、孔隙率、爆破率和級配，窯體結構（喇叭口角度和高度），保溫層，卸料塔篦類型，風機類型，風量，腰風，立窯看火操作方式等等。
　　降低熱耗的方法可以分為傳統(tǒng)的經驗分析法和我們提出的診斷分析法。
1．1 經驗分析法
　　經驗分析法是指水泥工作者運用多年積累的經驗判斷產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行研究，而沒有把這些因素綜合起來；在水泥生產一線的技術人員對影響熱耗的各種因素雖有自己的認識，但由于經驗、知識的局限性，習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配方方面來降低熱耗，而一個懂設備的副廠長可能會更多地從設備改造方面來著手。
　　顯然，經驗分析法的有效運用需要技術人員知識全面、經驗豐富，否則難以跳出僅從某一個或幾個因素進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
　　科學技術不斷發(fā)展，單單依靠經驗的時代已一去不復返。我們歷經4年，在研究了全國各地水泥廠實際數(shù)據的基礎上，提出了科學診斷法降低熱耗的構想，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行全面的診斷分析，從復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因和外因。內因即易燒性，原料的反應活性、配方、礦化劑及微量因素、生料細度等等的影響，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、化學不完全燃燒和熟料帶走熱的數(shù)據，將這些數(shù)據與全國各地水泥廠同類數(shù)據進行比較，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數(shù)據，并為多家水泥廠提供了診斷服務，均取得了良好效果，現(xiàn)就其中細節(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、細度等。水泥廠一線的技術人員往往陷入迷宮，找不到主要原因。判斷易燒性好壞不要主觀臆斷，應該進行易燒性試驗。如何進行易燒性測試呢？
　　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。立窯水泥廠應根據其生料特點作適當改變。
　　首先，易燒性試驗應該取生料球，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，與生產實際情況發(fā)生偏離，試驗結果會不準確。
　　由于立窯都采取全黑或半黑配煤工藝，生料中含有煤炭，如果直接進行易燒性試驗，生料內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，這就需進行生料比表面積或細度測定、碳酸鈣分解溫度和分解熱測定、結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，實際上已經不是硅酸鹽水泥了，不要說生產中可能出現(xiàn)的種種問題不可預測，其應用性能，如混凝土耐久性、對外加劑的適應性等更令人擔憂。不顧混凝土的性能一味追求水泥低成本，是對社會不負責任的行為。
　　根據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鍵因素。水泥廠配料中應適量提高其中硫、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。
　　另一個錯誤認識，是認為生料越細易燒性越好。從理論上講，生料越細反應性越好，但過細的生料使得磨機產量下降、電耗增加。根據我們的研究對比發(fā)現(xiàn)，生料細度細到一定程度后，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)據對比，就能發(fā)現(xiàn)特定廠哪種熱損失較高，再采取相應措施予以降低。
　　在各種熱損失測定中，化學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，還可能存在風洞，一不小心取樣就沒有代表性，測定出的結果也就沒有價值。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，過淺漏入空氣量大；過深會燒壞取樣裝置。其次，取氣要用專門設備。過去取氣都用雙連球，抽力小，往往漏入空氣。應該用電動、可調抽風裝置；第三，氣體分析也有技術。奧氏氣體分析儀仍然是立窯氣體分析最佳儀器，要經過有經驗的進行培訓后，方可正確使用。具體說來，使用時要準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，順序顛倒結果就不準確，差別會很大；液體瓶升降速度要適當，否則氣壓過大漏氣嚴重，也導致結果不準。
　　窯體保溫不好常常被水泥廠認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，化學不完全燃燒是制約熱耗的主要原因。煤炭完全燃燒轉變?yōu)镃O2，不完全燃燒則轉變?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重，以至于看火工人被熏倒在窯面上這樣事故經常發(fā)生。
　　保證煤炭完全燃燒就能降低CO濃度。首先要砌筑結構合理的窯體，特別要注意喇叭口的形狀。料球在喇叭口內完成干燥、預熱和燒成過程，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。有些立窯廠多次擴徑，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，即使總通風量充足，但料球內部氧氣濃度低，導致料球內的煤炭不能完全燃燒，而表面氧氣過量，燃燒率達到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到的溫度，而燃燒特性則決定了達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，揮發(fā)分越高，煤炭燃燒越快，表現(xiàn)為立窯上火快、產量高，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、產量低，但熟料中水泥礦物結晶完善、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15％的煤炭，由于立窯中氧氣供應量是一定的，煤炭燃燒速度過快，必然導致化學不完全燃燒增加，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，診斷法是科學降低立窯熱耗的新思路。通過科學診斷，可以在復雜的多種因素中準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《國際建材設備》