南方水泥低熱值煤在生產(chǎn)中的應用

  摘要：低熱值、劣質(zhì)燃料在水泥生產(chǎn)中的使用會產(chǎn)生熟料煅燒困難、窯系統(tǒng)運行不穩(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)相關實踐，在技術改造、設備選用、工藝參數(shù)調(diào)整、過程控制等方面進行了探討，提出了相應方法。

  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，而且直接關系到水泥生產(chǎn)成本的高低。當前水泥產(chǎn)能快速發(fā)展，能源緊缺問題日益突出，煤炭價格逐年上漲，充分利用新型干法分解窯爐技術利用低熱值、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、燃點高、燃燒速度慢等特點，在水泥生產(chǎn)中的使用會產(chǎn)生熟料煅燒困難、窯系統(tǒng)運行不穩(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)南方水泥的相關實踐，在技術改造、設備選用、工藝參數(shù)調(diào)整、過程控制等方面進行探討，提出如下具體方法。

  2 采用風掃磨進行粉磨，降低煤粉細度

  煤粉的燃盡時間正比于顆粒直徑的二次方，煤粉燃燒時，煤粉細度越小，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，燃燒也就更容易。在使用低熱值和劣質(zhì)煤時，降低煤粉細度尤為關鍵（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，若采用立輥磨進行粉磨，吐渣現(xiàn)象嚴重，很難達到所需細度，而采用風掃磨（管磨）則能保證細度達到要求。選用風掃磨時要充分考慮煤磨的能力，現(xiàn)代化大型風掃煤磨由于系統(tǒng)簡單，技術可靠，運轉(zhuǎn)率高，配合高效選粉機調(diào)節(jié)靈活方便等優(yōu)點被普遍采用，而且規(guī)格日趨大型化，此也是針對粉磨低熱值劣質(zhì)及無煙煤的要求。風掃煤磨系統(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、三次風溫，保證煤粉燃燒起火溫度

  煤粉燃燒時，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的二、三次風提供，而二、三次風溫的高低直接影響煤粉燃燒的速度和燃燼率。決定二、三次風溫高低的關鍵是篦冷機冷卻的熱交換效率，重視篦冷機的操作，增加篦冷機熱端料層厚度，控制各段篦下壓力，保證篦冷機風機風門開度合理，加風先加高溫段風量，后加低溫段風量（減風則相反），在降低出篦冷機熟料溫度的同時提高二、三次風溫。一般要求出篦冷機的二次風溫在1100～1200℃，三次風溫≥950℃較為合理。篦冷機的技改一定要和窯爐系統(tǒng)結合起來考慮。目前新型步進式模塊化篦床加中置輥式破碎機的篦冷機系統(tǒng)，較好地解決了二、三次風溫的問題。

  4 熱分解系統(tǒng)改造，保證煤粉和物料停留時間

  低熱值和劣質(zhì)煤易燃性差，燃燒和燃盡需用時間比正常煙煤要長，控制不當容易出現(xiàn)煤粉在分解爐內(nèi)燃燒不盡，部分煤粉到五級筒內(nèi)再燃燒的現(xiàn)象，導致五級筒和分解爐溫度倒掛，分解爐縮口和C4筒下料閥的結皮積料和塌料現(xiàn)象，直接影響預熱器系統(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)停留時間只有不到3秒），因此，要對預熱器分解系統(tǒng)進行必要改造。

  系統(tǒng)改造措施有：窯尾各級下料管撒料裝置改造，提高窯尾預熱器的換熱效率，降低C1筒的出口溫度。下料管也需做相應調(diào)整，并對C4筒入爐物料分料進行必要改造。通過延伸分解爐上升管道或分解爐擴徑，增加分解爐有效容積，調(diào)整分解爐煤粉燃燒器位置（下移），達到提高分解爐的氣體停留時間（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)漏風致冷風摻入，首先造成預熱器系統(tǒng)溫度、風速和分離效率降低，總用風量加大，被迫采取提高高溫風機轉(zhuǎn)速來滿足窯內(nèi)正常煅燒，從而使高溫風機負荷增大、電耗增加；其次是減少了由篦冷機進入窯內(nèi)的二次風量；篦冷機的漏風則降低了二、三次風溫，使窯頭煤粉不完全燃燒或火焰變長，造成窯內(nèi)結圈、結蛋，篦冷機堆“雪人”等。

  系統(tǒng)漏風點除窯門罩、窯頭、窯尾密封及篦冷機檢查門、檢修門外，還有預熱器各級下料翻板閥的內(nèi)漏風及各級檢修門、孔等部位。

  使用低熱值煤時，必須保證風煤混合充分，窯尾的O2含量要控制適當偏高，C1筒出口的O2含量較使用正常煙煤時高1%，約在5～6%，保證氧化氣氛，減少或避免還原氣氛對熟料煅燒及產(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，防止結皮產(chǎn)生。C5出口溫度控制在＜900℃，比使用煙煤時高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：一種是煤風，用于煤粉輸送；另一種是凈風，用于控制調(diào)節(jié)火焰形狀和強度，為煤粉燃燒提供足夠的動量或推力。凈風按照在煤風的外面和內(nèi)部又可以分為內(nèi)風和外風。煤鳳和凈風風之和稱為一次風。

  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，保證風煤混合均勻，燃燒完全，減少CO生成，降低一次風量，最關鍵是能方便地調(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)軸流風和內(nèi)旋流風二者的風速和風壓調(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)速度和擴散的角度，便于根據(jù)煤質(zhì)的變化情況對火焰的長度和形狀進行無級調(diào)整，得到需要的火焰形狀，調(diào)節(jié)可以利用內(nèi)軸流風和內(nèi)旋流風的閥門大小改變風壓進行調(diào)整，也可以通過改變內(nèi)軸流風的開度大小和內(nèi)旋流風的縫隙大小來改變風速調(diào)整，火焰形狀大小可以在煤質(zhì)變化時保持窯內(nèi)煅燒需要的形狀。同時還可以對外軸流風的風量和風壓進行調(diào)整來保證火焰形狀符合要求。

  所以要適應低熱值和劣質(zhì)煤燃燒應該采用低一次風量大推力的新型窯頭燃燒器，更換窯頭一次風機，提高一次風機風壓。一次風率（煤風＋凈風）以小于7%為宜，其中煤風約占30%，凈風約占70%。

  6  加強過程控制與操作

  要保證低熱值煤的正常使用，加強過程控制與操作很有必要，應從如下幾點著手改進：

  （1）加強原煤的均化，低熱值和劣質(zhì)煤普遍存在礦點多，來源雜等情況，為此，減少煤質(zhì)波動顯得尤為重要，水泥企業(yè)應采用煤預均化堆場。

  （2）調(diào)整窯頭、分解爐（即頭、尾）煤的比例，適當提高頭煤用量和適當減少尾煤用量，在穩(wěn)定控制煤粉細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)

  當二次風溫達到1100℃以上及低熱值和劣質(zhì)煤煤粉的細度很細時，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，此時燃燒器內(nèi)旋流風適當變小，強化外軸流風，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，以防止煤粉過細存在爆燃情況而造成窯前3～7米處溫度偏高，導致主窯皮不穩(wěn)定和損壞耐火磚。

  （4）生料控制和配料方案

  煤料對口是熟料煅燒的基礎，在使用低熱值和劣質(zhì)煤時，生料細度要適當降低，主要控制0.2mm篩余＜1%，同時熟料三率值控制在：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。石灰石最好采用預均化堆場進行均化，以保證生料成分均勻。

  （5）耐火材料的改進

  低熱值和劣質(zhì)煤在燃燒中因細度細，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，因此燒成帶應適當減少鎂磚長度，過渡帶稍長，應選用抗熱震穩(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，標準煤耗、熟料綜合電耗等經(jīng)濟技術指標不甚理想，為降低燒成熱耗，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭能力，經(jīng)前期充分調(diào)研論證，于2012年4月份針對使用低熱值煤對該線燒成系統(tǒng)進行了節(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）分解爐擴容，鵝頸管加長，總?cè)莘e增加 800 立方米；

  （3）篦冷機高溫段增加擋墻，前面四臺充氣梁風機加大，確保穩(wěn)定厚料層，提高二、三次風溫；

  （4）新建了Φ80米石灰石預均化堆場及堆取料機；

  （5）改進原煤堆場堆取料機；

  （6）窯內(nèi)應用新型低導熱磚；

  （7）加強了分解爐的保溫；

  （8）窯頭應用大推力燃燒器；

  （9）優(yōu)化自動化及控制系統(tǒng)；

  改造后系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不但克服了原煤雜、熱值低（小于5000大卡）的不利因素，而且各項技術指標均超過設計指標，實現(xiàn)了百分之百使用低熱值無煙煤；熟料標煤耗由改造前的119kg/t下降到108kg/t以下；熟料28天抗壓強度由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)濟效益。

  8 結束語

  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，降低對優(yōu)質(zhì)煤炭的依賴度，已是水泥工業(yè)必須面對的課題。實踐證明，只要對關鍵環(huán)節(jié)進行合理改造，通過科學控制和規(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)燃料進行熟料煅燒，保證優(yōu)質(zhì)低耗高產(chǎn)。