低值煤煅燒優(yōu)質水泥熟料

1、低值煤煅燒優(yōu)質水泥熟料西南科技大學 齊硯勇 封培然引言水泥回轉窯作為水泥熟料生產的關鍵裝備，其具燃料燃燒、氣固換熱、化學反應、物料輸送等多重功能，然而燃料釋放能量的過程是實現(xiàn)其它功能的基礎。隨著國內能源供應的日益緊張，目前新型干法水泥廠普遍使用的煤炭，價格急速上漲，因此采用劣質煤尤其是低熱值煤生產水泥熟料是降低水泥生產成本的必然趨勢。利用劣質煤（指無煙煤、貧煤及褐煤）代替優(yōu)質煙煤煅燒水泥熟料，雖然可大大降低水泥成本，提高水泥廠的經濟效益，但是劣質煤尤其是低熱值煤的使用，易引起燒成帶溫度低、飛沙料增多，熟料產、質量下降。還可產生灰分沉積及窯內液相量的過早出現(xiàn)，引起窯內結圈，結蛋，磨蝕耐火磚，影響

2、窯內通風和窯的運行，因此開發(fā)適應水泥預分解窯使用低熱值煤的燃燒器是解決水泥窯生產優(yōu)質熟料的重要措施。目前，新型干法生產工藝的煤燃燒器皆為三通道、四通道的噴煤管。筆者認為，不能順利采用低質煤的原因在于噴煤管的參數(shù)設計的不適應與運行參數(shù)不匹配。只要采用針對低品質煤設計的噴煤管，選擇適當?shù)倪\行參數(shù)，低品質煤才能到優(yōu)質煤同樣的效果。新型干法水泥的低質煤主要是指發(fā)熱量低于5000kcal/kg，揮發(fā)分并不很低(20)而灰分高(28)的煤。低揮發(fā)分煤一般是指灰分不高(25)，發(fā)熱量不低(5000 kcalkg)而揮發(fā)分較低，也可列入低質煤中。對于這些劣質煤只有提高其燃燒速率才能保證燒成帶火焰集中，溫度提高

3、，事實上煤粉燃燒速率主要與煤粉中固定碳的燃燒速率有關，在回轉窯的燒成帶，固定碳的燃燒處于擴散燃燒區(qū)，此時燃燒速度不隨燃料性質而改變和溫度的關系也不大，而和氣體流速緊密相連，因此開發(fā)大推力的新型煤粉燃燒器對劣質煤十分有益。1.燃燒器與熟料質量的關系優(yōu)質水泥熟料來源于較高含量的硅酸鹽礦物，而硅酸鹽礦物含量的高低與回轉窯內的溫度場密切相關。水泥回轉窯既是一個燃燒爐，進行燃料燃燒，達到一定的高溫；又是一個反應爐，使生料通過高溫熱處理，完成熟料反應過程，燒成質量良好的水泥熟料。因此，窯內燃料燃燒時，窯內的熱加工條件如火焰的溫度、長度、位置、形狀等，與熟料的微觀結構和性能關系密切，不同窯型煅燒水泥熟料的微

4、觀結構見圖1圖8。由圖可以看出，大窯熟料巖相特點：燒成帶長度及窯內冷卻帶長度長，燒成帶熱力強度集中程度略差，物料通過燒成帶時間長，造成A礦、B礦晶體發(fā)育好，尺寸明顯偏大，A礦晶體中包裹物大而少。但因冷卻區(qū)相應加長，已析晶的A礦容易受液相溶蝕。 圖1 液相分布富裕區(qū)域的A礦，尺寸 圖2液相分布富裕區(qū)域的A礦，尺寸巨大、有一定量地包裹物，明顯的 巨大、外形不完整不規(guī)則的層環(huán)帶構造 圖3多孔區(qū)域分布的小堆B礦及尺寸圖4 多孔區(qū)域分布的小堆B礦及尺寸巨大的A礦晶體浸蝕程度較重 巨大的A礦晶體浸蝕程度較重 圖5 A礦晶體邊緣發(fā)生分解，棱角不完整 圖6 大部分A礦晶體發(fā)生分解1%硝酸酒精浸蝕，反光200X

5、 1%硝酸酒精浸蝕，反光200X 圖7 集中分布的樹葉狀、手指狀B礦 圖8 集中分布的樹葉狀、手指狀B礦小窯燒成帶長度及窯內冷卻帶長度的逐漸減小，燒成帶熱力強度逐漸增加，造成A礦、B礦晶體分布比較均勻，晶體尺寸逐漸減小，且晶體大小均齊，邊界清晰平直，晶體內部有一定量地包裹體，向有利于熟料質量的方向發(fā)展。但若過短，物料在燒成帶停留的時間短而不能充分反應，造成A礦晶體尺寸普遍小于30m且整體形貌較差。 圖1 結晶規(guī)則的短柱狀A礦 圖2結晶規(guī)則的短柱狀A礦 1%硝酸酒精浸蝕，反光200X 1%硝酸酒精浸蝕，反光200X 圖3 A礦晶體不規(guī)則，晶體尺寸普遍 圖4 A礦晶體不規(guī)則，晶體尺寸普遍偏小 偏小

6、因此，只有具有優(yōu)良性能的燃燒器(包括:型式、規(guī)格、設置部位等)，才能保證喂入窯系統(tǒng)的燃料在燃燒空間內與高溫二次空氣迅速混合，及時起火完全燃燒，并按照要求提供充足的熱量，形成一個合理的溫度場及熱工制度，從而使回轉窯系統(tǒng)充分發(fā)揮其應有的功能，實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、長期安全運轉，并滿足環(huán)境保護規(guī)定的要求。 70年代未到90年代初，國外有關廠商相繼研制出了具有自身特色的雙風道、三風道和四風道的煤粉燃燒器，以及兩種以上燃料的五風道煤粉燃燒器，從而使一次風量降到入窯總空氣量的12%-14%(不包括煤粉送風量)，在三通道燃燒器的基礎上PILARD開發(fā)了新一代Poatflam多通道燃燒器，其一次風量進一步下降

7、到5%7%。隨著一次風量的降低，相應提高了二次風量，提高了熱回收效率，降低了燒成熱耗，大大提高了熟料的產質量。水泥窯用噴燃器從單風道發(fā)展為四風道甚至五風道，在提高燃燒性能的同時，也帶來一系列的問題:首先，多股風互相干擾，噴燃器出口阻力過大。其次，在保證低一次風率的同時增加風道，必然要提高風速，目前風速最高己經達到400 m/s，導致射流核心速度衰減過快，火焰剛度不夠。另外，高風速需要0.1-0.2 MPa的高壓風機來提供，噪音很大。再次，多風道導致噴燃器調節(jié)的多組合，操作過于靈活，難以掌握。而且，風道出口縫隙小，加工困難，很難保證同軸度的要求。同時由于多通道燃燒器風速和通道的增加，噴煤管頭部磨

8、損嚴重，中部容易彎曲，而風量的下降造成火焰剛性下降，對尾部高溫度氣體的卷吸能力降低，從而降低劣質煤的燃燒速率。2.使用劣質燃料的分析 劣質燃料目前還沒有嚴格統(tǒng)一的定義，從水泥工業(yè)中燃料利用技術的發(fā)展歷程來看，燃料的品位是一個相對的概念，燃料的品位與燃料本身的特性及其工作環(huán)境密切相關，因此，以燃料的使用效果作為判斷的標準應該是合適的。本文中所謂的劣質燃料，主要是針對新型干法水泥回轉窯而言的。表1 水泥窯用煤的品質要求Ad（%）Vdaf（%）Qnet.ad（KJ/）濕法回轉窯，懸浮預熱器窯、預分解窯<2818-30>20900立波爾窯<2518-30>22990立窯<

9、30<10>2090因此，根據表1中的對燃料品質的要求，結合考慮燃料的使用效果，對于新型干法回轉窯而言，低品位燃料包括以下幾種: (1)低揮發(fā)分燃料，如貧煤、無煙煤、石煤、煤研石、石油焦等。 (2)低發(fā)熱量燃料，如褐煤、石煤、煤矸石、油頁巖等。 (3)高灰分燃料，如石煤、煤矸石、煤泥、油頁巖等。 (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。這些燃料在著火、穩(wěn)燃、燃盡方面存在一系列的技術難題，容易導致水泥熟料品質降低、產量下滑和能耗增加等，通常被認為是不宜在新型干法回轉窯中采用的。因為劣質燃料具有以下特點：(1)著火性能下降。圖1 著火溫度隨升溫速率變化趨

10、勢圖(2)燃燒穩(wěn)定性降低。圖2 穩(wěn)燃指數(shù)隨升溫速率變化趨勢圖(3)燃盡性能圖3 燃盡時間隨升溫速率變化趨勢圖（4）燃燒特性圖4 TG一DTG曲線特征點確定示意圖TG-DTG曲線特征點可以比較直觀地反映煤在某個方面的燃燒特性，但是還不能全面地反映整個著火、燃燒和燃盡過程，因此通過TG-DTG曲線特征點的有機組合，提出了一系列的綜合燃燒特性參數(shù)。(1)可燃性指數(shù) 相大光認為，煤在燃燒反應初期為化學動力學控制，反應速度主要與溫度有關，其燃燒動力學方程可簡化為:式中，d WldT為燃燒反應速度;E為活化能;C為反應常數(shù)。對上式求導并且T=Ti可得:該式左邊第一項考慮了活化能的影響，第二項表示最大燃燒速

11、度與著火時燃燒速度之比，第三項為著火時燃燒速度曲線的斜率，這三項可以表征從著火到劇烈燃燒階段的變化趨勢。因此，可以認為上式右邊項反應了煤燃燒反應前期的反應能力，并將其定義為煤的可燃性指數(shù)。（2）著火穩(wěn)燃特性指數(shù)Rw(3)燃盡特性指數(shù)Cb式中，f1為初始燃盡率，為著火點對應的失重量與煤種可燃質含量的比值，即溫度為Ti時的轉化率，反映了揮發(fā)分、著火特性的影響，值越大，煤的可燃性越好。f2為后期燃盡率，其表達式為0.98-f1，反映了煤中碳的燃盡性能，與含碳量、碳的存在形態(tài)等煤質特性有關，值越大，燃盡性能越好。因此，燃盡特性指數(shù)Cb綜合考慮了煤的著火和燃燒穩(wěn)定性等因素對燃盡的影響，值越大，煤燃盡性能

12、越好。表2為不同煤種著火性能的綜合對比。表2 各種煤的燃燒性能比較煙煤褐煤貧煤無煙煤石煤著火溫度（）446350535570573最大燃燒速率溫度（）528418608650646燃盡時間（min）9.812.98.658.78.85可燃性指數(shù)2.873.971.91.530.64著火穩(wěn)燃指數(shù)2.643.292.262.112.04傅氏通用著火指數(shù)4.916.392.330.420.07初始燃盡率15.7723.5814.4714.126.85后期燃盡率83.8074.4285.3483.9071.1燃盡特性指數(shù)140.71136.01（20/min）333.46（50/min）139.211

13、32.32224.18綜上所述，褐煤的著火和穩(wěn)燃性能在試驗樣品中是最好的，但是后期燃盡性能較差。貧煤的著火、穩(wěn)燃和燃盡性能優(yōu)于無煙煤，但比煙煤差。無煙煤的著火和穩(wěn)燃性能比較差，燃盡也較困難。石煤的著火和穩(wěn)燃性能在樣品中最差，但是從燃盡指數(shù)來看，石煤表現(xiàn)出良好的燃盡性能。劣質煤由于受到燃燒速度的影響，碳粒不能及時燃盡而隨氣流進入回轉窯的溫度，極易造成還原氣氛，從而降低生料的最低共熔點，造成結尾圈。物料中碳粒的存在會形成大量的游離氧化鈣礦巢，從而降低熟料質量。由于固定碳的燃燒速率緩慢，隨著物料向前移動，物料之間極易粘結成大塊，從而造成窯內的結球。因此提高固定碳粒的燃燒是煤粉燃燒器改進的關鍵。3.多

14、通道燃燒器的改進了解多通道燃燒器的流場分布是改進燃燒器的基礎，因此合適的流暢狀態(tài)和升溫速率對劣質煤燃燒速率的提升特別有益1)直流風速度變化對燃燒器流場的影響圖4直流風速度為300m/s時出口5m的速度場 圖5直流風速度為250m/s時出口5m的速度場直流風的速度一般為204-350m/s，當直流風的速度較大時(圖4)，由于其強烈的速差射流作用，使燃燒器的軸線位置形成較大的負壓，造成旋流風與中心風形成的回流區(qū)消失，同時回流區(qū)延軸向延伸。而當直流風速度減小時(圖5)其與旋流風的速度差減小，使燃燒器頭部形成的負壓減小，而此時，由于旋流風與中心風速度差很大，因而形成壓力梯度更大的負壓區(qū)。2)旋流風速度

15、對燃燒器氣相流動的影響圖6旋流風速為160m/s時的速度矢量 圖7旋流風度為200m/s時的速度矢量當旋流風速度增大時，切向速度(動量)與軸向速度(動量)線性增大，因此，此時的旋流強度僅與其切向氣流的旋轉半徑有關。而由于切向速度增加其旋轉半徑增大，因而其旋流強度增大，圖中顯示為回流區(qū)2, 3沿切向外移3)旋流風角度對燃燒器氣相流動的影響圖8旋流角為20°時的速度矢量圖 圖9旋統(tǒng)角為30°時的速度矢量圖當旋流角增大時，其切向速度減小，軸向速度增大，因而旋流強度增大。對比旋流角分別為25°， 30°(圖8、圖9)時的速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn):旋流角增大時，其軸向速

16、度衰減減漫，回流區(qū)1, 2速度梯度減小，且沿軸線前移。因此，在實際的工業(yè)應用中可以通過控制直流風和旋流風來調整回流區(qū)1, 2的形狀和大小，使燃燒帶溫度集中的同時又不形成局部高溫，同時，回流區(qū)1不宜過大，以避免煤粉火焰直接接觸窯壁，有利于窯皮的形成。通過控制中心風和旋流風來調整回流區(qū)3的形狀和大小，以滿足穩(wěn)定生產和劣質煤的燃燒。具體的措施應視具體清況而定，一般清況下，為滿足新型干法水泥生產工藝快燒決冷的要求，應方查當增大旋流風角度，使煤粉燃燒溫度集中，為燃用劣質煤，應在增強旋流風速、旋流角的同時，適當減小中心風速，以增強高溫煙氣的回流，提高煤粉溫度，為滿足穩(wěn)定生產則應控制中心風，以避免燃燒器的高

17、溫損壞，而對于降低NOx的問題，則可采用與劣質煤燃燒的類似手段，增加高溫煙氣的回流，以減小O2的濃度，從而減少NOx的生成量。圖9 卷吸率與軸向風的關系圖9是PYRO-JET燃燒器外風速度為150,200,250,300,350 m/、時卷吸率隨射程變化規(guī)律，結果表明:卷吸率總是隨著外風速度的提高而提高。但是，當外風速度從300 m/ s升高到350 m/ s時，其卷吸率整體變化較小。因此，本文認為該類燃燒器的外風操作速度宜控制在300 m/ s左右時為最佳。圖10 氣體等溫線、CO組分等值線在軸向剖面上的分布圖當燃燒無煙煤時，煤粉自噴煤器噴出后，著火點的位置明顯偏后，黑火頭長度近似是優(yōu)質煙煤

18、的兩倍多(3.3m左右)，而貧煤的著火位置與煙煤比較接近(1.lm左右)。隨著煤質變差，燃燒火焰核心區(qū)域(煙氣溫度高于1800區(qū)域)的軸向長度明顯加人，如無煙煤的燃燒火焰核心區(qū)的軸向長度約為35d，而燃燒煙煤時約為12d，貧煤與煙煤在火焰核心區(qū)內的溫度分布也存在明顯的差異( 20d)。火焰核心區(qū)拉長，表明火焰的熱力強度降低。煤質變差時，煙氣的初始升溫速率較小，如燃燒無煙煤時，煙氣溫度從500660升溫到1750所需窯長約為13d，而煙煤最多不會超過2. 5d;燃燒后期，無煙煤的煙氣溫度變化仍不斷地進行，而煙煤的溫度變化就相對減弱。總之，無煙煤的燃燒過程相對比較平緩。圖11 回流區(qū)域與回流量在煤

19、粉燃燒器出口附近，由于運動的不穩(wěn)定性，使得旋渦的軸線不斷來回波動，回流區(qū)域難于掌握，為了確保測試精度，本實驗采用了流場顯示與熱線檢測相結合的研究方法，即用流場指示邊界，再測定相應的速度值，以測出的負速度及回流區(qū)域積分得回流量，并以理論模擬結果作為參考，其回流區(qū)域和回流量如圖11所示，回流量是回流區(qū)中的回流體積流量與一次風體積流量之比。由圖可見，回流區(qū)的長度大約為0.6d，與一般燃燒器的黑火頭長度基本相當，由此可以粗略地看出回流區(qū)在煤粉點火及火焰穩(wěn)定中所起的作用;回流量的最大體積流量約為一次風量的4.5%左右，一般來說回流量的大小是煤粉燃燒器設計中需要重點考慮的參數(shù)，尤其是用于燃燒劣質煤的煤粉燃

20、燒器該點更為重要，回流量太小，影響燃燒的穩(wěn)定性，回流量太大，易于燒壞噴嘴及產生不必要的動壓損失，甚至根本不能用。圖12 奧地利 雙通道噴煤管圖13 史密斯新型雙調節(jié)伸縮式Duoflex噴煤管分析新型的大推力噴煤管，它具有適應劣質煤的明顯特征：采用了環(huán)形通道射流，其射流厚度明顯增加，火焰剛度增加，使火焰的熱流分布和熟料煅燒要求達到較好的匹配，有利于提高熟料的產量和質量；全部的一次凈風作為燃燒器外套管冷卻風量使之得到充分冷卻，減緩了因過熱變形導致澆注料應力增加速度，減緩了損壞的速度；采用了可調式旋流器；取消了傳統(tǒng)燃燒器旋流風和直流風調節(jié)閥，不改變一次風量的同時，可調節(jié)旋流強度和出口動量，降低一次風

21、用量，可明顯節(jié)約一次風機電耗；由于增加了環(huán)形射流厚度，新型雙通道燃燒器可延緩煤粉和二次風混合速率，降低火焰峰值溫度和調節(jié)了火焰高溫中心的位置，有效地延長燒成帶耐火磚壽命。劣質煤的燃燒是水泥工業(yè)一個長期研究的課題。其中低揮發(fā)分煤由于其揮發(fā)分少，著火點高，燃燼時間長，給燃用劣質煤造成了很大的困難。在使用低揮發(fā)分劣質煤燃料時，火焰的氣體流場是非常重要的，因為低揮發(fā)分燃料一般具有較高的著火點，揮發(fā)分燃燒所產生的熱量不足以使炭粒加熱到著火溫度而使燃燒持續(xù)進行。確保低揮發(fā)分煤持續(xù)點燃的最簡便方法是增加火焰內循環(huán)量，使下游熾熱的燃燒產物回流到火焰根部以提高該處一次風和煤粉溫度。4采用富氧燃燒富氧燃燒器作為一

22、種新型燃燒器，其結構具有特殊性。相對于其他燃燒器而言，設置了局部富氧通道，夾心風噴口以及內縮程度不同的十字鈍體。富氧噴嘴除了需要在常規(guī)狀態(tài)下具有良好的性能之外，還需要在非常規(guī)工況，即煤粉富氧直接點火工況下具有良好的穩(wěn)壓穩(wěn)燃性能。因此，對富氧噴嘴進行冷態(tài)空氣動力場試驗，并結合數(shù)值計算，研究在不同工況下的空氣動力場的規(guī)律具有重要意義。富氧燃燒器的流場中出口附近的回流區(qū)形狀與理論情形基本一致，回流區(qū)縱向寬度經歷了一個從小到大再到小的過程，最寬處達到了150mm左右，回流區(qū)軸向長度約為350mm左右，這與一次風全開工況的情形基本一致?；亓鲄^(qū)內軸向中心線的軸向速度變化趨勢。從上述兩圖可以看出，零速度邊界

23、和軸向中心線速度變化曲線趨勢基本一致，并且符合一般的回流區(qū)形狀以及回流區(qū)內速度場的基本規(guī)律。隨著一次風開度的加大，回流區(qū)的形狀和軸向長度基本沒有發(fā)生變化，但回流區(qū)內負向速度有所增大，從而導致回流量增大，有利于卷吸高溫煙氣，穩(wěn)定燃燒。從開度為50%和100%的空氣動力場試驗數(shù)據，結合對多工況的數(shù)值計算結果，能夠表明在不同開度下在噴嘴出口形成的空氣動力場結構基本一致，動力場結構良好，噴嘴結構合理，具有良好的穩(wěn)燃效果?；谶@點，在進行煤粉富氧直接點火時，可以適應多種一次風量的工況下進行試驗;在實際熱態(tài)運行時，由于噴嘴具有良好的穩(wěn)燃能力，因此可以在多工況特別是在低負荷條件下穩(wěn)定煤粉燃燒。 煤粉富氧直接

24、點火時噴嘴必須具備良好的回流區(qū)，以卷吸高溫煙氣穩(wěn)定煤粉氣流著火。但在正常熱態(tài)運行時，則需要開啟夾心風以防止燒壞噴口，因此設置夾心風的主要作用即破壞噴嘴回流區(qū)，延遲煤粉氣流著火，把鈍體尾部高溫區(qū)域向遠離噴嘴方向推移，從而保護噴口。煤粉富氧燃燒和直接點火的意義總體上表現(xiàn)為節(jié)能和環(huán)保兩個方面。和傳統(tǒng)的燃燒相比，富氧燃燒由于氧濃度的提高，燃燒特性有了很大改變，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。1.降低著火熱和著火溫度，有利于燃料的點燃，為煤粉富氧直接點火創(chuàng)造了條件;2.加快燃燒速率，提高燃燒溫度場，促進燃料燃燒完全;3.降低過量空氣系數(shù)，減少煙氣排放量和排煙損失;4.提高爐膛溫度，強化爐內傳熱;5.改進燃燒，特別是對低發(fā)熱值的燃料。 富氧燃燒作為一種新型的燃燒方式己經越來越受到人們的重視。對于煤粉燃燒，采用富氧燃燒方式有提高能源利用率:采用富氧氣體作為氧化劑，可以減小過量空氣系數(shù)，即氧化劑的體積，一般來講，在空氣條件下燃燒需要20%的過量空氣。而純氧燃燒則只需