高揮發分、低熱值燃煤在預分解窯的應用

陳東明，鄭金召，王偉，劉鵬飛，李云飛

高揮發分、低熱值燃煤在預分解窯的應用

Application of High-Volatile and Low-Calorific Coal in Precalcining Kiln

Application of High-Vo

陳東明1，鄭金召1，王偉1，劉鵬飛2，李云飛2

內蒙古阿榮旗蒙西水泥有限公司1號窯在長期生產中，使用揮發分高于30%（經常接近35%）、熱值低于18392～20064kJ/kg、性能接近褐煤的煙煤，煅燒出較好質量的熟料。本文以此為例，對燃煤及生產實踐作一較詳盡的分析。

1 煤的性能

1.1 揮發性

煤在隔絕空氣的條件下加熱分解出的可燃氣體物質稱為揮發分，其主要成分為氫氣、碳氫化合物、一氧化碳及少量的硫化氫等。在相同的熱值下，煤中揮發分越高，其燃點溫度越低、火焰越長、越易燃燒完全。揮發分含量大的煤容易著火燃燒，燃燒過程中揮發分析出后的焦碳空隙率增大，與空氣接觸面積相應增大，使這種煤易于燃燼。揮發分含量過高，容易在燃燒時造成缺氧狀況下燃燒，所分解的大量碳粒子難于生成CO2，而使煙氣呈還原狀況。

在正常燃燒情況下，煤的揮發分越高，燃點溫度越低（圖1）。

揮發分的另一特點是：煤的揮發分越高，則爆炸的危險性越高，據資料報道[1]，揮發分＞35%的高揮發煙煤較＜25%的低揮發煙煤的爆炸的危險性高得多，在設計、生產操作中，尤應注意。

1.2 水分

燃煤中有兩種水，一種是附著水（物理水），另一種是結晶水（化學水），附著水在粉磨過程中能夠烘干，而結晶水隨煤粉入窯。煤粉的水分多，燃燒時放出的有效熱量便減少，相應降低燃燒溫度。燃料在燃燒時，水分吸熱變成水蒸氣并隨煙氣排至大氣，不利于生產。

1.3 灰分

燃煤中的灰分不但不能燃燒，而且降低燃料的發熱量，阻礙可燃物質與氧的接觸，增加燃料著火和燃燒的困難，相應增大燃燒損失；燃料中灰分增加，則降低火焰溫度。

燃煤灰分增多，則燃燒溫度下降，且完全燃燒困難些。要求有較高的預熱空氣溫度及其他改善著火條件的措施，才能使灰分高的燃煤燃盡。在燃燒過程中，灰分沉降在窯料內，改變窯料成分及熔融溫度，尤其是堿硫成分含量較高的燃煤，生產中應予注意。

1.4 熱值

圖1 揮發分含量和燃點的關系

燃煤的熱值越低，所需燃燒的空氣量越多，產生的廢氣量也多，以窯熱耗為3010kJ/kg熟料為基準，計算結果大致是熱值為18810kJ/kg的燃煤，較熱值為22990kJ/kg的燃煤每公斤熟料所需的空氣量多0.0145m3（標），所產生的廢氣量多0.0580m3（標）。這意味著熱值越低，產生的廢氣量越多，熱損失也越大，不利于生產熟料的產量，在一定程度上影響熟料質量。

2 回轉窯內燃煤的燃燒特性

2.1 煤粉細度

煤粉細度越細，則燃燒表面積越大，燃點的溫度越低。如果燃煤的揮發分較高，則有利于煤粉燃燒，入窯煤粉的篩余可提高，細度可放粗。

E.SLeinbis提出篩余與揮發物含量的關系如圖2所示[2]。從圖來看，揮發分含量與篩余值關系大致為：0.09mm篩篩余值約為其揮發分值的0.5至0.8倍。

近年來，我國燃煤中的煤矸石等成分較多，細度可按圖2曲線適當降低些，大致為細度≤揮發分。

2.2 揮發分與燃燒溫度的關系

G.Soidel著文稱[3]：揮發分高且熱值低的褐煤在窯內的燃燒溫度低于揮發分低且熱值高的煙煤，其窯內出現的高溫部位也靠后（圖3、表1）。從圖上看，揮發分較高的褐煤，在同一細度下，和揮發分較低的煙煤相比，在窯內最大熱流位置偏后，同一種煤，顆粒愈粗，其最大熱流位置愈偏后。

2.3 火焰溫度

理論火焰溫度（或燃燒溫度）即燃燒時所獲得的熱量完全用來加熱燃燒中形成的煙氣，并不考慮H2O在高溫下的分解和燃燒速度等影響，理論燃燒溫度可用下式計算[4]：

表1 煙煤、褐煤的灰分、揮發分及熱值

式中：tyrR——理論燃燒溫度，℃

QyrR——熟料窯內燃燒熱量，kJ/kg

Qyrh——離窯熟料帶走熱量，kJ/kg

ηL——冷卻機熱回收效率（以小數表示）

VfQ——燃燒中每放出1000kJ熱量時，產生燃氣量，m3/103kJ

VxQ——燃燒中每放出1000kJ熱量時需要空氣量，m3/103kJ

α——窯燃燒時空氣過剩系數CP——煙氣定壓比熱

設定：VfQ=0.279m3/103kJ，VkQ=0.267m3/103kJ

上式可簡化為：

從式（2）可以看出，在一定燃料質量范圍內，理論燃燒溫度不僅與二次空氣回收的熟料離窯帶走熱有關，且與窯內燃燒產生熱量和熟料回收熱之間的熱量和燃燒煙氣生成量成正比，多燃燒煤相應多產生煙氣。因而單位煙氣的熱焓量基本不變，在正常燃燒條件下的理論燃燒溫度也不會有很大變化。

但熟料回收熱的增加并不增加煙氣量，因此，它就成了提高燃燒溫度的主要熱源。在水泥回轉窯內，燒成熱耗越低，熟料熱回收熱量占燃燒生成熱量的比例就越大，相應的理論燃燒溫度將越高。

預分解窯內燃燒40%燃料量，其窯內燃料燃燒熱為1271.33kJ/kg，熟料回收熱為627.3kJ/kg，使總熱量達到1898.6kJ/kg，相當于燃料燃燒熱量的0.493，每公斤熟料產生的煙氣量僅0.355m3，單位煙氣量的熱焓量為5347kJ/m3。此值和熱耗5852kJ/kg的濕法窯相比，同一熱值的煤粉所產生的理論燃燒溫度高約1.229倍。

上述情況說明，理論燃燒溫度與熟料生產方式有關，更與入窯的二次空氣溫度有關。水泥熟料生產中預分解窯二次空氣溫度最高，火焰溫度可以說是在二次空氣溫度基礎上升溫的，二次空氣溫度越高，火焰溫度越高。

理論燃燒溫度表達了火焰溫度可能達到的極限值，理論燃燒溫度越高，火焰溫度也越高。作為揮發分高的煙煤，只有盡量提高入窯的二次空氣溫度，才能有利于提高火焰溫度。雖然高揮發分、低熱值煤燃燒增加了煙氣量，降低了火焰溫度，經核算后入窯煤粉的熱值在18810～20064kJ/kg時，且所含結晶水一般＜4%，在生料易燒性合適時，有可能燒出合適的熟料。

3 燃煤性能

從投產初期5個月進廠的110批（平均每周進廠約二十批次）的原煤性能檢測情況見表2。投產初期燃煤月平均值見表3。

從進廠原煤工業分析來看，原煤水分最高達29.90%，平均19.57%，而原煤中的結晶水Mad平均達到4.35%，Aad平均21.89%，Vad平均31.39%，Qnet,ad最高為 22855kJ/kg，最低為 13464kJ/kg，平均為 19002kJ/kg。上述數據表明，工廠使用的原煤具有水分高、結晶水高、灰分高、揮發分高、熱值低等特點，屬質次的煙煤，尤其是結晶水高，易出現爆燃。揮發分高則燃點低，燃燒溫度低。灰分高，不利于燃燒溫度的提高，燃燒的穩定性差。熱值低，則煙氣量增大，相應增大煙氣熱損失，此類煤對煅燒水泥不利，在一定程度上影響熟料的產質量。

4 燃煤燃燒注意事項

水泥熟料煅燒是一項系統工程，涉及到原燃料性能、工藝裝備性能及生產操作控制狀況，而高水分、高灰分、高揮發分、低熱值的燃煤，由于其燃燒溫度偏低且產生的煙氣量偏高，煙氣內所含的熱值偏低，不利于熟料煅燒，影響產質量。若需燃燒高揮發分、低熱值質次的燃煤，不能孤立地看待，而需從原燃料性能、工藝裝備及生產操作等各方面系統來解決，使之能夠煅燒出合格的熟料。

4.1 燃料

做好進廠原煤的均化，盡可能使入窯煤粉的熱值、揮發分、灰分、水分、細度保持均勻，避免因燃煤性能波動影響熟料生產。

在煤粉制備過程中，盡可能將水分（物理水）烘干，減少含水入窯煤粉因水分蒸發降低燃燒溫度。

控制煤粉細度，一方面考慮高揮發分燃煤易燃的特點，另一方面還需考慮燃煤內結晶水（化學水）在烘干時，易造成炭顆粒疏松引起快速燃燒形成局部缺氧的還原燃燒，導致窯內煙氣局部還原狀況，引起硫酸鹽分解，在窯尾形成低融熔結皮物，影響熟料質量及損壞耐火襯料等。

4.2 原料

盡可能選用易燒性較好的石灰石質和硅質原料。改善入窯生料的易燒性，在熟料強度等合適的前提下，適當降低石灰飽和系數、硅酸率的率值，在粉磨裝備產能允許的前提下，合理地降低SiO2、CaCO3等礦物的細度。

表2 進廠原煤工業分析

表3 投產初期和窯原煤月平均分析

做好原料的均化，避免生料率值波動造成高的熟料煅燒溫度而燃料熱值低、灰分揮發分低，燃燒時產生的低燃燒溫度出現欠燒的狀況。

4.3 裝備

選用高性能的篦冷機，提高入窯的二次空氣溫度，相應提高窯內燃煤的燃燒溫度。

選用高沖力的燃燒器，在燃燒過程中，盡可能多卷吸二次空氣量，減少一次空氣用量，以提高煤粉的燃燒溫度。

盡量減少燒成工藝裝備系統的漏風量，避免漏風降低火焰和煙氣溫度。

4.4 操作

盡量控制低氧含量，避免窯內煙氣出現還原氣氛，避免硫酸鹽分解產生的SO2在窯尾形成低熔融物結皮、結圈及預熱器系統堵塞、坍料等事故。

合理控制游離氧化鈣，在熟料煅燒合格的前提下，適當提高fCaO數值，相應降低熟料煅燒溫度。

5 生產實踐

5.1 煤粉制備

生產過程中，由于原煤的批次變化，帶來較大的性能變化，通過均化盡可能保持性能均勻，在投產的前六個月內，月平均灰分控制在21%±4%，揮發分控制在30.61%～32.28%，熱值控制在18392～19855kJ/kg煤。與此同時，盡可能烘干原煤的附著水，保持低水分煤粉入窯，同時控制煤粉細度，保持篩余低于15%。

5.2 原料選擇

投產初期，采用SiO2含量高達93.84%的硅石，此類硅石不易磨，且不易燒，以至于出現生料篩余高達18.10%。為盡量降低游離氧化鈣，生產中fCaO控制在＜0.60%，但熟料中C3S含量僅為45.19%，C2S高達36.03%，28d強度僅為52MPa。在生產過程中，雖然盡量將生料磨細，在熟料煅燒中適當地提高fCaO的數值，但熟料強度僅提高至～53MPa。為改善生料易燒性，將硅石改為SiO2含量66%～69%的硅砂，此類硅砂易磨且易燒性較好，生料細度也易控制，篩余控制在10%以內。雖然所含堿含量超過1%，在一定程度上影響熟料強度，但所生產的熟料中，C3S含量增至54%以上，C2S降至24%以下，熟料強度逐步提高至55MPa以上（表4）。

表4 熟料化學成分、礦物組成、率值及強度

表5 近期水泥熟料礦物組成、率值及強度

5.3 生產控制

在生產中不僅要做好原燃料的均化控制工作，而且做好入窯生產中的KH、SM、AM及出磨生料的水分、細度合格率以及合理提高fCaO的含量等有關參數。同時操作好篦冷機，提高入窯的二次空氣溫度（儀表控制在1100℃以上）以及控制好燃燒器的操作，形成局部峰值溫度，以保持較為合格的熟料產品。表4為投產前半年的熟料化學成分、礦物組成及強度。最高月平均熟料強度可達55.6MPa，熟料產量雖有影響，但仍保持在5200～5300t/d。上述情況充分表明，只要做好原燃料的均化工作，即使入窯煤粉熱值在18392kJ/kg時，仍能生產合格的熟料。

在半年生產的基礎上，進一步做好入窯喂料量、燃料成分、燃料喂入量和設備運轉率的穩定，同時做好風、煤、料和窯速的合理匹配，以保持窯系統熱工制度的穩定。

合理優化和調整篦冷機和燃燒的操作，保持穩定高溫的入窯和入爐二次和三次風量，針對原燃料的變化，對窯料和窯況及熱工設備進行合理動態調整，以保持適合的火焰形狀和位置，以達到熱工制度的穩定。

加強預熱器、分解爐的控制，穩定入窯物料的高分解率。上述措施十分有利于熟料產量和質量的提高，從近期的熟料產品強度來看，經常出現28d強度超過57MPa(見表5)。

[1]Philip Alsop PHD,The Cement Plant Opera?tions Handbook(4thEdition,2005.1),P124.

[2]E.Sleinbis,Multi-Jet Burner For The Special Requirement Of Pulverized Coal Firing,ZKG,1982.5,P250-253.

[3]G.Seidel,Influence Of The Fineness Of Coal And Liquate On The Flame Formation In Rotary Kilns,V.D.Z Congress 1993,P443.

[4]胡宏泰，朱祖培，陸純煊主編.水泥制造和應用[M].山東科學技術出版社，P216.

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沈 穎