水泥窯旁路放風技術的研究

李國強，韓濤，肖衍黨，杜俊昭

水泥窯旁路放風技術的研究

李國強，韓濤，肖衍黨，杜俊昭

介紹了水泥生產過程中鉀、鈉、氯、硫等揮發性物質的循環機理和結皮堵塞現象形成的機理,闡述了解決結皮堵塞現象的旁路放風技術及其在水泥生產過程中應注意的幾個問題,同時針對旁路放風廢氣提出了新的利用途徑。

旁路放風技術；揮發性物質；結皮堵塞

1 前言

隨著水泥工業的快速發展，水泥生產所必需的原料、燃料資源也日趨緊張，因而在水泥生產過程中使用一些含鉀、鈉、氯、硫揮發性物質的原料、燃料成為一種趨勢，尤其是在國外，例如：在日本，工業和生活垃圾已經有三十余年的歷史并已廣泛使用，在條件適宜的水泥窯，每噸水泥的垃圾處理量也已達到200～300kg[1]；在德國海德堡麾下的某水泥廠到2003年利用二次燃料量約8萬噸（占總量的48%），其中塑料占90%，還有10%左右的廢輪胎。但原料、燃料中的鉀、鈉、氯、硫含量較高會給水泥生產線系統的穩定運行帶來嚴重后果，主要表現在：

（1）在窯尾煙室、下料斜坡、縮口及最下一級旋風筒的錐體等部位容易發生結皮堵塞現象，嚴重時會影響到燒成系統的穩定和正常運行。

（2）影響水泥的質量。熟料中堿含量過高，會導致在混凝土中發生膨脹性的堿骨料反應。美國ASTM標準規定的低堿水泥熟料中鈉含量不超過0.6%已普遍被世界接受，對于普通水泥，目前并無最大含堿量的規定。但根據我國生產經驗，熟料中含堿量超過1.3%時，對熟料質量就會有不良影響[2]。

（3）水泥熟料中氯含量較高會腐蝕混凝土中的鋼筋，影響其結構強度。因此采用旁路放風系統（即在窯尾和預熱器之間增設旁路放風裝置，以減少揮發性組分的循環和富集）是解決原料、燃料中鉀、鈉、氯、硫揮發性物質排出的有效措施，可保證水泥生產線系統的穩定運行和水泥熟料的質量。

2 揮發性物質的循環機理

揮發性物質主要包括硫、氯和堿（主要是鉀和鈉），其主要循環機理如下。

2.1 硫的循環機理

硫在水泥原料中主要以硫酸鹽或硫化物的形式存在，在燃料中以硫化物或有機硫存在。一般認為在氧化氣氛中硫酸鈣的分解始于750℃～1100℃，結束于1450℃。當有碳存在時，硫酸鈣于900℃～1000℃就和碳發生反應，并產生SO2進入窯氣中；硫化物的氧化反應始于400℃～600℃，結束于1000℃；有機硫和硫化物的氧化類似，兩個反應產生的SO2均進入窯氣中。同時窯氣中硫和堿蒸氣有非常強的結合能力，它們首先會發生化合反應，同時硫也能與生料中的固態堿化合形成堿金屬硫酸鹽，并凝聚在生料表面，最終都隨生料進入燒成帶。在還原氣氛中硫酸堿會分解，但在氧化氣氛中硫酸堿就比較穩定，進入燒成帶內其揮發率較低，除少量再一次揮發外，大部分隨熟料出窯，因而生料或燃料中的硫對堿循環起到了抑制作用。

2.2 氯的循環機理

氯對堿循環的作用與硫恰恰相反，它能促進堿的循環，進入燒成帶的氯幾乎全部揮發，只有極少部分被熟料帶走，在生料和燃料中揮發出來的氯化物可以與生料中的堿或與已進入窯氣中尚未與硫化合的堿蒸氣形成氯化堿。揮發過程中被帶到窯氣中的氯更易和鉀發生反應生成氯化鉀，一般只有在氯化鉀形成后，過量的氯才能和鈉形成氯化鈉。這種化合物在800℃～900℃時蒸氣壓接近為零，即在該溫度下幾乎全部凝結在生料表面上，造成某些區域或者設備發生結皮、堵塞。氯化堿比其他堿化合物具有更小的蒸氣壓，并且在窯內燒成溫度1450℃以下時就達到沸點，因而它在進入窯內不久又重新揮發出來。因此，當生料中的氯含量超過一定限度時，堿循環急劇增加，導致溫度處于800℃～1000℃區間的預熱器或管道內嚴重結皮，同時氯化堿還能和硫酸堿形成低熔點混合物，粘附在生料表面，降低生料的流動性，有利于結皮的增強。

2.3 堿的循環機理

當原料、燃料中堿與硫、氯化合后仍有剩余時，可以與生料中的Ca?CO3化合形成低溫下熔融的極易揮發的堿金屬碳酸鹽而構成循環，形成結皮，同時這部分過量的堿也可能在燒成溫度下成為熟料液相的組成部分而不再揮發。在熟料冷卻過程中，如果這部分堿不包括在玻璃體中，它就會與熟料礦物發生反應。例如K2O與C2S發生反應形成KC23S12，并產生fCaO；Na2O與C3A化合形成NC3A3，同樣也產生fCaO。前者阻礙C2S充分吸收CaO生成C3S，后者促進鋁酸鹽析晶，加速水泥早期水化和凝結，兩者均造成fCaO的增加。

通過對硫、氯、堿的循環機理的了解，對于硫、氯、堿等有害成分的循環富集所造成的結皮、堵塞及熟料質量下降原因有了進一步認識，為了解決這些問題，國外部分公司對生料中硫、氯、堿允許含量做出規定（如表1所示[3]），超過規定標準就應采取旁路放風措施。但就目前而言，被人們普遍接受的觀點是：生料中總堿量（K2O+Na2O）≤1%，氯含量≤0.015%～0.020%或者硫堿的克分子比＜1.0，當有害成分超過上述限制時就有可能影響窯系統的正常操作，此時就應考慮旁路放風。而由于國內勞動力價格較便宜，生料的含氯量放寬到0.025%～0.035%，當生料含氯量超過0.035%時，從保證水泥生產線正常運轉或者提高設備運轉率的角度出發，才設置旁路放風。

表1 國外部分公司對生料中有害成分含量的規定

3 結皮機理

造成窯尾及預熱器結皮的原因，國內外學者均有一定研究，比較一致的看法是：結皮中硫酸鹽和氯鹽含量較高，而硫酸鉀、硫酸鈣和氯鹽多組系統中，最低熔點為650℃～700℃，因此窯氣中的硫酸堿和氯化堿凝聚時，會以熔態形式沉降下來，并與入窯物料和窯內粉塵一起構成粘聚性物質，在生料顆粒上形成液相物質薄膜，阻礙生料顆粒的流動，從而造成粘結堵塞。

為了掌握結皮的具體成分，中國建筑材料科學研究院曾對8個結皮試樣進行了X射線分析，發現8個試樣中都含有硫酸鹽和以復鹽形式存在的硫酸鹽化合物，而大部分試樣中都含有灰硅鈣石（2C2S·CaCO3）和硫硅鈣石（2C2S·CaSO4）。根據中國水泥發展中心1983年對美國水泥工業的考察，美國波特蘭水泥協會（PCA）亦認為灰硅鈣石是結皮的主要成分。據其鑒定灰硅鈣石的分子式是Ca5(SiO4)2CO3，結構式是2C2S·CaO· CaCO3，并且認為RCl是灰硅鈣石形成的礦石劑。他們還曾將四種成分不同的窯灰加入到生料中進行試驗，其摻和比為：窯灰15%，生料85%，在同樣的條件下進行加熱，結果只有一個樣本有灰硅鈣石形成，該樣本的窯灰氯含量高達6.24%。該實驗也在一定程度上支持了RCl是灰硅鈣石形成的礦石劑[3]。

4 旁路放風系統

4.1 旁路放風流程

就目前國內外狀況，解決水泥生產原料、燃料中鉀、鈉、氯、硫揮發性物質排出的有效措施是旁路技術，而旁路技術又分為三類：（1）旁路放風，這是目前使用最多的技術，也是旁路效果最好的技術；（2）旁路熱生料，即將預熱器入窯的熱生料部分旁路，從而減少揮發性組分的循環和富集，該技術效果也比較明顯，但旁路損失熱能難以利用；（3）旁路窯灰，即將窯尾電收塵器收下的窯灰，不是部分或全部摻入到生料中循環使用，而是將其作為水泥混合材料或其他添加料使用，從而減少揮發性組分的循環和富集。

旁路放風系統工藝流程，一般有四種形式：

（1）帶旋風收塵器及旁路氣體返回主氣流的旁路系統。即旁路氣體從窯尾抽出，摻入冷風后，通過旋風收塵器將含堿粉塵分離，經過收塵后的氣體再從旋風預熱器最上一級旋風筒的進口管道與主氣流會合進入最上一級旋風筒。這種系統比較簡單，但只有在生料中揮發性有害成分含量不高時才會采用。

（2）帶旋風收塵器及單獨用于旁路氣體電收塵器的旁路放風系統。即旁路氣體抽出并摻入冷風后，先經旋風收塵器，再進入電收塵器收集含有揮發性有害成分的粉塵，凈化后的廢氣通過排風機、煙囪排入大氣，如圖1所示。

（3）直接由布袋收塵器收塵的旁路放風系統。即旁路氣體抽出并摻入冷風后，直接進入布袋收塵器收塵，凈化后的廢氣通過排風機、煙囪排入大氣。

（4）直接由電收塵器收塵的旁路放風系統。即旁路氣體抽出并摻入冷風后，經過增濕塔進入電收塵器收塵，凈化后的廢氣通過排風機、煙囪排入大氣。

隨著水泥生產原料、燃料的日益緊張，使用含鉀、鈉、氯、硫揮發性物的原料、燃料業已成為一種趨勢，當揮發性有害成分含量較高，采用第一種旁路放風形式不能滿足水泥質量要求的時候，僅能采用后三種旁路放風形式。而由于煙室溫度一般在850℃～1100℃，若將旁路放風的這部分廢氣經處理后全部排入空氣，就會造成一定余熱資源的浪費，因而可以針對旁路放風廢氣提出新的利用途徑，即第五種旁路放風形式——通過某種設備將這部分余熱資源加以利用。

對于設有單獨三次風管的預分解窯，當采用旁路放風技術時，其原料、燃料的選擇范圍會更廣，放風效果會更好。這是由于分解爐所需要的助燃空氣是從冷卻機直接抽取，入窯物料分解率可以達到90%以上，同時出窯煙氣量比懸浮預熱器窯全部助燃空氣從窯內獲得減少60%～70%，使得單獨設置三次風管的預分解窯的廢氣中揮發性有害成分的濃度更高，對于這種情況采用旁路放風技術是十分有利的。在同樣放風量的情況下，可以排除更多的有害成分或者以較低的能量損失獲得較好的旁路放風效果。

圖1 旁路放風工藝流程

4.2 旁路放風點位置的選擇

選擇旁路放風點位置時，需要考慮以下三點：

（1）抽氣口處廢氣中有害成分濃度應該盡量高，而含塵量濃度應盡量低，否則隨著粉塵量的增加，在要求揮發組分沉降量不變的情況下，沉降的粉塵量增多，會使整個生產線的熱效率降低。

（2）抽氣口要有合適的風速，一般選取10m/s以下，這樣既能保證一定的粉塵表面積供氣態物質凝結之用，又不會帶來過多的粉塵損失。

（3）抽氣口位置應該可以方便地處理結皮堵塞。一般認為旁路放風點的最佳位置是從窯尾上方沿著窯中軸線的上升煙室直接放出窯氣，如圖2所示。

圖2 放風點位置示意圖

據中國水泥發展中心對美國12個水泥廠的考察，其中10個廠設有旁路放風裝置，抽氣口伸入的位置有三種：（1）窯尾下料溜子前段（即靠窯一側）；（2）煙室兩側；（3）煙室后側（即遠離窯的一側）。阿里斯、恰墨及富樂公司設計的抽氣位置大部分是在窯下料溜子前段。他們認為，當放風量在25%以下時，抽氣口位置設在下料溜子前段較好；當放風量較大，如達到40%，由于抽氣管直徑較大，故抽氣口布置在前端有困難，一般可安裝在水泥窯煙室兩側或后側[3]。

4.3 抽氣口處結皮堵塞的防治措施

在放風抽氣口周圍一般會有嚴重的結皮堵塞現象，因此應及時采取措施處理。

（1）對窯和預熱器要精心操作，使生產線各部分的溫度、壓力以及喂料量等參數保持穩定。

（2）在抽氣口周圍設置適量的空氣炮，定期使用高壓空氣對抽氣口的結皮進行處理。

（3）定期對抽氣口進行檢查，當發現有結皮堵塞趨勢時，及時使用高壓水槍對結皮進行處理。

只有做到以上三點才能把結皮堵塞的風險控制到最小，從而保證旁路放風的效果。

4.4 放風量、放風方式的確定

旁路放風量可根據原燃料情況通過計算確定。由于旁路放風裝置需要增加基建投資，同時每1%旁路放風量會使熟料熱耗、料耗和電耗分別增大17～21kJ/kg熟料、1～3kg/t熟料和0.1～0.2kWh/t熟料，故一般放風量不超過25%，當超過25%時其作用也相對降低，因而一般放風量為3%～10%，采用連續放風的方式。

國內資料介紹的旁路放風裝置多采用5%～30%放風量，間歇放風方式，理由是在相同放風量的條件下，間歇放風比連續放風能夠排除更多的揮發成分[2]。但是間歇式放風會對窯系統的穩定運行帶來不利影響，因而為了保證水泥生產線的穩定運行可考慮小風量連續放風的方式。

4.5 收塵設備的清掃

要定期對收塵設備進行吹掃，防止收塵灰粘壁。

5 結語

旁路放風技術在國外已經較為廣泛地使用，特別是在美國，在生產低堿水泥時，往往采用該技術。但在國內對這一技術研究比較少，隨著水泥生產原料、燃料中硫、堿和氯含量的提高，采用旁路放風技術已不可避免。旁路放風技術的出現也給水泥生產線帶來了新的發展方向：（1）拓寬了原料、燃料資源的使用范圍，從而緩解原料、燃料資源日益緊張的趨勢；（2）利用一些低熱值的廢棄物（如生活垃圾、塑料以及廢輪胎等），直接減少了廢棄物的排放，改善了大氣環境。當旁路放風量比較大時，可以通過某種設備將這部分余熱資源充分利用，以減少能源的浪費，具體利用方式以后會重點說明。

[1]張大康.國外某水泥工廠的旁路放風裝置[J].水泥技術,2006,(4):56-59.

[2]彭學平,胡芝娟.水泥窯旁路放風的設置及其效果[J].水泥技術,2001,(6):10.

[3]陳全德.新型干法水泥技術原理與應用[M].北京:中國建材工業出版社,2004:147-148.■

Research of By-pass Techniques in Cement Kiln

LI Guo-qiang,HAN Tao,XIAO Yan-dang,DU Jun-zhao
(Suunpower Co.,Ltd.,Xian Shanxi,710075,China)

This paper briefly introduced the recycling mechanism of vola?tile material potassium,sodium,chlorine and sulfur in cement produc?tion process.Moreover the phenomenon of bulidups jam was discussed; Besides,the paper dicussed the cement by-pass techniques of solving the buildups and a few attentioned problems in production line;It was suggested that a new utilization way was provided for the bypass exhaust gas.

by-pass techniques;volatile material;coating and clogging

TQ172.622.29

A

1001-6171（2012）06-0029-04

思安新能源股份有限公司，陜西西安710075；

2011-03-20；編輯：趙蓮