褐煤燒制水泥熟料的生產與試驗

吳秀俊，秦健，張春銀

（云南省建筑材料科學研究設計院有限公司 云南 昆明 650221）

0 引言

全國已探明褐煤保有儲量1 300億t，占煤炭總儲量的13%。新生代第三紀褐煤煤田儲量約占全國褐煤的1/5,主要分布于云南省小龍潭、臨滄、保山、昭通和先鋒等地。云南省煤的保有儲量中，褐煤為157.26億t,占全省煤炭總儲量的65.8%。其主要礦區多已開采，大多用于火電廠鍋爐燃煤。

褐煤是炭化程度較低的煤種，具有高揮發分、高水分和低熱值的特點，所以燃燒時形成的最高溫度較低。水泥廠的燃料以煤為主，褐煤又是云南省和東南亞地區的主產煤，所以多年來褐煤燒制水泥熟料始終是云南省建筑材料科學研究設計院有限公司以下簡稱“云南省建材院”的主要課題之一。

1 褐煤的品質分析

褐煤產地和工業分析詳見表1，褐煤的元素分析、化學成分以及燃燒特性詳見表2～表4。

（1）燃煤的分類主要依據可燃基揮發份（干燥無灰基揮發份Vdaf%），詳見表5。

（2）褐煤的發熱量和煤質特征與成煤時代密切相關，其中以早、中侏羅紀褐煤的發熱量較高，揮發分較低；晚第三紀褐煤的揮發分較高，發熱量較低。由表1的數據可見，云南褐煤成煤年代以新生代第三紀為主，晚于緬甸地產褐煤。

（3） 云南褐煤除先鋒煤礦外，含硫量普遍偏高，小龍潭褐煤灰中SO3更是高達16%左右。

表1 褐煤產地和工業分析

表2 褐煤的元素分析/%

（4） 煤的礦相分析。X衍射分析表明（圖1～圖4）煤的主要組分為碳和有機質，圖譜上沒有明顯的峰值，僅表現為低角度或2θ角20O～30O的隆起；其無機組分為高嶺土、石英、氧化鐵和水云母。小龍潭褐煤還含有一定量的碳酸鈣和硫酸鈣，灼燒后，煤灰中含有無水硫酸鈣和游離石灰。

表3 煤灰的化學成分 /%

表4 煤炭燃燒特性

表5 煤的分類 /%

2 褐煤的燃燒特點

煤是由不同巖相成分組成的具有多種官能團和化學鍵的復雜混合物。氣氛、壓力、燃燒器結構等外部因素和粒徑、巖相、煤階等內部因素均對煤粉燃燒特性產生影響。

（1）褐煤具有揮發分高、燃點低、化學活性強的燃燒特性（表4），在燃燒過程中表現為著火快、燃盡快，火力不易集中。

（2） 褐煤的水分含量高于其它煤種，主要由兩部分組成：表面游離狀態的外在水和毛細孔中的內在水。煤粉烘干、磨制過程中，煤的外在水多已脫出，而內在水份仍然保留。褐煤的高內水將導致燃燒器火焰的溫度降低。水分增加1%，火溫下降10～15℃。所以，水泥工業較少單獨使用褐煤作為燒成用煤。

圖1 滇西褐煤X衍射圖

圖2 小龍潭褐煤X衍射圖

圖3 小龍潭褐煤灰X衍射圖

圖4 華坪煙煤X衍射圖

（3） 德國利用褐煤首先對其氣化，再用所得的煤氣或半焦產品燒制水泥熟料，這是最合理的使用方法。該項技術雖已在歐洲成熟應用，但這種方法并不適用于所有的褐煤，且處理成本較高。

3 褐煤在水泥立窯中的應用

滇南的德宏、保山、臨滄等地區，20世紀70～80年代的立窯水泥廠燒制水泥熟料，曾經使用褐煤。由于立窯中燃煤和生料成球入窯，助燃空氣由窯底部鼓入，褐煤的燃點僅為300～500℃，所以揮發份在窯的預熱帶即揮發或燃燒，熱損失高達30%～40%，起不到煅燒熟料的作用。熟料燒成僅依靠煤中的固定碳組分，致使窯的熱效率低下，不僅煤耗很高，水泥質量也很差（表6）。鑒于上述原因，云南省20世紀80年代以后的立窯均改用無煙煤燒制水泥熟料。

表6 1979年云南立窯水泥廠褐煤燒制水泥

4 褐煤在水泥濕法長窯中的應用

云南開遠水泥廠原有兩臺Φ3.3m×118m的濕法長窯，1970年底開始使用當地小龍潭煤礦出產的高硫褐煤燒制水泥熟料。燒成用煤采取全褐煤方案，并對煤磨、噴煤管和原料進行了改造和調整。

4.1 開遠水泥廠生產用煤

開遠水泥廠生產用煤狀況詳見表7～表8。

表7 生產用煤工業分析

表8 煤灰成分/%

4.2 開遠褐煤生產的熟料質量和產量

開遠褐煤生產的熟料質量和產量詳見表9。

表9 熟料質量和產量

4.3 窯灰的成分

窯況正常時，熟料K2O揮發率達到70%以上，K2O含量0.5%～1.0%，其余進入窯灰。窯灰的主要礦相為：碳酸鈣、硫酸鉀、石英、硅酸二鈣及少量游離石灰（表10）。

表10 開遠廠窯灰化學成分/%

4.4 使用開遠褐煤采取的技術措施

4.4.1 調整原材料

小龍潭褐煤揮發份高，固定碳低，其無機組分中含有一定量的碳酸鈣和二水石膏，所以煤灰中CaO>40%；SO3>15%。為此，廠家采用泥灰巖代替部分石灰石配料，不但減少了石灰石礦山的浮土剝離量還改善了生料的易燒性。

4.4.2 調整配料方案

在提高生料飽和比的同時，降低了硅酸率；提高生料氧化鋁含量和鋁氧率。使液相量增加，提高了生料的易燒性（表9）。

4.4.3 調整回轉窯的操作

（1）褐煤的實物煤耗較煙煤增加近一倍，褐煤中的揮發份>40%；為此提高了一次風量，達到一倍以上。

（2） 采取“薄料快燒”的煅燒制度，提高窯轉速，降低喂料量，增加物料與火焰及氣流的熱交換。采用小龍潭褐煤燒制水泥熟料，為了保證熟料質量，熟料產量明顯下降，由原設計產量16 t/h，降為12 t/h左右。

表11 盈江燃煤工業分析

（3） 入磨褐煤水分高達25%～30%，煤磨產量下降明顯，為此，更換了煤磨，并提高了入磨風溫。

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（4） 該廠泥灰巖和砂巖中堿含量較高，小龍潭高硫褐煤燃燒產出的SO3主要以硫酸鉀的形態存在于窯灰中。由于褐煤水分高，燃燒產生的水蒸氣，還會形成大量的H2S和SO2，對環境造成較大的污染。

小龍潭高硫褐煤在開遠濕法長窯燒制水泥熟料的實踐，雖然為我們使用褐煤燒制水泥熟料提供了技術上的參考和借鑒。但因窯產量和環保等問題，20世紀80年代以后，開遠水泥廠已逐步改用煙煤。

5 褐煤在盈江水泥廠新型干法水泥窯的試驗

滇西南地區煙煤和無煙煤資源匱乏，若能采用當地褐煤，將有利于提高企業經濟效益。為此，2010年云南省建材院院曾在盈江水泥廠Φ3.5m×54m新型干法水泥窯進行過短期的試驗。試驗采用30%保山褐煤與70%華坪煙煤摻配，詳見表11～表13。

表12 盈江窯用燃煤燃燒特性指標

表13 盈江水泥廠摻燒褐煤試驗熟料

摻入30%褐煤后，入窯煤粉水分由1%左右上升到3%，混煤火焰較單獨燃燒煙煤時稍偏長，火焰不集中，熱力強度有所降低。表13的數據表明，摻燒褐煤后，熟料率值未做明顯改動，但立升重、產量和強度均稍有下降。由于當地褐煤價格較低廉，工廠仍可獲得一定的經濟效益（表18）。

6 緬甸褐煤燒制水泥熟料

緬甸曼德勒地區主產褐煤，且不具備褐煤氣化和焦化的基礎條件。若熟料生產僅依賴進口煙煤，將使水泥成本居高不下。為了降低水泥的生產成本，云南省建材院2016～2017年在緬甸旦多淼水泥廠5 000t/d新型干法水泥熟料生產線，采用本地褐煤與進口煙煤搭配進行了工業性生產。

6.1 緬甸燃煤分析

6.1.1 生產用燃煤工業和元素分析

與云南省褐煤比較，緬甸本地（曼德勒）褐煤的成煤年代較早，可燃基揮發分和硫含量較低（表14），但該地褐煤產點多，質量波動很大。窯用煙煤由澳洲進口質量較為穩定（表15）。

表14 燃煤工業分析

表15 進廠燃煤的標準偏差

6.1.2 緬甸燃煤的燃燒特性

采用本地褐煤和澳洲煙煤按一定的比例混合摻燒，由于單種煤的燃燒特性對混煤有一定的影響，所以本項目進行了煤的熱分析試驗（詳見圖5～圖7）。本試驗采用德國耐馳STA409 PG/PC型熱分析儀，檢測條件按照GB/T33304-2016“煤炭燃燒特性試驗方法熱重分析法”的要求，氣氛為空氣和氬氣，升溫速率20℃/min。按照標準規定的方法進行計算，得出緬甸燃煤的燃燒特性（表16）。

圖5 本地褐煤熱分析圖譜

圖6 澳洲煙煤熱分析圖譜

圖7 褐煤+煙煤（1∶1）熱分析圖譜

（1） 著火溫度Ti/℃。著火溫度是指可燃混合物化學反應達到自燃時的最低溫度，按照標準方法計算，緬甸褐煤的著火溫度為349.4℃；澳洲煙煤為478.6℃；混合煤的著火溫度354℃較接近褐煤。

（2） 燃盡溫度Tf/℃。燒掉98%可燃質燃料時的溫度定義為燃盡溫度，緬甸褐煤的燃盡溫度500.9℃，澳洲煙煤626.8℃，混合煤614℃；兩種煤按1∶1混合后，燃盡溫度接近煙煤，混和煤在熱分析圖譜上表現為雙峰（詳見圖7）。

表16 緬甸燃煤的燃燒特性

（3） 最大燃燒速率vp/(%/min)。當地褐煤最大燃燒速率10.60%/min，溫度396℃；澳洲煙煤最大燃燒速率10.31%/min，溫度555.1℃；混合煤在圖譜上出現兩個峰值：6.48%/min、429.4℃和6.30%/min、556.0℃。表明兩種煤并非完全同步燃燒，因而降低了混合煤的平均燃燒速率。

（4）混煤著火溫度明顯降低，燃盡溫度改善不明顯。對于回轉窯高溫燒成帶和火焰的形成有一定的影響。

6.2 緬甸褐煤使用中存在的問題和采取的措施

（1）按煤的品種劃分，煙煤較易粉磨，褐煤較難粉磨。該廠在生產中為了滿足熱工煅燒的需要，采用了混合粉磨的方法，以提高煤粉的均勻性并降低粉磨電耗。煤磨產量基本穩定的前提下，隨著褐煤摻加比例增加，煤粉篩余量和內水含量上升。

表17 出磨煤粉工業分析

（2） 煤工業分析標準偏差的統計值表明（表15），緬甸本地褐煤的質量波動很大，分析基低熱值的標準偏差為3 073kJ/kg，是澳洲煙煤的五倍，生產上采取了兩次均化的措施，保證了出磨煤粉質量和轉窯工藝的穩定（表17）。

（3） 該廠采用高硅石灰石配料，高硅石灰石不僅石英含量高，且方解石呈重結晶狀，晶粒粗大，低溫分解率偏低。為此，提高了分解爐的配煤比例。

（4） 出磨煤粉水分較高（≥4%）；煙煤與褐煤的不同步燃燒，降低了混合煤的平均燃燒速率，影響了回轉窯高溫燒成帶和火焰的形成，至使火焰延長，火溫下降，窯頭飛砂較大。為此，調整了配料率值，適當降低熟料硅酸率，將液相量由24.5%提高到27.8%。

6.3 生產試驗的效果

試生產期間，熟料各項指標均達到國家相關規定的要求，熟料產量超過設計水平；熟料3天抗壓強度≥30MPa，28天抗壓強度≥55 MPa。3月份大窯進行增產試驗，提高了生料喂料量和窯轉速，臺時產量由220 t/h提高至245t/h。熟料強度稍有下降，平均為54.5 MPa。

（1） 熟料成分和性能詳見表18～表19。

表18 熟料成分指標/%

表19 熟料物理性能

（2）熟料產量和水泥能耗。試驗過程中褐煤的摻加比例逐漸增加到50%，但熟料的標準煤耗仍可保持在106kg/kg.熟料左右（表20）。

7 結論

（1）褐煤是一種低價煤，其高水分、高揮發份、低熱值和易風化、易自燃的特點，影響了它在水泥工業中的應用。通過我們多年的實踐表明，在我國西南和南亞等匱乏煙煤的地區，摻用當地褐煤燒制水泥熟料，最大的優勢是降低水泥的生產成本；合理使用自然資源。云南盈江水泥廠窯用燃料中摻用30%當地褐煤，燃煤成本每噸熟料下降22元，該項措施若按設計產量計算每年可增加收益900多萬元。緬甸旦多淼水泥廠已經實現了澳洲煙煤和當地褐煤按1:1比例配合，燒制水泥熟料的穩定生產，僅此一項每年收益可達3 000多萬元（表21）。

表21 摻褐煤燒制的熟料生產成本和收益

表20 熟料產量和水泥能耗

（2）褐煤的品質與其成礦條件和成礦年代相關，云南褐煤多屬新生代第三紀，水分高、揮發份高、熱值低，雜質含量較多，燒制水泥熟料時，可適量摻加。開遠的高硫褐煤使用于開遠水泥廠的濕法長窯只是個例，并不適用于其它窯型。

緬甸曼德勒褐煤質量波動很大，但成礦年代較早，揮發份和水份較低，平均發熱量可達20 900kJ/kg（5 000kcal/kg）左右，通過嚴格均化后，可以較大量地替代煙煤。

（3）褐煤的高水份和高揮發份及混合煤的不同步燃燒，對回轉窯的火焰溫度和燒成帶的位置會產生影響，從而影響到熟料的產量和質量。所以，必須適當調整褐煤與煙煤的摻配比例及配料方案，改善生料易燒性；加強窯工藝的管理和窯參數的調整。

（4） 水泥工廠用褐煤作燃料，其水分高、易磨性差，應選擇適宜的粉磨設備和工藝條件。并根據其易風化、易自燃的特性，做好安全防范工作，確保安全生產。