利用水泥熟料生產線技改煅燒冶金石灰的技經分析

湯升亮，曹 正，劉志國（中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

1.1 水泥行業淘汰落后產能相關政策

為深入推進建材行業供給側結構性改革，有力推動行業向高質量發展，加快促進落后產能淘汰退出，有效化解產能過剩矛盾，中國建材聯合會根據國家有關指導意見發布的2019年淘汰落后產能指導目錄（水泥篇）中提到水泥行業需淘汰的落后產能包括：水泥熟料產能利用率70%以下的地區（以省為單位）2000t/d（含）以下的水泥熟料生產線（2020年底前），2500t/d（含）以下的水泥熟料生產線（2021年底前）；水泥熟料產能利用率70%以上的地區（以省為單位）2 000 t/d（含）以下的水泥熟料生產線（2021年底前），2500t/d（含）以下的水泥熟料生產線（2022年底前）；1000t/d（含）以下特種水泥生產線；環境敏感區可比熟料綜合能耗高于108kgce/t、非環境敏感區可比熟料綜合能耗高于115kgce/t水泥熟料生產線[1]。

為進一步推動產業結構調整和布局優化，繼續施策壓減過剩產能。工業和信息化部于2017年12月31日出臺了要求更加嚴格、壓減力度更大的《水泥玻璃行業產能置換實施辦法》。主要調整：一是加大減量置換力度。位于國家規定的環境敏感區內的建設項目，每建設1t產能須關停退出1.5t產能；位于非環境敏感區內的建設項目，每建設1t產能須關停退出1.25t產能。二是對用于置換的產能限定更加嚴格。用于置換的產能應當為2018年1月1日后在省級工業和信息化主管部門門戶網公告關停退出的產能。同時規定：已超過國家明令淘汰期限的落后產能，已享受獎補資金和政策支持的退出產能，無生產許可的水泥熟料產能，均不得用于產能置換[2]。

2018年水泥行業日產2500t及以下、競爭乏力的熟料生產線還有800多條、產能5億多t。在國家政策加大去產能和環保力度的背景下，作為淘汰目錄內的水泥生產線進退維谷，棄之可惜，產能置換是目前小水泥生產線退出的主要方式。

1.2 建材行業高品質小粒徑石灰石的尷尬處境

石灰石的主要用途包括生產硅酸鹽水泥、骨料、石灰及其下游附加產品（消石灰、輕質碳酸鈣）、重質碳酸鈣、脫硫劑等。水泥、骨料及石灰行業石灰石用量相對較大。其中，水泥行業包容性最強，對石灰石要求相對較低，因此可以吸納骨料、石灰等行業的邊角料。石灰行業則對石灰石鈣含量具有一定要求，通常選用品質相對較高的石灰石。而目前石灰生產常用的窯爐對石灰石粒徑均有相應的要求：豎窯50～120mm，回轉窯20～50mm，這就造成在原料準備階段，破碎篩分工段產生大量高品質的（CaO含量在54%以上）小粒徑石灰石（小于20mm）（約占處理量的25%），其通常被作為石渣低價出售。這對于高品質礦產資源的利用造成了一定的浪費。如果能將其用來生產石灰無疑更具經濟性。

1.3 粉狀石灰的市場及來源

粉狀石灰主要應用于（1）燒結礦，一般控制在小于3mm，活性要求大于280 ml，要求較高的控制在320ml以上；（2）煉鐵，粒度要細；（3）鐵水脫硫，10～1000μm，S含量低于0.015%，石灰活性大于350 ml。同時，電力脫硫、玻纖、建材、造紙、污水處理等行業也需要大量粉狀石灰[3]。

目前粉狀石灰主要通過粉磨塊狀石灰獲得，但塊狀石灰易磨性遠比石灰石差，粉磨電耗高。也有部分企業嘗試采用懸浮預熱分解窯煅燒粉狀石灰，如寶鋼1991年建成投產的懸浮窯，日產量430t，但由于原料和燃料焦爐煤氣進場價較高，使得石灰生產成本偏高，系統利用率很低，目前已拆除[4]。2017年浙江建科建設了一條1000t/d粉石灰懸浮煅燒試生產線，2018年4月轉入工業生產[5]。

可見，在水泥行業政策去產能的大背景下，如能高效益利用建材行業高品質石灰石的邊角料生產粉狀石灰來盤活處于尷尬境地的小水泥熟料生產線，無論從產業政策、產品競爭力，還是從工廠生存、發展考慮都將是不錯的選擇。

2 水泥線改石灰線的技術路線

2.1 改燒塊狀石灰

近幾年，有多家中小型回轉窯水泥生產線進行了改造，改造項目投產后系統運行穩定，產品質量穩定，熱耗及電耗均與同規格石灰旋窯線相差無幾[6]。改造措施主要包括：

（1）拆除預熱預分解系統，在現有框架（或新建）上增設石灰石煅燒專用豎式預熱器；增加預熱器上料系統，有篩分要求的，同時增建篩分樓，對石灰石原料進行篩分處理（來料要求25～50mm）；

（2）更換回轉窯傳動電機，使之適應塊狀石灰煅燒低轉速要求；

（3）對篦冷機進行局部改造：不開啟傳動裝置，只使用篦冷機前端傾斜固定篦床冷卻冶金石灰；在二室前端用耐火磚砌一道擋墻，防止高溫氣體和粉塵竄入二室，冷卻冶金石灰后的高溫風全部入窯；拆除一段前端2～3排篦板，下面增加一個卸料斗，冷卻后的冶金石灰由二室前端落入二室卸料斗，下部增加一個翻板閥用于鎖風。或是直接將篦冷機更換為石灰專用豎式冷卻器。

2.2 改燒粉狀石灰

2.2.1 技術可行性

眾所周知，水泥生產線生料入窯分解率一般控制在90%以上。而冶金石灰一般要求生燒率不大于5%，如何提高碳酸鈣在分解爐內分解率是水泥線懸浮煅燒石灰的關鍵所在。因此，深入了解碳酸鈣在分解爐內的分解特性對于改造具有現實的意義。分解爐內懸浮態碳酸鈣的分解主要遵循縮核模型，所需分解時間主要取決于化學反應速率。福斯騰提出分解面向顆粒內心移動的速度ω公式[7]：

ρCO2—可以分解但還在石灰石中結合的CO2的密度，ρCO2＝1.19 g/cm3；K—分解速度常數，一般可取K＝19 kg/（m2·h·atm）；PCO2—分解爐中CO2的分壓力，atm；PCT—分解溫度T時的CO2平衡分解壓力，atm；

D—碳酸鈣直徑，m。

由此可計算出不同溫度、粒徑、分壓下碳酸鈣分解所需時間的與其的相互關系。結果見圖1，2。

圖1 不同溫度下石灰石顆粒（30μm）分解時間與CO2分壓的關系

圖2 不同粒徑石灰石分解時間與煅燒溫度的關系（20%CO2分壓）

根據計算結果可以看出，爐內溫度900℃以上時，CO2的分壓對碳酸鈣的分解率影響不大；900℃、CO2分壓20%時，50μm以下的碳酸鈣顆粒在8s內能完全分解。煅燒溫度、顆粒粒徑是分解時間的主要影響因素。水泥生料（80μm篩余10%～18%）在爐內溫度880℃左右下、停留時間3～5s時入窯分解率可達到90%～95%。如溫度提高至950℃，生料分解率能提高至99%。由此可見，通過對現有分解爐進行一定的改造，并適當提高燒成溫度及控制進料粒度完全能滿足煅燒石灰的要求。

2.2.2 改造方案

（1）對分解爐鵝頸管進行局部改造，增加爐容及停留時間；

（2）在分解爐底部增設懸浮冷卻系統及改造燃料噴射系統；

（3）增加成品灰到石灰庫的輸送系統。

（4）拆除回轉窯及窯頭。

當然，改造方案因線而異，需進行科學的論證。

2.3 方案比選

水泥線改石灰線，首先是尊重市場。從技術角度來說，改燒塊狀石灰和粉狀石灰都是可行。塊狀石灰線的產能主要受制于回轉窯的規格，而粉狀石灰線的產能則受制于預熱預分解系統規格。表1比較了不同規模水泥熟料生產線改塊狀石灰和粉狀石灰生產線后產能的情況。因預熱預分解系統各設計院規格差異較大，此處不羅列。表1所計算粉狀石灰產能為粗放值，僅供比較用。

表1 不同規模水泥熟料生產線改塊狀石灰和粉狀石灰生產線后產能情況

3 效益分析

以2500t/d熟料生產線為例，改粉狀石灰線后，產品計算熱耗不高于1000×4.182kJ/kg；塊狀石灰熱耗約1200×4.182kJ/kg。粉狀石灰線產量約1800t/d，燃料及電耗成本約170元/t。塊狀石灰線產量約600t/d，燃料及電耗成本約200元/t。燃料按6500×4.182kJ/kg、800元/t計。因各地石灰售價差異較大，此處不做比較分析。

4 結語

綜上所述，將現有水泥熟料生產線無論是改造成塊狀石灰生產線還是粉狀石灰生產線技術上都是可行的。改燒粉狀石灰產能要遠高于燒塊狀石灰，粉狀石灰線熱耗要比塊狀石灰線低20%左右。在水泥行業淘汰落后產能的大背景下，對于即將關停、無法參與或不愿意產能置換的水泥生產線改燒石灰無疑是一個可行的選擇。