旁路放風與高硫煤的應用

劉慶江，高增毅，方婉，沈欣

某φ4.7m×72m預分解窯設計產(chǎn)量5 000t/d，實際產(chǎn)量5 600t/d，該項目所在地出產(chǎn)煙煤，但其硫含量高（St.ad＞2%），為了能夠高效利用本地煤，取得更好的技術經(jīng)濟效益，經(jīng)研究決定，采用旁路放風技術，解決硫含量高的問題。

1 原、燃料使用情況

1.1 原、燃料化學成分

由表1、表2可見，項目所用原、燃料中的硫、氯離子含量皆高，黑粘土中的堿含量也偏高。

1.2 配料情況

干基原料配比情況見表3，生料及熟料化學成分分析見表4，生料及熟料率值及礦物組成見表5。

表1 原、燃料化學成分分析，%

表2 原煤工業(yè)分析

表3 干基原料配比，%

表4 生料及熟料化學成分分析，%

表5 熟料礦物組成（%）、生料及熟料率值

表6 熟料中有害成分的含量，%

2 熟料有害組分限量指標分析

當前，我們?nèi)匀涣晳T采用上世紀七十年代國外水泥公司制定的指標討論旁路放風設置，本項目用的是Krupp Polysius公司的標準，也部分融入了F.L.Smidth公司過剩硫的概念。項目熟料中有害成分的化合物含量見表6，不設旁路放風時熟料有害組分限量指標情況見表7。

從表7可見，項目原、燃材料中僅氯離子一項含量超標，似乎可以不放風。但仔細研究，另外三項SO3、R2O、SE含量均處于警戒水平，結合其他企業(yè)生產(chǎn)實踐，分析造成以上問題的癥結所在，具體原因如下：

（1）在預分解窯系統(tǒng)內(nèi)，煤粉所含的硫在窯頭和分解爐內(nèi)所生成的SO2均被堿性氧化物和氧化鈣吸收生成硫酸鹽，CaSO4-K2SO4-Na2SO4三元系統(tǒng)的低共熔點＜800℃，當存在KCl時，低共熔點接近700℃，此時在窯尾很易形成硫硅鈣石（2C2S·CaSO4）、鈣明礬石（2CaSO4·K2SO4）、硫鋁酸鈣（3CA·CaSO4），這些礦物大多呈針狀或纖維狀晶體，是造成結皮、結圈的重要因素，且結皮、結圈牢固，不易清除。

（2）若硫固化在熟料中，則會使熟料強度降低，水泥凝結時間不正常，石膏摻入量不易掌握。

（3）項目1.36%的堿合量對熟料后期強度有影響。

綜上所述，為使用高硫煤生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料，項目原、燃料中氯離子含量高，必須研究采用旁路放風技術。

表7 不設旁路放風時熟料有害組分限量指標

表8 旁路放風計算依據(jù)

3 旁路放風量計算

采用經(jīng)典Weber法進行旁路放風量的計算，堿循環(huán)簡圖見圖1，計算公式如下：

圖1 堿循環(huán)簡圖

旁路放風計算依據(jù)與計算結果見表8～表13，從計算結果可見：

（1）在10%放風的情況下，Cl-、SO3、K2O三項取得了良好的效果：Cl-、SO3遠離限量指標；清除了過剩硫，窯尾不存在促進窯皮生成的CaSO4，為使用本地高硫煤創(chuàng)造了條件；熟料中堿含量有所降低，使其擺脫了對熟料后期強度影響的限量（1.5%）界限。

（2）旁路放風10%時，排出的旁路窯灰量為20g/kg熟料，熟料熱耗增加83.6kJ/kg熟料。若提高放風量，排灰量和熱耗會呈正比增加，應盡量避免。

（3）放風量和揮發(fā)性組分的降低率并非呈正比關系，如SO3在放風10%時，熟料中SO3含量可降低25%；在放風20%時，熟料中SO3含量可降低39%，并非可降低50%，堿也是如此。這樣的原料只能生產(chǎn)一般熟料，即使放風50%也不能生產(chǎn)低堿熟料。本項目在生產(chǎn)低堿熟料時，使用了運距較遠的低堿硅鋁質(zhì)原料。

表9 旁路放風計算結果（K2O情況，g/kg熟料）

表10 旁路放風計算結果（Na2O情況，g/kg熟料）

表11 旁路放風計算結果（SO3情況，g/kg熟料）

綜上所述，我們確定設置10%放風系統(tǒng)。放風點在窯尾煙室斜坡部正前方，放風口寬4.5m，高1.5m，變徑后的放風管道直徑2.1m，從窯尾煙室放風后有近36m的上升煙道，用于沉降較大顆粒物料，以減少排灰量，改善管道通風環(huán)境。在上升煙道的最上方，煙氣自上而下直通PH爐，用于余熱發(fā)電，發(fā)電量為400kW/h。發(fā)電后的低溫氣體經(jīng)除塵后，由管道接入燒成系統(tǒng)排放煙囪排出。此設計有效解決了放風管道堵塞的問題，使旁路系統(tǒng)實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運行和余熱利用。通過設置旁路放風系統(tǒng)，企業(yè)既可使用較為經(jīng)濟的本地高硫煤，熱損失和排灰處理量也不至過大。旁路放風設置情況見圖2、圖3，中控室操作畫面見圖4。

表12 旁路放風計算結果（Cl-情況，g/kg熟料）

表13 熟料中揮發(fā)性組分含量與旁路放風量

圖2 旁路放風出口及上升煙道圖（左視）

圖3 旁路放風傾斜煙道與PH爐鏈接圖（右視）

圖4 旁路系統(tǒng)操作畫面

表14 2019年四季度實測生產(chǎn)情況

表15 2019年四季度熟料平均強度

表16 熟料中有害成分的含量，%

4 改造效果

在設有旁路放風設施的條件下，項目2019年四季度實測生產(chǎn)情況及熟料平均強度見表14、表15，熟料中有害成分含量見表16。

通過設置10%的放風量，本項目使用本地高硫煤進行生產(chǎn)的設想得以實現(xiàn)，生產(chǎn)成本降低且熱損失不大，排灰量不多，得到的技術經(jīng)濟效益可觀；窯內(nèi)工況呈清晰態(tài)，窯尾結皮趨勢減弱，操作較輕松；熟料中有害組分含量大幅降低，熟料性能改善，強度提高，產(chǎn)量有所增加。

遼闊的新疆是干旱地區(qū)，巖礦中鉀、鈉、硫、氯離子含量均偏高。快速發(fā)展的新疆在建工程項目很多，對水泥質(zhì)量均有嚴格要求，例如高鐵工程大部分使用低堿水泥（Na2OE≤0.6%），普通水泥也要求Na2OE≤0.8%。除嚴格選料外，設置旁路放風系統(tǒng)也可降低熟料中有害組分含量，我們采用了這兩種辦法，滿足了水泥市場對水泥質(zhì)量的要求。