淺析回轉窯預熱器結皮原因及應對思路

李 強 張金鐲 廉 鋒 隋善耘 李付新 王福宏 賀敬軍

(平邑中聯水泥有限公司，山東 臨沂 273300)

1 預熱器結皮原因簡述

預熱器結皮的原因有很多，從“人機料法環”等角度皆可闡述，但本質原因只有一個，那就是由揮發性物質的循環富集造成，其他原因都是間接通過揮發性物質的循環富集來發揮作用的。

水泥熟料的生產工藝中，生料中主要的揮發性物質有硫、氯、堿三種，其中堿指鉀和鈉。這些揮發性組分在高于一定溫度后揮發成氣態，并被氣流帶到溫度較低的區域，大部分(80%～90%)冷凝并被該區域的生料吸收，并隨著生料重新回到高溫區，繼而再次揮發，然后再次被吸收，如此循環往復，此過程稱為內循環；另一小部分(10%～20%)揮發性組分則附著在生料粉塵(窯灰)上，被氣流帶出預熱器，但最終會進入生料均化庫，然后再次隨生料喂入預熱器，此過程叫做外循環。

水泥窯系統結皮是由硫、氯、堿形成的低溫共熔體，當有氯存在時，氯堿的最低共熔溫度為低于800℃,相當大的共熔溫度范圍在500℃～700℃，甚至低于500℃[1]，碳酸堿和硫酸堿熔點范圍在800℃～1 100℃附近(硫酸堿的熔融溫度相對較高)，硫酸鈣的最低分解溫度在1 200℃以下，還原性氣氛越強，分解溫度越低。揮發分物質在揮發前的溫度范圍內基本以熔融態存在，熔融的液相物質粘結生料顆粒和飛灰形成結皮。

根據不同揮發性成分的熔融和揮發特性，可以大體判斷不同位置結皮的主導元素，一般在窯尾過渡帶形成的結皮或結圈，以及窯尾煙室及上升煙道區，主導元素為硫和堿，該位置結皮的化學成分硫含量相當高；五級和四級預熱器主要以鉀、鈉、氯為主導，從四級以上，氯元素的主導越來越高，在二、三級的疏松性結皮中氯含量相對高，因為氯堿受熱以直接揮發為主，可以簡單的認為完全由氯元素主導的結皮沒有大的粘結性，因此上幾級預熱器中正常的結皮都相當疏松，并且較薄。但這不能說明氯元素危害不大，相反，氯元素揮發不受其他元素的抑制，其揮發率最高，并且能明顯的促進堿和硫的揮發[1，2]，因此氯堿循環是造成總體揮發率高的重要因素。

隨著揮發性組分的往復循環，揮發性成分在系統內的濃度逐步增大，同時被熟料帶出窯外的揮發性成分越來越多，直至達到進入量(生料中含量)與排出量(熟料中含量)的平衡，系統內揮發性組分的濃度達到最大值。

此時揮發性成分的濃度遠大于入窯生料內的含量，這些揮發性組分既能冷凝在入窯生料的顆粒上，也容易冷凝在溫度較低的內壁上，同時粘結部分生料顆粒形成結皮，并且結皮有不斷增厚的趨勢，同時物料對結皮的沖刷有降低結皮厚度的趨勢，二者相互作用，當燒制程度穩定時可以形成動態的平衡，結皮厚度往往會穩定在一定范圍內，但實際生產中想要長時間保持這種平衡狀態是很難的，尤其是止料或投料等過程，會非常明顯的增大結皮的厚度和范圍，操作不當甚至會引起預熱器堵塞。所以往往隨著燒成系統運行時間的延長，結皮越來越厚，造成熟料的產量質量都難以提高的困境。

2 當前主流的解決思路及相應的機理

為了解決預熱器結皮的問題，水泥行業和學術界做了許多相關的研究和實踐，形成了一些可行的解決思路，下面結合這些研究實踐的結論對相關的解決思路闡述如下。

思路一：降低原材料及燃料中的堿含量、硫含量及氯離子含量，避免使用高硫煤、高灰分煤和低灰熔點的煤，熟悉原料的易燒性，并設計與之匹配的燒成工藝。減少原燃材料中的揮發性組分含量，相當于降低了系統氣相中揮發性物質的濃度，也就是降低了循環量，這對減輕結皮堵塞現象有一定的效果，也是一個基礎操作。煤的灰熔點低容易在窯尾加重結皮結圈，同時原料的易燒性影響最低共熔點，因此要匹配合理的燒成制度。

思路二：在循環富集區域設置旁路放風系統。該操作也是從降低揮發性成分循環量的角度出發，其基本工藝是將部分富含揮發性組分的高溫氣流引出系統外經冷卻、收塵、凈化后排入大氣中(放風量從3%～30%不等)，同時將氣流中所攜帶的窯灰收集后廢棄掉(注意窯灰不能回到系統內)。通過旁路放風技術，一定程度降低系統內揮發性組分的濃度，但是該方案的缺點也非常地明顯，首先是熱耗高，每排出10%的廢氣，熱耗增加40kca～50kcal/kg熟料[3]，同時浪費掉1%的生料粉，廢氣的凈化難度大?，F在山東區域應用窯外放風技術的企業很少。

思路三：調整合理的硫堿比。硫堿比理論的本質是降低堿的揮發率，一定濃度范圍內的SO2可抑止堿金屬化合物的揮發，從而降低其揮發率，進而達到降低氣相中堿濃度的目的；適當的提高硫含量有助于生成熔點較高的K2SO4或Na2SO4[4]。因此一般的企業都會根據實踐經驗按照一定的硫堿比調整配料和燃煤。但是需要說明的是，硫堿比理論在學術界是有爭議的，不同的研究，不同的條件下，該方案的效果差異較大，同時一些專家不建議當堿含量升高時，為了調整硫堿比而人為的提高原料和燃料的硫含量[5]。

還有研究表明：Al2O3和SiO2都能抑制堿金屬的揮發率，其中Al2O3和堿的產物熔點較高，對減輕結皮堵塞有利；SiO2和堿的產物熔點較低(1 100℃～1 200℃開始呈現為液態)，可能會加重結皮，特別是在窯尾部分。因此利用Al2O3或SiO2調節結皮或有研究的價值，但是硅酸鹽熟料中硅、鋁的含量都不是微量組分，同時由于工藝的限制，調整的空間也很有限。目前還沒有在實踐中用“鋁堿比”或“硅堿比”來控制結皮的研究[6]。

思路四：在線清理結皮。傳統的在線清理結皮方法主要是利用空氣炮循環吹打，同時定期利用鋼釬或高壓水槍清理煙室內的結皮，這種方法固然有效，但是從安全、能耗、工藝穩定的角度來考慮，不是理想的解決方案。目前比較好的方案有利用亞音頻裝置清理結皮、使用抗結皮的耐火材料、安裝不易與結皮粘附的微晶板和微晶筒，使結皮無法順利的粘結，這些方法已發展成簡單有效、安全、穩定、節約能耗的解決方案。

思路五：控制揮發性組分的凝結位置。當系統各因素穩定，形成的結皮往往會在一個相對穩定的位置，并且達到一定的平衡后厚度保持不變。假如我們能控制系統各因素的相對穩定，同時控制預熱器內的溫度區間，就有可能使結皮的主要位置處在一個不易堵塞的區域，這個方案對系統穩定性的要求非常高，從這個層面來講，生料在線分析儀及石灰石在線分析儀等儀器設備對穩定生產以及控制結皮的意義非常重大。另外雖然目前能通過溫度、壓力等工藝參數間接的判斷結皮的狀態，但是如果能在關鍵部位安裝一些探測儀器來實時測量內部結皮的厚度，能更有利于結皮的控制。

3 結 語

揮發性組分的循環富集是與新型干法回轉窯工藝共存的特性，可以說是燒成工藝的一部分，因此在此工藝基礎上，結皮不能根本消除。制定合理的熱工制度，努力提高燒成系統穩定性是一條穩妥可行且一舉多得的方案。另外采用清理結皮先進技術和設備，研究和使用抗結皮材料是目前比較可靠的研究方向。