低值煤煅烧优质水泥熟料.docx

低值煤煨烧优质水泥熟料引言水泥回转窑作为水泥熟料生产的关键装备，其具燃料燃烧、气固换热、化学反应、物料输送等多重功能，然而燃料释放能量的过程是实现其它功能的基础。随着国内能源供应的日益紧张，目前新型干法水泥厂普遍使用的煤炭，价格急速上涨，因此采用劣质煤尤其是低热值煤生产水泥熟料是降低水泥生产成本的必然趋势。利用劣质煤（指无烟煤、贫煤及褐煤）代替优质烟煤煨烧水泥熟料，虽然可大大降低水泥成本，提高水泥厂的经济效益，但是劣质煤尤其是低热值煤的使用，易引起烧成带温度低、飞沙料增多，熟料产、质量下降。还可产生灰分沉积及窑内液相量的过早出现，引起窑内结圈,结蛋，磨蚀耐火砖，影响窑内通风和窑的运行，因此开发适应水泥预分解窑使用低热值煤的燃烧器是解决水泥窑生产优质熟料的重要措施。目前，新型干法生产工艺的煤燃烧器皆为三通道、四通道的喷煤管。笔者认为，不能顺利采用低质煤的原因在于喷煤管的参数设计的不适应与运行参数不匹配。只要采用针对低品质煤设计的喷煤管，选择适当的运行参数，低品质煤才能到优质煤同样的效果。新型干法水泥的低质煤主要是指发热量低于5000kcalkg,挥发分并不很低（220%）而灰分高（228%）的煤。低挥发分煤一般是指灰分不高（W25%）,发热量不低(25000kcal/kg)而挥发分较低，也可列入低质煤中。对于这些劣质煤只有提高其燃烧速率才能保证烧成带火焰集中，温度提高，事实上煤粉燃烧速率主要与煤粉中固定碳的燃烧速率有关，在回转窑的烧成带，固定碳的燃烧处于扩散燃烧区，此时燃烧速度不随燃料性质而改变和温度的关系也不大，而和气体流速紧密相连，因此开发大推力的新型煤粉燃烧器对劣质煤十分有益。1 .燃烧器与熟料质量的关系优质水泥熟料来源于较高含量的硅酸盐矿物，而硅酸盐矿物含量的高低与回转窑内的温度场密切相关。水泥回转窑既是一个燃烧炉，进行燃料燃烧，达到一定的高温；又是一个反应炉，使生料通过高温热处理，完成熟料反应过程，烧成质量良好的水泥熟料。因此，窑内燃料燃烧时，窑内的热加工条件如火焰的温度、长度、位置、形状等，与熟料的微观结构和性能关系密切，不同窑型煨烧水泥熟料的微观结构见图1图8。由图可以看出，大窑熟料岩相特点：烧成带长度及窑内冷却带长度长,烧成带热力强度集中程度略差，物料通过烧成带时间长，造成A矿、B矿晶体发育好，尺寸明显偏大，A矿晶体中包裹物大而少。但因冷却区相应加长，已析晶的A矿容易受液相溶蚀。图1液相分布富裕区域的A矿，尺寸域的A矿，尺寸图2液相分布富裕区巨大、有一定量地包裹物，明显的巨大、外形不完整不规则的层环带构造图3多孔区域分布的小堆B矿及尺寸图4多孔区域分布的小堆B矿及尺寸巨大的A矿晶体一一浸蚀程度较重巨大的A矿晶体一一浸蚀程度较重图5A矿晶体边缘发生分解，棱角不完整图6大部分A矿晶体发生分解1%硝酸酒精浸蚀，反光200X1%硝酸酒精浸蚀，反光200X重试图7集中分布的树叶状、手指状B矿图8集中分布的树叶状、手指状B矿小窑烧成带长度及窑内冷却带长度的逐渐减小，烧成带热力强度逐渐增加，造成A矿、B矿晶体分布比较均匀，晶体尺寸逐渐减小，且晶体大小均齐，边界清晰平直，晶体内部有一定量地包裹体，向有利于熟料质量的方向发展。但若过短，物料在烧成带停留的时间短而不能充分反应，造成A矿晶体尺寸普遍小于30m且整体形貌较差。图1结晶规则的短柱状A矿晶规则的短柱状A矿1%硝1%硝酸酒精浸蚀，反光200X酸酒精浸蚀，反光200X图3A矿晶体不规则，晶体尺寸普遍图4A矿晶体不规则，晶体尺寸普遍偏小偏小因此，只有具有优良性能的燃烧器（包括:型式、规格、设置部位等），才能保证喂入窑系统的燃料在燃烧空间内与高温二次空气迅速混合，及时起火完全燃烧，并按照要求提供充足的热量，形成一个合理的温度场及热工制度，从而使回转窑系统充分发挥其应有的功能，实现优质、高效、低耗、长期安全运转，并满足环境保护规定的要求。70年代未到90年代初，国外有关厂商相继研制出了具有自身特色的双风道、三风道和四风道的煤粉燃烧器，以及两种以上燃料的五风道煤粉燃烧器，从而使一次风量降到入窑总空气量的12%T4%（不包括煤粉送风量），在三通道燃烧器的基础上PI1.ARD开发了新一代POatflaln多通道燃烧器，其一次风量进一步下降到5%7%。随着一次风量的降低，相应提高了二次风量，提高了热回收效率，降低了烧成热耗，大大提高了熟料的产质量。水泥窑用喷燃器从单风道发展为四风道甚至五风道，在提高燃烧性能的同时，也带来一系列的问题:首先，多股风互相干扰，喷燃器出口阻力过大。其次，在保证低一次风率的同时增加风道，必然要提高风速，目前风速最高己经达到40011s,导致射流核心速度衰减过快，火焰刚度不够。另外，高风速需要0.1-0.2MPa的高压风机来提供，噪音很大。再次，多风道导致喷燃器调节的多组合，操作过于灵活，难以掌握。而且，风道出口缝隙小，加工困难，很难保证同轴度的要求。同时由于多通道燃烧器风速和通道的增加，喷煤管头部磨损严重,中部容易弯曲，而风量的下降造成火焰刚性下降，对尾部高温度气体的卷吸能力降低，从而降低劣质煤的燃烧速率。2 .使用劣质燃料的分析劣质燃料目前还没有严格统一的定义，从水泥工业中燃料利用技术的发展历程来看，燃料的品位是一个相对的概念，燃料的品位与燃料本身的特性及其工作环境密切相关，因此，以燃料的使用效果作为判断的标准应该是合适的。本文中所谓的劣质燃料，主要是针对新型干法水泥回转窑而言的。表1水泥窑用煤的品质要求Ad(%)Vdaf(%)Q2(KJkg)湿法回转窑，悬浮预<2818-30>20900热器窑、预分解窑立波尔窑<2518-30>22990立窑<30<10>2090因此，根据表1中的对燃料品质的要求，结合考虑燃料的使用效果,对于新型干法回转窑而言，低品位燃料包括以下几种：(1)低挥发分燃料，如贫煤、无烟煤、石煤、煤研石、石油焦等。低发热量燃料，如褐煤、石煤、煤砰石、油页岩等。高灰分燃料，如石煤、煤肝石、煤泥、油页岩等。(4)高水分燃料，如褐煤、煤泥等。(5)高硫分燃料，如石煤、石油焦等。这些燃料在着火、稳燃、燃尽方面存在一系列的技术难题，容易导致水泥熟料品质降低、产量下滑和能耗增加等，通常被认为是不宜在新型干法回转窑中采用的。因为劣质燃料具有以下特点：着火性能下降。图1着火温度随升温速率变化趋势图燃烧稳定性降低。图2稳燃指数随升温速率变化趋势图燃尽性能图3燃尽时间随升温速率变化趋势图（4）燃烧特性图4TGDTG曲线特征点确定示意图TG-DTG曲线特征点可以比较直观地反映煤在某个方面的燃烧特性，但是还不能全面地反映整个着火、燃烧和燃尽过程，因此通过TG-DTG曲线特征点的有机组合，提出了一系列的综合燃烧特性参数。可燃性指数相大光认为，煤在燃烧反应初期为化学动力学控制，反应速度主要与温度有关，其燃烧动力学方程可简化为：式中，dWldT为燃烧反应速度;E为活化能;C为反应常数。对上式求导并且T=Ti可得：该式左边第一项考虑了活化能的影响，第二项表示最大燃烧速度与着火时燃烧速度之比，第三项为着火时燃烧速度曲线的斜率，这三项可以表征从着火到剧烈燃烧阶段的变化趋势。因此，可以认为上式右边项反应了煤燃烧反应前期的反应能力，并将其定义为煤的可燃性指数。（2）着火稳燃特性指数RW燃尽特性指数Cb式中，fl为初始燃尽率，为着火点对应的失重量与煤种可燃质含量的比值，即温度为Ti时的转化率，反映了挥发分、着火特性的影响,值越大，煤的可燃性越好。f2为后期燃尽率，其表达式为098-fl,反映了煤中碳的燃尽性能，与含碳量、碳的存在形态等煤质特性有关,值越大，燃尽性能越好。因此，燃尽特性指数Cb综合考虑了煤的着火和燃烧稳定性等因素对燃尽的影响，值越大，煤燃尽性能越好。表2为不同煤种着火性能的综合对比。表2各种煤的燃烧性能比较烟煤褐煤贫煤无烟煤石煤着火温度（）446350535570573最大燃烧速率温度（）528418608650646燃尽时间（Inin）9.812.98.658.78.85可燃性指数2.873.971.91.530.64着火稳燃指数2.643.292.262.112.04傅氏通用着4.916.392.330.420.07火指数初始燃尽率15.7723.5814.4714.126.85后期燃尽率83.8074.4285.3483.9071.1燃尽特性指数140.71136.01(20°Cmin)333.46(5O°Cmin)139.21132.32224.18综上所述，褐煤的着火和稳燃性能在试验样品中是最好的，但是后期燃尽性能较差。贫煤的着火、稳燃和燃尽性能优于无烟煤，但比烟煤差。无烟煤的着火和稳燃性能比较差，燃尽也较困难。石煤的着火和稳燃性能在样品中最差，但是从燃尽指数来看，石煤表现出良好的燃尽性能。劣质煤由于受到燃烧速度的影响，碳粒不能及时燃尽而随气流进入回转窑的温度，极易造成还原气氛，从而降低生料的最低共熔点，造成结尾圈。物料中碳粒的存在会形成大量的游离氧化钙矿巢，从而降低熟料质量。由于固定碳的燃烧速率缓慢，随着物料向前移动，物料之间极易粘结成大块，从而造成窑内的结球。因此提高固定碳粒的燃烧是煤粉燃烧器改进的关键。3 .多通道燃烧器的改进了解多通道燃烧器的流场分布是改进燃烧器的基础，因此合适的流畅状态和升温速率对劣质煤燃烧速率的提升特别有益1）直流风速度变化对燃烧器流场的影响图4直流风速度为300ms时出口5m的速度场图5直流风速度为250ms时出口5m的速度场直流风的速度一般为204-350ms,当直流风的速度较大时（图4）,由于其强烈的速差射流作用，使燃烧器的轴线位置形成较大的负压，造成旋流风与中心风形成的回流区消失，同时回流区延轴向延伸。而当直流风速度减小时（图5）其与旋流风的速度差减小，使燃烧器头部形成的负压减小，而此时，由于旋流风与中心风速度差很大，因而形成压力梯度更大的负压区。2）旋流风速度对燃烧器气相流动的影响图6旋流风速为160ms时的速度矢量图7旋流风度为200ms时的速度矢量当旋流风速度增大时，切向速度（动量）与轴向速度（动量）线性增大，因此，此时的旋流强度仅与其切向气流的旋转半径有关。而由于切向速度增加其旋转半径增大，因而其旋流强度增大，图中显示为回流区2,3沿切向外移3）旋流风角度对燃烧器气相流动的影响图8旋流角为20°时的速度矢量图图9旋统角为30°时的速度矢量图当旋流角增大时，其切向速度减小，轴向速度增大，因而旋流强度增大。对比旋流角分别为25°,30。（图8、图9）时的速度矢量图可以发现:旋流角增大时，其轴向速度衰减减漫，回流区1,2速度梯度减小，且沿轴线前移。因此，在实际的工业应用中可以通过控制直流风和旋流风来调整回流区1,2的形状和大小，使燃烧带温度集中的同时又不形成局部高温,同时，回流区1不宜过大，以避免煤粉火焰直接接触窑壁，有利于窑皮的形成。通过控制中心风和旋流风来调整回流区3的形状和大小，以满足稳定生产和劣质煤的燃烧。具体的措施应视具体清况