无烟煤在新型干法水泥生产线上的应用

长期以来，新型干法水泥生产大都使用优质烟煤进行生产，随着我国经济的发展，能源持续紧张，优质烟煤价格一路攀升，在烟煤价格攀升的同时，其质量反呈下降趋势，而无烟煤由于挥发份偏低，价格相对便宜，有效利用无烟煤替代部分烟煤进行水泥生产，对降低企业生产成本具有较大作用。 
   
 煤的等级分类:
    
煤一般可分为以下四类：无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤。其中无烟煤又分为：亚无烟煤、无烟煤、半无烟煤三类。烟煤分为：低挥发份烟煤、中等挥发份烟煤、高挥发份烟煤A、高挥发份烟煤B、高挥发份烟煤C、烟煤六类。次烟煤分为：次烟煤Ａ、次烟煤B、次烟煤C。褐煤分为：褐煤Ａ、褐煤B。
   
 无烟煤与烟煤的主要区别在于无烟煤挥发份较低，由于挥发份较低，不易着火。
   
 一、煤的燃烧燃烬特征
   
 煤在生物化学阶段的形成条件不同，相同等级，但来源不同的煤，可能会有不同的特征，我国的原煤主要形成在石碳纪，相对二叠纪形成的原煤活性要好。我国南方产煤区地质结构复杂，其煤质也复杂。
   
 煤粒子的燃烧可以被看成是两个连续的反应过程。
    
一是挥发份的排出和燃烧:煤粒子被加热，挥发份排出，挥发份排出的气体一般具有较低的着火温度，极易与周围的空气混合并达到着火温度迅速燃烧，挥发份的排出量取决于煤的种类和加热速度。一般来说，挥发份的排出和燃烧很快家可以完成，其数量级小于0.1秒。挥发份排出后的残余物质近似一种疏松的焦炭粒子。也就是说烟煤和无烟煤在挥发份排出后都近似一种疏松的焦炭粒子。
    
二是焦炭粒子的燃烧:焦炭粒子的反应速率可受化学反应速率控制（化学控制）或受边界层速率控制（扩散控制），焦炭粒子的燃烬时间比较长。焦炭粒子的燃烬时间取决于下列因素：
    
1、粒子的孔隙率（取决于每个品种的优劣）
    
2、焦炭粒子的粒径  dp
    
3、氧的分压        O2%
    
4、温度            t
    
各因素的影响程度取决于反应是化学控制的还是扩散控制的，化学反应的速率随温度的增加而增加，就焦炭粒子的燃烧温度来说，当温度上升大约70℃时化学反应速率将提高一倍。边界层中的扩散速率也随温度的增加而增加，但速度相对较慢，在高温范围内，燃烧时扩散控制的烟煤和无烟煤的燃烧反应速率之间的差异不明显，在中等温度控制范围内燃烧时由化学控制的，两者之间则存在明显的差异。
   
 回转窑燃烧器的高温燃烧是扩散控制的，分解炉的中等温度燃烧则是化学控制的。
   
 基于以上原理我们分别探讨一下无烟煤在窑头燃烧器及窑尾分解炉的燃烧情况。
   
 二、无烟煤在窑头燃烧器的使用
    
新型干法水泥生产线装备有现代化的燃烧器，现代化的燃烧器配备有适当的火焰调节装置，可以使无烟煤没有任何问题地在窑头进行燃烧。
    
燃烧器的作用不仅仅是输送和分布煤粉，更主要的是保持火焰的理想长度和合适的气体流场。火焰的长度对于新型干法窑来讲十分重要，火焰如果过短，煤的潜热只能在较小体积内释放出来，火焰的温度就会在局部变得很高，相反，如果火焰长度加长，温度就会下降。火焰的长度主要靠燃烧器的推动力进行控制。
    
燃烧器的推动力=一次空气（kg/s）×燃烧器尖端风速（m/s）
    
当燃烧器推动力加大时火焰长度缩短。
   
 原煤的种类对火焰的长度并不十分重要，只要求单个煤粒子的燃烬时间小于其在火焰中的停留时间即可。
   
 如果目标是让无烟煤与烟煤保持相同的火焰长度，那么就必须对煤粉的燃烬时间进行补偿。简单的做法就是将无烟煤磨得更细一些。
   
 高温二次风将会快速加热进入燃烧器的煤粉的挥发分快速排出，煤粉一经离开燃烧器端部，焦炭粒子就会点燃，因此冷却机的使用效果将对无烟煤的使用产生一定影响。
    
在回转窑窑头燃烧器上使用无烟煤需要保证如下条件：
    
1）煤粉能达到足够的符合要求的细度，以保证燃烧和火焰形成。
    
2）控制可靠稳定的煤粉喂料。
    
3）燃烧器的一次分必须具有足够的推动力并可调节。
    
4）燃烧器必须能够在燃烧带产生有充分内部循环空气的火焰，以保证无烟煤尽快点燃。
    
5）在启动冷窑或窑况不正常时利用烟煤或燃油辅助燃烧。
    
三、无烟煤在分解炉的使用
   
 分解炉的作用是在固相悬浮于热气体的条件下完成碳酸盐的分解吸热反应。
    
CaCO3=CaO+CO2↑
    
在所提供的热量不能使生料完全分解的情况下，分解过程可按CO2的分压达到某一平衡状态考虑。一般来说分解炉的平衡状态温度处于850～900℃范围。分解炉内的温度分布与下列因素有关。
    
1）燃烧成气相视的放热速率。
    
2）由气相传给固体生料粉的传热速率。
    
3）生料颗粒分解时的吸热速率。
    
与使用烟煤相比，由于无烟煤挥发份较低，因此需要一个相对较大的分解炉，以期获得相同的生料分解率和相同的煤粉燃烬程度，或者要求一个较高的操作温度，或者将无烟煤磨得更细一些。
    
当三次风温较低时，无烟煤挥发出来的气体往往不能产生足够的热量使温度升高。，所以将煤粉直接喂入温度范围通常在1000～1200℃的上升烟道废气中可确保煤粉燃烧。
    
另外需要提出的是燃烧速度和燃烬时间还取决于烟气中的O2含量，用较高的空气过剩系数操作分解炉时刻缩短燃烬时间，但通常增大空气过剩系数的做法将会增加通过预热器的气体流量。为此将造成较大的压差和较高的废气温度，从而使窑主排风机的负荷增大，整个窑系统的单位热耗也将有所增加。
   
 改变生料喂入方式是相当重要的，采用无烟煤操作时，无烟煤与生料粉的混合最好能有适当的滞后时间，以保证无烟煤的点燃，因此对喂入分解炉的生料需要进行分级控制，以便使分解炉底部形成一个相对高温区。判断生料在分解炉内是否达到预期的效果，最好的办法是检测入窑生料分解率，如果入窑生料分解率达到了预期效果，说明无烟煤在分解炉内的燃烧是合适的。
    
四、无烟煤的具体使用
    
双峰海螺水泥有限公司无烟煤使用攻关，在经历多次反复后终于成功地在窑头燃烧器及窑尾分解炉使用无烟煤，使无烟煤的使用量超过原煤总量的一半。由于双峰公司当地烟煤质量较差，熟料产质量一直难以提升，通过搭配使用当地优质无烟煤，熟料的产质量得到了提高。
    
在使用无烟煤时主要采取了以下成功做法：
    
1）合理制定无烟煤采购指标。
       
分析认为无烟煤不易着火，因此采购无烟煤时应尽量提高无烟煤的热值，以弥补其挥发份不足的缺陷。
       
由于无烟煤质量相对较好，无烟煤单位发热量高，也有利于其在窑头燃烧器及窑尾分解炉的尽快点燃，快速燃烬。
    
2）控制合理的煤粉细度。
      
 在全部使用无烟煤时，煤粉细度与烟煤相比要降低。
    
3）合理调节窑头燃烧器，加大一次风推动力，控制火焰形状，保证无烟煤快速燃烬。
    
4）做好煤料对口工作，防止因原煤转换造成产品质量波动。
    
5）由于无烟煤易磨性往往差于烟煤，合理控制原煤水分，有利于磨机产量稳定。

    
既然无烟煤采取一定的措施能够与烟煤几乎一样燃烧，那么我们在采购原煤时就应遵循以下原则保证使企业获得最大的经济效益。
    
1）购原煤首先考虑发热量的大小，花最少的钱获得最大的发热量。
    
2）其次注意挥发份对窑适应性的影响，保证可以获得适当的火焰，也就是说工艺是否适合。
    
3）考虑硫的影响，然后合理地将这些原煤分配到不同的工厂。