产业峰会 | 齐砚勇：烧成系统操作方法改进可促进水泥行业绿色发展
3月28日上午，由中国水泥网主办的“第十三届中国水泥产业峰会”顺利召开。西南科技大学副教授 齐砚勇为峰会带来了以《碳减排背景下烧成系统操作方法》为主题的精彩报告。
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我公司2号线为Φ3.2m×46m1000t/d RSP型窑外分解熟料生产线。2001年下半年以来一直存在窑内结蛋问题，导致fCaO合格率徘徊在30%～50%之间，严重影响了熟料质量。为此，我公司采取优化操作参数和降低煤粉细度等措施，但并没收到理想效果。2002年2月改用易磨砂岩配料后取得了较好效果，不仅熟料月产量突破3万t，而且熟料质量稳步上升。至2002年6月熟料fCaO合格率达到80%以上，3d抗压强度最高达到30MPa，月产量达30137t，窑内结蛋现象明显减少。
表1 结蛋期间熟料与大蛋化学分析及率值
表2 原燃料化学成分 %
表3 原燃料有害成分的测定 %
表4 改进前后生料200μm筛孔余物化学成分 %
表5 我厂不同矿点砂岩品位
表6 采取措施前后熟料产质量对比
1 结蛋原因分析
结蛋期间曾多次对大蛋样品进行化学分析，发现其中除SO3有时稍偏高在1.0%左右外，熟料率值波动基本无规律可言，见表1。
| 日期 | 样品 | 化学成分/% | 率值 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | fCaO | KH | KH－ | n | P | ||
| 10－20 | 熟料 | 23.32 | 5.27 | 3.05 | 65.56 | 1.83 | 0.74 | 1.96 | 0.855 | 0.825 | 2.80 | 1.73 |
| 大蛋 | 22.08 | 5.34 | 3.73 | 63.50 | 2.05 | 0.80 | 4.25 | 0.863 | 0.794 | 2.43 | 1.43 | |
| 10－26 | 熟料 | 22.42 | 5.48 | 3.05 | 66.35 | 1.94 | 0.70 | 2.96 | 0.896 | 0.849 | 2.63 | 1.80 |
| 大蛋 | 24.00 | 4.69 | 3.28 | 65.96 | 1.86 | 0.66 | 5.02 | 0.849 | 0.775 | 3.01 | 1.43 | |
| 11－27 | 熟料 | 23.21 | 5.27 | 3.62 | 63.97 | 1.80 | 0.96 | 2.00 | 0.831 | 0.800 | 2.61 | 1.45 |
| 大蛋 | 24.56 | 4.76 | 4.29 | 61.98 | 1.68 | 1.06 | 3.89 | 0.765 | 0.709 | 2.71 | 1.11 | |
| 12－18 | 熟料 | 22.64 | 5.20 | 3.16 | 65.08 | 1.65 | 0.89 | 1.55 | 0.874 | 0.849 | 2.71 | 1.65 |
| 大蛋 | 22.64 | 4.76 | 3.84 | 64.92 | 1.60 | 0.96 | 4.52 | 0.879 | 0.808 | 3.06 | 1.23 | |
我公司石灰石、硫酸渣、粉煤灰及煤来源单一稳定，其化学成分见表2。为了找到结蛋的原因，我们将结蛋期间的原燃料及生料委托省水泥质检站和国家水泥质检中心，进行了K、Na、S、Cl含量的测定，测定结果见表3。
| 原燃料 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 石灰石 | 3.88 | 0.65 | 0.28 | 51.67 | 2.12 |
| 砂岩 | 67.08 | 13.16 | 6.10 | 1.90 | 2.28 |
| 硫酸渣 | 25.38 | 1.27 | 51.37 | 5.26 | 1.98 |
| 粉煤灰 | 55.42 | 23.67 | 10.40 | 3.49 | 1.11 |
| 煤灰 | 55.87 | 23.67 | 11.30 | 2.22 | 2.05 |
| 原燃料 | K2O | Na2O | SO3 | Cl－ |
|---|---|---|---|---|
| 石灰石 | 0.12 | 0.04 | 0.06 | |
| 砂岩 | 0.67 | 0.30 | 0.08 | |
| 硫酸渣 | 0.87 | 0.41 | 2.14 | |
| 粉煤灰 | 0.85 | 0.28 | 0.46 | |
| 原煤 | 0.22 | 0.11 | 全硫0.62 | |
| 生料 | 0.43 | 0.10 | 0.48 | 0.007 |
由表3可见，原燃料中有害成分基本在控制范围，不是引起结蛋的原因。那么是不是跑煤或原料不稳定导致的呢？我厂原煤来源比较稳定，质量较好，灰分在22.64%左右，挥发分在27.86%左右，无论从现场观察还是生产数据均表明这不是一个主要原因；另外一个影响因素就是生料成分，但结蛋前后生料3率值合格率一直都在50%～60%之间，而以前未出现结蛋现象。在结蛋期间，我们试图通过调整生料率值和生料煤粉的细度来降低结蛋的次数，但效果不明显。值得一提的是结蛋期间降低系统温度，结蛋有所好转，但熟料fCaO较高，甚至跑黄料，为了杜绝黄料的产生，我们把熟料饱和比由控制0.88±0.02调整为0.86±0.02，结果料子明显偏软，预热器结皮堵塞，窑内长厚窑皮，通风不良，直接影响了熟料的质量。为此，我们进行了生料200μm筛孔筛余物化学成分的测定，测定结果见表4。
| 时间 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 2001－08～12 | 36.81 | 2.31 | 1.47 | 30.12 | 1.62 |
| 2002－02～06 | 19.66 | 1.30 | 1.13 | 41.43 | 1.80 |
从表4可看出，结蛋较频繁的8～12月生料200μm筛孔筛余物中SiO2含量明显升高。
从大蛋外观来看，属细小粉末聚结，当冷却后在极短的时间内体积膨胀粉化。可能的原因是，大蛋内存在较高的结晶SiO2，煅烧时难以化合完全，在结晶SiO2周围形成了一层β-C2S矿巢，当冷却后晶型转变为γ-C2S，体积膨胀，致使块状物粉化。大蛋内可能不含或含有极少的C3S，说明液相出现极少或时间极短，未使C2S进一步与CaO反应生成C3S。
大蛋出现位置为窑筒体二档至窑尾部分，此处属于熟料烧成的固相反应带。固相反应通过无液相间分子的渗透替换完成，物质结构的缺陷是固相反应得以进行的主要原因。在固相反应带，CaO与SiO2之间由于晶体缺陷而反应生成大量的C2S，晶体缺陷较大的物质发生固相反应放热后，就有可能出现多矿物低共融点，提早出现液相，而晶体结晶完整粗大的矿物难以煅烧，致使烧成带fCaO偏高，从而形成物料易烧性不一样。
通过分析，初步确定砂岩的不稳定是导致结蛋的主要原因。因受地理环境及需求量增大因素的影响，砂岩供应矿点较多，供应量品位及结晶状况也参差不齐。当时我公司共有6家砂岩供应矿点，砂岩情况见表5。
| 矿点 | 小北冶 | 柳条峪 | 赵林 | 黄花店 | 郭家台 | 潘家沟 |
| SiO2含量 | 82.04 | 65.48 | 67.82 | 73.20 | 75.60 | 66.48 |
| 结晶情况 | 结晶粗大、质地较硬，难磨 | 结晶粗大、质地较硬，难磨 | 质地疏松，易磨 | 结晶粗大、质地较硬，难磨 | 质地疏松，易磨 | 质地疏松，易磨 |
从我公司配料情况来看，生料中有相当数量的粉煤灰、砂岩组分。粉煤灰由高温煅烧而成，因此玻璃体含量较高，从结构上讲，玻璃体为微小晶体，晶格排列不整齐，因此较易发生固相反应，生成大量的C2S，放热，并在温度升高时，由于其自身发粘等特性而集结。而砂岩(结晶粗大的)矿物多以晶体存在，晶格排列整齐、稳定性较好，因而不易发生固相反应。
在配料中，当粉煤灰与砂岩配比接近时，晶体缺陷较大的矿物大部分与CaO反应，生成C2S，而具有完整晶型的矿物在同等温度下却不易反应。从而造成部分过烧，部分欠烧。过烧部分由于液相出现早集结成球，而欠烧部分只有在强高温下方开始反应，从而造成窑前fCaO较难控制，这种情况在煅烧中表现为后面长皮、结蛋，而前面fCaO较高。
2 改进措施
2.1 剔除硬质砂岩，改用易磨性好的砂岩
在采取措施前，检查生料磨级配时，发现磨内有部分大小如拳头的石头球。后经检验确认其为柳条峪砂岩，通过对各矿点砂岩进行全面分析后，剔除了小北冶、柳条峪和黄花店矿点，从而保证了原料易磨性的一致。通过分析生料200μm筛孔筛余物中SiO2含量明显减小。
2.2 降低出磨生料的细度
出磨生料细度80μm筛筛余<9.0%，提高SiO2表面活性，使砂岩与粉煤灰中的SiO2易烧性一致。
2.3 控制煤粉细度
煤粉细度由80μm筛筛余≤11.0%改为6%～8%。
2.4 优化烧成系统操作参数
在采取上述措施基础上，降低系统温度，特别是窑尾温度由原来的1020℃降为950℃。同时，降低入窑煤粉的风速，提高二次风温，拉出煤管，使煤粉与二次风提前接触，使火焰不易拉长，增大内风减少外风，促进风煤混合，提高煅烧温度。
3 效果
采取上述措施后结蛋次数明显减少，产质量有了较大提高，月产量达3万t以上，质量也较稳定，熟料产质量对比见表6。
| 时间 | 化学成分/% | 熟料率值 | 抗压强度/MPa | 产量 /万t | 结蛋 次数 | fCaO合格率 /% | |||||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | fCaO | KH | KH－ | n | P | 3d | 28d | ||||
| 2001－08～12 | 22.62 | 4.70 | 3.32 | 64.46 | 2.53 | 1.93 | 0.877 | 0.847 | 2.83 | 1.42 | 18.0 | 48.9 | 13.22 | 150 | 47 |
| 2002－02～06 | 22.93 | 4.87 | 3.05 | 64.18 | 2.58 | 1.27 | 0.879 | 0.858 | 2.83 | 1.59 | 27.1 | 59.2 | 15.07 | 5 | 85 |
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