南方水泥低热值煤在生产中的应用

  摘要：低热值、劣质燃料在水泥生产中的使用会产生熟料煅烧困难、窑系统运行不稳定以及能耗上升等问题。如何使用低热值和劣质燃料，降低生产成本，保持窑系统稳定运行并保证熟料产、质量是很多水泥企业需要解决的问题。该文根据相关实践，在技术改造、设备选用、工艺参数调整、过程控制等方面进行了探讨，提出了相应方法。

  1 前 言

  燃料质量不仅影响水泥熟料煅烧的产量、质量，而且直接关系到水泥生产成本的高低。当前水泥产能快速发展，能源紧缺问题日益突出，煤炭价格逐年上涨，充分利用新型干法分解窑炉技术利用低热值、劣质燃料是水泥工业面临的重要课题之一。

  低热值、劣质燃料具有高灰份、低挥发份、固定碳含量低、燃点高、燃烧速度慢等特点，在水泥生产中的使用会产生熟料煅烧困难、窑系统运行不稳定以及能耗上升等问题。如何使用低热值和劣质燃料，降低生产成本，保持窑系统稳定运行并保证熟料产、质量是很多水泥企业需要解决的问题。本文根据南方水泥的相关实践，在技术改造、设备选用、工艺参数调整、过程控制等方面进行探讨，提出如下具体方法。

  2 采用风扫磨进行粉磨，降低煤粉细度

  煤粉的燃尽时间正比于颗粒直径的二次方，煤粉燃烧时，煤粉细度越小，煤粉比表面积越大，煤粉与空气中氧气的接触面积也越大，可降低燃点，燃烧也就更容易。在使用低热值和劣质煤时，降低煤粉细度尤为关键（建议控制在≤2%）。低热值和劣质煤灰分高（＞35%），矸石含量大，易磨性差，若采用立辊磨进行粉磨，吐渣现象严重，很难达到所需细度，而采用风扫磨（管磨）则能保证细度达到要求。选用风扫磨时要充分考虑煤磨的能力，现代化大型风扫煤磨由于系统简单，技术可靠，运转率高，配合高效选粉机调节灵活方便等优点被普遍采用，而且规格日趋大型化，此也是针对粉磨低热值劣质及无烟煤的要求。风扫煤磨系统烘干能力一定要和粉磨能力相匹配，即根据原煤易磨性和水份增缩粉磨仓和烘干仓长度，否则将制约系统产量，在原煤水份大的情况下，尽量提高入磨温度和出磨温度，出磨温度控制在75～80℃。

  3 提高二、三次风温，保证煤粉燃烧起火温度

  煤粉燃烧时，煤粉周围的空气温度越高，煤粉燃烧越容易。新型干法窑外分解窑炉煤粉主要分入窑头和分解炉内燃烧，窑头和分解炉的助燃空气和空气温度均由篦冷机的二、三次风提供，而二、三次风温的高低直接影响煤粉燃烧的速度和燃烬率。决定二、三次风温高低的关键是篦冷机冷却的热交换效率，重视篦冷机的操作，增加篦冷机热端料层厚度，控制各段篦下压力，保证篦冷机风机风门开度合理，加风先加高温段风量，后加低温段风量（减风则相反），在降低出篦冷机熟料温度的同时提高二、三次风温。一般要求出篦冷机的二次风温在1100～1200℃，三次风温≥950℃较为合理。篦冷机的技改一定要和窑炉系统结合起来考虑。目前新型步进式模块化篦床加中置辊式破碎机的篦冷机系统，较好地解决了二、三次风温的问题。

  4 热分解系统改造，保证煤粉和物料停留时间

  低热值和劣质煤易燃性差，燃烧和燃尽需用时间比正常烟煤要长，控制不当容易出现煤粉在分解炉内燃烧不尽，部分煤粉到五级筒内再燃烧的现象，导致五级筒和分解炉温度倒挂，分解炉缩口和C4筒下料阀的结皮积料和塌料现象，直接影响预热器系统的安全（尤其是2006年前的生产线分解炉容积较小，物料在炉内停留时间只有不到3秒），因此，要对预热器分解系统进行必要改造。

  系统改造措施有：窑尾各级下料管撒料装置改造，提高窑尾预热器的换热效率，降低C1筒的出口温度。下料管也需做相应调整，并对C4筒入炉物料分料进行必要改造。通过延伸分解炉上升管道或分解炉扩径，增加分解炉有效容积，调整分解炉煤粉燃烧器位置（下移），达到提高分解炉的气体停留时间（4.5秒以上为宜）和分解炉主燃烧区内的燃烧温度，缩短煤粉的燃尽时间，确保分解炉内煤粉完全燃烧，提高入窑物料的分解率。

  系统的密封堵漏也必须重视。系统漏风致冷风掺入，首先造成预热器系统温度、风速和分离效率降低，总用风量加大，被迫采取提高高温风机转速来满足窑内正常煅烧，从而使高温风机负荷增大、电耗增加；其次是减少了由篦冷机进入窑内的二次风量；篦冷机的漏风则降低了二、三次风温，使窑头煤粉不完全燃烧或火焰变长，造成窑内结圈、结蛋，篦冷机堆“雪人”等。

  系统漏风点除窑门罩、窑头、窑尾密封及篦冷机检查门、检修门外，还有预热器各级下料翻板阀的内漏风及各级检修门、孔等部位。

  使用低热值煤时，必须保证风煤混合充分，窑尾的O2含量要控制适当偏高，C1筒出口的O2含量较使用正常烟煤时高1%，约在5～6%，保证氧化气氛，减少或避免还原气氛对熟料煅烧及产质量的影响。C1～C4出口温度在满足物料分解换热状况下偏低控制，防止结皮产生。C5出口温度控制在＜900℃，比使用烟煤时高10～20℃。

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  5 选择大推力窑头燃烧器   保证火焰形状控制符合煅烧要求

  现代新型干法窑外分解系统窑头采用多通道煤粉燃烧器，这种燃烧器需要两种风：一种是煤风，用于煤粉输送；另一种是净风，用于控制调节火焰形状和强度，为煤粉燃烧提供足够的动量或推力。净风按照在煤风的外面和内部又可以分为内风和外风。煤凤和净风风之和称为一次风。

  理想的煤粉燃烧器，要能产生足够高的火焰温度，火焰温度稳定，保证风煤混合均匀，燃烧完全，减少CO生成，降低一次风量，最关键是能方便地调节火焰形状符合熟料煅烧需要。

  新型大推力燃烧器能利用内轴流风和内旋流风二者的风速和风压调节配合，形成由煤粉燃烧器里圈喷射出来的气体形成不同的旋转速度和扩散的角度，便于根据煤质的变化情况对火焰的长度和形状进行无级调整，得到需要的火焰形状，调节可以利用内轴流风和内旋流风的阀门大小改变风压进行调整，也可以通过改变内轴流风的开度大小和内旋流风的缝隙大小来改变风速调整，火焰形状大小可以在煤质变化时保持窑内煅烧需要的形状。同时还可以对外轴流风的风量和风压进行调整来保证火焰形状符合要求。

  所以要适应低热值和劣质煤燃烧应该采用低一次风量大推力的新型窑头燃烧器，更换窑头一次风机，提高一次风机风压。一次风率（煤风＋净风）以小于7%为宜，其中煤风约占30%，净风约占70%。

  6  加强过程控制与操作

  要保证低热值煤的正常使用，加强过程控制与操作很有必要，应从如下几点着手改进：

  （1）加强原煤的均化，低热值和劣质煤普遍存在矿点多，来源杂等情况，为此，减少煤质波动显得尤为重要，水泥企业应采用煤预均化堆场。

  （2）调整窑头、分解炉（即头、尾）煤的比例，适当提高头煤用量和适当减少尾煤用量，在稳定控制煤粉细度的前提下使头煤快速充分燃烧，消除窑内还原气氛，提高窑前清晰度，加快分解炉煤粉燃烧。同时合理控制入分解炉上下分料比例，逐步增加下部分料，防止温度过高产生结皮，保证分解炉的热工制度稳定。

  （3）注意调整燃烧器各参数

  当二次风温达到1100℃以上及低热值和劣质煤煤粉的细度很细时，头煤比例增加易出现黑火头过短，烧成带缩短，窑前筒体温度升高等现象，此时燃烧器内旋流风适当变小，强化外轴流风，控制火焰形状，提高火焰温度，消除头煤增加后煤粉燃烧不完全现象。燃烧器定位适当，以防止煤粉过细存在爆燃情况而造成窑前3～7米处温度偏高，导致主窑皮不稳定和损坏耐火砖。

  （4）生料控制和配料方案

  煤料对口是熟料煅烧的基础，在使用低热值和劣质煤时，生料细度要适当降低，主要控制0.2mm筛余＜1%，同时熟料三率值控制在：KH：0.90～0.92；SM：2.6～2.7；IM：1.5±0.1；从而确保窑况稳定和熟料产质量、热耗处于正常水平。石灰石最好采用预均化堆场进行均化，以保证生料成分均匀。

  （5）耐火材料的改进

  低热值和劣质煤在燃烧中因细度细，窑头易形成集中火焰和爆燃，使烧成带缩短，主窑皮不稳定，因此烧成带应适当减少镁砖长度，过渡带稍长，应选用抗热震稳定性好，抗炸裂、抗剥落的刚玉砖替代。

  7 案例介绍

  笔者公司一条2500t/d熟料线，于2005年10月投产，一直使用烟煤，标准煤耗、熟料综合电耗等经济技术指标不甚理想，为降低烧成热耗，降低生产成本，提高企业竞争能力，经前期充分调研论证，于2012年4月份针对使用低热值煤对该线烧成系统进行了节能优化改造，主要改造内容如下:

  （1）煤磨由立磨改为管磨；

  （2）分解炉扩容，鹅颈管加长，总容积增加 800 立方米；

  （3）篦冷机高温段增加挡墙，前面四台充气梁风机加大，确保稳定厚料层，提高二、三次风温；

  （4）新建了Φ80米石灰石预均化堆场及堆取料机；

  （5）改进原煤堆场堆取料机；

  （6）窑内应用新型低导热砖；

  （7）加强了分解炉的保温；

  （8）窑头应用大推力燃烧器；

  （9）优化自动化及控制系统；

  改造后系统运行稳定，不但克服了原煤杂、热值低（小于5000大卡）的不利因素，而且各项技术指标均超过设计指标，实现了百分之百使用低热值无烟煤；熟料标煤耗由改造前的119kg/t下降到108kg/t以下；熟料28天抗压强度由59MPa提高到61.5MPa；熟料综合电耗由61.5kWh/t下降到58.5kWh/t；为企业创造了可观的经济效益。

  8 结束语

  随着能源资源的逐渐减少和环境污染的日益加剧，如何高效利用低热值和劣质燃料，降低对优质煤炭的依赖度，已是水泥工业必须面对的课题。实践证明，只要对关键环节进行合理改造，通过科学控制和规范操作，现代新型干法窑完全能够使用低热值和劣质燃料进行熟料煅烧，保证优质低耗高产。