低值煤煅烧优质水泥熟料

1、低值煤煅烧优质水泥熟料西南科技大学 齐砚勇 封培然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）代替优质烟煤煅烧水泥熟料，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

2、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5000kcal/kg，挥发分并不很低(20)而灰分高(28)的煤。低挥发分煤一般是指灰分不高(25)，发热量不低(5000 kcalkg)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

3、，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，不同窑型煅烧水泥熟料的微

4、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 图2液相分布富裕区域的A矿，尺寸巨大、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矿晶体浸蚀程度较重 巨大的A矿晶体浸蚀程度较重 图5 A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200X

5、 1%硝酸酒精浸蚀，反光200X 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 图2结晶规则的短柱状A矿 1%硝酸酒精浸蚀，反光200X 1%硝酸酒精浸蚀，反光200X 图3 A矿晶体不规则，晶体尺寸普遍 图4 A矿晶体不规则，晶体尺寸普遍偏小 偏小

6、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%-14%(不包括煤粉送风量)，在三通道燃烧器的基础上PILARD开发了新一代Poatflam多通道燃烧器，其一次风量进一步下降

7、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400 m/s，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0.1-0.2 MPa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

8、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（%）Qnet.ad（KJ/）湿法回转窑，悬浮预热器窑、预分解窑<2818-30>20900立波尔窑<2518-30>22990立窑<

9、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。 (2)低发热量燃料，如褐煤、石煤、煤矸石、油页岩等。 (3)高灰分燃料，如石煤、煤矸石、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：(1)着火性能下降。图1 着火温度随升温速率变化趋

10、势图(2)燃烧稳定性降低。图2 稳燃指数随升温速率变化趋势图(3)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4 TG一DTG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。(1)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，d WldT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

11、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(3)燃尽特性指数Cb式中，f1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0.98-f1，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

12、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（min）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傅氏通用着火指数4.916.392.330.420.07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/min）333.46（50/min）139.211

13、32.32224.18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

14、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300m/s时出口5m的速度场 图5直流风速度为250m/s时出口5m的速度场直流风的速度一般为204-350m/s，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

15、对燃烧器气相流动的影响图6旋流风速为160m/s时的速度矢量 图7旋流风度为200m/s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

16、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而定，一般清况下，为满足新型干法水泥生产工艺快烧决冷的要求，应方查当增大旋流风角度，使煤粉燃烧温度集中，为燃用劣质煤，应在增强旋流风速、旋流角的同时，适当减小中心风速，以增强高温烟气的回流，提高煤粉温度，为满足稳定生产则应控制中心风，以避免燃烧器的高

17、温损坏，而对于降低NOx的问题，则可采用与劣质煤燃烧的类似手段，增加高温烟气的回流，以减小O2的浓度，从而减少NOx的生成量。图9 卷吸率与轴向风的关系图9是PYRO-JET燃烧器外风速度为150,200,250,300,350 m/、时卷吸率随射程变化规律，结果表明:卷吸率总是随着外风速度的提高而提高。但是，当外风速度从300 m/ s升高到350 m/ s时，其卷吸率整体变化较小。因此，本文认为该类燃烧器的外风操作速度宜控制在300 m/ s左右时为最佳。图10 气体等温线、CO组分等值线在轴向剖面上的分布图当燃烧无烟煤时，煤粉自喷煤器喷出后，着火点的位置明显偏后，黑火头长度近似是优质烟煤

18、的两倍多(3.3m左右)，而贫煤的着火位置与烟煤比较接近(1.lm左右)。随着煤质变差，燃烧火焰核心区域(烟气温度高于1800区域)的轴向长度明显加人，如无烟煤的燃烧火焰核心区的轴向长度约为35d，而燃烧烟煤时约为12d，贫煤与烟煤在火焰核心区内的温度分布也存在明显的差异( 20d)。火焰核心区拉长，表明火焰的热力强度降低。煤质变差时，烟气的初始升温速率较小，如燃烧无烟煤时，烟气温度从500660升温到1750所需窑长约为13d，而烟煤最多不会超过2. 5d;燃烧后期，无烟煤的烟气温度变化仍不断地进行，而烟煤的温度变化就相对减弱。总之，无烟煤的燃烧过程相对比较平缓。图11 回流区域与回流量在煤

19、粉燃烧器出口附近，由于运动的不稳定性，使得旋涡的轴线不断来回波动，回流区域难于掌握，为了确保测试精度，本实验采用了流场显示与热线检测相结合的研究方法，即用流场指示边界，再测定相应的速度值，以测出的负速度及回流区域积分得回流量，并以理论模拟结果作为参考，其回流区域和回流量如图11所示，回流量是回流区中的回流体积流量与一次风体积流量之比。由图可见，回流区的长度大约为0.6d，与一般燃烧器的黑火头长度基本相当，由此可以粗略地看出回流区在煤粉点火及火焰稳定中所起的作用;回流量的最大体积流量约为一次风量的4.5%左右，一般来说回流量的大小是煤粉燃烧器设计中需要重点考虑的参数，尤其是用于燃烧劣质煤的煤粉燃

20、烧器该点更为重要，回流量太小，影响燃烧的稳定性，回流量太大，易于烧坏喷嘴及产生不必要的动压损失，甚至根本不能用。图12 奥地利 双通道喷煤管图13 史密斯新型双调节伸缩式Duoflex喷煤管分析新型的大推力喷煤管，它具有适应劣质煤的明显特征：采用了环形通道射流，其射流厚度明显增加，火焰刚度增加，使火焰的热流分布和熟料煅烧要求达到较好的匹配，有利于提高熟料的产量和质量；全部的一次净风作为燃烧器外套管冷却风量使之得到充分冷却，减缓了因过热变形导致浇注料应力增加速度，减缓了损坏的速度；采用了可调式旋流器；取消了传统燃烧器旋流风和直流风调节阀，不改变一次风量的同时，可调节旋流强度和出口动量，降低一次风

21、用量，可明显节约一次风机电耗；由于增加了环形射流厚度，新型双通道燃烧器可延缓煤粉和二次风混合速率，降低火焰峰值温度和调节了火焰高温中心的位置，有效地延长烧成带耐火砖寿命。劣质煤的燃烧是水泥工业一个长期研究的课题。其中低挥发分煤由于其挥发分少，着火点高，燃烬时间长，给燃用劣质煤造成了很大的困难。在使用低挥发分劣质煤燃料时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发分燃料一般具有较高的着火点，挥发分燃烧所产生的热量不足以使炭粒加热到着火温度而使燃烧持续进行。确保低挥发分煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量，使下游炽热的燃烧产物回流到火焰根部以提高该处一次风和煤粉温度。4采用富氧燃烧富氧燃烧器作为一

22、种新型燃烧器，其结构具有特殊性。相对于其他燃烧器而言，设置了局部富氧通道，夹心风喷口以及内缩程度不同的十字钝体。富氧喷嘴除了需要在常规状态下具有良好的性能之外，还需要在非常规工况，即煤粉富氧直接点火工况下具有良好的稳压稳燃性能。因此，对富氧喷嘴进行冷态空气动力场试验，并结合数值计算，研究在不同工况下的空气动力场的规律具有重要意义。富氧燃烧器的流场中出口附近的回流区形状与理论情形基本一致，回流区纵向宽度经历了一个从小到大再到小的过程，最宽处达到了150mm左右，回流区轴向长度约为350mm左右，这与一次风全开工况的情形基本一致。回流区内轴向中心线的轴向速度变化趋势。从上述两图可以看出，零速度边界

23、和轴向中心线速度变化曲线趋势基本一致，并且符合一般的回流区形状以及回流区内速度场的基本规律。随着一次风开度的加大，回流区的形状和轴向长度基本没有发生变化，但回流区内负向速度有所增大，从而导致回流量增大，有利于卷吸高温烟气，稳定燃烧。从开度为50%和100%的空气动力场试验数据，结合对多工况的数值计算结果，能够表明在不同开度下在喷嘴出口形成的空气动力场结构基本一致，动力场结构良好，喷嘴结构合理，具有良好的稳燃效果。基于这点，在进行煤粉富氧直接点火时，可以适应多种一次风量的工况下进行试验;在实际热态运行时，由于喷嘴具有良好的稳燃能力，因此可以在多工况特别是在低负荷条件下稳定煤粉燃烧。 煤粉富氧直接

24、点火时喷嘴必须具备良好的回流区，以卷吸高温烟气稳定煤粉气流着火。但在正常热态运行时，则需要开启夹心风以防止烧坏喷口，因此设置夹心风的主要作用即破坏喷嘴回流区，延迟煤粉气流着火，把钝体尾部高温区域向远离喷嘴方向推移，从而保护喷口。煤粉富氧燃烧和直接点火的意义总体上表现为节能和环保两个方面。和传统的燃烧相比，富氧燃烧由于氧浓度的提高，燃烧特性有了很大改变，主要体现在以下几个方面。1.降低着火热和着火温度，有利于燃料的点燃，为煤粉富氧直接点火创造了条件;2.加快燃烧速率，提高燃烧温度场，促进燃料燃烧完全;3.降低过量空气系数，减少烟气排放量和排烟损失;4.提高炉膛温度，强化炉内传热;5.改进燃烧，特别是对低发热值的燃料。 富氧燃烧作为一种新型的燃烧方式己经越来越受到人们的重视。对于煤粉燃烧，采用富氧燃烧方式有提高能源利用率:采用富氧气体作为氧化剂，可以减小过量空气系数，即氧化剂的体积，一般来讲，在空气条件下燃烧需要20%的过量空气。而纯氧燃烧则只需