高硫煤用于预分解窑煅烧的若干问题探讨

高硫煤用于预分解窑煅烧的若干问题探讨

回顾了高硫煤用于水泥预分解窑煅烧燃料的技术难点和已经开展的研究工作，分析了硫挥发的原理和减轻硫挥发的方法，介绍了减少结皮堵塞的几个设计特点。论述了水泥厂高硫煤应用中的热点问题，包括过剩空气系数与局部还原气氛、燃烧器的结构与火焰调节、游离CaO的出现、高硫煤对烧成过程中液相的影响等多个方面。

预分解窑；高硫煤；硫循环；气氛；燃烧器

1 前言

高硫煤是指全硫含量（St,ad）大于2%的煤种，因其具有很大的区域价格优势，在水泥工业的经济价值不容忽视。使用高硫煤作为水泥熟料煅烧燃料，熟料烧成过程中被吸收的硫超过一定量后会对水泥熟料质量产生不良影响，继而可能对硅酸盐水泥的主要性能如凝结时间、强度等产生影响；硫在窑系统的循环富集会使烧成设备结皮、结圈甚至堵塞等，使生产无法连续进行[1]。为了更好地了解高硫煤燃烧对熟料形成过程的影响，致力于解决高硫煤用于水泥行业存在的热点和难点问题，水泥工作者研究了硫含量对水泥熟料烧成和矿物组成的影响[2-3]；剖析了硫在熟料中的存在形式及其分布状况[4]，分析了结皮、结圈矿物的成分[5-6]，探讨了解决结皮、结圈问题的可行性措施[7]；讨论了使用高硫燃料情况下的工艺和装备技术[8]以及适用的耐火材料[9]。

本文结合笔者多年来的理论研究和工程实践，对高硫煤用于水泥厂的各种问题进行讨论，并提出解决方法。

2 硫循环及应对思路

在预分解窑系统中，由燃料引入的硫分别在窑头和分解炉内燃烧生成SO2，可以被碱性氧化物和氧化钙吸收生成硫酸盐。其中，部分硫酸盐在高温带分解，释放出的SO2气体随窑气向窑尾运动，到达最底两级预热器等较低温度区域时，冷凝在温度较低的生料上，并随着生料一起进入窑内，然后又被吸收生成硫酸盐，从而形成预热器和窑之间的硫循环和富集。未分解的硫酸盐随熟料从窑头落至篦冷机内冷却，成为熟料成分。

造成预分解系统结皮堵塞的原因很多，硫、碱、氯等挥发性物质会加剧结皮、堵塞的发生。预分解窑最底级旋风筒下料管、窑尾烟室以及回转窑分解带温度较高部位的结皮、结圈和结球，很多是由硫酸盐及其复合化合物引起的。

解决高硫煤带来的问题最理想的方法就是减少硫挥发，将硫尽可能地固化于熟料中。当然熟料中SO3含量不能高于国标GB/T 21372-2008规定的上限值1.5%。K2SO4、Na2SO4以及一些复合硫酸盐比较稳定，不易分解，而CaSO4较容易分解。在氧化气氛下，CaSO4在温度较高情况下（如温度高于1200℃）直接分解，发生反应（1）。在还原性气氛下，CO气体的存在会使CaSO4的分解机理变得复杂，较低温度下（如1060℃）就可以发生反应式（2）和（3）；如果存在未燃尽的煤粉落在物料上，则会发生反应（4）。一般认为水泥窑烧成带温度下，硫酸碱是可以稳定存在的，但在还原气氛下也可能发生反应（5）和（6）。

窑内硫的挥发主要来自CaSO4的分解。硫的挥发系数ε与窑的操作条件包括窑内氧气浓度、温度及在窑内停留时间等有关。针对反应式（1），由葛尔德堡—瓦格质量作用定律，基于各反应物浓度的平衡常数K可由式（7）决定。在温度一定的情况下，K是一常数；随着氧气浓度增加，硫挥发系数∈降低。

温度升高，停留时间增加，硫挥发系数ε增加。提高窑转速是缩短物料在窑高温区停留时间的方法之一。硫挥发系数ε也与物料中硫碱比相关，氯的存在也会对硫循环起到促进作用。

除了减轻硫的挥发，旁路放风可以破坏硫循环。但实践表明，在SO2循环和富集的区域内旁路放风对减弱硫循环的效果很有限。另外，一些设计特点可以使烟气中的硫更容易凝结在物料上，不容易凝结在烧成设备上，从而避免了粘结堵塞。目前主要可行的方法是安装料幕，以改变物料分布，其关键在于保证物料均匀分散。另一种方法是将倒数第二级旋风筒的下料分出一部分，从回转窑烟室上方用压缩空气直接喂入，使物料得到充分分散，通过摸索分料比例，控制烟室温度在适宜范围内，SO2由气态转变为液态快速凝结在冷生料上，可有效降低烟室温度，从而缓解或消除烟室的结皮，保证熟料生产的稳定运行。

3 热点问题

针对高硫煤做水泥厂燃料，笔者就窑内通风与燃烧器风煤配合、主燃烧器的布置和火焰形状调节、过高的游离氧化钙含量、液相表面张力太小导致的飞砂料这几点做了深入探讨。

3.1 过剩空气系数与局部还原气氛

根据分解反应式（1），O2浓度增加，硫挥发系数∈降低，因此增加窑的过剩空气可以减少硫的挥发。但必须注意的一点是，确保窑系统整体空气过剩可能起不到理想的效果，必须避免局部低氧气氛或者还原气氛。窑尾烟室氧含量为8%是不是就意味着不存在还原气氛呢？未必。如果煤粉过粗或者燃烧器风煤混合不佳，局部还原气氛还是可能存在的。煤粉颗粒太粗，未燃烧的煤粉就会裹入物料继续燃烧，导致局部范围内出现还原气氛，大大增加这个区域硫的挥发系数。而主燃烧器一次风动量不足就会导致风煤混合不佳，据文献报道[10]燃烧器动量要超过10N/MW才行。

表征燃烧器性能的一个通用指标就是动量与热负荷的比值，单位为N/MW，用来指示燃烧器射流的轴向能量与烧成带热负荷的比值。尽管整体计算过程比较冗长，轴向动量可以用下式[11]估算（在评估多通道燃烧器性能时，一般不考虑送煤风）。

式中：

PA%——燃烧器一次风的比例

VPA——燃烧器一次风离开燃烧器头部时的轴向速度分量

水泥窑使用替代燃料可以降低水泥生产燃料成本，减少温室气体排放。替代燃料可以从不同的喂料点进入水泥生产线。当从上升烟道或者从窑尾烟室喂入大块替代燃料时，一些替代燃料掉进窑尾烟室料层上继续燃烧，导致局部还原气氛的出现，硫循环加剧，在分解炉和底级旋风筒形成坚硬硫结皮，也会导致熟料大球产生。

3.2 主燃烧器和火焰调节

燃烧器的位置要尽可能地保证物料料面受热均匀。将主燃烧器沿着窑的轴线布置，可使煤粉颗粒在接触到物料颗粒之前有更长的时间参与燃烧，避免还原气氛的出现，而且火焰远离物料层会减轻硫的挥发。但是也要避免火焰离物料表面太远而偏向窑衬内壁，火焰射流则会碰撞窑皮，从而烧坏窑皮和窑衬。

燃烧器端部伸到窑口的距离也是一个很重要的操作参数。燃用高硫煤的情况下，最理想是燃烧器端部与窑口齐平，这可能有三方面的好处：其一，入窑二次风的速度矢量沿着窑中心线和垂直窑中心线的方向有两个分量，远离窑口垂直分量变小。在窑口处，垂直分量较大，会带动火焰头部远离料层。其二，燃烧器端部与窑口齐平可以减少物料在高于硫挥发温度范围内的停留时间。这两点都有助于减少硫的高温挥发。其三，窑尾温度不致过高，更接近挥发性组分的凝结温度，更有利于料幕等发挥作用。

再者，调节主燃烧器产生短而强的火焰，这样可以缩短烧成带的长度，减少物料在窑温最高部位的停留时间。当然，通过调整各风道参数，保证燃烧器在较短距离内烧成熟料也是一个需要考虑的因素。

除了上面提到的影响火焰的几个因素外，还必须考虑二次风温对火焰形状的影响。工况风量随着温度的变化而变化，二次风温升高，风量变大，风速相应变大，火焰头部上扬，烧成带温度降低，分解带物料容易窜到烧成带。二次风温降低，风量变小，风速相应降低，火焰头部下移，容易冲刷物料，极易产生还原气氛。二次风温的变化会对火焰位置产生影响，是结圈和结皮产生的一个重要原因，这一点必须充分引起重视，获得稳定的二次风温远比获得高的二次风温更具有现实意义。

从使用高硫燃料的水泥工厂反馈的结果来看，燃烧器及火焰特性在解决结皮、结圈问题上的作用不可忽视。首先将燃烧器沿着窑的轴线布置，然后将燃烧器朝着远离物料的方向调节（～50mm）。另外将燃烧器火焰调得尽量短，采用较多的过剩空气（需要考虑NOx排放量）。当找到最佳的燃烧器布置后（以尽可能低的硫挥发系数为依据），考虑采用料幕，物料旁路可以减弱硫循环带来的不利影响，料幕分料比例也需要实际摸索。最后可以根据结皮堵塞发生的位置，布置空气炮。

3.3 游离CaO

碱过量的情况下，熟料中R2O含量大于SO3含量，多余的K2O则会形成C23S12·K2O（KC23S12），多余的Na2O则会形成C8A3·Na2O（NC8A3），即R2O取代CaO形成含碱化合物，析出的CaO无法被吸收形成C3S，从而增加熟料中fCaO含量。值得注意的一点是，熟料中硫碱达到平衡并不意味着热生料中硫碱也达到平衡[10]。与熟料相比，热生料中硫的富集程度大于碱的富集程度，这就意味着热生料中一部分硫酸盐以CaSO4形式存在，到烧成带CaSO4分解产生fCaO。而此时已经接近烧成过程的结尾，生成的CaO无法被C2S吸收形成C3S（时间不足），从而导致熟料中fCaO含量较高。另外，在海拔较高的水泥厂[12]，空气密度下降，窑内供风难度增加，则硫循环趋于严重。

3.4 液相与飞砂料

液相性质主要有液相形成温度、液相量、粘度、表面张力等，在熟料烧成过程中至关重要，对于燃用高硫煤的工厂尤为重要。采用高硫煤做燃料的情况，液相初析温度降低0～30℃，液相量也增加。液相粘度小，有利于C2S与CaO在液相中的扩散，加快C3S的形成。温度增加，离子动能增加，液相粘度降低。液体粘度与液体组分有关，SO3、K2SO4、Na2SO4、MgO含量增加时，液体粘度下降；而当K2O、Na2O含量增加时，液体粘度上升。

液体表面张力决定了熟料结粒的大小。从国外文献报道得知，熟料平均粒径与表面张力有一个近乎线性的关系，表面张力每减少0.1N/m，熟料粒度减小10mm。表面张力会影响液固表面润湿程度，液体表面张力越小，越容易润湿熟料颗粒和固相物质，从而减弱颗粒的聚集作用，生成的熟料颗粒粒径较小。温度增加，离子动能增加，液体表面张力降低。液体表面张力取决于液体的结构，也受液体表面层的结构和成分的影响。带s电子的元素如K、Na、Mg负电性增加，表面张力相应增加；带p电子的元素如S、Cl负电性减小，表面张力相应降低。熔体中 K+、Na+、SO42-共存时，表面张力降低。

液相出现温度提前，液相量增加和液相粘度降低固然有利于煅烧，但硫酸碱又降低了液相的表面张力，其结果是改善了熟料颗粒的可浸润性，却降低了颗粒之间的粘着力。采用高硫煤做燃料的工厂，液相粘度和表面张力降低，使得熟料颗粒结构疏松，物料在窑内滚动时难以形成较大颗粒，或形成了较大颗粒也会由于多次滚动而散开，产生大量细粉料。所以过高的硫酸盐饱和度或过高的硫酸碱含量，便会在窑中产生过多的熟料细粉料。

飞砂料有两类，一类是因为熟料液相量太少而产生，此种情况下配料中SiO2含量太高，Al2O3和Fe2O3含量太低，不足以使熟料结粒较大；另一类是由于液相表面张力太小导致的粘散料，煅烧高硫煤水泥厂出现的飞砂料属于后者。水泥厂应该重视原料尤其是燃料带入的硫量，控制合适的硫碱比，这是获得适当的熟料结粒所不可缺少的措施。有一个水泥厂曾采用降低煅烧温度的方法来缓解飞砂现象，收到成效，其实质是通过降低煅烧温度，增大液相表面张力，从而使结粒变大。

4 小结

水泥生产过程中均存在不同程度的上述问题，本文侧重阐述水泥厂燃用高硫煤情况下对这些问题的认识。高硫煤作为水泥煅烧的燃料，不仅对窑的热工制度形成挑战，影响熟料的产质量，而且会对水泥熟料形成的化学过程产生一定影响。随着高硫煤产量的日益增多，高硫煤在水泥生产中的应用技术一定会得到更深层次的研究。

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陶从喜1，李小燕2

Research and Application of Firing High-sulfur Coal in Precalciner Kiln System

TAO Cong-xi,LI Xiao-yan
(1 Sinoma Technology&Equipment Group,Tianjin 300400,China;
2 Sinoma International Engineering(Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China;)

The technological difficulties and research carried out were reviewed for the cement precalciner kiln fired with high-sulfur coal as the fuel.The principle of sulfur evaporation was analyzed and solutions to reduce sulfur evaporation were sketched.Several design features which helped to eliminate build-ups were introduced.The hot issues for the application of high-sulfur coal in the cement plants were discussed,including excess air coefficient and local reducing atmosphere,the burner orientation and flame adjustment,uncombined free lime,the influence of high-sulfur coal on the sintering flux and so on.

Precalciner kiln;High-sulfur coal;Sulfur recirculation;Atmosphere;Burner

TQ172.625.2

A

1001-6171（2012）04-0032-03

通讯地址：1中材装备集团有限公司，天津 300400；2中国中材国际工程股份有限公司天津分公司，天津300400；

2012-01-13；编辑：沈颖