水泥生产工艺方面的中庸之道(连载三)

贾华平

（天瑞集团水泥公司，河南汝州市 467500）

11 生产水泥就不得不烧制熟料吗

众所周知，生产水泥熟料真是麻烦，投资又大、能耗又高、还污染环境，有没有搞错，我们为什么要生产水泥、为什么要烧制熟料呢？

按照传统的逻辑，我们要搞构筑物就要有混凝土，搞混凝土就要有水泥，搞水泥就离不了熟料。但进一步细化就会发现，水泥变成混凝土之间还有一个过程产品，水泥—→水化产物—→混凝土—→构筑物。在水化产物中，起主要作用的是硅酸钙水化物，我们能不能直接生产硅酸钙水化物呢？

2009年12月16日，在“中国水泥网”上，出现了一篇来源于“新华网”的短文，《德国开发出“绿色”水泥生产工艺》：德国卡尔斯鲁厄技术研究所14日宣布，他们开发出一种“绿色”水泥生产工艺。这种基于水合硅酸钙技术的水泥生产工艺，可以比传统水泥生产工艺少排出一半的二氧化碳，所需的原料用量将大大减少，且生产过程所需的温度低于300℃，而传统水泥生产通常需要约1450℃的高温环境，大幅降低了能耗。

对此报道，多数网友的看法是“既希望又怀疑”，其实“这一次是真的”，我们今天就来谈谈这个问题：

该工艺正是绕开了高温烧制水泥熟料，转而直接生产硅酸钙水化物，然后进行干燥，再粉磨制成含有一定水的“水泥”，这些水以化学方式结合在具有水硬性的水化硅酸钙里面。该水泥被命名为“才利特门特水泥（Ce1itement）”。

才利特门特水泥的生产原理是卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的发明。才利特门特股份公司由Schwenk集团、卡尔斯鲁厄理工学院共同创建，力图将才利特门特水泥推向市场。据不完整的信息，2011年10月，该工艺的实验厂开工建设；2013年2月至4月，该工艺的粉磨车间又进行了扩建，提升了产量；该工艺已经在德国获得多项国家大奖，其基本原理见图1。现有硅酸盐工艺原理见图2。

图1 才利特门特水泥的生产和使用原理图

图2 现有硅酸盐水泥的生产和使用原理图

传统的水泥是没有水的，加水后开始水化反应和硬化；才利特门特水泥本身已含有一定的化学结合水，再加入水、砂子、骨料，便像普通波特兰水泥一样制成了混凝土。

才利特门特水泥的基本生产方法是，利用石灰和砂子作为基本原料，石灰系数控制在0.5～2的范围就足够了。由于大多数的CO2排放来自石灰石，因此本水泥和普通硅酸盐水泥比较，可以减少高达50%的CO2排放；才利特门特水泥可以在低于 300℃下生产，与需要高温烧制的硅酸盐水泥熟料比较，低温工艺和减少石灰石用量的双重因素，对节能减排具有显著的经济和环境效益。

才利特门特水泥和硅酸盐水泥类似，并且显示出极好的性能。相组成非常均匀，性能调节直接简单，也就是说其强度是时间的函数。才利特门特水泥具有如下优点：① 钙硅摩尔比小于2，减少了对碳酸钙的需求；② 低温工艺合成，简化了工艺和装备；③ 减少来自原料和燃料的二氧化碳排放；④ 可以与普通硅酸盐水泥混合使用，与传统的水泥类胶凝材料兼容；⑤ 成分均匀，容易控制硬化过程及产品质量；⑥ 混凝土具有高度连接的硅酸盐构筑单元和低孔隙率，构筑物具有良好的耐久性和抗侵蚀能力。

才利特门特水泥的基本生产流程如下：

（1）基本原料：初始原料类似于现有硅酸盐水泥的生产，钙的成分来源于石灰石，硅的成分来源于不同的硅质原料，钙硅的摩尔比在0.5-2的之间；

（2）水热合成：蒸压釜内，在150～300℃ 的各自饱和蒸汽压下，原料和水转换成硅酸钙水化物，然后再进行干燥，形成需要进一步加工的水热产品；

（3）活化调节：将水热产品与其他硅酸盐组分进行混合，使用添加剂、混合材以调控产品的性能，通过粉磨激发各个矿物相的活性；

这样，具有水硬性的水合硅酸钙——才利特门特水泥，就生产出来了。

12 新型干法工艺离不开预均化堆场吗

就目前来讲，预均化堆场确实是减小生料波动，稳定熟料生产的经济有效的措施。但占地那么大、投资那么高，有的时候，确实不具备建设条件，那我们就无路可走了吗？或者说强制上预均化堆场可能就不是最佳方案了。

准确的说，预均化堆场应该只是生料均化的措施之一，生料的均化应该贯穿于生料制备的全过程。矿山搭配开采、原料预均化堆场、原料的准确配料、生料在粉磨过程中的拌混、生料均化库，等多个环节构成生料的均化链。每经过一个环节都会使原料或半成品进一步得到均化。

进一步讲，每个环节的均化原理不尽相同，均化效果也不尽一样，其投资效果比也有差别，但其各环节的均化效果具有叠加效应，是可以相互弥补的。一般来讲，原料预均化堆场和生料均化库是均化过程的主要环节，它们占全部均化工作量的80%左右。

某个环节的均化效果与其入料的标准偏差有很大的相关性。也就是说，上一个环节的均化效果好了，下一个环节的均化效果会自动降低，上一个环节的均化效果差了，下一个环节的均化效果就会自动提高，在整个均化链中，总的均化效果不是各环节均化效果的简单代数和。

由于空间上的均化都不能避免离析现象，在每个空间均化环节中，拌混和离析同时存在。随着入料标准偏差的增大，拌混作用加强而离析作用减弱；随着入料标准偏差的减小，拌混作用减弱而离析作用加强。

所以，就整个均化链来讲，拌混的次数越多、拌混的程度越大，均化效果就会越好。但均化到一定程度，当拌混作用等于离析作用时，均化效果就出现了一个极限值，做不到无限的提高。

现在把问题说回来，如果不具备建设预均化堆场的条件，就不要硬建，完全可以通过加强其他环节的均化作用来弥补。那么，在矿山搭配开采、原料的准确配料、生料粉磨过程的拌混、生料均化库几个环节中，哪一个环节还有较大的均化潜力可挖呢？就目前的技术来讲，应该是生料均化库和原料的准确配料。

（1）采用更好的生料均化库

生料均化库是目前预分解窑生产系统的一个重要设施，他的均化效果好坏对入窑生料质量的稳定影响很大。由于它用于大工业生产的物料流上，各研究单位对其下了很大的功夫，设计了多种上进下出、边进边出的生料均化库，但结果都不尽理想。

实际上，均化效果取决于时间上的均衡与空间上的均化，在一种设施不能同时满足两者时，就应该采用“先检验后使用” 的基本理念将两者割裂开来，先解决空间上的均化，再解决时间上的均衡，就简单多了。

德国的po1ysius公司是世界上著名的水泥装备公司，他对一些工厂的设计，大部分仍然采用了“先检验后使用”的原始库型，但却具有良好的均化效果。

Po1ysius给某3200t/d线设计的生料均化库是两个双层库，由此将入库、均化、出库从时间上分割开来；双层库的上层为间歇式搅拌库，配料系统累积调整实现库满时最终平均值合格，停止入库后用气力搅拌至质量基本均一，然后将上层搅拌库的合格生料卸入下层的储存库待用。

这种设计好像是繁琐了点，但非常实用。不但具有良好的均化效果，而且由于库的个数多，给生产管理带来诸多便利。其流程图见图3。

图3 双层均化库布置图

（2）采用更好的配料技术

均化为了什么，比如生料，就是要使在一定空间内的生料，实现其化学成分的均一。其过程是配料和搅拌，两者是相辅相成的，配得好可以少搅拌，配得差就得多搅拌，可见配料是一个均化的关键环节。

配料的最佳方法是什么呢？就是我们在质量管理上提出多年的“先检验后使用”原则。这对连续性的大工业生产而言，要确实做到“先检验后使用”是不现实的，但这给我们指明了方向，我们可以向这个方向趋近。

在线检测就是一个很好的方法，它可以在5～20秒内提供一个检测结果，根据检测结果每分钟可以调整一下配料比例；而我们现在用的荧光仪检测出磨生料，大约是滞后一个小时才调整一次配料。一分钟与一小时相比，可以说已基本接近了“先检验后使用”。

理想的在线分析配料系统是：在每个组分的配料秤前加一台在线分析仪，以及时检测该组分的化学成分，根据各组分的检测结果，通过计算机及时调整各组分的配料比例，使配料的各组分基本实现“先检验后使用”，并在出磨生料上保留现有荧光分析仪检测，以最终检验配出的生料到底怎样，对在线分析仪配料系统进行校正。

该系统能大大的减小对各组分原料预均化堆场、生料均化库的依赖，减小甚至取消这两种库的建设，节约占地、减少投资。

十几年来，国内已陆续有少数生产线配置了在线分析仪，并取得了越来越多的成功经验，与已广泛使用的X萤光分析仪相比，它对原料成分控制的水平和能力要主动、准确、均匀得多。

遗憾的是，国内大部分在线分析仪仍是用于事后检验，仍然没有在配料上前馈使用，原因主要是在线分析仪比荧光分析仪投资要高得多。实际上这是一个误区，在线分析仪与单一的荧光分析仪比确实贵了不少，但与原料预均化堆场比，它实在是太便宜了。

目前，在线分析仪的重要性，已经在国内得到逐步认识。比如，冀东集团在2012年就提出要求，所有新建生产线，必须采用在线分析仪；南方水泥集团也在2012年提出要求，新建生产线可以在预均化堆场和在线分析仪之间任选其一。

2012年07月19日，我有幸考察了辽源金刚水泥在线分析仪的使用情况，现记录如下：

该厂有两条5000t/d熟料生产线，每台窑配置两台中卸烘干生料磨。始建于2004年，2005年1#窑投产，2007年2#窑投产，现场5S管理搞得不错。该厂石灰石矿山较差，以收购为主，有20多个矿点供货，而且品位较低，石灰石CaO含量在40% ～ 45%左右。1#窑投产后入窑KH合格率只有20%左右，生产极不稳定。

2007年给1#窑的两台生料磨配置了两台美国赛默飞世尔的在线分析仪，入窑KH合格率提高到70%左右，产质量都有很大的好转。2008年，用1#窑的两台分析仪的配料结果同时间接控制2#窑的两台生料磨，也取得了较好的结果，使2#窑的入窑KH合格率提高到50%以上。

2011年又给2#窑的两台生料磨配置了丹东测控的两台在线分析仪，不再用1#窑的分析结果间接控制。2012年4月份投入使用，使2#窑的入窑KH合格率提高到60%左右。2013年7月16，由于丹东工控的技术人员说他的在线分析仪效果已经超过了赛默飞世尔，我便与辽源金刚的主要生产领导通了电话，该领导说：原来丹东工控确实不如赛默飞世尔，但后来又作了两次升级改造，去年底改完，从今年的使用情况对比，丹东工控没有说谎，他的合格率确实比赛默飞世尔高了一些，都能到70%以上。

图4 辽源金刚赛默飞世尔在线分析仪

问题已经清楚了，辽源金刚虽然设有预均化堆场，但在上在线分析仪以前，入窑KH合格率只有20%左右，上在线分析仪以后合格率提高了50个百分点。我们一般的水泥厂，不上预均化堆场都能超过20%，也就是说，在上在线分析仪以后，入窑KH合格率都能超过70%。

可以想象，如果再加上高效的生料均化库、甚至采用多台在线分析仪配料方案，再加强矿山的搭配开采，而取消投资几千万的预均化堆场，满足新型干法工艺生产应该是没有问题的。

13 内水高但价位低的煤就是不能用吗

根据水泥生产的情况，一般将煤粗略的分为三类：褐煤、烟煤、无烟煤等几种。① 褐煤：多为块状，质地疏松，易磨性好；含挥发分40%左右，燃点低，上火快，火焰粗大；发热量较低，燃烧时间短。② 烟煤：一般为小块状、粒状、粉状，质地细致，含挥发分30%以上，燃点不太高，较易点燃；发热量较高，上火快，火焰长，燃烧时间较长。③ 无烟煤：有粉状和小块状两种，质地紧密，不太好磨；挥发分含量在10%以下，燃点高，不易着火；但发热量高，刚燃烧时上火慢，火上来后比较大，火力强，火焰短，燃烧时间长。

从实际使用来看，水泥厂的燃料以烟煤为好，发热量与燃烧特性比较适中，但由于用途广泛而价格较高；以褐煤最差，不但发热量低，而且内水普遍较高，但由于用途较少而价格具有绝对的优势。不论从资源利用的大局考虑，还是从企业成本的降低着想，都希望能够解决褐煤的使用问题。

遗憾的是，褐煤在水泥厂的应用业绩很不理想。云南和缅甸的几家水泥企业曾使用晾干的褐煤作燃料，暴露的问题主要是由于水分高、热值低，不能满足熟料烧成要求的温度，导致熟料质量较差、产量与使用烟煤相比也下降了20%左右。那么水泥厂到底能不能用褐煤、又该怎么用呢，这里作一些进一步的分析，供大家在实践中参考。

水分的存在对煤粉的燃烧是极其不利的，它不仅浪费了大量的运输资源，而且当煤作为燃料时，水分在蒸发时还要消耗大量的热量。最近，内蒙古工业大学化工学院，就褐煤在水泥厂的利用作了一些研究，提出了利用水泥烧成系统热废气的褐煤脱水工艺，热平衡计算能将含水15%～50% 的褐煤制成含水5%～8%的煤粉，效益计算每年能为2500t/d的分解窑带来1000万元的效益。

先不说这套工艺系统是否可行，退一步讲，市场上可以直接买到内水5%～8%的褐煤，如果能利用这一部分褐煤，对水泥厂来讲，效益已经十分可观了。

根据褐煤内水高、热值低的特点，确实不适合作为头煤使用，但作为尾煤使用，这两个特点都影响不大；而且其还具有燃点低、燃烧时间短的另外两个特点，这另外两个特点更适合在分解炉内使用。

对于分解窑用煤，有头煤尾煤之分，尾煤约占整个用煤量的60%左右，如果这60%能用上价廉的褐煤，其效益也是十分可观的。但这需要增加相应的设施，要求头尾煤分别采购及进厂、分别储存及均化、分别粉磨及使用，需要增加一定的投资。

如果在一个厂区内有两条以上的煤粉制备系统，问题就简单多了，通过两个系统的分工制备、交叉使用，略作改造就可以完成头尾煤的“三个分别”，使用褐煤的投资将会大幅度降低，可行性将更强。

据合肥院的有关专家介绍，进一步的试验表明，在尾煤使用褐煤以后，预热器出口的温度有所降低，余热发电降低1kWh/t熟料左右；废气量有所增加，高温风机转速需要加大，电耗增加1kWh/t熟料左右；分解炉的燃烬率有所提高，煤耗降低2kg/t熟料左右。使用褐煤的正负生产效益基本持平，但采购成本却下降了，采购成本的下降就转化为使用褐煤的综合效益。

14 压低出磨温度煤磨系统就能不着火吗

煤粉自燃在多数水泥厂，不论是管磨还是立磨，都发生过，对于挥发分高的烟煤，甚至在原煤堆场、煤预均化堆棚就自燃，不但对生产运行影响大、事故损失较大，而且威胁到人身安全，必须给予高度的重视。

一些水泥厂在自燃几次后，就被彻底吓怕了，不去认真分析自燃的原因，而是一味的强调煤磨的出磨温度，武断的将出磨温度控制得低低的，有的甚至下令“不得超过50℃”，由此严重影响了煤磨的粉磨能力和烘干能力，影响了窑的正常生产，但煤粉自燃甚至爆炸还是在不断的发生。我们天瑞也不例外，原因何在呢？

所谓自燃，实际上就是自我燃烧，我们首先来看看燃烧的条件是什么。

燃烧的三大要素∶可燃物、氧化剂、温度。就煤磨系统的自燃来讲，就是有足够浓度的煤粉、氧指数以上的氧含量、着火点以上的温度，三个要素缺一不可。这既是防止着火的理论基础，也是灭火措施的理论基础。

① 足够浓度的煤粉。就现有煤粉制备系统来讲，设计单位已充分考虑了安全问题，在正常生产中，只要系统的通风没有问题，气体中的煤粉浓度远远达不到着火条件；

② 氧指数以上的氧含量。氧指数是指着火后刚够支持持续燃烧时氧气含量的最小份数。现有的煤粉制备系统都能满足这个要求，包括从窑尾取热源的煤粉制备系统；

③ 着火点以上的温度。几种煤炭的着火点大致如下：无烟煤550～700℃；烟煤400～550℃；褐煤300～400℃。连着火点最低的褐煤也在300℃以上，煤粉制备系统的设计运行温度，入磨风温≤300℃、出磨风温在70℃左右≯80℃，也是有安全保障的。

现在，我们再来分析一下自燃的原因：

① 虽然气体中的煤粉浓度没有达到着火要求，但是在整个煤粉制备系统中，难免存在积存煤粉的死角，死角的煤粉浓度对着火来讲是绰绰有余的，这也正是在投产初期强调要先磨一些石灰石的原因，目的就是填充这些死角；而且在系统自燃一次后，系统难免发生局部变形、产生新的死角，而且着火的次数越多产生的死角就越多，这也正是越是着火越爱着的原因。

② 就现有的煤粉制备系统来讲，只要拉风生产，其氧含量总是超过着火要求的，那为什么有的系统就着火有的不着呢，同一个系统为什么有时着火而大部分时间不着呢？所以，这不是煤粉制备系统自燃的原因。

③ 既然我们把出磨温度控制在了80℃以下，远远没有达到煤粉的着火点，那为什么煤粉制备系统有时会着火自燃呢？无论是着火还是燃烧，都是煤粉的氧化反应，只不过是剧烈的氧化反应而已。80℃虽然不能着火，但不等于不能氧化，氧化就要产生热量，堆积在死角的煤粉又不能及时的将产生的热量散发出去，就会使煤粉内的热量越积越多、温度就会越来越高，直至达到着火点以上，最终着火自燃。

通过以上分析，我们已经知道了防止煤粉制备系统着火自燃的措施，不是过分的控制出磨温度，而是努力避免和消灭系统中的死角。

15 通道数越多燃烧器就越好吗

先讲一个多少年以前的故事：时值多风道燃烧器在我国兴起的时代，在一次讨论会上，多数人认为三风道好、四风道更好，但有一位曾在日本小野田工作一年多的领导说，“我那个厂的窑头放有两风道、三风道、四风道的燃烧器，随便使用，基本没什么差别”，双方争论得非常激烈。

我看争论不休就插了嘴：你们说的很对，目前三风道、四风道的燃烧器确实比我们用的两风道好；但龚总说的也不错，龚总是专家型领导，他不会说谎。大家怪我和稀泥，我解释道：这要看你用什么煤，日本人用的是进口的大同煤、还要优质的，而我们用的是本地煤、还舍不得用好的，它们对燃烧器的要求不一样，两者怎么能相比呢？细粮怎么做都好吃，而粗粮必须细做才能可口。

实际上，为了控制生产成本，目前国内的水泥厂都舍不得用好煤，这就对燃烧器提出了更高的要求。由于现在的多风道燃烧器是由最初的单风道发展来的，所以给人的直观感觉就是风道越多越好。但事实并非如此，什么都有个极限，风道数也不是越多越好。

法国的pi11ard公司，是世界上最著名的专业研究生产燃烧器的公司，他们也曾搞过六风道、七风道的燃烧器开发，但目前推行的还是三风道、四风道燃烧器；另一家对水泥技术有广泛研究的f1smidth公司，也曾经主推过Centrax四风道燃烧器，但现在又回到了不但内三还要外二的Duof1ex燃烧器上。实际证明，燃烧器的通道越多，火焰的刚度就越差。

多股风因出口缝隙小，核心速度衰减过快，射流穿透深度不够。形成火焰粗大、局部高温、易产生大量NOx，而火焰后段“刚度”不足，成形效果差。这不得不进一步提高一次风机压头，但由于空气压缩因子原因和空气中音障的存在过高的压力并不能有效地转化为速度头。

由于出口速度高和一次风用量少的要求，旋流风及直流风环形出口缝隙往往很小，机加工和使用过程中难以保证较高的同轴度要求，易发生火焰变形偏转。若改用多个小喷嘴结构则由于引射面积的增加大大增加了燃烧初期二次风的引射量，即不利于热力NOx的控制也不利于火焰形状的控制。

过多的通道数，减少了外风通道的通过风量，使燃烧器外套管得不到足够的冷却，引起变形从而导致燃烧器外层耐火浇注料的过早损坏。

那么，怎么才叫一个好的燃烧器呢？一个好的燃烧器应该具有如下特点：

（1）具有较小的一次风量，能形成理想且可调的火焰形状。火焰细而不长且强劲有力、整体温度高而温度峰值低、一次风量小且燃烧完全、煅烧能力强而氮氧化物低；

（2）具有较高的出口风速，以强化风煤混合、强化对二次风的卷吸。但也不是越高越好，当接近音速（340m/s）时，给一次风加压只能浪费电能，而不会增大多少风速；

（3）具有较多的、有效的、方便的现场调节手段，而且最好能在中控室进行远程操控，对煤种和窑况的适应性强。各厂家都不是固定的原燃材料，而且窑的煅烧工况也在不断的变化；

（4）取消内外风调节阀门，降低一次风电耗。就现有的燃烧器来讲，一般消耗在调节阀上的阻力约占30%左右，完全可以由风机调速功能代替；

（5）在确保燃烧特性良好的情况下，能有效的调整火焰长度。用调节火焰长度取代燃烧器在窑内的机械进出；

（6）中心盾头大小合适，能在火焰根部形成一定的热烟气回流。这对于着火点高的煤非常重要，也是减少点火油耗的重要措施，也是减少过早的卷吸二次风产生氮氧化物的措施；

（7）中心盾头具有一定的旋流功能，以促使煤粉的浓淡分离，形成局部的高浓度区。研究表明，煤粉浓度越高越容易着火；

（8）设有大小合适、分布合理的中心风，不结焦、不挂胡子。过大了影响热烟气回流，过小了导致烧流的煤灰在燃烧器头部粘挂影响燃烧器的特性，严重时会造成火焰分岔，这对于易燃性好的煤尤其重要。