浅析水泥熟料烧成热耗降低途径*

2021-05-25张巧伟张向红乔丽娜闫亚琼

建材发展导向 2021年4期

张巧伟，张向红，乔丽娜，闫亚琼

（河北建材职业技术学院材料工程系河北秦皇岛 066004）

0 引言

近几十年来，水泥工业经历了多次变革，其生产工艺与设备不断改进，并且产量逐年提高。目前，全球水泥产量约为40 亿t，预计到2050年，全球水泥产量将超过50 亿t[1,2]。新型干法水泥生产技术是一种以预分解和悬浮预热技术为核心的水泥生产技术，可以实现系统集成化和生产过程自动化，且具有高效、环保、节能等一系列优点[3]。尽管如此，水泥生产能耗仍非常高，占工业能耗总量的12%~15%[4]。在我国，水泥行业的能耗约占全国建材行业总能耗的35%[5]。随着化石燃料日益紧缺，且燃料价格不断上涨，降低水泥熟料烧成热耗已经迫在眉睫，这对于水泥行业的可持续发展具有重要的战略意义。

1 熟料烧成热耗的来源

关于熟料烧成热耗，国际先进水平的熟料烧成热耗约为2 800 kJ/kg，而我国在水泥熟料生产过程中，熟料烧成热耗主要控制在3 000 kJ/kg 左右[6]。与国际先进水平相比，我国水泥熟料烧成热耗还存在一定差距。采用新型干法水泥生产技术制备水泥熟料时，熟料烧成热耗来源于两个方面：一是熟料理论形成热；二是水泥窑系统的热损失。

熟料理论形成热与生产所用的原材料密切有关。根据生料在加热过程中化学反应热和物理热，可以计算得到硅酸盐水泥熟料的理论形成热为1 756 kJ/kg[7]。熟料形成过程中消耗的热量主要用于生料自由水的蒸发、粘土矿物结合水的脱水、石灰石中碳酸盐的分解、以及熟料矿物的形成，其中碳酸盐的分解是水泥熟料生产过程中热耗最高的一个环节，约占吸热总量的一半。Ca（OH）2的分解热为1 963 kJ/kg CaO，而CaCO3的分解热则高达3 178 kJ/kg CaO，如果采用主要成分为的Ca（OH）2电石渣生产水泥熟料，熟料的理论形成热可降低至1 064 kJ/kg[8]。另外，水泥熟料的矿物组成也会影响熟料的理论形成热。以无水硫铝酸钙为主要矿物的硫铝酸盐水泥熟料烧成温度比硅酸盐水泥熟料低近200℃[9]，其理论形成热约为1 168~1 279 kJ/kg[1]。

在实际生产过程中，熟料的形成会产生大量的热损失。生产工艺和水泥窑产量均会影响熟料的烧成热耗。从图1 可以看出，新型干法水泥生产技术生产熟料所需热耗最低，并且随着窑产量的增加，熟料烧成热耗也有所降低[2,10]。新型干法水泥生产技术已经成为目前最主要的水泥生产工艺，在我国，产量低于2 500 t/d 的水泥熟料生产线也逐渐被淘汰[10]。

图1 生产工艺和水泥窑产量对熟料烧成热耗的影响[2]

通过对水泥回转窑进行热平衡测试，可以获得生产线的热量分配。吴昊泽等[11]统计分析了40余条5 000 t/d 水泥回转窑生产线的热平衡测试结果，如表1 所示。水泥回转窑系统的热损失主要为预热器出口废气带走热量、系统表面散热以及出冷却机余风带走的热量。除熟料烧成所必需的熟料理论形成热之外，预热器出口废气带走的热量是最主要的热量支出，占总支出热量的20%~26%，系统表面散热和冷却机余风带走的热量占比也均高达10%。

表1 水泥回转窑系统热平衡参数范围[11]

2 降低熟料烧成热耗的措施

2.1 合理选择水泥熟料生产所用原材料

水泥熟料生产所用原材料主要包括石灰质原料和硅铝质原料，这些原材料的组成与特性对熟料理论形成热有着显著的影响。傅圣勇等[12]研究发现不同成因品位的石灰石直接与热耗相关，低品位石灰石热耗比高品位石灰石低10%~15%。随着天然矿石资源日益紧缺，工业废渣在水泥熟料生产中的应用越来越普遍。田桂萍[13]通过物理化学理论计算，研究了粉煤灰、钢渣、电石渣等工业废渣对水泥熟料形成热的影响。结果表明，采用工业废渣替代传统的原材料，可以降低水泥熟料的理论形成热。在原料中引入适量矿化剂，也可以促进熟料烧结，降低熟料形成温度[14]。在经济成本允许的情况下，优先选用工业废渣等作为水泥熟料生产原材料，有利于降低熟料烧成热耗。

2.2 降低预热器出口废气带走的热损失

预热器出口废气带走的热损失主要取决于废气量和废气温度。因此，降低预热器出口废气带走的热损失应从降低预热器出口废气量和废气温度考虑。

预热器出口废气由3 部分构成，即煤燃烧产生的理论烟气、生料水分蒸发和碳酸盐分解产生的水蒸气和二氧化碳，以及过剩空气[15]。煤燃烧产生的理论烟气量、生料水分蒸发产生的水蒸气量和碳酸盐分解产生的二氧化碳量与原燃料本身的性质及消耗量有关，相同规格和类型生产线之间的差异较小。水泥窑系统漏风和系统操作会影响预热器出口废气中的过剩空气量。系统漏风风量占废气量的比例较小，但其造成的热损失却非常大。水泥回转窑系统漏风会增大预热器出口的废气量，从而增加废气带走的热损失。系统漏风也会扰乱系统的正常运行，增加熟料烧成热耗。窑头漏风会降低火焰和烧成带温度，窑尾漏风会影响预热器和分解炉内物料分解，这些都会导致熟料烧成热耗增加[16]。因此，在系统用风合理的条件下，要降低预热器出口的废气量，就需要保证系统具有良好的密封性。

预热器出口废气温度与各级旋风筒换热效率和分离效率密切相关。一般而言，气体与物料之间的换热效率和分离效率越高，预热器出口废气温度越低。物料在气体中均匀分布，可以增加气料间的接触面积，从而提高换热效率[17]。换热效率和分离效率很大程度上取决于预热器系统本身的性能。采用多级低阻高效旋风预热系统，能提高气料之间换热效率和分离效率，降低预热器出口废气温度[6,17]。

2.3 减少系统的表面散热

系统表面散热主要归因于回转窑筒体表面散热和预分解系统表面散热，分别占系统表面散热的60%和25%左右。通过降低回转窑筒体表面散热和预分解系统表面散热，熟料形成过程中的热损失。采取的主要措施是根据回转窑不同带的特征，合理设计和使用相应的耐火材料，同时预分解窑系统表面也应该采用合适的隔热保温材料，以减少系统的表面散热。此外，也有科研人员发现，用短窑替代长窑，可以降低系统表面散热带来的热损失[18]。