李海濤：燒成系統(tǒng)健康與節(jié)能

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2022年上半年，全國(guó)累計(jì)水泥產(chǎn)量9.77億噸，同比下降15.0%，創(chuàng)近11年來新低； 在需求大幅下滑背景下，上半年國(guó)內(nèi)水泥價(jià)格行情下行趨勢(shì)明顯。據(jù)中國(guó)水泥網(wǎng)大數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)水泥價(jià)格指數(shù)CEMPI從年初的184.34跌至6月底的144.91點(diǎn)，下滑40點(diǎn)。

在市場(chǎng)態(tài)勢(shì)嚴(yán)峻的同時(shí)，水泥行業(yè)還面臨著節(jié)能降碳的巨大挑戰(zhàn)。8月1日，工信部、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)了《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》（簡(jiǎn)稱《方案》）?！斗桨浮芬?，到2025年，規(guī)模以上工業(yè)單位增加值能耗較2020年下降13.5%，單位工業(yè)增加值二氧化碳排放下降幅度大于全社會(huì)下降幅度，重點(diǎn)行業(yè)二氧化碳排放強(qiáng)度明顯下降。

無論是處于降低生產(chǎn)成本的需要還是為了早日實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”，水泥行業(yè)都需要進(jìn)一步加大節(jié)能技術(shù)升級(jí)，而燒成系統(tǒng)作為水泥生產(chǎn)流程中最為主要的耗能環(huán)節(jié)，備受關(guān)注。

近日，在中國(guó)水泥網(wǎng)主辦“第九屆中國(guó)水泥節(jié)能環(huán)保技術(shù)交流大會(huì)暨水泥‘雙碳’大會(huì)”，洛陽理工大學(xué)教授李海濤就燒成系統(tǒng)健康與節(jié)能與參會(huì)代表做了詳細(xì)交流。

李海濤認(rèn)為，當(dāng)前超塵系統(tǒng)存在五大問題。即：生料易燒性差，熱交換效率低，漏風(fēng)嚴(yán)重、熱損失大，系統(tǒng)阻力大、電耗高，熱工制度不穩(wěn)定、熟料質(zhì)量差等問題。

在談到生料易燒性時(shí)，李海濤指出，石灰石原料差異是重要影響因素。石灰石中方解石結(jié)晶程度高，晶體粗大、反應(yīng)活性差；CaCO₃晶體愈大，分解溫度愈高。在選取原料時(shí)，要盡量控制石灰石中游離硅含量≤4%。當(dāng)fSiO₂含量高時(shí)，為了減少影響，還需要最大限度地降低fSiO₂的篩余量45μm<2.5%

生料成分均勻性也非常重要。具體包括成分、顆粒組成、細(xì)度、水分和流量的均勻。適當(dāng)增加生料粉磨時(shí)間，有利于提高生料的易燒性。主要原因是粒徑減小，生料比表面積增加，有利于燒結(jié)反應(yīng)進(jìn)行。粉磨時(shí)間增加，生料中粗顆粒石英含量降低，也有利于提高生料的易燒性。

生料中的CaCO₃含量每增加1%，C3S含量約增加13%，而C2S含量約減少11.5%，產(chǎn)生較大的fCaO波動(dòng)。為避免生料對(duì)C3S、C2S及fCaO的波動(dòng)，要求生料中CaCO₃含量的波動(dòng)應(yīng)≤±0.2%。

生料細(xì)度均勻性指標(biāo)以n＝0.6～1.2為宜。用80μm方孔篩余控制，如果篩余較小時(shí)，n可取小值；反之，則n值應(yīng)偏大。

正常情況下，KH值越高，A 礦含量增加，燒成溫度越高，物料越難燒，適當(dāng)調(diào)整用煤量或減產(chǎn)，可以燒成質(zhì)量比較好的熟料，熟料中硅酸三鈣的含量高，熟料的強(qiáng)度也高，但飽和比過高

當(dāng)硅率過高時(shí)，煅燒困難，熱耗高，窯頭飛砂較大；液相量太少，缺乏足夠的液相將C2S和CaO相連或潤(rùn)濕，易產(chǎn)生粉狀物料，即飛砂。

當(dāng)硅率過低時(shí)，產(chǎn)生的液相量多，窯內(nèi)容易結(jié)圈、結(jié)球。鋁率高，液相的粘度大，離子擴(kuò)散困難，料不好燒。通常，熟料KH增加0.01，熟料形成熱增加約2kcal/kg；熟料 SM下降0.1，熟料形成熱增加約0.7kcal/kg；熟料IM增加0.1，熟料形成熱增加約1kcal/kg。

李海濤總結(jié)，入窯生料KH標(biāo)準(zhǔn)偏差要小于0.02，最好在0.015。

燃料方面。燃煤熱值高、煤灰分少、細(xì)度細(xì)，煤粉燃燒速度快，形成的火焰提溫速度快燃燒溫度高，有利于熟料的燒成，改善物料易燒性。理論計(jì)算，煤粉濃度4 kg/Nm³ 與2 kg/Nm³ 相比，系統(tǒng)熟料熱耗可降低近10 kcal/kg；頭送煤風(fēng)量增大10%，標(biāo)煤耗增加約0.9kg /t；分解爐送煤風(fēng)量增大10%，標(biāo)煤耗增加約0.6kg /t。

燒成系統(tǒng)改進(jìn)方面。

1) C1筒出口廢氣溫度高帶走了大量的熱量，廢氣溫度每降低10℃，系統(tǒng)熱耗可降低標(biāo)準(zhǔn)煤0.85kg/t；

2) C1出口廢氣量大也是導(dǎo)致熱耗高的重要原因，有的企業(yè)C1筒出口廢氣量達(dá)1.62Nm³/kg，而領(lǐng)先水平已達(dá)到1.31Nm³/kg以下；

此外，漏風(fēng)問題同樣值得關(guān)注，各級(jí)預(yù)熱器下料翻板閥漏風(fēng)，會(huì)造成上、下級(jí)預(yù)熱器嚴(yán)重竄風(fēng)，不但影響生料的預(yù)熱效果，更影響生料的分離效率，由于漏風(fēng)預(yù)熱器出口O2含量增加0.5%，噸標(biāo)熟料煤耗增加1kg。

C1采用噴騰換熱技術(shù)，五級(jí)預(yù)熱器出口廢氣溫度可控制在280 ℃以下，熟料燒成系統(tǒng)的熱耗減少15~20 kcal/kg。另外，下料管可改為雙翻板閥，提高分離效率，減少飛灰?guī)ё邠p失。

李海濤表示，熟料燒成過程中，根據(jù)熱化學(xué)反應(yīng)理論：熟料的燒結(jié)階段，C2S與CaO反應(yīng)生成C3S。C3S的形成主要是CaO在高溫液相中溶解并以Ca2+的形式向C2S擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。

在C3S的形成過程中，Ca2+的擴(kuò)散系數(shù)為（2.65~5.31）×10-5cm2/s；C3S的結(jié)晶速度為5×10-5cm/s；CaO的溶解速度只有（6.95~22.5）×10-6 cm/s。C3S的形成被CaO溶解過程所控制，CaO的溶解速度快，Ca2+的擴(kuò)散隨速度也快。

當(dāng)溫度從1400℃分別提高到1450℃和1500℃時(shí)，0.1mm粒徑的CaO溶解完的時(shí)間從15min分別降到5min和1.8min；0.05 mm粒徑的則從5.5min分別降到2.2min和1.3min；0.025 mm粒徑的則從1400℃的3min下降到1450℃的1min。

溫度每提高50℃，CaO的溶解時(shí)間減少約60%~70%。當(dāng)煅燒溫度從1400℃提高到1450℃時(shí)，Ca2+在飽和溶液中的擴(kuò)散系數(shù)從3.77×10-5 cm2/s增大至5.31×10-5cm2/s，增大了40%。

熱工標(biāo)定結(jié)果顯示：整個(gè)鍛燒系統(tǒng)的表面散熱損失約占熟料總熱耗的8%，其中回轉(zhuǎn)窯筒體就占表面總散熱損失的60%。降低窯筒體表面溫度是減少系統(tǒng)散熱損失的關(guān)鍵。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，采取的主要措施是選擇合適的耐火材料及隔熱保溫材料。采用新型隔熱材料，加強(qiáng)旋風(fēng)筒隔熱保溫措施；回轉(zhuǎn)窯微孔低導(dǎo)熱鎂鐵(鎂鋁)尖晶石磚，筒體溫度比傳統(tǒng)鎂鐵尖晶石磚，溫度可降低50℃左右，減少筒體熱損失，可有效降低噸熟料煤耗3公斤左右。改造煙室，增加通風(fēng)面積煙室斜坡處通風(fēng)面積偏小，縮口處風(fēng)速偏大，為降低阻力，同時(shí)避免過多的料帶出回轉(zhuǎn)窯形成外循環(huán)，采用微晶板，降低熱損失

篦冷機(jī)改造方面。

篦冷機(jī)普遍存在出機(jī)熟料溫度高、熱損失大、熱回收效果差。理論計(jì)算，生產(chǎn)lkg熟料，需要進(jìn)入分解爐和窯內(nèi)的空氣量約1Nm³/kg.cl。1Nm³的空氣(1200℃)可帶入約1565kJ/Nm³熱量。如果二次風(fēng)溫由1100℃提高50℃，達(dá)到1150℃，因熱回收的增加可降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗約2.16kg。

因此，降低熟料鍛燒煤耗，還要重視對(duì)篦冷機(jī)的改造，改善篦冷機(jī)性能，提高熱交換效率，達(dá)到出窯熟料帶出的熱量充分回收利用，出冷卻機(jī)熟料溫度有效降低。

理論計(jì)算，篦冷機(jī)熱回收效率每降低1.0%，熱耗約增加3.7kcal/kg.cl 左右。熟料溫度每增加10℃，熱耗約增加1.1 kcal/kg.cl 左右。熟料燒失量每增加0.1%，不完全燃燒的碳熱量約為8 kcal/kg.cl 隨熟料從篦冷機(jī)帶走。

預(yù)熱器出口廢氣量每增加0.1 Nm³/kg.cl，熱耗約增加10 kcal/kg.cl 左右。預(yù)熱器出口溫度每增加10℃，熱耗約增加5.0kcal/kg.cl 左右。預(yù)熱器出口粉塵含量每增加10 g/Nm³，熱耗約增加1.0kcal/kg.cl 左右。

另外，煤粉計(jì)量秤和生料計(jì)量秤是熟料生產(chǎn)的最關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)量秤的虛實(shí)、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定。

一次風(fēng)的作用是輸送煤粉、供給煤粉中揮發(fā)份燃燒所需的氧氣。由于一次風(fēng)是冷風(fēng)，其量越小對(duì)熟料煨燒越有利。每m3空氣加熱到1000℃需標(biāo)煤量62g，窯頭一次風(fēng)總量降低100m³/min，節(jié)約標(biāo)煤量可達(dá) 1.49kg/t。

二次風(fēng)的作用是供給煤粉中固定碳燃燒所需的氧氣；由于二次風(fēng)是高溫?zé)犸L(fēng)，其最高溫度可達(dá)1200℃，本身具有很大的顯熱，其量越多對(duì)熟料鍛燒操作越有利，所以正確控制、操作篦冷機(jī)，提高二次風(fēng)溫，有利于降低熟料愎燒煤耗。