水泥熟料沸騰煅燒工藝新進展

0 前言
　　回轉(zhuǎn)窯是可靠的水泥熟料燒成設(shè)備，但它的致命弱點是熱效率低、轉(zhuǎn)動功率大，且體積龐大，一直是人們想要“革命”的對象。為此，50年代以來，美國、日本、中國、俄羅斯、印度等國家都相繼對不帶回轉(zhuǎn)窯的沸騰燒成工藝進行了研究。由于當時的科技水平所限，用沸騰爐(流化床)煅燒水泥熟料時，在高溫(1300℃-1400℃)條件下的自造粒而不粘結(jié)爐壁、結(jié)大塊 、維持正常的流態(tài)化操作難度很大，90年代之前均未取得完全的成功，更達不到工業(yè)化的要求。
　　1984年開始，日本川崎重工與住友大阪水泥公司合作，在2ｔ／ｄ試驗爐上對流化床煅燒水泥熟料進行了基本研究與測試；1984年建成20ｔ／ｄ中試線，1993年3月試驗結(jié)束，驗證了基本工藝過程和系統(tǒng)的可靠性；1995年底建成200ｔ／ｄ擴大試驗廠，經(jīng)過近2年的運行試驗取得了基本數(shù)據(jù)，應該說這是繼窯外分解之后水泥煅燒工藝的又一次突破。目前他們正在進行500ｔ／ｄ～3000ｔ／ｄ生產(chǎn)線的設(shè)計。
　　本文根據(jù)日本川崎重工株式會社柴田紀彥先生1998年10月30日在第四屆北京水泥與混凝土國際會議上技術(shù)報告，參考席耀忠同志的譯文，對該項技術(shù)作一簡要介紹。

    1 系統(tǒng)的組成
　　川崎重工已開發(fā)成功的以高溫自造粒為核心技術(shù)的雙爐和單爐流化床介紹。
    1.1 雙爐流化床系統(tǒng)(FLBECK-II)的組成
　    (1) 懸浮預熱器(SP)。由四級旋風筒和分解爐組成，與傳統(tǒng)的技術(shù)一樣，生料粉在預熱器中被預熱和分解。
　    (2) 造粒爐(SBK)。經(jīng)預熱和分解的物料從底部噴入，在1300 ℃高溫下使生料自造粒，平均粒徑1 ｍｍ～2 ｍｍ(無須喂入粒種)，自造粒為本系統(tǒng)的核心工序。
　    (3) 燒成爐(FBK)。在1 400℃高溫條件下，有效地完成對造粒爐產(chǎn)生的生料小球的燒結(jié)。
　    (4) 冷卻器。由流化床驟冷器(FBQ)和移動床冷卻器(PBC)組成，在驟冷器中，熟料由1400℃迅速冷卻到1000℃，以保證得到優(yōu)質(zhì)熟料；在移動床冷卻器中，熟料被進一步冷卻至150℃左右，這兩種冷卻器的組合，使熟料在冷卻過程中獲得很高的熱回收率，而且冷卻空氣量僅為造粒爐和燒成爐中燃料燃燒所需的空氣量，因此本系統(tǒng)的熱耗和CO２排放量比傳統(tǒng)的窯系統(tǒng)要低。
    1.2 單爐系統(tǒng)(FLBECKS)
　　取消雙爐系統(tǒng)中的燒成爐(FBK)，使流化床燒成爐(FCK)兼?zhèn)湓炝：蜔Y(jié)功能，其冷卻器也由流化床驟冷器和移動式冷卻器組成，但流化床驟冷器直接裝在流化床燒成爐的底部分選排料系統(tǒng)之下，兼?zhèn)潴E冷熟料和分選物料之功能，其預熱器與雙爐系統(tǒng)相同。

    2 中間試驗及擴大中間試驗
　　    主要設(shè)備見表1。
表1 主要設(shè)備
　　　　　　　                  中試規(guī)模20ｔ／ｄ 　        擴大中試規(guī)模200ｔ／ｄ
造粒爐／ｍ 　　                   φ2.0×6.0　　　     　　φ3.5×9.0
燒成爐／ｍ 　　                   φ1.8×4.9　　     　　　φ2.55×9.0
FBQ 冷卻器／ｍ                    φ1.0×3.9　　　　     　φ1.65×6.0
PBC 冷卻器／ｍ                    φ1.45　　　　    　　　φ3.2
FBQ 鼓風機／(ｍ３·ｍiｎ-１)          ３０　　             　　 60
PBC 鼓風機／(ｍ３·ｍｉｎ-１)         ３０ 　　             　　120
預熱器風機／(ｍ３·ｍｉｎ-１)         130　　　　            　 700
增濕塔／ｍ 　　　                   φ 0.95×13.0            φ3.5×13.0
試驗結(jié)果如下：
    (1) 在造粒爐(SBK)中，1 300℃下實現(xiàn)高溫連續(xù)自造粒。此項技術(shù)是系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，采用生料吹入裝置將預熱料吹入造粒爐，利用高溫反應出現(xiàn)液相自動形成小球而不產(chǎn)生粘壁和結(jié)皮現(xiàn)象，運行平穩(wěn)；利用造粒爐底部一側(cè)的分選裝置控制料球粒度，只有達到某一要求粒度的料球才能落入燒成爐中進一步煅燒。
    (2)來自造粒爐的料球在1400℃的流化床燒成爐(FBK)中進一步煅燒成熟料，煤粉中的灰分與熟料完全反應，熟料外觀為1ｍｍ～２ｍｍ黑色小球。用該熟料磨制的水泥，其質(zhì)量等于或優(yōu)于現(xiàn)今商業(yè)水泥廠所生產(chǎn)的水泥。 
    (3)冷卻器熱量回收率。把造粒爐和燒成爐合并計算，流化床冷卻器熱回收率大于80%，比現(xiàn)有篦冷機高20%以上。
    (4)性能評價考核。對200ｔ／ｄ放大中試廠性能評價考核的結(jié)果見表2。
表2 2000 t/d中試廠性能評價考核結(jié)果
項 目                    結(jié) 果                  目標值
產(chǎn)量／(ｔ·ｄ-１)       210                   ≥200
熟料熱耗/(×4.8 kJ·kg-１)   827                   ≤830
熟料電耗/(kwh·t-１)       55.6                   ≤56.2
煤燃燒率/%                100                    100
NOx 排放量/10-6         240                    ≤200
 HM                   2.13                   2.16
熟料性能 SM             2.75                   2.73
 f CaO/%                0.32                   ≤1.0
   3d                     17.9                   ≥16.5
砂漿抗壓強度/Mpa 7d       26.4                   ≥23.3
28d                       42.9                   ≥41.0
注：按氣流中10%O２、煤中1 % N計算

    (5) 變換煤種試驗。曾用低熱值(4780×4.18kJ/kg、高灰分(32.4%)劣質(zhì)煤和高碳低揮發(fā)分(10.7%)煤代替常規(guī)煙煤進行試驗，結(jié)果燃燒狀況良好，煤灰吸收完全，爐內(nèi)無結(jié)皮現(xiàn)象。
    (6) 等效單爐系統(tǒng)試驗。取消燒成爐，只用造粒爐，以期進一步降低電耗。由于造粒爐設(shè)有分選裝置，只有長大至一定尺寸并完成燒結(jié)反應的熟料顆粒才能被卸出造粒爐，小于該尺寸的料被送回造粒爐進一步長大，因此被卸出熟料顆粒在造粒爐中停留時間幾乎為常數(shù)，能滿足燒結(jié)反應要求?？梢哉J為，即使取消燒成爐，也能保證熟料質(zhì)量。試驗結(jié)果表明，與雙爐系統(tǒng)相比，熱耗、電耗降低6%～9%，熟料質(zhì)量基本相同。

    3 擴大規(guī)模的工業(yè)沸騰煅燒系統(tǒng)(FLBECKS)
    可根據(jù)要求的生產(chǎn)能力擴大流化床設(shè)備直徑，在保持表面移動速度和設(shè)備高度基本不變的情況下擴大其規(guī)模。川崎重工認為，擴大規(guī)模后熱耗會降低，但物料停留時間非常重要。根據(jù)試驗結(jié)果，水泥熟料的質(zhì)量是時間和溫度的函數(shù)。工業(yè)沸騰煅燒系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)見表3。
表3 擴大規(guī)模工業(yè)沸媵煅燒系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)
項目                     200t/d              1000 t/d             3000 t/d 
熟料熱耗/(×4.18 kJ·kg-)     771                  713                  690
熟料電耗/(kWh·kg-1)         43.0                 41.5                 37.2
FBK                         48                   42                   37
停留時間/min FBQ             3                   3                    3
PBC                         220                 220                   220
FCK 直徑/m                  2.5                 5.7                   9.7
數(shù) 量                       2                   2                     4
冷卻器 FBQ直徑/m            0.7                 1.6                   1.9
FBC直徑/m                   3.1                 7.0                   8.6  

    4 沸騰煅燒系統(tǒng)(FLBECKS)的優(yōu)點
    據(jù)川崎重工資料介紹，雙爐系統(tǒng)的FLBECKS適合于小規(guī)模生產(chǎn)特種水泥，而單爐系統(tǒng)適于各種規(guī)模的普通水泥、快硬水泥和中熱水泥的生產(chǎn)，其共同優(yōu)點為：
    (1) 煤種的選擇性大、流化床良好的、相對低溫的燃燒和高效的傳熱特性可適應優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)煤種。
    (2) 由于熟料粒度小，流化床冷卻器效率高，系統(tǒng)散熱少，熱耗較傳統(tǒng)窯爐可下降10%～15%。
    (3) 與回轉(zhuǎn)窯相比，由于流化床燃燒溫度較低、熱耗低，NOX排放量可減少40%以上，CO2排放量可降低10%～25%。
    (4) 生產(chǎn)各種水泥轉(zhuǎn)換性好。由于流化造粒及溫度可精確控制，可根據(jù)不同要求較容易地轉(zhuǎn)換生產(chǎn)不同品種水泥，并可保證質(zhì)量。
    (5) 投資低，運行和維修成本低。與回轉(zhuǎn)窯比，其投資可降低10%～30%；系統(tǒng)活動部件少，設(shè)備及耐火材料壽命長，在熱耗降低的同時運行和維修成本下降。

    5 結(jié)語
    筆者認為，沸騰煅燒工藝是目前煅燒水泥熟料的最高技術(shù)，操作要求嚴格，從流化床技術(shù)的特性看，較適合于中小規(guī)模水泥企業(yè)。建議經(jīng)濟條件較好、技術(shù)力量雄厚的企業(yè)不妨通過引進和技術(shù)合作，建立一條600ｔ／ｄ～700ｔ／ｄ生產(chǎn)線，以進一步驗證其性能指標和經(jīng)濟