最先進(jìn)的水泥熟料生產(chǎn)工藝——綠源1000t/d流化床水泥窯的實(shí)踐

齊硯勇

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽市 621010）

世界上最成熟、最先進(jìn)的水泥熟料煅燒方式為預(yù)分解窯生產(chǎn)工藝。 隨著目前污染的加劇，能源越來越緊張，亟需燒成熱耗低、環(huán)境污染少的新的燒成工藝。在水泥熟料生產(chǎn)工藝的發(fā)展過程中，已經(jīng)成功地將流態(tài)化技術(shù)用于生料的預(yù)熱和預(yù)分解，從而大幅度降低了熱耗，提高了熟料質(zhì)量和產(chǎn)量。流化床水泥熟料煅燒的工業(yè)化成為世界水泥工作者的前沿課題。山東綠源1000t/d流化床水泥熟料燒成窯，目前已順利燒制出優(yōu)質(zhì)熟料[1-2]。本文對流化床水泥窯的實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行簡單的介紹、總結(jié)，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行較為粗略的分析，對其熟料的巖相及物理性能進(jìn)行描述，綜合性地說明流化床水泥窯的優(yōu)點(diǎn)。

1 流化床窯的系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工藝流程

流化床水泥窯系統(tǒng)的工藝流程見圖1。

1.2 主要組成

流化床窯系統(tǒng)的設(shè)備見表1。主要組成如下：

（1）懸浮預(yù)熱分解系統(tǒng)（SC）

由五級預(yù)熱器和分解爐組成（示意圖為4級預(yù)熱器），生料在懸浮預(yù)熱分解系統(tǒng)中被預(yù)熱和預(yù)分解。

（2）流化床水泥窯（FCK）

生料在1300℃高溫下完成造粒、燒結(jié)成熟料，熟料平均粒徑為1～3mm，造粒過程中不需要額外提供粒種。

（3）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由流化床淬冷器（FBQ）和移動床冷卻器（PBC）組成。在淬冷器中，熟料由1300℃迅速冷卻至1000℃，以保證得到優(yōu)質(zhì)熟料。在移動床冷卻器中，熟料被冷卻至約110℃，可有效回收熟料的余熱。

圖1 流化床窯系統(tǒng)工藝流程圖

表1 流化床窯系統(tǒng)的設(shè)備規(guī)格

2 實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)

2.1 原料、燃料

煅燒水泥熟料的原材料有石灰石、粘土、砂巖、鐵粉、鋁礬土，成分分析如表2所示。五組分按照配比要求生產(chǎn)出合格的生料。所用燃料煤的工業(yè)分析如表3所示，燒成的熟料化學(xué)成分分析如表4。

表2 原料的化學(xué)成分分析

表3 煤的工業(yè)分析

2.2 熟料的巖相分析及性能測試

流化床水泥窯燒成的熟料顆粒均勻，粒度為1～3mm左右。對燒制的熟料進(jìn)行化學(xué)成分分析如表4，進(jìn)行巖相分析如圖2，進(jìn)行X射線衍射分析如圖3，物理性能測試結(jié)果如表5所示。

表4 熟料的化學(xué)成分分析

根據(jù)表4的成分分析可知，該熟料硅率高，鋁率高，飽和系數(shù)低，液相量少粘度大，易燒性變差，但是1～4號熟料樣品fCaO含量不高，證明流化床水泥窯可以適用于易燒性差的生料。這是由于在流態(tài)化煅燒工藝中，物料從1000℃以下的預(yù)熱帶迅速進(jìn)入到1300℃以上的煅燒帶，生料分解產(chǎn)生的高活性的CaO、SiO2等氧化物，在活性降低以前，已進(jìn)行固相反應(yīng)。因此，反應(yīng)比較完全。

由圖2（a）、（b）可知，熟料顆粒有環(huán)帶結(jié)構(gòu)，熟料顆粒中心由形成溫度低的B礦與中間相構(gòu)成，外圍交叉出現(xiàn)A礦、B礦環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于燒成過程中煤粉不同時刻的混入，形成A、B礦不同含量的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由圖2（c）可看出，A礦尺寸略小，大小分布均勻，包裹有C2S，含量較高；B礦發(fā)育良好，雙晶紋明顯，大小合適；fCaO較少。由圖2（d）可看出，中間相含量低，鋁相較為明顯。綜合以上特征，熟料硅率高，表現(xiàn)為高溫急燒，在高溫段停留時間短，燒成時間不足，冷卻良好。對于此種硅率、鋁率高的配方，在回轉(zhuǎn)窯中高溫?zé)梢参幢乇ＷC熟料中fCaO含量低，但是圖中流化水泥窯燒成的熟料基本上看不到fCaO。

圖3 熟料XRD圖譜

從圖3看出，該熟料的主要峰與化學(xué)式為C54S16MA的A礦匹配得特別好，證明此種C3S結(jié)晶狀態(tài)好，并且圖譜中C4AF的特征峰較弱，而C3A的特征峰特別明顯。這與熟料的硅率、鋁率高是相對應(yīng)的。

表5 熟料的物理性能

表5中流化床窯熟料強(qiáng)度與預(yù)分解窯熟料相比，早期強(qiáng)度高是急速煅燒中，生料反應(yīng)生成較多的鋁酸鹽礦物，后期強(qiáng)度高可能是因?yàn)镃3S的含量較高，這一特征可從巖相圖片中看出。流化床窯熟料綜合樣的強(qiáng)度也不比其他熟料差，性能優(yōu)良。

3 物料平衡與熱量平衡

流化床水泥窯燒成系統(tǒng)的物料平衡和熱量平衡分別如表6、7所示。一般來說，2500t/d新型干法回轉(zhuǎn)窯C1出口溫度310～370℃，熱耗占21%～23%；5000t/d新型干法回轉(zhuǎn)窯C1出口溫度290～340℃，熱耗大約占18%～21%。四川某廠一級筒出口溫度高達(dá)310℃，廢氣帶走熱716kJ/kg.c1，占19.8%，而該流化床水泥窯C1出口廢氣帶走熱為276 kJ/kg.c1，僅占11.4%，熱耗較低。當(dāng)產(chǎn)量增加時，流化床窯單位熟料的燃料燃燒熱耗、C1出口熱耗及單位熟料表面散熱將進(jìn)一步降低，能源利用效率會更高。另外，2500t/d或 5000t/d的新型干法回轉(zhuǎn)窯余風(fēng)熱耗大約為10%～18%，而流化床水泥窯沒有余風(fēng)。

流化床水泥窯流動床淬冷器和移動床冷卻器的組合，保證了熟料冷卻過程中很高的熱回收率，這樣冷卻空氣量降低至流化床水泥窯中燃料燃燒所需的空氣量；而在傳統(tǒng)的篦式冷卻機(jī)中，由于熱回收率低，需要大量的過?？諝?，所以流化床水泥窯熟料帶走的熱耗和CO2排放要相應(yīng)地降低。如表7所示，流化床水泥窯出冷卻機(jī)熟料溫度低，熟料帶走熱耗僅占2.72%，而一般回轉(zhuǎn)窯的熟料帶走顯熱占3%～4%。

表6 物料平衡表

表7 熱量平衡表

3 流化床水泥窯的特點(diǎn)

流化床水泥窯的核心技術(shù)是大顆粒流態(tài)化水泥熟料煅燒工藝[3-6]，用流化床反應(yīng)器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥生產(chǎn)中的回轉(zhuǎn)窯和立窯煅燒設(shè)備，從而達(dá)到降低能耗、提高質(zhì)量和減小污染的目的，具體表現(xiàn)為如下所述：

（1）CO2排放量降低10%～25%，NOx排放量減少40%以上。

流化床水泥窯系統(tǒng)為1300～1400℃的無焰燃燒，而回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)為1800～2000℃的火焰燃燒。表面散熱低、冷卻機(jī)無余風(fēng)排出。熱耗降低，燃燒形成的CO2相應(yīng)減少。燒成溫度低，流化床水泥窯系統(tǒng)的NOx排放量顯著減少，約為200～240ppm，比現(xiàn)有預(yù)分解窯系統(tǒng)減少約40%。

（2）能源利用率高，熱耗下降10%～25%

目前，2500t/d新型干法回轉(zhuǎn)窯的熟料熱耗為3000～3700 kJ/kg.c1，5000t/d新型干法回轉(zhuǎn)窯為2800～3300 kJ/kg.c1，而流化床水泥窯單位熟料的燃料熱耗為2289.6kJ/kg.c1，熟料能耗最低。如表7所示，流化床水泥窯的燒成效率為70.39%，一般來說，2500t/d新型干法回轉(zhuǎn)窯燒成效率為40%～50%，5000t/d新型干法回轉(zhuǎn)窯為48%～55%，因而流化床窯能源利用效率更高。

用流化床水泥窯燒成的熟料粒度小而均勻，約2mm左右，這樣在流化床淬冷器和移動床冷卻器中的熱交換很好，熱效率可達(dá)80%以上，比現(xiàn)在的篦式冷卻機(jī)提高了10%以上。另外，與回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)相比，散熱表面積及表面溫度也減小，如表8所示，表面散熱耗比僅占6.38%，與表中所列廠家表面散熱能耗相比最低，這兩種因素使熱耗下降10%～25%。

（3）煤種的選擇有很大的靈活性。

回轉(zhuǎn)窯由于其熱交換靠熱輻射，要求火焰溫度達(dá)1800～2000℃，然而由于流化床的傳熱是接觸傳熱，流化床的溫度達(dá)到1400℃時對于燒成反應(yīng)的發(fā)生來說已經(jīng)足夠。另外，回轉(zhuǎn)窯不宜采用低熱值的劣質(zhì)煤和高碳低揮發(fā)分煤，這類煤會降低火焰溫度或者延遲燃燒，但在流化床水泥窯系統(tǒng)中，流化床的良好燃燒和傳熱性決定了它不但可以使用優(yōu)質(zhì)煤，更可以使用劣質(zhì)煤，劣質(zhì)煤也能保持良好的燃燒狀況，因此煤種的選擇余地很大。

表8 預(yù)分解窯、流化床窯燒成系統(tǒng)表面散熱對比

（4）生產(chǎn)各種水泥的轉(zhuǎn)換性好。

利用流化床的燃燒特點(diǎn)，造粒和燒結(jié)溫度能被精確控制，因此轉(zhuǎn)換生產(chǎn)各種水泥比較容易，而且系統(tǒng)的優(yōu)良特性保證生產(chǎn)出的特種水泥質(zhì)量好，成本低。

（5）建設(shè)成本、運(yùn)轉(zhuǎn)成本和維護(hù)成本低。

與回轉(zhuǎn)窯比，流化床水泥窯系統(tǒng)的設(shè)備占用土地面積減少70%，建廠投資減少10%～30%。由于沒有像回轉(zhuǎn)窯和篦式冷卻機(jī)那樣的活動部件，流化床水泥窯系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備和耐火材料的使用壽命增長，在熱耗降低的同時，運(yùn)轉(zhuǎn)和維修成本也下降。

4 結(jié) 論

（1）與NSP回轉(zhuǎn)窯方式相比，流化床方式的燒成技術(shù)可以減少燃料百分之十幾，降低NOx和CO2的排放量，并能使用低品位煤，還可以燒成多品種水泥。

（2）將已預(yù)熱及燒成的水泥原料粉造粒成1～2毫米的熟料顆粒來完成硅酸鹽熟料的煅燒反應(yīng)是流化床窯區(qū)別于新型干法回轉(zhuǎn)窯的關(guān)鍵，也就是說流化床水泥熟料煅燒技術(shù)雖然在預(yù)熱和分解上采用了新型干法的生產(chǎn)技術(shù)，但是在燒成上發(fā)生了質(zhì)的變化。

[1]張運(yùn)科，槐業(yè)進(jìn).日產(chǎn)千噸流化床水泥窯落戶淄博[N].中國建材報，2005（07）.

[2]山東淄博第一條流態(tài)化水泥工藝線再次試產(chǎn)[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2012（04）:74.

[3]李曉光.煅燒水泥熟料用大顆粒流化床的動力學(xué)特性研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2006.

[4]范海宏,徐德龍,肖國先,李曉光,鄧軍平.大顆粒流態(tài)化水泥熟料煅燒試驗(yàn)研究[J].水泥工程，2003（06）:25-27.

[5]范海宏，徐德龍，肖國先，李曉光，鄧軍平.利用流化床煅燒水泥熟料的試驗(yàn)研究[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報，2004（01）:37-39.

[6]段然.大顆粒流化床水泥熟料煅燒工藝熱模試驗(yàn)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2008.