利用水泥熟料生產(chǎn)線技改煅燒冶金石灰的技經(jīng)分析

湯升亮，曹 正，劉志國(guó)（中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

1.1 水泥行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能相關(guān)政策

為深入推進(jìn)建材行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，有力推動(dòng)行業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展，加快促進(jìn)落后產(chǎn)能淘汰退出，有效化解產(chǎn)能過(guò)剩矛盾，中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)根據(jù)國(guó)家有關(guān)指導(dǎo)意見發(fā)布的2019年淘汰落后產(chǎn)能指導(dǎo)目錄（水泥篇）中提到水泥行業(yè)需淘汰的落后產(chǎn)能包括：水泥熟料產(chǎn)能利用率70%以下的地區(qū)（以省為單位）2000t/d（含）以下的水泥熟料生產(chǎn)線（2020年底前），2500t/d（含）以下的水泥熟料生產(chǎn)線（2021年底前）；水泥熟料產(chǎn)能利用率70%以上的地區(qū)（以省為單位）2 000 t/d（含）以下的水泥熟料生產(chǎn)線（2021年底前），2500t/d（含）以下的水泥熟料生產(chǎn)線（2022年底前）；1000t/d（含）以下特種水泥生產(chǎn)線；環(huán)境敏感區(qū)可比熟料綜合能耗高于108kgce/t、非環(huán)境敏感區(qū)可比熟料綜合能耗高于115kgce/t水泥熟料生產(chǎn)線[1]。

為進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化，繼續(xù)施策壓減過(guò)剩產(chǎn)能。工業(yè)和信息化部于2017年12月31日出臺(tái)了要求更加嚴(yán)格、壓減力度更大的《水泥玻璃行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》。主要調(diào)整：一是加大減量置換力度。位于國(guó)家規(guī)定的環(huán)境敏感區(qū)內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目，每建設(shè)1t產(chǎn)能須關(guān)停退出1.5t產(chǎn)能；位于非環(huán)境敏感區(qū)內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目，每建設(shè)1t產(chǎn)能須關(guān)停退出1.25t產(chǎn)能。二是對(duì)用于置換的產(chǎn)能限定更加嚴(yán)格。用于置換的產(chǎn)能應(yīng)當(dāng)為2018年1月1日后在省級(jí)工業(yè)和信息化主管部門門戶網(wǎng)公告關(guān)停退出的產(chǎn)能。同時(shí)規(guī)定：已超過(guò)國(guó)家明令淘汰期限的落后產(chǎn)能，已享受獎(jiǎng)補(bǔ)資金和政策支持的退出產(chǎn)能，無(wú)生產(chǎn)許可的水泥熟料產(chǎn)能，均不得用于產(chǎn)能置換[2]。

2018年水泥行業(yè)日產(chǎn)2500t及以下、競(jìng)爭(zhēng)乏力的熟料生產(chǎn)線還有800多條、產(chǎn)能5億多t。在國(guó)家政策加大去產(chǎn)能和環(huán)保力度的背景下，作為淘汰目錄內(nèi)的水泥生產(chǎn)線進(jìn)退維谷，棄之可惜，產(chǎn)能置換是目前小水泥生產(chǎn)線退出的主要方式。

1.2 建材行業(yè)高品質(zhì)小粒徑石灰石的尷尬處境

石灰石的主要用途包括生產(chǎn)硅酸鹽水泥、骨料、石灰及其下游附加產(chǎn)品（消石灰、輕質(zhì)碳酸鈣）、重質(zhì)碳酸鈣、脫硫劑等。水泥、骨料及石灰行業(yè)石灰石用量相對(duì)較大。其中，水泥行業(yè)包容性最強(qiáng)，對(duì)石灰石要求相對(duì)較低，因此可以吸納骨料、石灰等行業(yè)的邊角料。石灰行業(yè)則對(duì)石灰石鈣含量具有一定要求，通常選用品質(zhì)相對(duì)較高的石灰石。而目前石灰生產(chǎn)常用的窯爐對(duì)石灰石粒徑均有相應(yīng)的要求：豎窯50～120mm，回轉(zhuǎn)窯20～50mm，這就造成在原料準(zhǔn)備階段，破碎篩分工段產(chǎn)生大量高品質(zhì)的（CaO含量在54%以上）小粒徑石灰石（小于20mm）（約占處理量的25%），其通常被作為石渣低價(jià)出售。這對(duì)于高品質(zhì)礦產(chǎn)資源的利用造成了一定的浪費(fèi)。如果能將其用來(lái)生產(chǎn)石灰無(wú)疑更具經(jīng)濟(jì)性。

1.3 粉狀石灰的市場(chǎng)及來(lái)源

粉狀石灰主要應(yīng)用于（1）燒結(jié)礦，一般控制在小于3mm，活性要求大于280 ml，要求較高的控制在320ml以上；（2）煉鐵，粒度要細(xì)；（3）鐵水脫硫，10～1000μm，S含量低于0.015%，石灰活性大于350 ml。同時(shí)，電力脫硫、玻纖、建材、造紙、污水處理等行業(yè)也需要大量粉狀石灰[3]。

目前粉狀石灰主要通過(guò)粉磨塊狀石灰獲得，但塊狀石灰易磨性遠(yuǎn)比石灰石差，粉磨電耗高。也有部分企業(yè)嘗試采用懸浮預(yù)熱分解窯煅燒粉狀石灰，如寶鋼1991年建成投產(chǎn)的懸浮窯，日產(chǎn)量430t，但由于原料和燃料焦?fàn)t煤氣進(jìn)場(chǎng)價(jià)較高，使得石灰生產(chǎn)成本偏高，系統(tǒng)利用率很低，目前已拆除[4]。2017年浙江建科建設(shè)了一條1000t/d粉石灰懸浮煅燒試生產(chǎn)線，2018年4月轉(zhuǎn)入工業(yè)生產(chǎn)[5]。

可見，在水泥行業(yè)政策去產(chǎn)能的大背景下，如能高效益利用建材行業(yè)高品質(zhì)石灰石的邊角料生產(chǎn)粉狀石灰來(lái)盤活處于尷尬境地的小水泥熟料生產(chǎn)線，無(wú)論從產(chǎn)業(yè)政策、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，還是從工廠生存、發(fā)展考慮都將是不錯(cuò)的選擇。

2 水泥線改石灰線的技術(shù)路線

2.1 改燒塊狀石灰

近幾年，有多家中小型回轉(zhuǎn)窯水泥生產(chǎn)線進(jìn)行了改造，改造項(xiàng)目投產(chǎn)后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，熱耗及電耗均與同規(guī)格石灰旋窯線相差無(wú)幾[6]。改造措施主要包括：

（1）拆除預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)，在現(xiàn)有框架（或新建）上增設(shè)石灰石煅燒專用豎式預(yù)熱器；增加預(yù)熱器上料系統(tǒng)，有篩分要求的，同時(shí)增建篩分樓，對(duì)石灰石原料進(jìn)行篩分處理（來(lái)料要求25～50mm）；

（2）更換回轉(zhuǎn)窯傳動(dòng)電機(jī)，使之適應(yīng)塊狀石灰煅燒低轉(zhuǎn)速要求；

（3）對(duì)篦冷機(jī)進(jìn)行局部改造：不開啟傳動(dòng)裝置，只使用篦冷機(jī)前端傾斜固定篦床冷卻冶金石灰；在二室前端用耐火磚砌一道擋墻，防止高溫氣體和粉塵竄入二室，冷卻冶金石灰后的高溫風(fēng)全部入窯；拆除一段前端2～3排篦板，下面增加一個(gè)卸料斗，冷卻后的冶金石灰由二室前端落入二室卸料斗，下部增加一個(gè)翻板閥用于鎖風(fēng)。或是直接將篦冷機(jī)更換為石灰專用豎式冷卻器。

2.2 改燒粉狀石灰

2.2.1 技術(shù)可行性

眾所周知，水泥生產(chǎn)線生料入窯分解率一般控制在90%以上。而冶金石灰一般要求生燒率不大于5%，如何提高碳酸鈣在分解爐內(nèi)分解率是水泥線懸浮煅燒石灰的關(guān)鍵所在。因此，深入了解碳酸鈣在分解爐內(nèi)的分解特性對(duì)于改造具有現(xiàn)實(shí)的意義。分解爐內(nèi)懸浮態(tài)碳酸鈣的分解主要遵循縮核模型，所需分解時(shí)間主要取決于化學(xué)反應(yīng)速率。福斯騰提出分解面向顆粒內(nèi)心移動(dòng)的速度ω公式[7]：

ρCO2—可以分解但還在石灰石中結(jié)合的CO2的密度，ρCO2＝1.19 g/cm3；K—分解速度常數(shù)，一般可取K＝19 kg/（m2·h·atm）；PCO2—分解爐中CO2的分壓力，atm；PCT—分解溫度T時(shí)的CO2平衡分解壓力，atm；

D—碳酸鈣直徑，m。

由此可計(jì)算出不同溫度、粒徑、分壓下碳酸鈣分解所需時(shí)間的與其的相互關(guān)系。結(jié)果見圖1，2。

圖1 不同溫度下石灰石顆粒（30μm）分解時(shí)間與CO2分壓的關(guān)系

圖2 不同粒徑石灰石分解時(shí)間與煅燒溫度的關(guān)系（20%CO2分壓）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，爐內(nèi)溫度900℃以上時(shí)，CO2的分壓對(duì)碳酸鈣的分解率影響不大；900℃、CO2分壓20%時(shí)，50μm以下的碳酸鈣顆粒在8s內(nèi)能完全分解。煅燒溫度、顆粒粒徑是分解時(shí)間的主要影響因素。水泥生料（80μm篩余10%～18%）在爐內(nèi)溫度880℃左右下、停留時(shí)間3～5s時(shí)入窯分解率可達(dá)到90%～95%。如溫度提高至950℃，生料分解率能提高至99%。由此可見，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有分解爐進(jìn)行一定的改造，并適當(dāng)提高燒成溫度及控制進(jìn)料粒度完全能滿足煅燒石灰的要求。

2.2.2 改造方案

（1）對(duì)分解爐鵝頸管進(jìn)行局部改造，增加爐容及停留時(shí)間；

（2）在分解爐底部增設(shè)懸浮冷卻系統(tǒng)及改造燃料噴射系統(tǒng)；

（3）增加成品灰到石灰?guī)斓妮斔拖到y(tǒng)。

（4）拆除回轉(zhuǎn)窯及窯頭。

當(dāng)然，改造方案因線而異，需進(jìn)行科學(xué)的論證。

2.3 方案比選

水泥線改石灰線，首先是尊重市場(chǎng)。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，改燒塊狀石灰和粉狀石灰都是可行。塊狀石灰線的產(chǎn)能主要受制于回轉(zhuǎn)窯的規(guī)格，而粉狀石灰線的產(chǎn)能則受制于預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)規(guī)格。表1比較了不同規(guī)模水泥熟料生產(chǎn)線改塊狀石灰和粉狀石灰生產(chǎn)線后產(chǎn)能的情況。因預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)各設(shè)計(jì)院規(guī)格差異較大，此處不羅列。表1所計(jì)算粉狀石灰產(chǎn)能為粗放值，僅供比較用。

表1 不同規(guī)模水泥熟料生產(chǎn)線改塊狀石灰和粉狀石灰生產(chǎn)線后產(chǎn)能情況

3 效益分析

以2500t/d熟料生產(chǎn)線為例，改粉狀石灰線后，產(chǎn)品計(jì)算熱耗不高于1000×4.182kJ/kg；塊狀石灰熱耗約1200×4.182kJ/kg。粉狀石灰線產(chǎn)量約1800t/d，燃料及電耗成本約170元/t。塊狀石灰線產(chǎn)量約600t/d，燃料及電耗成本約200元/t。燃料按6500×4.182kJ/kg、800元/t計(jì)。因各地石灰售價(jià)差異較大，此處不做比較分析。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將現(xiàn)有水泥熟料生產(chǎn)線無(wú)論是改造成塊狀石灰生產(chǎn)線還是粉狀石灰生產(chǎn)線技術(shù)上都是可行的。改燒粉狀石灰產(chǎn)能要遠(yuǎn)高于燒塊狀石灰，粉狀石灰線熱耗要比塊狀石灰線低20%左右。在水泥行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能的大背景下，對(duì)于即將關(guān)停、無(wú)法參與或不愿意產(chǎn)能置換的水泥生產(chǎn)線改燒石灰無(wú)疑是一個(gè)可行的選擇。