李海涛：烧成系统健康与节能
水泥 中国水泥网信息中心 2022-09-13
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国家统计局数据显示，2022年上半年，全国累计水泥产量9.77亿吨，同比下降15.0%，创近11年来新低； 在需求大幅下滑背景下，上半年国内水泥价格行情下行趋势明显。据中国水泥网大数据显示，全国水泥价格指数CEMPI从年初的184.34跌至6月底的144.91点，下滑40点。
在市场态势严峻的同时，水泥行业还面临着节能降碳的巨大挑战。8月1日，工信部、发改委、生态环境部联合印发了《工业领域碳达峰实施方案》（简称《方案》）。《方案》要求，到2025年，规模以上工业单位增加值能耗较2020年下降13.5%，单位工业增加值二氧化碳排放下降幅度大于全社会下降幅度，重点行业二氧化碳排放强度明显下降。
无论是处于降低生产成本的需要还是为了早日实现“双碳目标”，水泥行业都需要进一步加大节能技术升级，而烧成系统作为水泥生产流程中最为主要的耗能环节，备受关注。
近日，在中国水泥网主办“第九届中国水泥节能环保技术交流大会暨水泥‘双碳’大会”，洛阳理工大学教授李海涛就烧成系统健康与节能与参会代表做了详细交流。
李海涛认为，当前超尘系统存在五大问题。即：生料易烧性差，热交换效率低，漏风严重、热损失大，系统阻力大、电耗高，热工制度不稳定、熟料质量差等问题。
在谈到生料易烧性时，李海涛指出，石灰石原料差异是重要影响因素。石灰石中方解石结晶程度高，晶体粗大、反应活性差；CaCO3晶体愈大，分解温度愈高。在选取原料时，要尽量控制石灰石中游离硅含量≤4%。当fSiO2含量高时，为了减少影响，还需要最大限度地降低fSiO2的筛余量45μm<2.5%
生料成分均匀性也非常重要。具体包括成分、颗粒组成、细度、水分和流量的均匀。适当增加生料粉磨时间，有利于提高生料的易烧性。主要原因是粒径减小，生料比表面积增加，有利于烧结反应进行。粉磨时间增加，生料中粗颗粒石英含量降低，也有利于提高生料的易烧性。
生料中的CaCO3含量每增加1%，C3S含量约增加13%，而C2S含量约减少11.5%，产生较大的fCaO波动。为避免生料对C3S、C2S及fCaO的波动，要求生料中CaCO3含量的波动应≤±0.2%。
生料细度均匀性指标以n＝0.6～1.2为宜。用80μm方孔筛余控制，如果筛余较小时，n可取小值；反之，则n值应偏大。
正常情况下，KH值越高，A 矿含量增加，烧成温度越高，物料越难烧，适当调整用煤量或减产，可以烧成质量比较好的熟料，熟料中硅酸三钙的含量高，熟料的强度也高，但饱和比过高
当硅率过高时，煅烧困难，热耗高，窑头飞砂较大；液相量太少，缺乏足够的液相将C2S和CaO相连或润湿，易产生粉状物料，即飞砂。
当硅率过低时，产生的液相量多，窑内容易结圈、结球。铝率高，液相的粘度大，离子扩散困难，料不好烧。通常，熟料KH增加0.01，熟料形成热增加约2kcal/kg；熟料 SM下降0.1，熟料形成热增加约0.7kcal/kg；熟料IM增加0.1，熟料形成热增加约1kcal/kg。
李海涛总结，入窑生料KH标准偏差要小于0.02，最好在0.015。
燃料方面。燃煤热值高、煤灰分少、细度细，煤粉燃烧速度快，形成的火焰提温速度快燃烧温度高，有利于熟料的烧成，改善物料易烧性。理论计算，煤粉浓度4 kg/Nm3 与2 kg/Nm3 相比，系统熟料热耗可降低近10 kcal/kg；头送煤风量增大10%，标煤耗增加约0.9kg /t；分解炉送煤风量增大10%，标煤耗增加约0.6kg /t。
烧成系统改进方面。
1) C1筒出口废气温度高带走了大量的热量，废气温度每降低10℃，系统热耗可降低标准煤0.85kg/t；
2) C1出口废气量大也是导致热耗高的重要原因，有的企业C1筒出口废气量达1.62Nm3/kg，而领先水平已达到1.31Nm3/kg以下；
此外，漏风问题同样值得关注，各级预热器下料翻板阀漏风，会造成上、下级预热器严重窜风，不但影响生料的预热效果，更影响生料的分离效率，由于漏风预热器出口O2含量增加0.5%，吨标熟料煤耗增加1kg。
C1采用喷腾换热技术，五级预热器出口废气温度可控制在280 ℃以下，熟料烧成系统的热耗减少15~20 kcal/kg。另外，下料管可改为双翻板阀，提高分离效率，减少飞灰带走损失。
李海涛表示，熟料烧成过程中，根据热化学反应理论：熟料的烧结阶段，C2S与CaO反应生成C3S。C3S的形成主要是CaO在高温液相中溶解并以Ca2+的形式向C2S扩散来实现的。
在C3S的形成过程中，Ca2+的扩散系数为（2.65~5.31）×10-5cm2/s；C3S的结晶速度为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溶解过程所控制，CaO的溶解速度快，Ca2+的扩散随速度也快。
当温度从1400℃分别提高到1450℃和1500℃时，0.1mm粒径的CaO溶解完的时间从15min分别降到5min和1.8min；0.05 mm粒径的则从5.5min分别降到2.2min和1.3min；0.025 mm粒径的则从1400℃的3min下降到1450℃的1min。
温度每提高50℃，CaO的溶解时间减少约60%~70%。当煅烧温度从1400℃提高到1450℃时，Ca2+在饱和溶液中的扩散系数从3.77×10-5 cm2/s增大至5.31×10-5cm2/s，增大了40%。
热工标定结果显示：整个锻烧系统的表面散热损失约占熟料总热耗的8%，其中回转窑筒体就占表面总散热损失的60%。降低窑筒体表面温度是减少系统散热损失的关键。
实际生产过程中，采取的主要措施是选择合适的耐火材料及隔热保温材料。采用新型隔热材料，加强旋风筒隔热保温措施；回转窑微孔低导热镁铁(镁铝)尖晶石砖，筒体温度比传统镁铁尖晶石砖，温度可降低50℃左右，减少筒体热损失，可有效降低吨熟料煤耗3公斤左右。改造烟室，增加通风面积烟室斜坡处通风面积偏小，缩口处风速偏大，为降低阻力，同时避免过多的料带出回转窑形成外循环，采用微晶板，降低热损失
篦冷机改造方面。
篦冷机普遍存在出机熟料温度高、热损失大、热回收效果差。理论计算，生产lkg熟料，需要进入分解炉和窑内的空气量约1Nm3/kg.cl。1Nm3的空气(1200℃)可带入约1565kJ/Nm3热量。如果二次风温由1100℃提高50℃，达到1150℃，因热回收的增加可降低标准煤耗约2.16kg。
因此，降低熟料锻烧煤耗，还要重视对篦冷机的改造，改善篦冷机性能，提高热交换效率，达到出窑熟料带出的热量充分回收利用，出冷却机熟料温度有效降低。
理论计算，篦冷机热回收效率每降低1.0%，热耗约增加3.7kcal/kg.cl 左右。熟料温度每增加10℃，热耗约增加1.1 kcal/kg.cl 左右。熟料烧失量每增加0.1%，不完全燃烧的碳热量约为8 kcal/kg.cl 随熟料从篦冷机带走。
预热器出口废气量每增加0.1 Nm3/kg.cl，热耗约增加10 kcal/kg.cl 左右。预热器出口温度每增加10℃，热耗约增加5.0kcal/kg.cl 左右。预热器出口粉尘含量每增加10 g/Nm3，热耗约增加1.0kcal/kg.cl 左右。
另外，煤粉计量秤和生料计量秤是熟料生产的最关键参数，计量秤的虚实、准确度和稳定。
一次风的作用是输送煤粉、供给煤粉中挥发份燃烧所需的氧气。由于一次风是冷风，其量越小对熟料煨烧越有利。每m3空气加热到1000℃需标煤量62g，窑头一次风总量降低100m3/min，节约标煤量可达 1.49kg/t。
二次风的作用是供给煤粉中固定碳燃烧所需的氧气；由于二次风是高温热风，其最高温度可达1200℃，本身具有很大的显热，其量越多对熟料锻烧操作越有利，所以正确控制、操作篦冷机，提高二次风温，有利于降低熟料愎烧煤耗。
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