水泥窑旁路放风技术的研究

李国强，韩涛，肖衍党，杜俊昭

水泥窑旁路放风技术的研究

李国强，韩涛，肖衍党，杜俊昭

介绍了水泥生产过程中钾、钠、氯、硫等挥发性物质的循环机理和结皮堵塞现象形成的机理,阐述了解决结皮堵塞现象的旁路放风技术及其在水泥生产过程中应注意的几个问题,同时针对旁路放风废气提出了新的利用途径。

旁路放风技术；挥发性物质；结皮堵塞

1 前言

随着水泥工业的快速发展，水泥生产所必需的原料、燃料资源也日趋紧张，因而在水泥生产过程中使用一些含钾、钠、氯、硫挥发性物质的原料、燃料成为一种趋势，尤其是在国外，例如：在日本，工业和生活垃圾已经有三十余年的历史并已广泛使用，在条件适宜的水泥窑，每吨水泥的垃圾处理量也已达到200～300kg[1]；在德国海德堡麾下的某水泥厂到2003年利用二次燃料量约8万吨（占总量的48%），其中塑料占90%，还有10%左右的废轮胎。但原料、燃料中的钾、钠、氯、硫含量较高会给水泥生产线系统的稳定运行带来严重后果，主要表现在：

（1）在窑尾烟室、下料斜坡、缩口及最下一级旋风筒的锥体等部位容易发生结皮堵塞现象，严重时会影响到烧成系统的稳定和正常运行。

（2）影响水泥的质量。熟料中碱含量过高，会导致在混凝土中发生膨胀性的碱骨料反应。美国ASTM标准规定的低碱水泥熟料中钠含量不超过0.6%已普遍被世界接受，对于普通水泥，目前并无最大含碱量的规定。但根据我国生产经验，熟料中含碱量超过1.3%时，对熟料质量就会有不良影响[2]。

（3）水泥熟料中氯含量较高会腐蚀混凝土中的钢筋，影响其结构强度。因此采用旁路放风系统（即在窑尾和预热器之间增设旁路放风装置，以减少挥发性组分的循环和富集）是解决原料、燃料中钾、钠、氯、硫挥发性物质排出的有效措施，可保证水泥生产线系统的稳定运行和水泥熟料的质量。

2 挥发性物质的循环机理

挥发性物质主要包括硫、氯和碱（主要是钾和钠），其主要循环机理如下。

2.1 硫的循环机理

硫在水泥原料中主要以硫酸盐或硫化物的形式存在，在燃料中以硫化物或有机硫存在。一般认为在氧化气氛中硫酸钙的分解始于750℃～1100℃，结束于1450℃。当有碳存在时，硫酸钙于900℃～1000℃就和碳发生反应，并产生SO2进入窑气中；硫化物的氧化反应始于400℃～600℃，结束于1000℃；有机硫和硫化物的氧化类似，两个反应产生的SO2均进入窑气中。同时窑气中硫和碱蒸气有非常强的结合能力，它们首先会发生化合反应，同时硫也能与生料中的固态碱化合形成碱金属硫酸盐，并凝聚在生料表面，最终都随生料进入烧成带。在还原气氛中硫酸碱会分解，但在氧化气氛中硫酸碱就比较稳定，进入烧成带内其挥发率较低，除少量再一次挥发外，大部分随熟料出窑，因而生料或燃料中的硫对碱循环起到了抑制作用。

2.2 氯的循环机理

氯对碱循环的作用与硫恰恰相反，它能促进碱的循环，进入烧成带的氯几乎全部挥发，只有极少部分被熟料带走，在生料和燃料中挥发出来的氯化物可以与生料中的碱或与已进入窑气中尚未与硫化合的碱蒸气形成氯化碱。挥发过程中被带到窑气中的氯更易和钾发生反应生成氯化钾，一般只有在氯化钾形成后，过量的氯才能和钠形成氯化钠。这种化合物在800℃～900℃时蒸气压接近为零，即在该温度下几乎全部凝结在生料表面上，造成某些区域或者设备发生结皮、堵塞。氯化碱比其他碱化合物具有更小的蒸气压，并且在窑内烧成温度1450℃以下时就达到沸点，因而它在进入窑内不久又重新挥发出来。因此，当生料中的氯含量超过一定限度时，碱循环急剧增加，导致温度处于800℃～1000℃区间的预热器或管道内严重结皮，同时氯化碱还能和硫酸碱形成低熔点混合物，粘附在生料表面，降低生料的流动性，有利于结皮的增强。

2.3 碱的循环机理

当原料、燃料中碱与硫、氯化合后仍有剩余时，可以与生料中的Ca⁃CO3化合形成低温下熔融的极易挥发的碱金属碳酸盐而构成循环，形成结皮，同时这部分过量的碱也可能在烧成温度下成为熟料液相的组成部分而不再挥发。在熟料冷却过程中，如果这部分碱不包括在玻璃体中，它就会与熟料矿物发生反应。例如K2O与C2S发生反应形成KC23S12，并产生fCaO；Na2O与C3A化合形成NC3A3，同样也产生fCaO。前者阻碍C2S充分吸收CaO生成C3S，后者促进铝酸盐析晶，加速水泥早期水化和凝结，两者均造成fCaO的增加。

通过对硫、氯、碱的循环机理的了解，对于硫、氯、碱等有害成分的循环富集所造成的结皮、堵塞及熟料质量下降原因有了进一步认识，为了解决这些问题，国外部分公司对生料中硫、氯、碱允许含量做出规定（如表1所示[3]），超过规定标准就应采取旁路放风措施。但就目前而言，被人们普遍接受的观点是：生料中总碱量（K2O+Na2O）≤1%，氯含量≤0.015%～0.020%或者硫碱的克分子比＜1.0，当有害成分超过上述限制时就有可能影响窑系统的正常操作，此时就应考虑旁路放风。而由于国内劳动力价格较便宜，生料的含氯量放宽到0.025%～0.035%，当生料含氯量超过0.035%时，从保证水泥生产线正常运转或者提高设备运转率的角度出发，才设置旁路放风。

表1 国外部分公司对生料中有害成分含量的规定

3 结皮机理

造成窑尾及预热器结皮的原因，国内外学者均有一定研究，比较一致的看法是：结皮中硫酸盐和氯盐含量较高，而硫酸钾、硫酸钙和氯盐多组系统中，最低熔点为650℃～700℃，因此窑气中的硫酸碱和氯化碱凝聚时，会以熔态形式沉降下来，并与入窑物料和窑内粉尘一起构成粘聚性物质，在生料颗粒上形成液相物质薄膜，阻碍生料颗粒的流动，从而造成粘结堵塞。

为了掌握结皮的具体成分，中国建筑材料科学研究院曾对8个结皮试样进行了X射线分析，发现8个试样中都含有硫酸盐和以复盐形式存在的硫酸盐化合物，而大部分试样中都含有灰硅钙石（2C2S·CaCO3）和硫硅钙石（2C2S·CaSO4）。根据中国水泥发展中心1983年对美国水泥工业的考察，美国波特兰水泥协会（PCA）亦认为灰硅钙石是结皮的主要成分。据其鉴定灰硅钙石的分子式是Ca5(SiO4)2CO3，结构式是2C2S·CaO· CaCO3，并且认为RCl是灰硅钙石形成的矿石剂。他们还曾将四种成分不同的窑灰加入到生料中进行试验，其掺和比为：窑灰15%，生料85%，在同样的条件下进行加热，结果只有一个样本有灰硅钙石形成，该样本的窑灰氯含量高达6.24%。该实验也在一定程度上支持了RCl是灰硅钙石形成的矿石剂[3]。

4 旁路放风系统

4.1 旁路放风流程

就目前国内外状况，解决水泥生产原料、燃料中钾、钠、氯、硫挥发性物质排出的有效措施是旁路技术，而旁路技术又分为三类：（1）旁路放风，这是目前使用最多的技术，也是旁路效果最好的技术；（2）旁路热生料，即将预热器入窑的热生料部分旁路，从而减少挥发性组分的循环和富集，该技术效果也比较明显，但旁路损失热能难以利用；（3）旁路窑灰，即将窑尾电收尘器收下的窑灰，不是部分或全部掺入到生料中循环使用，而是将其作为水泥混合材料或其他添加料使用，从而减少挥发性组分的循环和富集。

旁路放风系统工艺流程，一般有四种形式：

（1）带旋风收尘器及旁路气体返回主气流的旁路系统。即旁路气体从窑尾抽出，掺入冷风后，通过旋风收尘器将含碱粉尘分离，经过收尘后的气体再从旋风预热器最上一级旋风筒的进口管道与主气流会合进入最上一级旋风筒。这种系统比较简单，但只有在生料中挥发性有害成分含量不高时才会采用。

（2）带旋风收尘器及单独用于旁路气体电收尘器的旁路放风系统。即旁路气体抽出并掺入冷风后，先经旋风收尘器，再进入电收尘器收集含有挥发性有害成分的粉尘，净化后的废气通过排风机、烟囱排入大气，如图1所示。

（3）直接由布袋收尘器收尘的旁路放风系统。即旁路气体抽出并掺入冷风后，直接进入布袋收尘器收尘，净化后的废气通过排风机、烟囱排入大气。

（4）直接由电收尘器收尘的旁路放风系统。即旁路气体抽出并掺入冷风后，经过增湿塔进入电收尘器收尘，净化后的废气通过排风机、烟囱排入大气。

随着水泥生产原料、燃料的日益紧张，使用含钾、钠、氯、硫挥发性物的原料、燃料业已成为一种趋势，当挥发性有害成分含量较高，采用第一种旁路放风形式不能满足水泥质量要求的时候，仅能采用后三种旁路放风形式。而由于烟室温度一般在850℃～1100℃，若将旁路放风的这部分废气经处理后全部排入空气，就会造成一定余热资源的浪费，因而可以针对旁路放风废气提出新的利用途径，即第五种旁路放风形式——通过某种设备将这部分余热资源加以利用。

对于设有单独三次风管的预分解窑，当采用旁路放风技术时，其原料、燃料的选择范围会更广，放风效果会更好。这是由于分解炉所需要的助燃空气是从冷却机直接抽取，入窑物料分解率可以达到90%以上，同时出窑烟气量比悬浮预热器窑全部助燃空气从窑内获得减少60%～70%，使得单独设置三次风管的预分解窑的废气中挥发性有害成分的浓度更高，对于这种情况采用旁路放风技术是十分有利的。在同样放风量的情况下，可以排除更多的有害成分或者以较低的能量损失获得较好的旁路放风效果。

图1 旁路放风工艺流程

4.2 旁路放风点位置的选择

选择旁路放风点位置时，需要考虑以下三点：

（1）抽气口处废气中有害成分浓度应该尽量高，而含尘量浓度应尽量低，否则随着粉尘量的增加，在要求挥发组分沉降量不变的情况下，沉降的粉尘量增多，会使整个生产线的热效率降低。

（2）抽气口要有合适的风速，一般选取10m/s以下，这样既能保证一定的粉尘表面积供气态物质凝结之用，又不会带来过多的粉尘损失。

（3）抽气口位置应该可以方便地处理结皮堵塞。一般认为旁路放风点的最佳位置是从窑尾上方沿着窑中轴线的上升烟室直接放出窑气，如图2所示。

图2 放风点位置示意图

据中国水泥发展中心对美国12个水泥厂的考察，其中10个厂设有旁路放风装置，抽气口伸入的位置有三种：（1）窑尾下料溜子前段（即靠窑一侧）；（2）烟室两侧；（3）烟室后侧（即远离窑的一侧）。阿里斯、恰墨及富乐公司设计的抽气位置大部分是在窑下料溜子前段。他们认为，当放风量在25%以下时，抽气口位置设在下料溜子前段较好；当放风量较大，如达到40%，由于抽气管直径较大，故抽气口布置在前端有困难，一般可安装在水泥窑烟室两侧或后侧[3]。

4.3 抽气口处结皮堵塞的防治措施

在放风抽气口周围一般会有严重的结皮堵塞现象，因此应及时采取措施处理。

（1）对窑和预热器要精心操作，使生产线各部分的温度、压力以及喂料量等参数保持稳定。

（2）在抽气口周围设置适量的空气炮，定期使用高压空气对抽气口的结皮进行处理。

（3）定期对抽气口进行检查，当发现有结皮堵塞趋势时，及时使用高压水枪对结皮进行处理。

只有做到以上三点才能把结皮堵塞的风险控制到最小，从而保证旁路放风的效果。

4.4 放风量、放风方式的确定

旁路放风量可根据原燃料情况通过计算确定。由于旁路放风装置需要增加基建投资，同时每1%旁路放风量会使熟料热耗、料耗和电耗分别增大17～21kJ/kg熟料、1～3kg/t熟料和0.1～0.2kWh/t熟料，故一般放风量不超过25%，当超过25%时其作用也相对降低，因而一般放风量为3%～10%，采用连续放风的方式。

国内资料介绍的旁路放风装置多采用5%～30%放风量，间歇放风方式，理由是在相同放风量的条件下，间歇放风比连续放风能够排除更多的挥发成分[2]。但是间歇式放风会对窑系统的稳定运行带来不利影响，因而为了保证水泥生产线的稳定运行可考虑小风量连续放风的方式。

4.5 收尘设备的清扫

要定期对收尘设备进行吹扫，防止收尘灰粘壁。

5 结语

旁路放风技术在国外已经较为广泛地使用，特别是在美国，在生产低碱水泥时，往往采用该技术。但在国内对这一技术研究比较少，随着水泥生产原料、燃料中硫、碱和氯含量的提高，采用旁路放风技术已不可避免。旁路放风技术的出现也给水泥生产线带来了新的发展方向：（1）拓宽了原料、燃料资源的使用范围，从而缓解原料、燃料资源日益紧张的趋势；（2）利用一些低热值的废弃物（如生活垃圾、塑料以及废轮胎等），直接减少了废弃物的排放，改善了大气环境。当旁路放风量比较大时，可以通过某种设备将这部分余热资源充分利用，以减少能源的浪费，具体利用方式以后会重点说明。

[1]张大康.国外某水泥工厂的旁路放风装置[J].水泥技术,2006,(4):56-59.

[2]彭学平,胡芝娟.水泥窑旁路放风的设置及其效果[J].水泥技术,2001,(6):10.

[3]陈全德.新型干法水泥技术原理与应用[M].北京:中国建材工业出版社,2004:147-148.■

Research of By-pass Techniques in Cement Kiln

LI Guo-qiang,HAN Tao,XIAO Yan-dang,DU Jun-zhao
(Suunpower Co.,Ltd.,Xian Shanxi,710075,China)

This paper briefly introduced the recycling mechanism of vola⁃tile material potassium,sodium,chlorine and sulfur in cement produc⁃tion process.Moreover the phenomenon of bulidups jam was discussed; Besides,the paper dicussed the cement by-pass techniques of solving the buildups and a few attentioned problems in production line;It was suggested that a new utilization way was provided for the bypass exhaust gas.

by-pass techniques;volatile material;coating and clogging

TQ172.622.29

A

1001-6171（2012）06-0029-04

思安新能源股份有限公司，陕西西安710075；

2011-03-20；编辑：赵莲