旁路放风与高硫煤的应用

刘庆江，高增毅，方婉，沈欣

某φ4.7m×72m预分解窑设计产量5 000t/d，实际产量5 600t/d，该项目所在地出产烟煤，但其硫含量高（St.ad＞2%），为了能够高效利用本地煤，取得更好的技术经济效益，经研究决定，采用旁路放风技术，解决硫含量高的问题。

1 原、燃料使用情况

1.1 原、燃料化学成分

由表1、表2可见，项目所用原、燃料中的硫、氯离子含量皆高，黑粘土中的碱含量也偏高。

1.2 配料情况

干基原料配比情况见表3，生料及熟料化学成分分析见表4，生料及熟料率值及矿物组成见表5。

表1 原、燃料化学成分分析，%

表2 原煤工业分析

表3 干基原料配比，%

表4 生料及熟料化学成分分析，%

表5 熟料矿物组成（%）、生料及熟料率值

表6 熟料中有害成分的含量，%

2 熟料有害组分限量指标分析

当前，我们仍然习惯采用上世纪七十年代国外水泥公司制定的指标讨论旁路放风设置，本项目用的是Krupp Polysius公司的标准，也部分融入了F.L.Smidth公司过剩硫的概念。项目熟料中有害成分的化合物含量见表6，不设旁路放风时熟料有害组分限量指标情况见表7。

从表7可见，项目原、燃材料中仅氯离子一项含量超标，似乎可以不放风。但仔细研究，另外三项SO3、R2O、SE含量均处于警戒水平，结合其他企业生产实践，分析造成以上问题的症结所在，具体原因如下：

（1）在预分解窑系统内，煤粉所含的硫在窑头和分解炉内所生成的SO2均被碱性氧化物和氧化钙吸收生成硫酸盐，CaSO4-K2SO4-Na2SO4三元系统的低共熔点＜800℃，当存在KCl时，低共熔点接近700℃，此时在窑尾很易形成硫硅钙石（2C2S·CaSO4）、钙明矾石（2CaSO4·K2SO4）、硫铝酸钙（3CA·CaSO4），这些矿物大多呈针状或纤维状晶体，是造成结皮、结圈的重要因素，且结皮、结圈牢固，不易清除。

（2）若硫固化在熟料中，则会使熟料强度降低，水泥凝结时间不正常，石膏掺入量不易掌握。

（3）项目1.36%的碱合量对熟料后期强度有影响。

综上所述，为使用高硫煤生产优质熟料，项目原、燃料中氯离子含量高，必须研究采用旁路放风技术。

表7 不设旁路放风时熟料有害组分限量指标

表8 旁路放风计算依据

3 旁路放风量计算

采用经典Weber法进行旁路放风量的计算，碱循环简图见图1，计算公式如下：

图1 碱循环简图

旁路放风计算依据与计算结果见表8～表13，从计算结果可见：

（1）在10%放风的情况下，Cl-、SO3、K2O三项取得了良好的效果：Cl-、SO3远离限量指标；清除了过剩硫，窑尾不存在促进窑皮生成的CaSO4，为使用本地高硫煤创造了条件；熟料中碱含量有所降低，使其摆脱了对熟料后期强度影响的限量（1.5%）界限。

（2）旁路放风10%时，排出的旁路窑灰量为20g/kg熟料，熟料热耗增加83.6kJ/kg熟料。若提高放风量，排灰量和热耗会呈正比增加，应尽量避免。

（3）放风量和挥发性组分的降低率并非呈正比关系，如SO3在放风10%时，熟料中SO3含量可降低25%；在放风20%时，熟料中SO3含量可降低39%，并非可降低50%，碱也是如此。这样的原料只能生产一般熟料，即使放风50%也不能生产低碱熟料。本项目在生产低碱熟料时，使用了运距较远的低碱硅铝质原料。

表9 旁路放风计算结果（K2O情况，g/kg熟料）

表10 旁路放风计算结果（Na2O情况，g/kg熟料）

表11 旁路放风计算结果（SO3情况，g/kg熟料）

综上所述，我们确定设置10%放风系统。放风点在窑尾烟室斜坡部正前方，放风口宽4.5m，高1.5m，变径后的放风管道直径2.1m，从窑尾烟室放风后有近36m的上升烟道，用于沉降较大颗粒物料，以减少排灰量，改善管道通风环境。在上升烟道的最上方，烟气自上而下直通PH炉，用于余热发电，发电量为400kW/h。发电后的低温气体经除尘后，由管道接入烧成系统排放烟囱排出。此设计有效解决了放风管道堵塞的问题，使旁路系统实现了连续稳定运行和余热利用。通过设置旁路放风系统，企业既可使用较为经济的本地高硫煤，热损失和排灰处理量也不至过大。旁路放风设置情况见图2、图3，中控室操作画面见图4。

表12 旁路放风计算结果（Cl-情况，g/kg熟料）

表13 熟料中挥发性组分含量与旁路放风量

图2 旁路放风出口及上升烟道图（左视）

图3 旁路放风倾斜烟道与PH炉链接图（右视）

图4 旁路系统操作画面

表14 2019年四季度实测生产情况

表15 2019年四季度熟料平均强度

表16 熟料中有害成分的含量，%

4 改造效果

在设有旁路放风设施的条件下，项目2019年四季度实测生产情况及熟料平均强度见表14、表15，熟料中有害成分含量见表16。

通过设置10%的放风量，本项目使用本地高硫煤进行生产的设想得以实现，生产成本降低且热损失不大，排灰量不多，得到的技术经济效益可观；窑内工况呈清晰态，窑尾结皮趋势减弱，操作较轻松；熟料中有害组分含量大幅降低，熟料性能改善，强度提高，产量有所增加。

辽阔的新疆是干旱地区，岩矿中钾、钠、硫、氯离子含量均偏高。快速发展的新疆在建工程项目很多，对水泥质量均有严格要求，例如高铁工程大部分使用低碱水泥（Na2OE≤0.6%），普通水泥也要求Na2OE≤0.8%。除严格选料外，设置旁路放风系统也可降低熟料中有害组分含量，我们采用了这两种办法，满足了水泥市场对水泥质量的要求。