石油焦作为新型替代燃料在水泥窑应用的探讨

翟宝

（中国水泥厂有限公司，江苏 南京 210034）

0 引言

为减少原煤消耗总量，解决青龙山矿石灰石CaO含量低、资源贫乏、不具备单独配料条件等问题，中国水泥厂有限公司组织技术人员对南京市周边新型燃料资源进行排查、论证，最终确定石油焦作为新型替代燃料。通过生产实践，摸索出一套完整、可靠、经济的使用经验，开创了在海螺水泥股份公司率先使用的先例，最高掺入石油焦比例近50%，为其他单位使用石油焦提供了参考，得到行业内外好评。

1 石油焦特性

石油焦是原油经蒸馏将轻重质油分离后，重质油再经热裂的过程转化而成的产品。根据石油焦结构和外观，其产品分为针状焦、海绵焦、弹丸焦和粉焦；根据硫含量的不同，可分为高硫焦和低硫焦。

从外观上看，石油焦为形状不规则、大小不一的黑色块状（或颗粒），表面有金属光泽，颗粒为多孔隙结构，碳元素占比80%以上，其余为氢、氧、氮、硫和金属元素。密度因品种不同差距较大，一般为0.8 kg/cm3。质地较坚硬，属于中等偏难磨，因品种不同易磨性相差较大。价格依据硫含量高低定价，相差甚大。

通过对成本、配料条件等价格方面的论证，中国水泥厂有限公司选取挥发份8%~9%、内水0.49%、发热量8 740 kcal/kg、全硫3.0%的石油焦作为回转窑新型替代燃料。

2 烧成系统基本配置和燃料替代方案

中国水泥厂有限公司拥有两条5 000 T/D水泥熟料生产线，配套为天津水泥设计院设计的TDF型分解炉，分别于2004、2005年建成投产，日产量5 700~5 800 t/d，烧成系统主机设备配置见表1。其中，燃烧器采用史密斯DUOFLEX，该燃烧器具有一次风量低、灵活调节、热力集中、对劣质燃料适应性强等特点。

表1 烧成系统主机设备配置

结合现有原煤、铁质材料、石灰石等大宗原燃材料的品质、含硫量，制定了具体方案。控制硫碱比为1.0~1.2，采购硫含量3.0%的石油焦，掺入比例从5%开始试用，按照使用后回转窑煅烧状况、出窑熟料质量及窑尾废气中SO2排放值，综合考虑成本后再稳步提高，以达到降低原煤消耗量、提高矿山资源利用率的目的。

3 烧成系统基本配置和运行状况

因生产线主要能耗指标偏高，中国水泥厂有限公司分别于2016、2017年，委托南京水泥工业设计研究院有限公司对其进行技术改造，主要项目有预热器分解炉炉容、炉型、撒料板、三次风管入炉方式、窑筒体缩口扩径、篦冷机风量风压提高等。经过技改，分解炉现炉型为NST-Ⅱ型，顶部设计鹅颈管，经方形连接管道分两路入C5旋风筒，炉容为1 390 m3，气体停留时间3.4 s，延长了燃料在炉内停留时间，有效提高了燃料燃尽率。三次风管由单独旋切进入分解炉锥部，降低了系统阻力、便于炉内风煤料充分混合，详见图1。

图1 预热器分解炉

4 生产实践

4.1 使用石油焦作替代燃料后生产基本情况

石油焦进厂后，严格按照《大宗原燃燃材料管理办法》“先检验、后使用”的原则，进行化验分析。进厂石油焦工业分析见表2、化学分析见表3，石油焦搭配及出窑熟料质量情况见表4，使用后回转窑运行主要参数见表5。

表2 石油焦工业分析

表3 石油焦化学分析

从表4看出，搭配比例由10%提高至45%期间,入窑煤粉硫含量平均值为1.12%，熟料3 d、28 d强度基本持平，f-cao合格率93.66%，标准稠度、凝结时间正常。

表4 石油焦搭配及出窑熟料质量情况（3#窑）

从表5看出，使用石油焦期间回转窑台产、C1出口负压及温度、二次风温等关键参数等未发生明显变化，主要运行参数正常。

表5 石油焦使用后回转窑运行主要参数

4.2 使用石油焦后遇到的问题

（1）易磨性较原煤差，煤立磨台时产量略微下降。根据使用方案，结合窑系统煅烧情况，搭配比例按照5.0%、10%、15%逐步增加至45%，随着掺入比例的增加，出现了煤磨吐渣量增多、台产下降及细度跑粗等情况。

（2）窑系统结皮增多，熟料中SO3含量增加。掺入比例达到40%左右时，入窑煤粉硫含量为1.4%，挥发份降至20%，窑尾烟室、分解炉缩口等部位结皮增多，熟料中SO3含量提高0.2%左右。

（3）预热器出口CO含量略微增加。受石油焦挥发份较烟煤低、细度偏粗、搭配不均匀及窑系统结皮等情况制约，运行中预热器出口CO含量在0.1%~0.15%波动。

（4）因石油焦挥发份较低，燃尽时间长，所需燃烧空气量增加，导致NOX排放值增加，用于脱氮氨水消耗上升。

5 解决措施

（1）对煤立磨喷口环清理、加高挡料环，煤粉细度稳定在4%~6%，缩短煤粉和石油焦的燃尽时间。

（2）控制生料K+、Na+含量在合适范围，促使硫碱比相对平衡，使硫化物固化在熟料中一起排出，降低系统硫含量。

（3）因石油焦挥发份较烟煤低，燃烧特性接近无烟煤，煅烧过程中，调节燃烧器内外流开度、截面积，降低一次风量，提高出口压力，使原煤和石油焦混合均匀、火焰高温区集中。

（4）提高原煤采购热值、挥发份，严格控制入窑煤粉内水，降低出磨煤粉细度，建议参照天津院无烟煤煤粉细度经验公式R=V/2-(0.5-1.0)控制。

（5）石油焦燃尽时间长，分解炉内高温区发生变化以后，将原SNCR系统喷枪位置调整到C5旋风筒中部，有效控制了NOX排放值，降低了氨水消耗，节约了生产成本。

（6）整治系统漏风，匹配合适的系统风量，二三次风比例严格控制系统CO含量小于0.1%以内，避免不完全燃烧致使系统出现局部高温，结皮堵塞、结圈及等异常情况，从而引起的安全运行等风险。

（7）稳定下料、下煤系统，统一操作思想，严格按照“系统用风用煤量，降低分解炉出口和C5溜管温度、减少窑头煤使用”的控制思想，经过近一段时间的实践，窑尾温度明显下降，有效减少了结皮、结圈等不良现象。

6 结语

经过摸索与实践，石油焦掺入比例45%期间水泥回转窑窑工况参数良好、出窑熟料质量稳定，煤电耗等关键指标逐步优化、未产生新的污染物，弥补了矿山石灰石品位低的缺陷，更积累了使用经验。由此可见，使用石油焦作为替代燃料应用在水泥窑是完全可行的，有效应对了控煤等因素制约，在性价比合适条件下，使用比例完全能够提高甚至达到100%，将会为水泥行业创造更大的经济效益。