预分解窑使用高硫煤的危害及应对措施

预分解窑使用高硫煤的危害及应对措施

王浩  合肥水泥研究设计院有限公司

来源：《新世纪水泥导报》

0引言

我国预分解窑水泥生产线以煤作为主要燃料，为了节约优质煤及成本，很多水泥厂采用高硫煤煅烧熟料，但这会带来一系列问题：一方面熟料煅烧过程中会产生大量化合态的硫在回转窑、预分解系统循环富集，造成预热器结皮堵塞、窑结后圈，工况紊乱[1]；另一方面，煤中硫化物会使液相提前出现，熟料结粒过早，实际饱和比偏低，质量降低。如何有限使用高硫煤保证熟料质量以及稳定生产，找到不同工况下的解决方法，具有十分现实的意义。

1使用高硫煤的生产危害

根据《水泥回转窑用煤技术条件》规定，窑头及窑尾用煤要求全硫St,d<2.0%，而高硫煤中的全硫值高于此规定值，较高的硫会以多种硫化物循环富集在窑内和预分解系统中，对水泥生产造成一系列影响，包括易结皮结圈、煅烧气氛差、降低熟料质量以及煤粉燃尽率低等问题。

1.1易结皮结圈

在使用高硫煤进行生产时，由于煤中较多的硫与生料中的碱生成硫酸碱化合物，例如1 074℃(K2SO4)、894℃(K2SO3)、884℃(Na2SO4)、850℃(Na2SO3)等。在850～1 250℃温度范围内，煤燃烧时挥发出的气态硫产生矿化剂作用，容易使液相提前出现，生成的硫化物液化成团粘附在内壁上，混合生料粉及煤灰不断结块变硬，在分解炉锥部、烟室、窑烧成段等部位易形成严重的结皮结圈[3]。

1.2煅烧气氛差

高硫煤在快速燃烧时，煤中大量硫成分气化脱离，游离的气态硫组分在窑及分解炉等部位循环富集，使得系统内通风性能恶化，短时间内难以与生料结合固化出窑，为改善通风需加大风量，窑内风速增加，阻力增大，导致生产工况进一步变差[4]。

1.3燃尽率低

部分产区的高硫煤中热值不高、挥发分波动大、灰分占比高，煤管喷出的煤粉难以在短时间内充分燃烧，为保证热力强度，实际吨熟料用煤量较高，导致黑火头较长，燃烧时易燃性变差，燃尽率低[6]。

1.4降低熟料质量及运转率

在熟料煅烧过程中，一方面，煤中硫化物会导致液相提前出现，过快形成的C3S晶体将部分C2S包裹，降低熟料中C3S含量，同时煤中SO3会与部分CaO结合形成CaSO4，影响C2S和CaO化合生成C3S，降低熟料强度。生产中为了保证熟料质量，通常采取提高饱和比的办法，在高饱和比的工况下，煤中硫化物与C3A化合生成更易于膨胀的单硫型化合物（CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O），该种单硫型化合物会进一步导致熟料强度降低。另一方面，高硫煤燃尽率低，头尾煤燃烧不完全，生料发黏抱团，为了保证煤粉充分燃烧及生料悬浮，需要加大高温风机拉风，工况很难稳定，预分解系统容易出现频繁塌料现象，旋风筒锥部堵塞，只能减产甚至停窑清理，影响生产运转率及产量[5]。

2使用高硫煤的应对措施

水泥生产中使用的煤粉主要在窑内烧成带及分解炉锥部中进行燃烧放热，燃烧时该处的硫化物最先逸出，减少煤中硫化物危害最有效的方法是将硫排出系统不再参与循环富集，具体可以从设备更换、原燃材料配料调整、工艺优化、精细操作几个角度进行调整。

2.1设备更换

使用大通道燃烧器，采取短硬火焰、富氧煅烧的思路：一方面通过扩大煤管外风孔径以提高火焰穿透力和刚度，增大内风旋流角度来增强火焰对二次风的涡旋能力，能够提高煤粉的燃烧效率；另一方面增加窑内空气过剩系数，减小窑内出现还原气氛的可能性，缩短燃烧带长度来减少硫酸盐的分解，如窑尾烟室出口氧气浓度控制在4.5%～5.5%时，CaSO4的分解温度会从1 200℃升高到1 500℃,该温度高于窑内熟料烧成温度，窑内CaSO4的分解明显减少，燃料中的硫化物将以CaSO4、K2SO4、Na2SO4等形态转变为熟料的组分[7]。

2.2配料调整

（1）调整煤粉细度。若为高硫低热值煤或低挥发分煤（热值＜5 000 kcal/kg，挥发分＜10%），这种煤着火点高，不易燃烧，燃烧过程受扩散速率影响较大，如高硫无烟煤等，其粒度要求比普通燃煤更小，煤粉细度控制0.08 mm筛余<1%甚至更小。合理调整煤粉细度指标，降低煤粉水分，同时避免煤粉过细产生爆燃等状况，以此减弱煤粉滞后燃烧的现象。

（2）控制硫碱比。针对煤中不同硫化物的成分与含量分析，预判可能生成的硫碱化合物类型，合理控制生料硫碱比来吸收过多的硫化物。生料硫碱比的控制范围主要取决于原燃材料中硫和碱的挥发能力，以及熟料融体的粘结聚合能力。一般情况下，使用高硫煤时硫碱比可以控制在0.6~1.0之间，熟料硫碱比可以控制在0.6~0.7之间，具体控比需根据实际情况反馈调整[8]。

（3）提高CaO含量。配料时采取高饱和比、低铝、低铁的方法，增大CaO的含量，改善水泥熟料的质量，保证有足够的C3S生成量，伴随熟料固化部分硫化物；同时降低铝、铁含量比例，减少熟料液相量和形成速率，降低过早生成的液相与含硫煤灰在窑内结皮结圈的可能性。

2.3工艺优化

（1）优化烟室料幕。例如从C3下料管分流灼热物料到烟室，降低窑尾烟室的局部温度，并利用负压将分流的灼热生料均匀喷入烟室，使物料挥发出的SO2气体冷凝在生料颗粒表面，破坏气态硫在窑尾的循环富集，结合经验及计算，1 kg熟料约分流0.15~0.20 kg的灼热生料进入烟室。

（2）使用固硫剂。目前固硫剂化学形态可分为钙系、钠系及其他三大类，价格普遍在500~1 500元/t左右。其特点是：来源广泛且价格便宜，碱性成分吸收SO2能力较强，在高温下生成不易分解的硫酸盐。常见的钙系固硫剂包含：氢氧化物Ca(OH)2、Mg(OH)2；金属氧化物CaO、MgO；盐类CaCO3、MgCO3等。钠系固硫剂包含：氢氧化物NaOH、KOH；盐类NaCO3、KCO3等。目前常采用钙基固硫剂，一方面其固硫效率与物料中SO3占比呈正相关关系，与Ca/S物质的含量比呈负相关关系；另一方面固硫剂在850℃左右固硫效果最佳，小于该温度，以固硫合成反应为主，大于该温度，固硫产物中CaO晶型改变发生分解。所以使用固硫剂需考虑物料组分和加入范围区间，保证固硫效率最大化[9]。

（3）旁路放风。当原燃料中硫等有害挥发性组分明显超出可控范围时，设置旁路放风系统效果明显。在SO2富集循环的烟气区域内引入旁路放风，通过低温来控制硫的凝结位置，进一步减少硫化物挥发，缓解系统工况紊乱程度[10]。

2.4精细操作

（1）调整三次风闸板开度，适当增大窑内二次风的通风量，降低窑尾烟室烟气温度，保证烟室出口氧含量有富余，减少结皮量，保证燃煤燃烧。

（2）调整喷煤管位置，使其轴线更靠近窑轴线布置，保证煤粉颗粒在喷射到物料之前有更长的时间进行燃烧，从而减少硫化物的挥发。

（3）提高窑转速。配合配料及煤管调整，采用“薄料快烧”的措施，提高窑转速，缩短烧成带的长度及高温区域的物料停留时间，进一步减少硫酸盐分解。

3使用高硫煤的案例分析

3.1案例一

A厂使用含硫量在2%~4%的高硫煤进行生产，烟室结皮严重，窑内出现大球，烧成带长厚窑皮甚至结厚圈，整个生产系统工况较为紊乱，熟料强度下降明显，其窑尾烟室结皮化学成分分析见表1所示。

煤中含硫量相对较低，走增强煅烧吸收硫化物的技术路线，可使用大通道燃烧器，合理调整喷煤管位置，提高窑转速等措施。结合该厂现有工况条件，采用调整喷煤管的解决方案。将原煤管的外风直径由12 mm增大到14 mm，内风旋流风翅角度由45°增加到55°,煤管位置由X轴线方向6 cm调整到零位，Y轴线方向由3.3%增大到3.5%的斜度，使煤管的位置与窑轴线保持同心同轴。同时将三次风闸板开度由55%调整到45%，窑内的通风量得以增大，流经烟室缩口的氧含量稳定在5%左右。此外，将煤粉细度由12%控制到8%以下，增大配料中CaO的含量，整体提高熟料三率值，窑速由3.8 r/min提高到4.1 r/min。

实施上述措施后，窑内长厚窑皮、窑尾烟室结皮现象得到控制，熟料强度明显提高，其3 d抗压强度稳定在30 MPa。对窑尾系统烟气成分进行检测，使用高硫煤后烟气内SO3含量没有明显变化，说明绝大部分硫在煅烧过程中被熟料固定吸收。

3.2案例二

B厂使用的高硫煤含硫量在4%~5%，由于该地区雨水较大，原煤中含水量较高，且含硫高、热值低、煤质差，生产中烟室结皮严重，窑内经常长厚窑皮甚至出现结球现象，烧成系统内通风很差，熟料芯部出现淡黄色或白色的未烧透区域，同时窑前飞砂料多，窑头罩频繁塌料，生产状况较差，即使系统容量够大，但产量上不去。该厂高硫煤的相关参数见表2所示。

煤中含硫量相对偏高，走调整原燃材料成分、控制硫碱比的技术路线，可实施高饱和比及低铝低铁的生料配比、改善煤粉细度、调整三次风闸板开度等措施。针对该厂实际情况，采取了严控配料成分、窑头高温、窑尾低温的煅烧思路。其中生料配料调整为高饱和比、低铝、低铁的方式，严格控制出窑熟料三率值（KH：0.93±0.02，SM：2.7±0.1，IM：1.7±0.1），且根据实际锻烧情况及时调整，并且尽量提高熟料中硅酸率的含量，并限定熟料中Al2O3S＜5.0%，Fe2O3S＜3.0%，保证熟料中C3S在59%左右，C4AF在9.0%左右。在熟料fCaO合格的基础上，窑速由3.5 r/min增加到3.9 r/min；分解炉中部温度控制在950℃左右，C5筒锥部温度控制在860℃左右，并下调窑尾煤管位置以压低锥部温度；调节一次风内、外风阀门开度分别为60%和100%，保持系统处于窑头高温、窑尾低温煅烧状态。调整措施实施后其熟料成分分析见表3所示。

通过调整生料配比，稳定熟料率值，结合薄料快烧精准控温的方法，系统结皮明显减少，熟料28 d强度上升到57 MPa，fCaO合格率达85%以上，窑内热工制度趋于稳定，熟料质量改善明显。

3.3案例三

C厂使用含硫量在4%~6%的无烟煤进行生产，其供应的高硫煤相关参数见表4。生产中窑内硫化物大量富集循环导致预分解系统内结皮堵塞严重，熟料中黄心料占比高，28 d熟料强度较低，仅有50~55 MPa左右，其熟料化学成分分析见表5。虽然采取了烟室料幕、加大窑内通风、旁路放风、提高窑速、调整配料平衡硫碱比等措施，但生产中系统难以稳定且熟料质量较差。

如果煤中含硫量更高时，走调整工艺、固硫剂吸收的技术路线，可以采取优化烟室料幕、使用固硫剂、旁路放风等措施。针对该厂现状，采取添加固硫剂、降低煤粉细度的方法。其中固硫剂添加量占总煤量的0.2%，同时控制出磨煤粉80μm筛余在0.5%左右，喂煤量反馈值与实际值间误差控制在0.1 t/h以内，窑况趋于稳定且黄心料减少。一方面是因为固硫剂中有效成分参与氧化还原反应后，高价氧化物中的氧原子向碳原子表面迁移聚集，加快了煤粉的快速燃烧，减少了窑内出现CO还原性气氛和未燃尽焦炭颗粒的可能性，窑内高温带中硫与钙、铝等氧化物或复合矿物熔融形成硫铝酸盐[11]，硫循环减弱。另一方面，固硫剂化合了煤中部分硫，固硫产物不再以稳定性较差的CaSO4的形式存在，高温下化合形成了3CaO·3Al2O3·CaSO4、Ca5(SiO4)2SO4、K2SO4·2CaSO4等抑制CaSO4分解的熔融聚合物，从而伴随熟料出窑。总之，合理使用固硫剂可以缓解窑内硫循环富集现象，保证稳产且提高质量。

4措施总结

水泥生产中使用高硫煤，应对的技术方案见表6所示。首先可以调整燃烧器的使用，采用短硬火焰、窑头高温、窑尾低温的煅烧方法，使燃烧器的轴线靠近窑轴线布置，并调整外风孔径、内风风翅角度等参数，避免火焰过于靠近物料表面，保证煤粉颗粒有更长的时间在烟气中燃烧，同时适当缩短物料在高温区域的烘烤时间，减少熟料内硫酸盐的分解。然后，配合更换燃烧器，需提高窑转速和降低煤粉细度，采用“薄料快烧”的思路，并且增加窑内空气的过剩系数，减少窑内出现还原气氛的可能性。此外，调整生料配比，采用高饱和比、低铝、低铁的配料措施，并根据实际原料成分调整硫碱比，合理的硫碱比可以吸收过多的硫且少结皮。最后，可以考虑使用一定比例的固硫剂和采取烟室料幕的措施，其中使用固硫剂可以加快煤的燃烧速率且形成硫化熔融包裹物，最终以硫化物的形式转变为熟料组分。

5结束语

目前针对不同水泥厂使用的高硫煤，其煤成分参差不齐，有低热值、高灰分的高硫煤，也有高热值、高挥发分的高硫煤，有些厂通过洗煤脱硫、掺优质煤等方法来使用高硫煤，不具有普适性。如何从根本上解决高硫煤使用难的问题，笔者认为，熟料固化吸收过多硫组分最佳。每个水泥厂需要分析高硫煤中具体化学成分，对应分析生料成分及本厂实际的生产工况，结合熟料质量要求对症下药。通过配料合理、工艺恰当、精细化操控等措施，让多余的硫化物转变为熟料组分，保证系统工况平稳运行且熟料质量达标。

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