水泥窯旁路放風(fēng)技術(shù)的研究

李國(guó)強(qiáng)，韓濤，肖衍黨，杜俊昭

水泥窯旁路放風(fēng)技術(shù)的研究

李國(guó)強(qiáng)，韓濤，肖衍黨，杜俊昭

介紹了水泥生產(chǎn)過程中鉀、鈉、氯、硫等揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)機(jī)理和結(jié)皮堵塞現(xiàn)象形成的機(jī)理,闡述了解決結(jié)皮堵塞現(xiàn)象的旁路放風(fēng)技術(shù)及其在水泥生產(chǎn)過程中應(yīng)注意的幾個(gè)問題,同時(shí)針對(duì)旁路放風(fēng)廢氣提出了新的利用途徑。

旁路放風(fēng)技術(shù)；揮發(fā)性物質(zhì)；結(jié)皮堵塞

1 前言

隨著水泥工業(yè)的快速發(fā)展，水泥生產(chǎn)所必需的原料、燃料資源也日趨緊張，因而在水泥生產(chǎn)過程中使用一些含鉀、鈉、氯、硫揮發(fā)性物質(zhì)的原料、燃料成為一種趨勢(shì)，尤其是在國(guó)外，例如：在日本，工業(yè)和生活垃圾已經(jīng)有三十余年的歷史并已廣泛使用，在條件適宜的水泥窯，每噸水泥的垃圾處理量也已達(dá)到200～300kg[1]；在德國(guó)海德堡麾下的某水泥廠到2003年利用二次燃料量約8萬噸（占總量的48%），其中塑料占90%，還有10%左右的廢輪胎。但原料、燃料中的鉀、鈉、氯、硫含量較高會(huì)給水泥生產(chǎn)線系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重后果，主要表現(xiàn)在：

（1）在窯尾煙室、下料斜坡、縮口及最下一級(jí)旋風(fēng)筒的錐體等部位容易發(fā)生結(jié)皮堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運(yùn)行。

（2）影響水泥的質(zhì)量。熟料中堿含量過高，會(huì)導(dǎo)致在混凝土中發(fā)生膨脹性的堿骨料反應(yīng)。美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低堿水泥熟料中鈉含量不超過0.6%已普遍被世界接受，對(duì)于普通水泥，目前并無最大含堿量的規(guī)定。但根據(jù)我國(guó)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，熟料中含堿量超過1.3%時(shí)，對(duì)熟料質(zhì)量就會(huì)有不良影響[2]。

（3）水泥熟料中氯含量較高會(huì)腐蝕混凝土中的鋼筋，影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此采用旁路放風(fēng)系統(tǒng)（即在窯尾和預(yù)熱器之間增設(shè)旁路放風(fēng)裝置，以減少揮發(fā)性組分的循環(huán)和富集）是解決原料、燃料中鉀、鈉、氯、硫揮發(fā)性物質(zhì)排出的有效措施，可保證水泥生產(chǎn)線系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和水泥熟料的質(zhì)量。

2 揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)機(jī)理

揮發(fā)性物質(zhì)主要包括硫、氯和堿（主要是鉀和鈉），其主要循環(huán)機(jī)理如下。

2.1 硫的循環(huán)機(jī)理

硫在水泥原料中主要以硫酸鹽或硫化物的形式存在，在燃料中以硫化物或有機(jī)硫存在。一般認(rèn)為在氧化氣氛中硫酸鈣的分解始于750℃～1100℃，結(jié)束于1450℃。當(dāng)有碳存在時(shí)，硫酸鈣于900℃～1000℃就和碳發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生SO2進(jìn)入窯氣中；硫化物的氧化反應(yīng)始于400℃～600℃，結(jié)束于1000℃；有機(jī)硫和硫化物的氧化類似，兩個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生的SO2均進(jìn)入窯氣中。同時(shí)窯氣中硫和堿蒸氣有非常強(qiáng)的結(jié)合能力，它們首先會(huì)發(fā)生化合反應(yīng)，同時(shí)硫也能與生料中的固態(tài)堿化合形成堿金屬硫酸鹽，并凝聚在生料表面，最終都隨生料進(jìn)入燒成帶。在還原氣氛中硫酸堿會(huì)分解，但在氧化氣氛中硫酸堿就比較穩(wěn)定，進(jìn)入燒成帶內(nèi)其揮發(fā)率較低，除少量再一次揮發(fā)外，大部分隨熟料出窯，因而生料或燃料中的硫?qū)A循環(huán)起到了抑制作用。

2.2 氯的循環(huán)機(jī)理

氯對(duì)堿循環(huán)的作用與硫恰恰相反，它能促進(jìn)堿的循環(huán)，進(jìn)入燒成帶的氯幾乎全部揮發(fā)，只有極少部分被熟料帶走，在生料和燃料中揮發(fā)出來的氯化物可以與生料中的堿或與已進(jìn)入窯氣中尚未與硫化合的堿蒸氣形成氯化堿。揮發(fā)過程中被帶到窯氣中的氯更易和鉀發(fā)生反應(yīng)生成氯化鉀，一般只有在氯化鉀形成后，過量的氯才能和鈉形成氯化鈉。這種化合物在800℃～900℃時(shí)蒸氣壓接近為零，即在該溫度下幾乎全部凝結(jié)在生料表面上，造成某些區(qū)域或者設(shè)備發(fā)生結(jié)皮、堵塞。氯化堿比其他堿化合物具有更小的蒸氣壓，并且在窯內(nèi)燒成溫度1450℃以下時(shí)就達(dá)到沸點(diǎn)，因而它在進(jìn)入窯內(nèi)不久又重新?lián)]發(fā)出來。因此，當(dāng)生料中的氯含量超過一定限度時(shí)，堿循環(huán)急劇增加，導(dǎo)致溫度處于800℃～1000℃區(qū)間的預(yù)熱器或管道內(nèi)嚴(yán)重結(jié)皮，同時(shí)氯化堿還能和硫酸堿形成低熔點(diǎn)混合物，粘附在生料表面，降低生料的流動(dòng)性，有利于結(jié)皮的增強(qiáng)。

2.3 堿的循環(huán)機(jī)理

當(dāng)原料、燃料中堿與硫、氯化合后仍有剩余時(shí)，可以與生料中的Ca?CO3化合形成低溫下熔融的極易揮發(fā)的堿金屬碳酸鹽而構(gòu)成循環(huán)，形成結(jié)皮，同時(shí)這部分過量的堿也可能在燒成溫度下成為熟料液相的組成部分而不再揮發(fā)。在熟料冷卻過程中，如果這部分堿不包括在玻璃體中，它就會(huì)與熟料礦物發(fā)生反應(yīng)。例如K2O與C2S發(fā)生反應(yīng)形成KC23S12，并產(chǎn)生fCaO；Na2O與C3A化合形成NC3A3，同樣也產(chǎn)生fCaO。前者阻礙C2S充分吸收CaO生成C3S，后者促進(jìn)鋁酸鹽析晶，加速水泥早期水化和凝結(jié)，兩者均造成fCaO的增加。

通過對(duì)硫、氯、堿的循環(huán)機(jī)理的了解，對(duì)于硫、氯、堿等有害成分的循環(huán)富集所造成的結(jié)皮、堵塞及熟料質(zhì)量下降原因有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，為了解決這些問題，國(guó)外部分公司對(duì)生料中硫、氯、堿允許含量做出規(guī)定（如表1所示[3]），超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)就應(yīng)采取旁路放風(fēng)措施。但就目前而言，被人們普遍接受的觀點(diǎn)是：生料中總堿量（K2O+Na2O）≤1%，氯含量≤0.015%～0.020%或者硫堿的克分子比＜1.0，當(dāng)有害成分超過上述限制時(shí)就有可能影響窯系統(tǒng)的正常操作，此時(shí)就應(yīng)考慮旁路放風(fēng)。而由于國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力價(jià)格較便宜，生料的含氯量放寬到0.025%～0.035%，當(dāng)生料含氯量超過0.035%時(shí)，從保證水泥生產(chǎn)線正常運(yùn)轉(zhuǎn)或者提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率的角度出發(fā)，才設(shè)置旁路放風(fēng)。

表1 國(guó)外部分公司對(duì)生料中有害成分含量的規(guī)定

3 結(jié)皮機(jī)理

造成窯尾及預(yù)熱器結(jié)皮的原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均有一定研究，比較一致的看法是：結(jié)皮中硫酸鹽和氯鹽含量較高，而硫酸鉀、硫酸鈣和氯鹽多組系統(tǒng)中，最低熔點(diǎn)為650℃～700℃，因此窯氣中的硫酸堿和氯化堿凝聚時(shí)，會(huì)以熔態(tài)形式沉降下來，并與入窯物料和窯內(nèi)粉塵一起構(gòu)成粘聚性物質(zhì)，在生料顆粒上形成液相物質(zhì)薄膜，阻礙生料顆粒的流動(dòng)，從而造成粘結(jié)堵塞。

為了掌握結(jié)皮的具體成分，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院曾對(duì)8個(gè)結(jié)皮試樣進(jìn)行了X射線分析，發(fā)現(xiàn)8個(gè)試樣中都含有硫酸鹽和以復(fù)鹽形式存在的硫酸鹽化合物，而大部分試樣中都含有灰硅鈣石（2C2S·CaCO3）和硫硅鈣石（2C2S·CaSO4）。根據(jù)中國(guó)水泥發(fā)展中心1983年對(duì)美國(guó)水泥工業(yè)的考察，美國(guó)波特蘭水泥協(xié)會(huì)（PCA）亦認(rèn)為灰硅鈣石是結(jié)皮的主要成分。據(jù)其鑒定灰硅鈣石的分子式是Ca5(SiO4)2CO3，結(jié)構(gòu)式是2C2S·CaO· CaCO3，并且認(rèn)為RCl是灰硅鈣石形成的礦石劑。他們還曾將四種成分不同的窯灰加入到生料中進(jìn)行試驗(yàn)，其摻和比為：窯灰15%，生料85%，在同樣的條件下進(jìn)行加熱，結(jié)果只有一個(gè)樣本有灰硅鈣石形成，該樣本的窯灰氯含量高達(dá)6.24%。該實(shí)驗(yàn)也在一定程度上支持了RCl是灰硅鈣石形成的礦石劑[3]。

4 旁路放風(fēng)系統(tǒng)

4.1 旁路放風(fēng)流程

就目前國(guó)內(nèi)外狀況，解決水泥生產(chǎn)原料、燃料中鉀、鈉、氯、硫揮發(fā)性物質(zhì)排出的有效措施是旁路技術(shù)，而旁路技術(shù)又分為三類：（1）旁路放風(fēng)，這是目前使用最多的技術(shù)，也是旁路效果最好的技術(shù)；（2）旁路熱生料，即將預(yù)熱器入窯的熱生料部分旁路，從而減少揮發(fā)性組分的循環(huán)和富集，該技術(shù)效果也比較明顯，但旁路損失熱能難以利用；（3）旁路窯灰，即將窯尾電收塵器收下的窯灰，不是部分或全部摻入到生料中循環(huán)使用，而是將其作為水泥混合材料或其他添加料使用，從而減少揮發(fā)性組分的循環(huán)和富集。

旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程，一般有四種形式：

（1）帶旋風(fēng)收塵器及旁路氣體返回主氣流的旁路系統(tǒng)。即旁路氣體從窯尾抽出，摻入冷風(fēng)后，通過旋風(fēng)收塵器將含堿粉塵分離，經(jīng)過收塵后的氣體再?gòu)男L(fēng)預(yù)熱器最上一級(jí)旋風(fēng)筒的進(jìn)口管道與主氣流會(huì)合進(jìn)入最上一級(jí)旋風(fēng)筒。這種系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，但只有在生料中揮發(fā)性有害成分含量不高時(shí)才會(huì)采用。

（2）帶旋風(fēng)收塵器及單獨(dú)用于旁路氣體電收塵器的旁路放風(fēng)系統(tǒng)。即旁路氣體抽出并摻入冷風(fēng)后，先經(jīng)旋風(fēng)收塵器，再進(jìn)入電收塵器收集含有揮發(fā)性有害成分的粉塵，凈化后的廢氣通過排風(fēng)機(jī)、煙囪排入大氣，如圖1所示。

（3）直接由布袋收塵器收塵的旁路放風(fēng)系統(tǒng)。即旁路氣體抽出并摻入冷風(fēng)后，直接進(jìn)入布袋收塵器收塵，凈化后的廢氣通過排風(fēng)機(jī)、煙囪排入大氣。

（4）直接由電收塵器收塵的旁路放風(fēng)系統(tǒng)。即旁路氣體抽出并摻入冷風(fēng)后，經(jīng)過增濕塔進(jìn)入電收塵器收塵，凈化后的廢氣通過排風(fēng)機(jī)、煙囪排入大氣。

隨著水泥生產(chǎn)原料、燃料的日益緊張，使用含鉀、鈉、氯、硫揮發(fā)性物的原料、燃料業(yè)已成為一種趨勢(shì)，當(dāng)揮發(fā)性有害成分含量較高，采用第一種旁路放風(fēng)形式不能滿足水泥質(zhì)量要求的時(shí)候，僅能采用后三種旁路放風(fēng)形式。而由于煙室溫度一般在850℃～1100℃，若將旁路放風(fēng)的這部分廢氣經(jīng)處理后全部排入空氣，就會(huì)造成一定余熱資源的浪費(fèi)，因而可以針對(duì)旁路放風(fēng)廢氣提出新的利用途徑，即第五種旁路放風(fēng)形式——通過某種設(shè)備將這部分余熱資源加以利用。

對(duì)于設(shè)有單獨(dú)三次風(fēng)管的預(yù)分解窯，當(dāng)采用旁路放風(fēng)技術(shù)時(shí)，其原料、燃料的選擇范圍會(huì)更廣，放風(fēng)效果會(huì)更好。這是由于分解爐所需要的助燃空氣是從冷卻機(jī)直接抽取，入窯物料分解率可以達(dá)到90%以上，同時(shí)出窯煙氣量比懸浮預(yù)熱器窯全部助燃空氣從窯內(nèi)獲得減少60%～70%，使得單獨(dú)設(shè)置三次風(fēng)管的預(yù)分解窯的廢氣中揮發(fā)性有害成分的濃度更高，對(duì)于這種情況采用旁路放風(fēng)技術(shù)是十分有利的。在同樣放風(fēng)量的情況下，可以排除更多的有害成分或者以較低的能量損失獲得較好的旁路放風(fēng)效果。

圖1 旁路放風(fēng)工藝流程

4.2 旁路放風(fēng)點(diǎn)位置的選擇

選擇旁路放風(fēng)點(diǎn)位置時(shí)，需要考慮以下三點(diǎn)：

（1）抽氣口處廢氣中有害成分濃度應(yīng)該盡量高，而含塵量濃度應(yīng)盡量低，否則隨著粉塵量的增加，在要求揮發(fā)組分沉降量不變的情況下，沉降的粉塵量增多，會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)線的熱效率降低。

（2）抽氣口要有合適的風(fēng)速，一般選取10m/s以下，這樣既能保證一定的粉塵表面積供氣態(tài)物質(zhì)凝結(jié)之用，又不會(huì)帶來過多的粉塵損失。

（3）抽氣口位置應(yīng)該可以方便地處理結(jié)皮堵塞。一般認(rèn)為旁路放風(fēng)點(diǎn)的最佳位置是從窯尾上方沿著窯中軸線的上升煙室直接放出窯氣，如圖2所示。

圖2 放風(fēng)點(diǎn)位置示意圖

據(jù)中國(guó)水泥發(fā)展中心對(duì)美國(guó)12個(gè)水泥廠的考察，其中10個(gè)廠設(shè)有旁路放風(fēng)裝置，抽氣口伸入的位置有三種：（1）窯尾下料溜子前段（即靠窯一側(cè)）；（2）煙室兩側(cè)；（3）煙室后側(cè)（即遠(yuǎn)離窯的一側(cè)）。阿里斯、恰墨及富樂公司設(shè)計(jì)的抽氣位置大部分是在窯下料溜子前段。他們認(rèn)為，當(dāng)放風(fēng)量在25%以下時(shí)，抽氣口位置設(shè)在下料溜子前段較好；當(dāng)放風(fēng)量較大，如達(dá)到40%，由于抽氣管直徑較大，故抽氣口布置在前端有困難，一般可安裝在水泥窯煙室兩側(cè)或后側(cè)[3]。

4.3 抽氣口處結(jié)皮堵塞的防治措施

在放風(fēng)抽氣口周圍一般會(huì)有嚴(yán)重的結(jié)皮堵塞現(xiàn)象，因此應(yīng)及時(shí)采取措施處理。

（1）對(duì)窯和預(yù)熱器要精心操作，使生產(chǎn)線各部分的溫度、壓力以及喂料量等參數(shù)保持穩(wěn)定。

（2）在抽氣口周圍設(shè)置適量的空氣炮，定期使用高壓空氣對(duì)抽氣口的結(jié)皮進(jìn)行處理。

（3）定期對(duì)抽氣口進(jìn)行檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有結(jié)皮堵塞趨勢(shì)時(shí)，及時(shí)使用高壓水槍對(duì)結(jié)皮進(jìn)行處理。

只有做到以上三點(diǎn)才能把結(jié)皮堵塞的風(fēng)險(xiǎn)控制到最小，從而保證旁路放風(fēng)的效果。

4.4 放風(fēng)量、放風(fēng)方式的確定

旁路放風(fēng)量可根據(jù)原燃料情況通過計(jì)算確定。由于旁路放風(fēng)裝置需要增加基建投資，同時(shí)每1%旁路放風(fēng)量會(huì)使熟料熱耗、料耗和電耗分別增大17～21kJ/kg熟料、1～3kg/t熟料和0.1～0.2kWh/t熟料，故一般放風(fēng)量不超過25%，當(dāng)超過25%時(shí)其作用也相對(duì)降低，因而一般放風(fēng)量為3%～10%，采用連續(xù)放風(fēng)的方式。

國(guó)內(nèi)資料介紹的旁路放風(fēng)裝置多采用5%～30%放風(fēng)量，間歇放風(fēng)方式，理由是在相同放風(fēng)量的條件下，間歇放風(fēng)比連續(xù)放風(fēng)能夠排除更多的揮發(fā)成分[2]。但是間歇式放風(fēng)會(huì)對(duì)窯系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響，因而為了保證水泥生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行可考慮小風(fēng)量連續(xù)放風(fēng)的方式。

4.5 收塵設(shè)備的清掃

要定期對(duì)收塵設(shè)備進(jìn)行吹掃，防止收塵灰粘壁。

5 結(jié)語(yǔ)

旁路放風(fēng)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)較為廣泛地使用，特別是在美國(guó)，在生產(chǎn)低堿水泥時(shí)，往往采用該技術(shù)。但在國(guó)內(nèi)對(duì)這一技術(shù)研究比較少，隨著水泥生產(chǎn)原料、燃料中硫、堿和氯含量的提高，采用旁路放風(fēng)技術(shù)已不可避免。旁路放風(fēng)技術(shù)的出現(xiàn)也給水泥生產(chǎn)線帶來了新的發(fā)展方向：（1）拓寬了原料、燃料資源的使用范圍，從而緩解原料、燃料資源日益緊張的趨勢(shì)；（2）利用一些低熱值的廢棄物（如生活垃圾、塑料以及廢輪胎等），直接減少了廢棄物的排放，改善了大氣環(huán)境。當(dāng)旁路放風(fēng)量比較大時(shí)，可以通過某種設(shè)備將這部分余熱資源充分利用，以減少能源的浪費(fèi)，具體利用方式以后會(huì)重點(diǎn)說明。

[1]張大康.國(guó)外某水泥工廠的旁路放風(fēng)裝置[J].水泥技術(shù),2006,(4):56-59.

[2]彭學(xué)平,胡芝娟.水泥窯旁路放風(fēng)的設(shè)置及其效果[J].水泥技術(shù),2001,(6):10.

[3]陳全德.新型干法水泥技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)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，陜西西安710075；

2011-03-20；編輯：趙蓮