水泥熟料沸腾煅烧工艺新进展

0 前言
　　回转窑是可靠的水泥熟料烧成设备，但它的致命弱点是热效率低、转动功率大，且体积庞大，一直是人们想要“革命”的对象。为此，50年代以来，美国、日本、中国、俄罗斯、印度等国家都相继对不带回转窑的沸腾烧成工艺进行了研究。由于当时的科技水平所限，用沸腾炉(流化床)煅烧水泥熟料时，在高温(1300℃-1400℃)条件下的自造粒而不粘结炉壁、结大块 、维持正常的流态化操作难度很大，90年代之前均未取得完全的成功，更达不到工业化的要求。
　　1984年开始，日本川崎重工与住友大阪水泥公司合作，在2ｔ／ｄ试验炉上对流化床煅烧水泥熟料进行了基本研究与测试；1984年建成20ｔ／ｄ中试线，1993年3月试验结束，验证了基本工艺过程和系统的可靠性；1995年底建成200ｔ／ｄ扩大试验厂，经过近2年的运行试验取得了基本数据，应该说这是继窑外分解之后水泥煅烧工艺的又一次突破。目前他们正在进行500ｔ／ｄ～3000ｔ／ｄ生产线的设计。
　　本文根据日本川崎重工株式会社柴田纪彦先生1998年10月30日在第四届北京水泥与混凝土国际会议上技术报告，参考席耀忠同志的译文，对该项技术作一简要介绍。

    1 系统的组成
　　川崎重工已开发成功的以高温自造粒为核心技术的双炉和单炉流化床介绍。
    1.1 双炉流化床系统(FLBECK-II)的组成
　    (1) 悬浮预热器(SP)。由四级旋风筒和分解炉组成，与传统的技术一样，生料粉在预热器中被预热和分解。
　    (2) 造粒炉(SBK)。经预热和分解的物料从底部喷入，在1300 ℃高温下使生料自造粒，平均粒径1 ｍｍ～2 ｍｍ(无须喂入粒种)，自造粒为本系统的核心工序。
　    (3) 烧成炉(FBK)。在1 400℃高温条件下，有效地完成对造粒炉产生的生料小球的烧结。
　    (4) 冷却器。由流化床骤冷器(FBQ)和移动床冷却器(PBC)组成，在骤冷器中，熟料由1400℃迅速冷却到1000℃，以保证得到优质熟料；在移动床冷却器中，熟料被进一步冷却至150℃左右，这两种冷却器的组合，使熟料在冷却过程中获得很高的热回收率，而且冷却空气量仅为造粒炉和烧成炉中燃料燃烧所需的空气量，因此本系统的热耗和CO２排放量比传统的窑系统要低。
    1.2 单炉系统(FLBECKS)
　　取消双炉系统中的烧成炉(FBK)，使流化床烧成炉(FCK)兼备造粒和烧结功能，其冷却器也由流化床骤冷器和移动式冷却器组成，但流化床骤冷器直接装在流化床烧成炉的底部分选排料系统之下，兼备骤冷熟料和分选物料之功能，其预热器与双炉系统相同。

    2 中间试验及扩大中间试验
　　    主要设备见表1。
表1 主要设备
　　　　　　　                  中试规模20ｔ／ｄ 　        扩大中试规模200ｔ／ｄ
造粒炉／ｍ 　　                   φ2.0×6.0　　　     　　φ3.5×9.0
烧成炉／ｍ 　　                   φ1.8×4.9　　     　　　φ2.55×9.0
FBQ 冷却器／ｍ                    φ1.0×3.9　　　　     　φ1.65×6.0
PBC 冷却器／ｍ                    φ1.45　　　　    　　　φ3.2
FBQ 鼓风机／(ｍ３·ｍiｎ-１)          ３０　　             　　 60
PBC 鼓风机／(ｍ３·ｍｉｎ-１)         ３０ 　　             　　120
预热器风机／(ｍ３·ｍｉｎ-１)         130　　　　            　 700
增湿塔／ｍ 　　　                   φ 0.95×13.0            φ3.5×13.0
试验结果如下：
    (1) 在造粒炉(SBK)中，1 300℃下实现高温连续自造粒。此项技术是系统中的关键技术，采用生料吹入装置将预热料吹入造粒炉，利用高温反应出现液相自动形成小球而不产生粘壁和结皮现象，运行平稳；利用造粒炉底部一侧的分选装置控制料球粒度，只有达到某一要求粒度的料球才能落入烧成炉中进一步煅烧。
    (2)来自造粒炉的料球在1400℃的流化床烧成炉(FBK)中进一步煅烧成熟料，煤粉中的灰分与熟料完全反应，熟料外观为1ｍｍ～２ｍｍ黑色小球。用该熟料磨制的水泥，其质量等于或优于现今商业水泥厂所生产的水泥。 
    (3)冷却器热量回收率。把造粒炉和烧成炉合并计算，流化床冷却器热回收率大于80%，比现有篦冷机高20%以上。
    (4)性能评价考核。对200ｔ／ｄ放大中试厂性能评价考核的结果见表2。
表2 2000 t/d中试厂性能评价考核结果
项 目                    结 果                  目标值
产量／(ｔ·ｄ-１)       210                   ≥200
熟料热耗/(×4.8 kJ·kg-１)   827                   ≤830
熟料电耗/(kwh·t-１)       55.6                   ≤56.2
煤燃烧率/%                100                    100
NOx 排放量/10-6         240                    ≤200
 HM                   2.13                   2.16
熟料性能 SM             2.75                   2.73
 f CaO/%                0.32                   ≤1.0
   3d                     17.9                   ≥16.5
砂浆抗压强度/Mpa 7d       26.4                   ≥23.3
28d                       42.9                   ≥41.0
注：按气流中10%O２、煤中1 % N计算

    (5) 变换煤种试验。曾用低热值(4780×4.18kJ/kg、高灰分(32.4%)劣质煤和高碳低挥发分(10.7%)煤代替常规烟煤进行试验，结果燃烧状况良好，煤灰吸收完全，炉内无结皮现象。
    (6) 等效单炉系统试验。取消烧成炉，只用造粒炉，以期进一步降低电耗。由于造粒炉设有分选装置，只有长大至一定尺寸并完成烧结反应的熟料颗粒才能被卸出造粒炉，小于该尺寸的料被送回造粒炉进一步长大，因此被卸出熟料颗粒在造粒炉中停留时间几乎为常数，能满足烧结反应要求。可以认为，即使取消烧成炉，也能保证熟料质量。试验结果表明，与双炉系统相比，热耗、电耗降低6%～9%，熟料质量基本相同。

    3 扩大规模的工业沸腾煅烧系统(FLBECKS)
    可根据要求的生产能力扩大流化床设备直径，在保持表面移动速度和设备高度基本不变的情况下扩大其规模。川崎重工认为，扩大规模后热耗会降低，但物料停留时间非常重要。根据试验结果，水泥熟料的质量是时间和温度的函数。工业沸腾煅烧系统的特征数据见表3。
表3 扩大规模工业沸媵煅烧系统的特征数据
项目                     200t/d              1000 t/d             3000 t/d 
熟料热耗/(×4.18 kJ·kg-)     771                  713                  690
熟料电耗/(kWh·kg-1)         43.0                 41.5                 37.2
FBK                         48                   42                   37
停留时间/min FBQ             3                   3                    3
PBC                         220                 220                   220
FCK 直径/m                  2.5                 5.7                   9.7
数 量                       2                   2                     4
冷却器 FBQ直径/m            0.7                 1.6                   1.9
FBC直径/m                   3.1                 7.0                   8.6  

    4 沸腾煅烧系统(FLBECKS)的优点
    据川崎重工资料介绍，双炉系统的FLBECKS适合于小规模生产特种水泥，而单炉系统适于各种规模的普通水泥、快硬水泥和中热水泥的生产，其共同优点为：
    (1) 煤种的选择性大、流化床良好的、相对低温的燃烧和高效的传热特性可适应优质和劣质煤种。
    (2) 由于熟料粒度小，流化床冷却器效率高，系统散热少，热耗较传统窑炉可下降10%～15%。
    (3) 与回转窑相比，由于流化床燃烧温度较低、热耗低，NOX排放量可减少40%以上，CO2排放量可降低10%～25%。
    (4) 生产各种水泥转换性好。由于流化造粒及温度可精确控制，可根据不同要求较容易地转换生产不同品种水泥，并可保证质量。
    (5) 投资低，运行和维修成本低。与回转窑比，其投资可降低10%～30%；系统活动部件少，设备及耐火材料寿命长，在热耗降低的同时运行和维修成本下降。

    5 结语
    笔者认为，沸腾煅烧工艺是目前煅烧水泥熟料的最高技术，操作要求严格，从流化床技术的特性看，较适合于中小规模水泥企业。建议经济条件较好、技术力量雄厚的企业不妨通过引进和技术合作，建立一条600ｔ／ｄ～700ｔ／ｄ生产线，以进一步验证其性能指标和经济