诊断法降低立窑热耗的原理及方法

1 诊断法降低立窑热耗原理
　　影响热耗的因素错综复杂。可以毫不夸张地说，水泥生产的每个环节对热耗都有影响。简单列举有：石灰石晶体结构及品位，粘土质原料中石英含量，生料配料方案，矿化剂及微量因素，生料细度及级配，燃料的性质（灰分、挥发分）、来源和颗粒级配，配煤方式（全黑、半黑），料球大小、强度、孔隙率、爆破率和级配，窑体结构（喇叭口角度和高度），保温层，卸料塔篦类型，风机类型，风量，腰风，立窑看火操作方式等等。
　　降低热耗的方法可以分为传统的经验分析法和我们提出的诊断分析法。
1．1 经验分析法
　　经验分析法是指水泥工作者运用多年积累的经验判断产生热耗的原因并提出降低热耗的具体方法。这是一种目前广为应用的方法。实际上，研究热耗的资料丰富，但几乎所有的研究者都是就影响热耗的某一个或几个方面的因素进行研究，而没有把这些因素综合起来；在水泥生产一线的技术人员对影响热耗的各种因素虽有自己的认识，但由于经验、知识的局限性，习惯性地会把所遇到的问题从自己熟悉的专业知识方面寻找原因，提出解决办法，分不清哪些因素制约了一个特定厂的热耗水平。比如，一个擅长配料的化验室主任总是想从改进配方方面来降低热耗，而一个懂设备的副厂长可能会更多地从设备改造方面来着手。
　　显然，经验分析法的有效运用需要技术人员知识全面、经验丰富，否则难以跳出仅从某一个或几个因素进行孤立研究的局限性，陷入盲人摸象的困境。
1．2诊断分析法
　　科学技术不断发展，单单依靠经验的时代已一去不复返。我们历经4年，在研究了全国各地水泥厂实际数据的基础上，提出了科学诊断法降低热耗的构想，其基本思想是：虽然热耗影响因素很多，但其中20％的因素决定了80％的热耗水平，通过现代分析测试手段对立窑进行全面的诊断分析，从复杂的多种因素中鉴别出主要因素，找到解决问题的对策。
　　具体地说，影响热耗的因素可以分为内因和外因。内因即易烧性，原料的反应活性、配方、矿化剂及微量因素、生料细度等等的影响，最终都表现为易烧性的好坏；外因可以分为烟气带走热、窑体表面散热、化学不完全燃烧和熟料带走热。通过分析测试得到特定厂的易烧性和烟气带走热、窑体表面散热、化学不完全燃烧和熟料带走热的数据，将这些数据与全国各地水泥厂同类数据进行比较，找到影响该厂热耗的主要原因，对症下药，解决问题。比如，通过对内外因的测试和比较，发现特定厂热耗高主要原因是生料易烧性差，再通过X衍射（XRD）、热重分析（TG-DTA）、细度分析，找到影响该厂影响易烧性的具体原因，最后通过工艺测试即可解决问题。
2．降低立窑热耗的方法
　　2000年我们按照这一思路研究水泥立窑热耗，实地考察、测试了全国近百家水泥厂的生产数据，并为多家水泥厂提供了诊断服务，均取得了良好效果，现就其中细节作一阐述。
2．1生料易烧性的评价方法和改善途径
　　生料易烧性受多种因素的影响，简单列举有：熟料三率值、矿化剂品种和比例、晶种、石灰石分解温度、黏土品种、煤炭中硫含量、废渣掺入、细度等。水泥厂一线的技术人员往往陷入迷宫，找不到主要原因。判断易烧性好坏不要主观臆断，应该进行易烧性试验。如何进行易烧性测试呢？
　　易烧性测试不要照搬教科书上介绍的方法，因为那些方法往往更适于旋窑水泥厂。立窑水泥厂应根据其生料特点作适当改变。
　　首先，易烧性试验应该取生料球，而不是生料粉，因为生料粉压片需要专门模具，而且压制的生料片密度高，与生产实际情况发生偏离，试验结果会不准确。
　　由于立窑都采取全黑或半黑配煤工艺，生料中含有煤炭，如果直接进行易烧性试验，生料内的煤炭容易形成还原性气氛而造成易烧性试验完成，所以应先在低温下使生料球脱炭。脱炭后的生料球在高温炉中1100℃、1200℃、1300℃下煅烧40分钟，快速冷却后磨细测定f－CaO，得到生料烧成曲线。1100℃为低温易烧性，反映了石灰石的易分解性；而1300℃则反映了该生料的高温易烧性，决定了熟料煅烧温度的高低。将所研究厂的易烧性曲线与全国各地不同水泥厂生料易烧性曲线进行比较，就会得出特定厂易烧性好坏的评价。
　　要找到降低立窑热耗的方法，还要在易烧性优劣评判出来之后，寻找其具体原因，这就需进行生料比表面积或细度测定、碳酸钙分解温度和分解热测定、结晶二氧化硅含量测定，运用现代分析手段热重-差热（DG-DTA）分析和X衍射（XRD）分析手段作进一步研究。
　　实践中改善易烧性有很多方法。首先笔者不主张通过配制特殊的配方，如无铁配料，来改善易烧性。实际上硅酸盐水泥自发明以来，已生产和使用一百多年了，被证明是可靠、耐久的，如过大地改变配方，实际上已经不是硅酸盐水泥了，不要说生产中可能出现的种种问题不可预测，其应用性能，如混凝土耐久性、对外加剂的适应性等更令人担忧。不顾混凝土的性能一味追求水泥低成本，是对社会不负责任的行为。
　　根据我们对全国各地近百家生料易烧性的研究发现，矿化剂掺量和比例是影响易烧性好坏的关键因素。水泥厂配料中应适量提高其中硫、氟含量，并注意其比例，特别要优先使用高硫煤，其带入的硫是有机硫和硫化铁硫，活性高，在生料中的分布也比掺石膏更均匀；而氟掺量过高后可能带来凝结时间过长的问题，还可能带来急凝和慢凝问题。很多地方萤石价格昂贵，可用钢渣代替，因为钢渣中也含有大量氟。
　　另外，水泥厂应优先考虑掺用各种工业废渣，如钢渣、石灰渣、化肥厂炭化渣、煤矸石等。工业废渣经过高温煅烧，处于活化状态，常常含有石灰、甚至硅酸二钙和活性硅铝，可节省一部分能量，有的还起晶种作用。另外，工业废渣可能带入多种微量元素，也起了多元矿化作用。
　　配方中要主意氧化镁的作用。一些技术人员以为氧化镁过高会带来安定性不良，一味追求低氧化镁，是错误的。实际上适量氧化镁可增加高温液相量，并降低液相粘度，是廉价的辅助矿化剂。
　　另一个错误认识，是认为生料越细易烧性越好。从理论上讲，生料越细反应性越好，但过细的生料使得磨机产量下降、电耗增加。根据我们的研究对比发现，生料细度细到一定程度后，对易烧性的改善效果已不明显。在能源紧缺和电费高昂的今天，片面追求通过高细度来改善易烧性，不是明智和有效之举。
2．2立窑热损失的测定方法及降低途径
　　立窑热损失主要有窑体表面散热、熟料带走热、烟气带走热和化学不完全燃烧热损失，这些热损失都可以定量测定、计算出来。将测定出的各种热损失与其它厂家数据对比，就能发现特定厂哪种热损失较高，再采取相应措施予以降低。
　　在各种热损失测定中，化学不完全燃烧热损失最难测定，需要特殊的仪器和技巧。首先，取气要有代表性。立窑煅烧稳定性差、工况随着时间不断波动，而且窑面宽阔，中部、边部燃烧状况差别大，还可能存在风洞，一不小心取样就没有代表性，测定出的结果也就没有价值。要在窑况正常时取气，取气点要沿窑周和窑径均匀分布；深度也要适当，过浅漏入空气量大；过深会烧坏取样装置。其次，取气要用专门设备。过去取气都用双连球，抽力小，往往漏入空气。应该用电动、可调抽风装置；第三，气体分析也有技术。奥氏气体分析仪仍然是立窑气体分析最佳仪器，要经过有经验的进行培训后，方可正确使用。具体说来，使用时要准确判断吸收液是否具有足够的吸收能力，吸收液吸收能力下降要及时发现并予以更换；要注意气体吸收顺序，顺序颠倒结果就不准确，差别会很大；液体瓶升降速度要适当，否则气压过大漏气严重，也导致结果不准。
　　窑体保温不好常常被水泥厂认为是热耗高的主要原因，因为窑体表面温度影响热耗的原理很直观。但我们对各地水泥厂实测对比研究和发现，大多数情况下，化学不完全燃烧是制约热耗的主要原因。煤炭完全燃烧转变为CO2，不完全燃烧则转变为CO，后者放热量仅为前者的三分之一，损失极大。由于CO无色无味，不易为水泥厂发现和重视，实际上这一问题非常严重，以至于看火工人被熏倒在窑面上这样事故经常发生。
　　保证煤炭完全燃烧就能降低CO浓度。首先要砌筑结构合理的窑体，特别要注意喇叭口的形状。料球在喇叭口内完成干燥、预热和烧成过程，喇叭口的角度取决于料球收缩率，而高度取决于料球下沉速度。喇叭口角度和高度与料球水分、生料易烧性、燃料燃烧特性、看火工操作方式等因素有关。有些立窑厂多次扩径，但高度不足，这时一定要打破窑房高度限制，保证喇叭口高度，否则难以保证立窑的产量和热耗。
　　料球大小是决定CO量的另一重要因素。在保证通风的条件下，料球越小，烟气中CO浓度越低。这是因为料球小，料球表面积增大，氧气与煤炭接触面积增大，燃烧完全；相反，如料球过大，即使总通风量充足，但料球内部氧气浓度低，导致料球内的煤炭不能完全燃烧，而表面氧气过量，燃烧率达到100％不可能再提高，因氧气过量还带走了不少热。还要注意，料球大小要均匀，因为料球粒径均匀可提高通风透气率。从理论上讲，无论粒径大小，均匀球体堆积后其孔隙率是相同的，而直径大小不同的球堆积孔隙率则降低。
　　煤炭燃烧特性对CO的影响是被立窑水泥界忽略的一个重要因素。所谓燃烧特性是指煤炭着火温度的高低、燃烧速度的快慢。发热量决定了煅烧所能达到的温度，而燃烧特性则决定了达到这一温度的所需时间的长短。燃烧特性主要与煤炭挥发分有关，挥发分越高，煤炭燃烧越快，表现为立窑上火快、产量高，但常常有熟料轻烧现象；反之，如挥发份低，则燃烧慢，上火慢、产量低，但熟料中水泥矿物结晶完善、化合好。在我国四川、湖南、云南地区，立窑水泥厂往往就地取材，使用挥发份高达15％的煤炭，由于立窑中氧气供应量是一定的，煤炭燃烧速度过快，必然导致化学不完全燃烧增加，热耗普遍偏高；而福建、唐山地区所使用的无烟煤挥发份2%～4％，燃烧缓慢，煤炭燃烧完全，热耗普遍较低。同一配方、相同操作方法，将高挥发分煤炭换为低挥发分煤炭，可使热耗降低10%～20％。实际上，既要保证产量，又要保证热耗，最好选择燃烧特性不同的两种煤炭搭配使用，分段逐步燃烧，保证燃烧完全。
　　总之，诊断法是科学降低立窑热耗的新思路。通过科学诊断，可以在复杂的多种因素中准确抓住特定厂热耗高的主要原因，有的放矢地采取措施，优化工艺条件，从而大幅降低热耗，提高竞争力。 摘自《国际建材设备》