（材料学专业论文）高灰分煤对硅酸盐水泥熟料烧成过程的影响规律研究.pdf

摘要 水泥工业生产中使用的主要燃料是煤炭，目前，随着优质烟煤的日益稀少， 水泥工业正逐渐向利用劣质燃料的方向发展。以高灰分煤为代表的劣质煤，在 水泥生产中的频繁使用必然会影响到熟料煅烧、窑系统工况稳定以及能耗高低 等。因此，系统的研究高灰分煤的燃烧特性及其对熟料烧成的影响机理，对于 有效利用劣质煤资源和稳定熟料质量具有重要意义。本文结合不同品质高灰分 煤，进行了煤的燃烧特性、煤中灰分及固定碳组分对熟料烧成影响的研究，分 析了相关的作用规律，从而为合理利用高灰分煤资源提供理论指导。 本文通过对不同品质高灰分煤进行热重实验分析表明，高灰分煤的着火点 和燃烬时间均升高，而着火指数d i 与燃烬指数d f 降低。挥发份含量相近的煤样， 其着火与燃烬特性的变化，并未随灰分含量的改变而存在明确的规律。当煤中 灰分含量相近时，煤灰中s i 0 2 ( a 1 2 0 a + f e 2 0 3 ) 值偏高的，其着火与燃烬特性降低， 尤其当煤灰中f e 2 0 3 含量特别高时，其燃烧特性会有很明显的下降。 由灰分对熟料烧成过程影响的研究结果表明，随生料中掺入灰分的升高， 液相初析温度降低，在稳定率值时，液相初析温度降低3 6 c ，当生料成分不变 时，液相初析温度降低6 4 ，当烧成温度高于1 2 5 0 时，液相变化温度转而由 生料成分起主导作用。实验表明，随着灰分的升高，c 3 s 的含量均降低，而c 2 s 的含量增加，在生料成分不变，掺入的灰分含量较高时，c 2 s 成为了主要矿物。 同时，随灰分的升高，熟料中a 矿和b 矿的分布均匀性更差，熔蚀现象也更多。 本文通过在生料中掺加不同燃烬度煤焦及煤粉的实验，得出随着燃烬度的 降低，即固定碳含量的升高，物料液相初析温度均降低，但r 8 0 时固定碳对 液相的作用已经不明显，同时挥发份对液相变化温度的影响较小。随固定碳含 量的增多，生料在1 2 5 0 时的易烧性有很大改善，尤其当煤灰中f e 2 0 3 含量较 高时效果更明显，而挥发份的引入则使得易烧性变差。在1 4 5 0 时，固定碳的 增多将会使c 3 s 的形成略有增加，同时熟料矿物的形貌和分布都变的不均匀， 晶粒尺寸变大，a 矿熔蚀现象更严重，长径比减小，当燃烬度r 8 0 时，固定 碳的作用基本消失。 关键词：高灰分煤，燃烧特性，液相，固定碳，燃烬度 a b s t r a c t c o a li st h em a i nf u e lu s e di nt h ec e m e mi n d u s t r i e s w i t ht h er e d u c t i o no fh i g h q u a l i t yc o a l t h ei n f e r i o rc o a li su s e dm o r ea n dm o r en o w h i g h - a s hc o a la st h e r e p r e s e n t a t i v eo fi n f e r i o rc o a l ，i tw i l lb eu s e df r e q u e n t l yi nt h ec e m e n tp r o d u c t i o n h o w e v e r , t h ec h a n g eo ft h ec o a lq u a l i t yw i l lb ec e r t a i ni n f l u e n c et h ec l i n k e rb u r n i n g ， q u a l i t ya n dt h es t a b l e o ft h ek i l n sc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，s y s t e m a t i cr e s e a r c ht h e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - a s hc o a la n dt h em e c h a n i s mo fs i n t e r i n go f p o r t l a n dc e m e n tc l i n k e r , w h i c hh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ee f f e c t i v eu s eo fi n f e r i o r c o a lr e s o u r c e sa n dt h es t a b l eo fc l i n k e rq u a l i t y i nt h i st h e s i s ，c o n s i d e r i n gs o m e d i f f e r e n th i g h a s hc o a lq u a l i t y , t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tq u a l i t yo f h i g h a s hc o a la n di n f l u e n c er u l e so fc o a la s ha n dc o m b u s t i b l ec o m p o n e n t so n s i n t e f i n go fp o r t l a n dc e m e n tc l i n k e rw e r es t u d i e d ，a i m i n gt op r o v i d et h e o r e t i c a l g u i d a n c ef o r t h er a t i o n a lu s eo f h i g ha s hc o a lr e s o u r c e s t h es t u d y i n gr e s u l t st h a tt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i so fd i f f e r e n th i g ha s hc o a l s h o wt h a tt h ek i n d l i n gp o i n ta n dt h ec o m b u s t i o ne n d i n g t i m ew e r ei n c r e a s e d ，a n dt h e i n d e xd ia n dd fl o w e r v o l a t i l ec o n t e n ts i m i l a rt ot h ed i f f e r e n tc o a l ，i g f i i t i o na n d c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s , n o tw i t l lt h ea s hc o n t e n to ft h ec h a n g e st h e r ea r ec l e a r r u l e s w h e na s hc o n t e n to fc o a ls i m i l a r , s i 0 2 ( a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 ) o fa s hi n c r e a s e ，i t s i g n i t i o na n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sl o w e r , e s p e c i a l l yw h e nc o n t e n to f f e 2 0 3i nt h e a s hp a r t i c u l a r l yh i 醢，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c st h e r ea r eas i g n i f i c a n td e c r e a s e t h es t u d y i n gr e s u l t st h a te f f e c t so fc o a la s ho nt h es i n t e r i n go fp o r t l a n dc e m e n t c l i n k e rs h o wt h a tw i t hi n c r e a s e i n ga s hc o n t e n to fc o a l ，p r i m a r yt h et e m p e r a t u r eo f l i q u i dp h a s eo fc e m e n tr a wm e a ll o w e r w h e nm o d u l u sv a l u eo fc l i n k e ri ss t a b i l i t a t e d ， t h et e m p e r a t u r eo fl i q u i dp h a s er e d u c e s3 6 a n dw h e nt h es a m er a w m e a l i n g r e d i e n t s ，t h et e m p e r a t u r eo fl i q u i dp h a s er e d u c e s6 4 。c ，e s p e c i a l l yw h e nt h e s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea b o v e1 2 5 0 ，t h er a wm e a li n g r e d i e n t sa r et h em a i nf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h et e m p e r a t u r eo fl i q u i d p h a s e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tw i t h i n c r e a s e i n ga s hc o n t e n to fc o a l ，c o n t e n to fc 3 sd e c l i n e dw h i l et h ec o n t e n to fc 2 s i n c r e a s e d w h e nt h er a wm e a li n g r e d i e n t su n c h a n g e d ，t h ei n t r o d u c t i o no fh i g ha s h c o n t e n t , c 2 sb e c o m eam a j o rm i n e r a l m e a n w h i l e w i t hi n c r e a s e i n ga s hc o n t e n to f i i c o a l ，r e s u l t i n g i nm o r eu n e v a ld i s t r i b u t i o no fm i n e r a l sa n dm o r ec o r r o s i o n p h e n o m e n o n i nc e m e n tc l i n k e r i nt h i st h e s i s ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo l la d d i n gd i f f e r e n tb u r n o u td e g r e eo fc h a r a n dp u l v e r i z e dc o a ls h o w ：w i t hi n e r e a s e i n gf i x e dc a r b o nc o n t e n t ，r e d u c i n gb u r n o u t d e g r e eo fc h a r , p r i m a r yt h et e m p e r a t u r eo fl i q u i dp h a s eo fc e m e n tr a wm e a ll o w e r b u tw h e ne x t e n to fb u m i n gc h a rr 8 0 ，c a r b o nt ot h el i q u i dp h a s eh a sl i t t l ee f f e c t ， m e a n w h i l ev o l m i l em a t t e rc o n t e n th a sl i t t l ee f f e c to nt h et e m p e r a t u r eo fl i q u i dp h a s e w i t l li n c r e a s e i n gf i x e dc a r b o nc o n t e n t ，b u m a b i l i t yo fr a wm i x e sh a v eg r e a t l yi m p r o v e i nt h e1 2 5 0 c ，e s p e c i a l l yw h e nc o n t e n to ff e 2 0 3i nt h ea s hp a r t i c u l a r l yh i g h ，c o n t r a r y t ot h ei n t r o d u c t i o no ft h ev o l a t i l cm a t t e rc o n t e n tm a k e sb u m a b i l i t yl o w e r w h e nt h e t e m p e r a t u r er i s e t o1 4 5 0 0 c ，a l o n g 嘶t l li n c r e a s e i n gf i x e dc a r b o nc o n t e n t ，t h e m o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o no fc l i n k e rm i n e r a lb e c o m e sm o r eu n e v e na n dg r a i ns i z e i n c r e a s e ，am i n ee t c hp h e n o m e n o nm o r es e r i o u s ，a s p e c tr a t i od e c r e a s e b u tw h e n r 8 0 ，f i x e dc a r b o nh a sl i t t l ee f f e c to np e t r o g r a p h i cs t r u c t u r eo fp o r t l a n dc e m e n t c l i n k e r k e y w o r d s ：h i g h - a s hc o a l ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，l i q u i dp h a s e ，f i x e dc a r b o n ， b u r n o u td e g r e e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缘域坐日期：趔：兰： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源的有效利用，是社会可持续发展( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) 所必须解 狭的关键问题之一，也是各国政府和广大科技人员所关一t l , 的热点问题。材料在 生产和加工过程中始终和各种能源的使用密不可分，因此材料及材料生产的环 境协调性研究，直接与社会的可持续发展密切相关。 水泥生产方法发展到今天，已经进入新型干法技术占主导地位的时代。水 泥工业中能源的合理利用问题，一直都是研究者们所关注的重点。“十五”期间， 中国水泥工业取得了突飞猛进的发展，水泥产量由2 0 0 0 年的5 9 7 亿吨增长到 2 0 0 5 年的1 0 6 亿吨，截止到2 0 0 6 年底全国规模以上企业累计生产水泥1 2 0 4 亿 吨，比2 0 0 5 年同期增长1 9 0 7 ，再创历史新高。新型干法水泥由2 0 0 0 年占水 泥总量的1 3 1 提高到2 0 0 5 年的4 0 ，落后的生产能力得到了有效遏制【1 1 。 但是，在看到巨大成绩的同时，也应看到水泥工业高速发展所带来的资源、能 源、环境等问题，这些问题已经严重制约了水泥工业的发展。因此，如何高效 合理的利用能源，对我国的水泥企业显得尤为重要。 我国水泥行业中，特别是在新型干法水泥生产中使用的主要燃料是煤炭， 且燃料的选取与利用在很大程度上决定了企业的经济效益。我国煤炭资源地域 分布广，所以煤的燃烧特性十分复杂。高灰分煤、高硫煤等劣质煤，在我国的 煤炭资源中占了较大的比重。这些劣质煤的着火、稳燃；燃烬一直是燃烧技术 中的难题，而且对这些劣质煤的燃烧特性的研究起步较晚，因此就目前情况来 看。对劣质煤的利用技术还很不完善。同时由于水泥工业生产的特点，不同煤 质燃烧后煤扶的掺入会对水泥生料成分及熟料的煅烧产生重要影响，因此在水 泥工业生产中，劣质煤的利用就不仅要考虑到燃烧特性的改变，还要针对不同 煤质灰分的变化进行调整。 目前，随着优质烟煤的日益稀少，成本不断提高，水泥工业逐渐向利用劣 质燃料及混合煤粉的方向发展【划在我国水泥生产企业中，频繁的更换煤种已 经对水泥熟料的煅烧和设备的维护等方面产生了很大的影响。因此，掌握不同 武汉理工大学硕士学位论文 煤质对水泥熟料烧成的影响机理，能够最大限度的利用劣质煤或充分利用当地 特有煤炭资源，从而降低生产成本；同时使窑系统热工制度稳定、提高熟料质 量和煤粉燃烧效率；降低热耗、节约煤炭资源，保证水泥回转窑和分解炉正常、 高效的运行。 利用劣质燃料、减少环境污染、降低水泥成本、提高生产效率，己成为世 界水泥界所关注的课题，这也是我国水泥工业面临的重要任务。目前对于劣质 煤在水泥工业中的利用已经有了一些进展，但有关以高灰分煤为代表的劣质煤 对熟料煅烧及其结构性能方面的机理性研究还很薄弱。因此，本课题针对新型 干法水泥生产，通过对高灰分劣质煤的燃烧特性、煤中成分在熟料烧成中的相 关作用的研究，来分析煤质的变化对熟料煅烧及其结构性能的影响，掌握相关 的规律，从而为更好的利用劣质煤资源提供理论指导。 1 2 与本课题有关的国内外研究现状 水泥窑是最早采用煤粉作为燃料的工业设备之一，但对煤粉燃烧过程的研 究起步较晚。煤粉燃烧对于水泥生产的影响极为重要，水泥工业中煤粉燃烧特 性的改变，将会对水泥生料的预热、分解和熟料的煅烧产生影响。目前针对不 同煤质的燃烧特性，以及由此产生煅烧制度，温度场分布等的改变对水泥熟科 的烧成及其结构性能的影响，研究者们取得了一些成果。与此同时，不同煤质 灰分对水泥生产的影响也逐渐引起研究者的重视，但有关不同煤质狄分与熟料 烧成之间的相互作用，目前开展的研究工作还很不深入，主要集中在工程应用 方面，如生产中工艺配料、操作参数等的调整，因此对于这方面的作用规律有 待于做进一步研究。 1 2 1 干法水泥生产过程中煤的燃烧特性研究 目前在国外，对适应水泥生产的燃料燃烧研究多进行的是石油渣、城市垃 圾等替代燃料7 。8 1 的研究，或限于高效燃烧器【9 l 的开发等方面。在水泥工业中煤 燃烧理论的研究中，主要体现在对褐煤的研绍海。近两年，劣质煤和混煤燃 烧也开始引起关注【协1 4 1 ，但结合干法水泥生产开展煤粉燃烧研究的资料还很难 看到。 武汉理工大学硕士学位论文 在我国，近年来为利用廉价燃料降低水泥成本、保护环境，水泥生产者和 研究者对水泥工业用煤开展了许多研究工作。南京化工大学的胡道和、张薇、 叶旭初等学者对水泥窑和分解炉系统的煤粉燃烧特性做了分析【1 5 6 1 ，并进行了 相关的燃烧数值模拟0 7 q 8 和煤粉燃烧与生料中c a c 0 3 分解相互作用的实验研 究【1 9 1 。他们认为，煤粉的燃烧动力学参数，即燃烬时间和燃烬率对分解炉的设 计和操作过程有很大影响。同时在实验中发现，不同煤种进入过渡区域的临界 温度不同，所以要强化燃烧过程，采取的措施应不同，即分解炉相应的操作参 数应不同。如果燃烧温度处于煤粉的动力燃烧区，应提高反应温度；在扩散燃 烧区，应改善扩散条件，如提高气流速度，增大氧的分压。他们通过模拟分解 炉燃烧环境，对煤粉悬浮燃烧动力特性进行研究，提出用易燃性指数来评估各 种煤的燃烧特性 2 0 1 ；张薇和简淼夫【2 l 】对几种煤粉的燃烬特性研究结果说明，在 8 0 0 9 0 0 c 的中温条件下，煤粉在悬浮和沸腾状态下燃烧，不同种类的燃料， 即使发热量相近，其燃烬时间差异很大，燃烧特性差异也很大。 华中科技大学和天津水泥工业设计研究院的胡芝娟、刘志江等人进行了不 同煤质煤焦燃烧模型的研究 2 2 1 ，模型的正确选择为分解炉中煤粉燃烧与碳酸钙 分解的耦合研究奠定了基础，他们认为分解炉内煤粉燃烧速度，影响着物料的分 解率，进而影响到水泥窑的熟料产量。武汉理工大学谢峻林等曾进行了无烟煤 的催化燃烧【2 卦、着火温度2 钔、煤粉燃烬动力学【2 5 1 等方面研究，同时对分解炉中 煤燃烧特性的研究做了很多工作。在进行煤的燃烬特性研究中，提出裹灰缩核 模型，针对水泥分解炉的低温燃烧工况，采用失重法，进行了含灰煤焦的燃烬 动力学研究，为分解炉内煤粉燃烧理论的深层次研究创造了条件。在国内，清 华大学的韩洪焦【2 6 1 ，华中理工大学的孙学信【2 刀等人从不同角度对水泥厂用煤也 作了试验研究。 通过对水泥工业用煤的燃烧特性分析，有些学者提出了可以大幅提高新型 干法水泥窑系统产量的新方法【2 引。他们认为分解炉中煤的燃烧可看成是热稳定 的恒温燃烧【2 9 】，分解炉中由于煤粉着火后本身的温度比周围气流高2 0 0 c 左右， 煤的燃烧处于扩散控制或过渡状态，但是未着火的煤并不等于没在燃烧，而仅 仅是以较低的速率燃烧，此时燃烧由化学反应控制，其放热速率较着火对约低 一个数量级。在煤粒细度一定时，使煤能很好燃烧与着火的条件是：一有足够 高的环境温度；二有充分的氧气；三有充分的气固分散；四有足够的着火时间； 五是降低细度有利于煤粉的着火与燃烧，特别是对受扩散控制的燃烧。 武汉理工大学硕士学位论文 通过目前的研究状况可以看到，在水泥行业中，特别是新型干法水泥技术 中，目前对于煤粉燃烧特性的研究，主要是围绕着分解炉状况下的研究，人们 所关心的是不同煤质如何在分解炉中合理利用以及同c a c 0 3 分解的相互关系。 在新型干法水泥技术中，回转窑系统和分解炉系统是两个同等重要的提供燃烧 的设备，由于分解炉中的燃烧环境具有低温、低氧及无焰燃烧的特性，因此与 回转窑系统工况还是有很大区别的。对于不同煤质，只有在充分掌握其燃烧特 性后，才能针对不同燃烧环境来提高燃烧效率，因此要充分合理利用劣质煤， 就要对其燃烧特性做分析，对于这方面的理论研究还有待于进一步深入下去。 1 2 2 煤质变化对回转窑系统及熟料煅烧的影响 国外水泥工业在熟料烧成理论和工艺方面有了新的发展1 3 0 1 ，主要是利用现 代流体力学、燃烧动力学、传递机理、胶体化学等化学工程以及热工学、热力 学等现代科学技术理论，来探讨熟料煅烧过程的理论依据并指导新型悬浮预热、 分解炉系统的研制开发和优化工程，从而达到合理利用能源来煅烧优质水泥熟 料。 e l s m i n d t h 公司s h u n d e b l 和p r o s h o l m 认为口1 1 ：由于窑内及分解炉 内的燃烧速率是分别受到扩散控制及化学控制，因此煤的品种、活性、粒度( d p ) 、 过剩空气量( ) 和反应温度( t ) ，对二者的燃料燃烬时间( t ) 的影响也是不 同的。同时认为：优化窑内燃烧关键在于选择现代化的低一次风、高推力燃烧 器，使之对火焰能够灵活调节，保持理想的火焰形状和长度，使之具有合适的 气体流场和温度场，并且要使煤粉研磨至较小的粒度，这样窑内使用低活性燃 料没有问题。而对分解炉而言，使用低活性燃料关键则在于选用较大的分解炉 容积，炉内采用较高的操作温度，提高三次风温、将煤磨的更细等。一般说来， 窑内煤粉燃烬时间与煤粉粒径平方成正比，而在分解炉内仅与煤粉粒径成正比。 因此窑内用低挥发分煤时，煤粉细度影响相对较大。同时，火焰长度主要决定 燃烧器的推力：即：燃烧器推力= 一次空气动量( k g s ) x 燃烧器出1 ：3 风速( m s ) ， 当加大燃烧起推力时，火焰缩短，温度增高，这些就是预分解窑研发新型多通 道燃烧器的重要作用。 近年来针对新型干法水泥工业中，不同品质煤的燃烧特性在窑内的适应性 问题，一些学者尤其是水泥企业的生产技术人员做了很多实践性的工作。他们 4 武汉理工大学硕士学位论文 通过生产实际中的窑系统工艺操作参数调整、配料的改变和燃烧器的优化等途 径来实现不同煤质的利用1 3 2 羽】，国内一些大学和设计院以及海螺、华新等水泥 企业都在做这方面的研究。而理论方面主要是针对由于煤质的变化所引起的窑 内温度场、煅烧制度等改变时对熟料结构性能、矿物组成等性质的作用规律研 究。很多学者把新型干法水泥生产中利用劣质煤、无烟煤来煅烧熟料的课题做 为重点【3 5 - 3 7 1 ，但这方面的研究工作进行的还不深入。 新型干法水泥工业利用劣质煤煅烧熟料时，由于煤质改变而引起的煤粉燃 烧特性的突然变化，使得窑系统连续运转的效果不理想，主要是窑系统工况不 能保持稳定、不易保护好窑皮、出窑熟料质量不稳定、极易产生飞砂料和黄心 料、预热器频繁塌料堵料，严重影响到设备的维护和生产的稳定连续，因此生 产中不得不频繁调整煤质和配料。针对这种情况，不少学者和工程技术人员认 为，主要采取的措施应从工艺配料和工艺操作两方面调整。具体就是通过更换 燃烧器来强化煤粉的燃烧，以达到合理的熟料煅烧温度；化验室生料配料和中 控室窑操作紧密配合，及时调整配料方案和窑操作参数；结合分析使用劣质煤 的规律，采用高硅率、中饱和比、较低铝率的配料方案，系统温度整体控制要 比使用优质煤时稍高。通过以上这些措施虽然可以在一定程度上改善劣质煤带 来的影响，稳定窑系统工况，但距离窑系统连续稳定运行的目标还有很大差距。 水泥窑中煤粉燃烧对窑系统局部的影响也不可忽略，如煤质的突然改变会 造成煤粉在回转窑内的不完全燃烧，从而引起预分解窑形成后结圈等问题。通 过对某水泥厂预分解窑所结后圈进行的煤粉工业分析，煤灰的化学分析，结圈 料的化学和物相分析等实验，可以看到结圈料内含有大量的未燃烬碳【3 8 1 。对回 转窑内来说，热工制度会由于煤质燃烧特性的改变而不稳定，煤灰会集中在某 一有限的区域内沉落，造成窑皮增厚，当粘到窑衬上便形成结圈。这时虽然可 以通过调整喷煤管的位置，来改变火焰的形状和位置，有效地防止窑圈的形成， 但为了处理增厚的窑皮或结圈，都必须停窑，造成运转率降低和砖耗增加，都 对水泥生产造成了很大的影响。 煤质改变势必会引起燃烧特性的变化，因此会对窑内火焰的温度、形状、 扩散速度及火焰在回转窑的燃烧位置发生改变，使窑内物料在各化学反应带的 煅烧位置、煅烧温度、煅烧时间发生相对变化，并最终对熟料煅烧产生作用。 根据不同的煤质建立数学模型，通过f l u e n t 等软件计算模拟出窑炉系统内的 温度分布、火焰形状等，可以判断出回转窑内烧成带的位置变化、最高温度点 5 武汉理工大学硕士学位论文 位置的变化等，从而对生产进行指掣”4 j 。同时，硅酸盐水泥熟料的结构性能 与其煅烧制度密切相关【4 3 】，正常煅烧熟料的矿物晶体发育良好，阿利特c 3 s 和 贝利特c 2 s 晶体轮廓清晰，大小均齐，分布均匀。而欠烧熟料显微结构中，晶 体发育不良，尺寸细小，阿利特偏少且边棱不平直，贝利特形状不规则，孔洞 较多，游离氧化钙成堆分布。过烧熟料由于烧成温度过高或在烧成带停留时间 过长，造成阿利特充分生长，几何晶轴比较大，晶体粗大，游离氧化钙很少， 较致密。因此煤质燃烧特性和发热量的不同使得窑内热工制度变化，熟料的矿 物组成、晶粒大小相应改变，这就对水泥熟料的强度性能有了很大的影响，这 种探讨煅烧制度对不同熟料结构性能的影响的相关研究工作还有很多m 郴l 。 1 2 3 煤灰分及其相关微量矿物对熟料液相形成、结构性能的影晌 前期的实验研究表明水泥窑系统煤质改变，对水泥熟料液相初析温度有一定 作用【4 6 1 ，对于相同的生料成分，煤质改变则液相出现的温度会不同。煤灰液相 产生温度由煤灰本身的高温生成晶相种类决定，生成莫来石的试样液相产生温 度普遍较高，而生成斜长石的试样液相产生温度相对来说较低。煤狄的灰熔点 的高低并不是影响混合物液相初析温度点降低的最主要原因，而高灰分及低挥 发分却是影响的关键因素。分析原因应是无烟煤、高灰分煤的着火性能差，不 易燃烬，即固定碳对水泥生料液相初析温度点的降低作用很强。因此为了有效 利用劣质煤，减少煤质对水泥生料液相初析温度的影响，亦必须改善煤的燃烧 性能。但是目前的研究只谈到煤质不同对水泥生料液相初析温度有降低的作用， 而对于煤质改变尤其是煤灰矿物组分不同时，是如何对水泥熟料液相性质、液 相内的矿物形成等的相关作用的机理方面，还没有进一步的研究进展。 以前国内外学者对结皮研究的结果均得出了一致的看法：即原料、燃料中的 挥发性组分在烧成过程中形成循环富集，在预热系统中冷凝下来，对预热结皮 堵塞起促进作用【4 7 埘l 。而刘朝烈5 0 1 等经过实验得出：生料煅烧所用的煤质差、 灰分高是引起预热器结皮堵塞的重要因素。煤灰在局部时间，局部料流中掺入 不均改变了物料的化学组成、液相性质和液相量，使预热器过早出现微细熔体， 粘附其余生料粉形成结皮，并不是由于挥发分所引起的。 熟料煅烧过程中，由于不同煤质的矿物组成不同，会在煅烧过程中引入不 同的微量矿物、杂质离子等【5 卜5 2 j ，而掺入的这些矿物离子会导致熟料矿物形成 6 武汉理工大学硕士学位论文 和性能结构的变化，目前这方面的研究已经逐渐得到重视。近年来不少学者做 了硫，氟等微量矿物和其它杂质离子，对水泥熟料矿物形成和性能结构方面的 研究工作5 3 1 。高硫煤用于水泥立窑生产已有报导1 s 4 - 5 6 】，但立窑使用高硫煤作燃 料。容易引起生料中s 0 3 含量过高，使得熟料液相量大，粘度低，容易出现挂 边结窑、结大块等现象，且熟料中f - c a o 高、强度下降、水泥容易出现快凝等 问题。当水泥熟料结大块时，易将未燃烧的c 包裹在大块之中，加重了还原气 氛；同时，c 3 s 形成速度过快，晶体中包裹着大量c 2 s 颗粒，这些c 2 s 无法再吸 收c a o 变为c 3 s 。这些因素的综合，就使熟料的f - c a o 居高不下并使c 3 s 含量 降低。同时一些学者探讨了在立窑中利用高硫煤中的硫或硫的化合物和萤石一 起做矿化剂，形成一些中间化合物，结果大大降低了生料液相出现的温度和粘 度，加速阿利特的形成，改善熟料的结构【5 6 1 。目前把高硫煤等劣质煤用于新型 干法水泥生产中的报道还不多，但有研究者发现【5 7 1 硫的加入使碳酸盐大量分解 的温度提前了约1 0 ：使固相反应的温度升高了了约3 0 。同时，煤中不同形 式的硫对熟料烧成过程中矿物组成也有一定影响。实验结果表明在低温下，f e s 的反应活性要比c a s o c 2 i - 1 2 0 的反应活性大的多，有和于促迸c 3 s 的的生成；雨 在高温下，f e s 和c a s 0 4 - 2 h 2 0 的反应活性都得到较好的激发，大大促进了c 3 s 的形成。 我们知道，随着水泥生产中劣质煤及其它工业废渣的综合利用会引入不同 的杂质离子，而杂质离子对硅酸盐水泥熟料烧成有一定的影响，有学者分析了 碱金属离子及碱土金属离子、过渡金属离子以及阴、阳离子的复合对熟料烧成 影响【5 卜蛆】，从化学结构参数角度分析了杂质离子所起的作用。一些杂质离子单 独或复合使用，能够改善熟料易烧性，提高熟料的强度。其作用机理是：降低 碳酸钙分解温度；改善液相性质，增加液相量；在熟料矿物中形成缺陷，引起 晶格畸变或稳定不同的晶型变体；形成新矿物等。这些作用与杂质离子半径、 电价、电负性等化学结构参数有关，应该进行深入的研究。涉及到的阴离子r 团) 主要有f 。、c i 。、s 0 4 2 和p 0 4 3 及含氟、氯、硫、磷的其它离子团，k o l o v o s 等【5 8 1 对f j c i s 0 4 2 - , h p 0 4 。等阴离子( 团) 进行比较，在基准生料中以钙盐的形式引 入不同阴离子( 团) ，分别在1 2 0 0 和1 4 5 0 下煅烧，各离子( 团) 降低f - c a o 的顺 序为： 1 2 0 0 c ：c 1 s 0 4 2 s 2 。 h p 0 4 2 s i f f - p o d 3 1 4 5 0 c ：s 0 4 2 - f 。 h p 0 4 2 s i f 6 2 s 2 c l p 0 4 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 这些离子( 团) 通过改变两性离子a 1 3 + ，f e 3 + 的配位平衡改变熔体的粘度和表 面张力，进而影响c a o 的扩散能力。s 或f 改善体系的反应能力并加速c a o 的 结合，尤其是促进最终烧成阶段的结合。c l 在1 2 0 0 改变体系反应能力，在高 温阶段影响不太显著。p 的影响较为复杂，c a 3 ( p 0 4 ) 2 对反应活性有阻碍的作用， c a h p 0 4 则有促进作用。b u a c h i t 5 9 1 认为磷酸盐对熟料缎烧过程中的各反应均有强 烈的加速作用，使固相中石灰的结合变得容易，加快熟料结晶，含磷低( o 5 o - 1 o ) 的熟料，水硬性略有增加。有关文献1 6 0 l 指出，c 3 s 的多晶转变受m g o 和s 0 3 含 量的变化、生料的反应活性、预热、烧成温度及引入晶核等影响，并指出在其 研究范围内c 3 s mi 型比c 3 s m i i 型的强度高1 0 。因此应该深入进行有关基础 理论研究，探讨掺杂离子( 团) 对液相形成温度、液相性质、固溶反应、熟料矿物 结构变化、晶型晶貌变化的影响与其结构化学参数的关系， 1 3 研究课题的提出 综上所述，目前对于煤燃烧与水泥熟料烧成相关性的研究，已经进行了大 量的工作，并且得到很多成熟的理论。但是对于煤粉燃烧特性的研究，主要侧 重优质烟煤或无烟煤在分解炉工况下的燃烧特性来进行的；丽在熟料煅烧及其 结构变化的研究中，有关劣质煤燃烧特性及煤中成分对水泥熟料的液相性质、 主要矿物形成及结构等方面的作用机理研究还很少。因此为了充分合理的利用 高灰分煤等劣质煤，就要对不同品质高灰分煤的燃烧特性，以及煤中不同成分 对液相性质、熬料矿物形成、熟料矿物结构等的作用规律等方面进行更加深入 的研究工作。 1 4 主要研究内容 本论文主要针对新型干法水泥生产的特点，分析不同品质高灰分煤的煤粉 燃烧特性，并通过使用不同高灰分煤与水泥生料混合后烧成，找出煤灰及煤中 固定碳组分与熟料液相形成的相互作用规律，以及煤灰和固定碳组分掺入熟料 中对物料固相反应、主要矿物形成的影响，揭示不同品质高灰分煤与新型干法 水泥系统中熟料结构形貌、矿物组成的内在联系。探讨煤质及煤灰的矿物组成、 熔融特性等对水泥熟料煅烧过程所产生的影响，从而为劣质煤尤其是高灰分煤 武汉理工大学硕士学位论文 在水泥生产中的应用提供重要理论依据。主要研究内容包括： 1 水泥工业生产中不同品质高灰分煤的燃烧特性及其影响因素。 2 确定不同品质高灰分煤与水泥生料的配料方案，通过使用不同配料方案， 来初步讨论新型干法水泥生产中使用高灰分煤时的配料方案选择。 3 煤中灰分及其所含c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 等矿物成分对熟料煅烧过 程中液相性质的影响，探讨灰分及其矿物组分在熟料烧成过程中的作用规律。 4 。分析熟料煅烧过程中，固定碳及挥发份对水泥熟料煅烧及其矿物形成和 结构的作用规律。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章高灰分煤的燃烧特性研究 我国水泥工业生产中所使用的主要燃料是煤粉，因此煤质的好坏直接影响 到水泥熟料的煅烧过程及其质量的优劣。我国煤矿资源丰富、种类繁多，但目 前能够适应新型于法水泥生产的煤种范围较窄。随着能源结构的调整，水泥生 产的用煤逐年变差，因此以高灰分煤为代表的劣质煤的使用将会越来越频繁。 从发展趋势上看，正如国际上水泥窑采用低挥发分煤和高灰分煤增多那样，我 国水泥窑也会逐步向利用劣质燃料、合理利用资源、降低生产成本的方向发展。 因此，很有必要对高灰分煤作深入研究，了解高灰分煤的燃烧特性，使其能够 适应于水泥的生产，提高煤的利用率，降低水泥生产成本。 2 1引言 煤粉燃烧特性的研究主要集中在四个方面：煤粉的热解特性、煤粉的着火 特性、煤焦的燃烬特性及煤的结渣特性【6 1 侧。当煤粒进入高温炉膛后，由于受 到炉内高温的加热，便开始热解( 也称挥发分析出) 。热解后的煤呈多孔状结构， 称为煤焦( 或碳) 。挥发分及煤焦都会着火、燃烧、其中煤焦的燃烬是煤燃烧的 主要过程。针对水泥工业的生产特点，对于煤粉的着火特性和煤焦的燃烬特性 研究越来越受到重视。 在新型干法水泥生产中，回转窑和分解炉是两个提供煤粉燃烧的重要设备， 见图2 1 ，但煤粉燃烧状况在这两个设备中存在有很多的差异【6 7 1 。在新型干法水 泥回转窑内，煤粉主要由喷煤管喷入窑内，与窑内预热的高温空气混合形成旋 转喷射流股，煤粉颗粒浮于流j 玟之中预热燃烧，随气流运动，经预热的一次空 气在排风机的作用下进入窑内，扩散包围在射流周围，在流股边缘涡流的带动 下，进入燃烧的流股之中，见图2 - 2 。水泥工业回转窑内煤粉燃烧能形成一定的 火焰，这种火焰属湍流扩散火焰，并提供煅烧熟料所需的热量。其燃烧进程可 分为煤粉与空气混合，煤粉与空气加热到着火温度，挥发分燃烧和焦炭燃烧及 燃烬等四个阶段。 l o 武汉理丁大学硕士学位论文 图2 - 1 新型干法水泥生产工艺流程 挥发分分 馏与：目蠡烧 图2 2 水泥回转窑内煤粉燃烧过程 分解炉是新型干法水泥生产工艺过程中另一个主要的热工设备，它既是一 个燃烧炉，同时也是一个化工反应装置，具有燃料燃烧、气固换热和碳酸盐分 解等多种功能【6 吼。在分解炉中煤粉与生料混合悬浮在低温( 3 5 的高灰分煤来说，其燃烧特性的 变化与灰分值的高低似乎在本实验中并没有确定的线性关系，这可能与各煤质 中的氧化物含量不同有关，同时发现当高灰分煤着火点高时，其燃烬时间亦相 应变长，这两者之间存在一定的相关性。 2 3 2 实验结果讨论 实验中看到，8 4 煤的灰分低，挥发份较高，而挥发分析出燃烧，所产生的热 量可引燃焦炭而发生着火，并在煤粒周围形成火焰，提高了煤粒的表面温度，从 而为焦炭的着火准备了非常有利的条件，同时，在挥发分析出过程中，焦炭里形 成了许多的大小不一的孔隙，对焦炭起到了疏松的作用，有利于氧气向煤粒内部 扩散，同时增加了化学反应表面积，显然挥发分的产量和发热量会直接影响到煤 的着火与燃烬。 从l 。到7 栉各高灰分煤的燃烧特性与8 8 煤相比均要差很多，分析原因认为， 高灰分煤中一般挥发份较低。因此对于煤焦的着火和燃烬所起的作用要弱很多。 武汉理工丈学硕士学位论文 同时，由于灰分是不可燃的成分，因此当灰分含量升高较多时，灰分对煤着火 和燃烬等燃烧特性的阻碍作用更明显。实验中可以看到对于5 4 高灰分煤来说， 煤的挥发分含量非常低，这样就使得煤焦的着火与燃烬均变的非常困难。 对于灰分 3 5 的高灰分煤来说，从1 4 到4 8 这四种挥发份含量相近的煤样， 其着火与燃烬特性的变化并未随灰分含量的降低而存在明确的规律，这可能与 煤灰中矿物成分的不同有关。通过对比分析l o 与2 4 、扩与7 4 这两组灰分含量相 近的煤样时看到，1 4 与7 8 煤狄中s i 0 2 ( a h 0 3 + f e 2 0 3 ) 值均偏高，煤粉的着火与燃 烬特性降低，同时由于此时灰分较高，挥发份对着火与燃烬所起的作用很不明 显。但在实验中也看到，矿煤与灰分含量相近的煤样相比，由于煤灰中f e 2 0 3 含 量特别高，其燃烧特性会有很明显的下降。 高灰分煤燃烧特性的变化，直接影响到分解炉和回转窑内火焰及热工制度 的稳定。对于高灰分煤来说，由于挥发份较低，对于煤粉的着火与燃烬特性的 作用不明显，而灰分含量及其矿物成分对煤粉燃烧特性的作用有所增强，因此 为了提高高灰分煤的燃烧效率，对于灰分含量及其矿物成分的作用应引起重视。 2 4 本章小结 l 本章通过对不同煤质进行工业分析、热重实验及其对热重实验得到的 t g - d t g 曲线结果的分析，研究了高灰分煤的燃烧特性并计算了各煤质的着火指 数d i 与燃烬指数d f o 2 与水泥生成中使用的低灰分烟煤相比，高灰分煤着火点和燃烬时间均升 高，而着火指数d i 与燃烬指数d f 降低，特别是高灰分的无烟煤燃烧特性最差。 3 对于灰分 3 5 的高灰分煤来说，挥发份含量相近的煤样，其着火与燃烬 特性的变化并未随灰分含量的降低而存在明确的规律。当煤中灰分含量相近时， 煤灰中s i 0 2 ( a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 ) 值偏高的，其煤粉的着火与燃烬特性降低，挥发份对