褐煤在非洲某廠熟料煅燒中的應(yīng)用實踐

宋陽[中國中材國際工程股份有限公司（南京）

來源：《水泥工程》

0前言

褐煤又稱柴煤，是煤化程度最低，生成時間較短的礦產(chǎn)煤。其特點是高水分、高揮發(fā)分、灰分范圍寬、發(fā)熱量低；褐煤還具有密度低、孔隙大、易磨性相對較差、易風化和氧化、易自燃難儲存、著火點低，

由于煤粉水分過大導(dǎo)致燃燒相對滯后等特點[1,2]。

在國內(nèi)新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展前中期，由于褐煤低熱值、高揮發(fā)分、高水分的特性，其原本并不適用于水泥窯煅燒熟料。國內(nèi)偶有工廠使用褐煤進行熟料煅燒，也僅僅使用一些主要指標接近煙煤的“老齡褐煤”。如筆者參加工作之初在河北某工廠使用的褐煤，其揮發(fā)分為30%~35%、灰分20%~25%、原煤水分10%~15%、烘干后的煤粉水分為4%~5%、發(fā)熱量為（5000~5500）×4.18 kJ/kg。

隨著水泥技術(shù)的發(fā)展以及國內(nèi)外水泥企業(yè)對能源消耗、成本控制等要求不斷提升，另外受制于輸送條件與成本，越來越多水泥企業(yè)開始使用劣質(zhì)褐煤。尤其隨著國外水泥廠出現(xiàn)天然氣供應(yīng)困難，進口煤供應(yīng)量下降，價格大幅度上漲的背景下。尼日利亞、埃塞俄比亞、緬甸等國家對褐煤使用增多。業(yè)內(nèi)對使用褐煤煅燒水泥熟料的研究也越來越深入。

非洲某線是由中材國際總承包的6000t/d生產(chǎn)線，燒成系統(tǒng)為六級雙系列旋風預(yù)熱器、管道式在線分解爐、Ф5.2 m×74 m回轉(zhuǎn)窯，IKN第三代控制流篦式冷卻機。燒成系統(tǒng)原設(shè)計主要燃料為天然氣，也考慮采用南非煤，并設(shè)置了相應(yīng)規(guī)模的煤磨。近年來天然氣量不足，且南非煤價格飆升，運輸問題較多，不能保證供應(yīng)，故業(yè)主方將燒成用煤定為當?shù)氐暮置骸９P者在該線調(diào)試保產(chǎn)近3年，以下對褐煤使用中存在的安全問題、使用要點及煅燒褐煤時對回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器產(chǎn)生的影響進行總結(jié)，供同行參考。

1褐煤的特性和熟料的化學(xué)成分

褐煤的指標見表1，采用褐煤時，熟料的化學(xué)分析、率值和物理參數(shù)見表2。

2生產(chǎn)中出現(xiàn)的安全問題、處置方法、注意事項

2.1安全存放

褐煤在堆場堆放的過程中由于其高水分和高揮發(fā)分的特性非常容易自燃。最短堆放7~10天就可能出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)自燃會快速蔓延，自燃點越來越多，存在較大安全隱患。處置措施：

（1）遵循先堆先用，用舊堆新的原則，避免煤堆存放超過一周時間。

（2）控制煤堆高度低于6 m，降低煤堆內(nèi)蓄熱，延長煤堆自燃周期。

（3）嚴控取料機下限位，料堆底部剩余高度嚴控低于1m以內(nèi)。嚴禁底部煤尚未取完，再次堆料。

（4）停窯前期需考慮煤堆場儲量，提前制定停窯計劃，爭取停窯前盡可能少的原煤留在堆場中。

（5）如遇自燃冒煙現(xiàn)象，可以安排專人對取料點進行監(jiān)管。未發(fā)現(xiàn)明火不需要特殊處置，發(fā)現(xiàn)明火用消防水管消除明火即可正常取煤并盡快消耗掉自燃的原煤。大的冒煙點可以將水管插入冒煙點的內(nèi)部少量流水滲入滅火，禁止大水漫灌。大水漫灌后不止容易造成塌堆現(xiàn)象，煤隨著水四處流散，存在安全隱患，且水分過高反而更容易增加自燃的風險。

2.2大布袋收塵器和煤粉倉上單體收塵器堵塞

由于褐煤的煤粉水分極高，日常生產(chǎn)中煤粉水分為8%~11%（多為內(nèi)水，在煤磨內(nèi)不可能完成烘干），因此煤磨大布袋收塵器和煤粉倉上的單體收塵容易因為結(jié)露和板結(jié)等原因發(fā)生堵塞。一旦堵塞短時間內(nèi)未發(fā)現(xiàn)，將在幾個小時內(nèi)發(fā)生堆積自燃現(xiàn)象，燒毀收塵布袋。特別是單體收塵上的監(jiān)控設(shè)施不足，更易發(fā)生危險。處置措施：

（1）加強布袋收塵器的殼體外保溫，盡可能減少結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生。

（2）加強收塵器殼體的密封和防雨棚，杜絕漏風現(xiàn)象的發(fā)生，防止雨水灌入收塵器。

（3）增加料位開關(guān)、小收塵器灰斗壓力表、小收塵灰斗溫度開關(guān)、壓差開關(guān)等監(jiān)控儀表，以便在中控能夠第一時間發(fā)現(xiàn)單體收塵存在問題。

（4）加強崗位巡檢，并在灰斗處安裝一根傾斜的負壓管并用絲堵堵死。崗位工可以通過日常巡檢中檢查回轉(zhuǎn)下料器的溫度、利用加裝的管道手動檢查灰斗負壓。如果溫度正常沒有異常高溫或低溫，負壓正常，那么收塵器運轉(zhuǎn)情況正常。反之需要立即停止收塵風機，打開收塵灰斗檢查門進行檢查。

（5）如果發(fā)現(xiàn)小收塵冒黑煙（煤粉）、煤粉倉氣體分析儀參數(shù)異常、灰斗溫度異常等任意一種情況，可能已經(jīng)出現(xiàn)了著火。此時嚴禁打開收塵頂蓋檢查,應(yīng)當切斷所有空氣進出口，噴灑二氧化碳，并將日常準備的生料粉、空壓器管、滅火器放置到著火收塵器附近。待溫度和CO有效控制并下降后，小幅度打開灰斗門進行觀察，開門過程中需要小心煤粉可能已經(jīng)高于門框且?guī)в幸欢骰鸹鹦恰０l(fā)現(xiàn)明火火星后禁止使用水進行滅火，防止著火的煤粉隨著水流四處流竄發(fā)生二次事故。應(yīng)當使用大量生料粉或滅火器對明火火星進行撲滅，并將生料粉灌入灰斗。待明火火星熄滅后，逐步緩慢的將收塵內(nèi)部的煤粉從灰斗排出，如再次發(fā)現(xiàn)明火火星重復(fù)上述步驟。此處需要注意煤粉外排的過程中，不能使煤粉大量聚集在收塵平臺，必須一邊排出一邊清理。通過上述步驟反復(fù)進行，直至收塵灰斗內(nèi)的煤粉全部排出后，立即關(guān)閉灰斗觀察門，對整個收塵器各個密封節(jié)點用黃泥進行再次密封，然后再次噴入二氧化碳，保持各通風管道處于完全關(guān)閉狀態(tài)。保持一段時間后，收塵器溫度會自然下降至環(huán)境溫度。之后進行布收塵器內(nèi)部檢查并布袋更換。在收塵器溫度下降至正常之前嚴禁開頂蓋門檢查布袋，防止復(fù)燃。處理結(jié)束后必須確保地面清理干凈無積煤。

2.3使用褐煤生產(chǎn)時平衡劇烈波動和安全操作

由于褐煤的高揮發(fā)分、高水分、灰分和熱值的高波動性的特性，因此在使用褐煤的過程中需要注意一些平衡波動和安全操作的注意事項。

（1）在使用褐煤過程中需至少分4個及以上的煤堆和2個及以上的原煤倉，并使用側(cè)式刮板取料機。需確保其中兩個煤堆始終存放的品質(zhì)較好的原煤。根據(jù)經(jīng)驗需存放低位熱值大于4 300×4.18 kJ/kg，灰分小于15%。另外兩堆好壞煤混合堆放，這部分原煤通常灰分大于18%，熱值（3000~4000）×4.18 kJ/kg。在使用中，兩個原煤倉分別進兩種不同的煤，并按照好壞煤比例1∶9進行搭配。如果出現(xiàn)煤質(zhì)突然變差，入窯生料與熟料的LSF差值突然變大，逐步提高好煤的比例降低差煤的比例，以此來平衡生料與熟料的LSF差值確保窯況和熟料質(zhì)量。如果極端情況下不能摻差煤。例如：某次由于煤礦表層土未剝離干凈，原煤熱值從4000×4.18 kJ/kg驟降到2 100×4.18 kJ/kg，灰分從16%上升至60%，生熟料LSF從正常的5~6的差值，驟然上升到30的差值。碰到此類極端情況，存有優(yōu)質(zhì)煤堆和調(diào)用一部分天然氣，可以確保順利度過該煤質(zhì)劇烈波動期，并將熟料質(zhì)量波動和窯況波動降低到最小。

（2）使用褐煤時，由于褐煤內(nèi)水很高，而內(nèi)水不可能在短時間內(nèi)靠煤磨溫度烘干剝離。因此不必過分追求煤粉水分，需嚴格控制煤磨出磨溫度。以該現(xiàn)場為例，煤粉水分通常控制在8%~11%。在大布袋出口氧含量低于12%的情況下（窯尾取風），出磨溫度常規(guī)控制63℃以內(nèi)，最高不大于65℃。同時需要注意，通常褐煤燃點為270℃以內(nèi)，為安全考慮，在生產(chǎn)中入磨溫度最大控制200℃以內(nèi)。如果入磨溫度達到200℃,出磨溫度仍偏低，需要放棄水分控制，或采用換堆，改變喂煤比例的方式進行水分控制。由于煤粉水分過高，需嚴格控制煤粉倉位不能太高，否則很容易導(dǎo)致下煤不暢或下料管結(jié)皮堵塞，下煤量降低。新倉可按照一半倉位控制，待倉壁經(jīng)過一段時間磨擦光滑后，可按照2/3倉位進行控制。2.4其他需要重點注意的安全事項

由于褐煤的易燃特性，其設(shè)備的各項安全保護裝置需要更加嚴密合理，以及一些獨特的保護裝置需要加以應(yīng)用。主要要點如下：

（1）煤粉螺旋輸送機需要增加防爆泄壓裝置。目前使用的煤粉螺旋輸送機基本為全密封狀態(tài)，而褐煤本身具有易燃和高水分易堆積堵塞的特點。一旦螺旋輸送機內(nèi)部出現(xiàn)著火的情況非常難以發(fā)現(xiàn)并容易引發(fā)爆炸事故。類似案例已經(jīng)在多家水泥廠發(fā)生過。因此使用褐煤的過程中可以為螺旋輸送機上頂蓋增加防爆泄壓閥和保護罩，在不增加成本的同時大幅度降低螺旋輸送機爆炸風險。

（2）系統(tǒng)內(nèi)死角和水平區(qū)域消除需重點關(guān)注。通常煤粉制備和輸送系統(tǒng)死角須嚴格禁止，而進行褐煤粉磨的過程中要求更為嚴格。例如：螺旋輸送機兩端必須加裝反向清掃葉片，如果沒有該葉片，則必須將兩端突出的死角用生料粉填滿；螺旋輸送機下面的閘板閥距離鉸刀殼體下部距離要盡可能小，防止閥門關(guān)閉后時間偏長導(dǎo)致內(nèi)部積煤過多自燃；煤磨入口熱風管位置的水平管道需加裝排灰斗定期排放管道內(nèi)可能堆積原煤，并按周期嚴格檢查煤磨排渣情況，嚴禁過多排渣滯留在煤磨排渣灰斗內(nèi)。

（3）褐煤著火通常很難通過二氧化碳滅火系統(tǒng)一次滅掉，很可能出現(xiàn)復(fù)燃。因此如果計劃長期使用褐煤，應(yīng)當配置二氧化碳在線制備充氣系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)可隨時開停二氧化碳注入滅火。常用的一次性二氧化碳氣罐組，不能很好的滿足褐煤的需要并且成本非常高昂。

2.5褐煤煅燒對窯系統(tǒng)和熟料質(zhì)量的影響

（1）對耐火磚的影響。窯頭使用褐煤或者褐煤加天然氣進行熟料煅燒時，由于褐煤煤粉內(nèi)水含量高，且為了安全考慮，煤粉細度控制偏粗，抵消了高揮發(fā)分帶來的火焰快速燃燒的效果，因此窯內(nèi)窯皮主要分布在窯口5~22m的位置，該情況就造成了窯內(nèi)下過渡帶偏長，該區(qū)域沒有窯皮但是熟料已經(jīng)燒結(jié)，因此磨損較快。后來將該區(qū)域的鎂鋁尖晶石磚更換為鎂鐵尖晶石磚，增加該區(qū)域掛窯皮的可能性，該區(qū)域的耐火磚使用時間從9個月上升至12個月。超過了該區(qū)域耐火磚6個月的質(zhì)保壽命。降低了停窯修補該區(qū)域耐火磚頻率，有效提高了設(shè)備運轉(zhuǎn)率。

（2）由于褐煤的峰值溫度較低，容易造成燒成帶溫度略顯不足，飛砂料偏大的情況。因此低熱值褐煤低的使用難點主要來自窯頭，通過參數(shù)和配料調(diào)整，可以將飛砂料有效控制在要求范圍內(nèi)，熟料立升重可以穩(wěn)定在1300±50g/L左右。

（3）熱值不足對熟料產(chǎn)量和質(zhì)量的影響。通過多次實驗證明，在生料條件相對較好時，如果篦冷機運行狀態(tài)良好、回轉(zhuǎn)窯采用中大推力燃燒器，煤粉低位熱值大于3 800×4.18 kJ/kg時，單獨使用褐煤，可以滿足窯系統(tǒng)達產(chǎn)運行和游離鈣控制。熱值進一步降低，窯尾由于煤粉秤量程的限制需要增加天然氣等其他燃料來源，而窯內(nèi)用煤也需要天然氣進行熱量補償。煤熱值保持在（4 000~4 500）×4.18 kJ/kg時，對窯系統(tǒng)產(chǎn)質(zhì)量影響有限，窯系統(tǒng)可以達到設(shè)計產(chǎn)量的運行并且保證熟料質(zhì)量合格穩(wěn)定，年綜合合格率達到98%以上。當然，相較優(yōu)質(zhì)煙煤來說，褐煤煅燒還是會對熟料產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響。

（4）對熟料強度的影響。該生產(chǎn)基地一共5條6 000 t/d級生產(chǎn)線，對比老生產(chǎn)線純天然氣煅燒，使用褐煤煅燒對熟料強度未發(fā)現(xiàn)明顯影響。通過配料優(yōu)化、過程優(yōu)化、管理優(yōu)化。褐煤煅燒熟料2d抗壓強度（歐洲標準）和28 d抗壓強度均明顯優(yōu)于老線。2d強度可以達到26~30MPa，28d強度可以達到58~63MPa，完全滿足業(yè)主配料需求。

（5）褐煤對熟料熱耗的影響。使用褐煤煅燒熟料，系統(tǒng)需要的氧含量較煙煤明顯偏大，通常C1出口氧含量需要控制在3%~4%，分解爐出口和煙室需要控制在2%~2.5%左右。無法像優(yōu)質(zhì)煙煤一樣控制C1氧含量達到1%~2%。一旦氧含量過低就容易導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)皮、分解爐溫度和C6溫度出現(xiàn)倒掛、窯況持續(xù)惡化等情況。由于單位廢氣量增加，而C1出口廢氣溫度的增加，因此使用褐煤比優(yōu)質(zhì)煙煤單位熱耗較高。該生產(chǎn)線采用6級預(yù)熱器配置，熟料單位熱耗可以穩(wěn)定在（680~700）×4.18 kJ/kg。

2.6燒成系統(tǒng)操作結(jié)果

生產(chǎn)線采用褐煤煅燒時，一般采用窯頭全部用褐煤或補充一點天然氣，窯尾采用天然氣與褐煤混燒。生料投料量約420 t/h，熟料產(chǎn)量約6 000 t/d。

3結(jié)語

在該生產(chǎn)線調(diào)試初期，出現(xiàn)過兩次煤磨系統(tǒng)著火。分別為煤粉螺旋輸送機內(nèi)煤粉堆積自燃，煤粉倉單體收塵積灰著火。通過一系列整改后，連續(xù)兩年半直至項目結(jié)束，煤磨系統(tǒng)再未發(fā)生過著火事故。通過提升精細化管理，堆場自燃現(xiàn)象也得到解決。全線運轉(zhuǎn)情況良好，熟料產(chǎn)質(zhì)量情況優(yōu)良。只要日常管理得當，設(shè)計和設(shè)備配型合理，熱值大于3 800×4.18 kJ/kg原煤的褐煤具備單獨使用煅燒優(yōu)質(zhì)熟料的能力。而更差的劣質(zhì)褐煤搭配部分天然氣或優(yōu)質(zhì)煙煤混合使用也具備煅燒優(yōu)質(zhì)熟料的可能性。

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