褐煤烧制水泥熟料的生产与试验

吴秀俊，秦健，张春银

（云南省建筑材料科学研究设计院有限公司 云南 昆明 650221）

0 引言

全国已探明褐煤保有储量1 300亿t，占煤炭总储量的13%。新生代第三纪褐煤煤田储量约占全国褐煤的1/5,主要分布于云南省小龙潭、临沧、保山、昭通和先锋等地。云南省煤的保有储量中，褐煤为157.26亿t,占全省煤炭总储量的65.8%。其主要矿区多已开采，大多用于火电厂锅炉燃煤。

褐煤是炭化程度较低的煤种，具有高挥发分、高水分和低热值的特点，所以燃烧时形成的最高温度较低。水泥厂的燃料以煤为主，褐煤又是云南省和东南亚地区的主产煤，所以多年来褐煤烧制水泥熟料始终是云南省建筑材料科学研究设计院有限公司以下简称“云南省建材院”的主要课题之一。

1 褐煤的品质分析

褐煤产地和工业分析详见表1，褐煤的元素分析、化学成分以及燃烧特性详见表2～表4。

（1）燃煤的分类主要依据可燃基挥发份（干燥无灰基挥发份Vdaf%），详见表5。

（2）褐煤的发热量和煤质特征与成煤时代密切相关，其中以早、中侏罗纪褐煤的发热量较高，挥发分较低；晚第三纪褐煤的挥发分较高，发热量较低。由表1的数据可见，云南褐煤成煤年代以新生代第三纪为主，晚于缅甸地产褐煤。

（3） 云南褐煤除先锋煤矿外，含硫量普遍偏高，小龙潭褐煤灰中SO3更是高达16%左右。

表1 褐煤产地和工业分析

表2 褐煤的元素分析/%

（4） 煤的矿相分析。X衍射分析表明（图1～图4）煤的主要组分为碳和有机质，图谱上没有明显的峰值，仅表现为低角度或2θ角20O～30O的隆起；其无机组分为高岭土、石英、氧化铁和水云母。小龙潭褐煤还含有一定量的碳酸钙和硫酸钙，灼烧后，煤灰中含有无水硫酸钙和游离石灰。

表3 煤灰的化学成分 /%

表4 煤炭燃烧特性

表5 煤的分类 /%

2 褐煤的燃烧特点

煤是由不同岩相成分组成的具有多种官能团和化学键的复杂混合物。气氛、压力、燃烧器结构等外部因素和粒径、岩相、煤阶等内部因素均对煤粉燃烧特性产生影响。

（1）褐煤具有挥发分高、燃点低、化学活性强的燃烧特性（表4），在燃烧过程中表现为着火快、燃尽快，火力不易集中。

（2） 褐煤的水分含量高于其它煤种，主要由两部分组成：表面游离状态的外在水和毛细孔中的内在水。煤粉烘干、磨制过程中，煤的外在水多已脱出，而内在水份仍然保留。褐煤的高内水将导致燃烧器火焰的温度降低。水分增加1%，火温下降10～15℃。所以，水泥工业较少单独使用褐煤作为烧成用煤。

图1 滇西褐煤X衍射图

图2 小龙潭褐煤X衍射图

图3 小龙潭褐煤灰X衍射图

图4 华坪烟煤X衍射图

（3） 德国利用褐煤首先对其气化，再用所得的煤气或半焦产品烧制水泥熟料，这是最合理的使用方法。该项技术虽已在欧洲成熟应用，但这种方法并不适用于所有的褐煤，且处理成本较高。

3 褐煤在水泥立窑中的应用

滇南的德宏、保山、临沧等地区，20世纪70～80年代的立窑水泥厂烧制水泥熟料，曾经使用褐煤。由于立窑中燃煤和生料成球入窑，助燃空气由窑底部鼓入，褐煤的燃点仅为300～500℃，所以挥发份在窑的预热带即挥发或燃烧，热损失高达30%～40%，起不到煅烧熟料的作用。熟料烧成仅依靠煤中的固定碳组分，致使窑的热效率低下，不仅煤耗很高，水泥质量也很差（表6）。鉴于上述原因，云南省20世纪80年代以后的立窑均改用无烟煤烧制水泥熟料。

表6 1979年云南立窑水泥厂褐煤烧制水泥

4 褐煤在水泥湿法长窑中的应用

云南开远水泥厂原有两台Φ3.3m×118m的湿法长窑，1970年底开始使用当地小龙潭煤矿出产的高硫褐煤烧制水泥熟料。烧成用煤采取全褐煤方案，并对煤磨、喷煤管和原料进行了改造和调整。

4.1 开远水泥厂生产用煤

开远水泥厂生产用煤状况详见表7～表8。

表7 生产用煤工业分析

表8 煤灰成分/%

4.2 开远褐煤生产的熟料质量和产量

开远褐煤生产的熟料质量和产量详见表9。

表9 熟料质量和产量

4.3 窑灰的成分

窑况正常时，熟料K2O挥发率达到70%以上，K2O含量0.5%～1.0%，其余进入窑灰。窑灰的主要矿相为：碳酸钙、硫酸钾、石英、硅酸二钙及少量游离石灰（表10）。

表10 开远厂窑灰化学成分/%

4.4 使用开远褐煤采取的技术措施

4.4.1 调整原材料

小龙潭褐煤挥发份高，固定碳低，其无机组分中含有一定量的碳酸钙和二水石膏，所以煤灰中CaO>40%；SO3>15%。为此，厂家采用泥灰岩代替部分石灰石配料，不但减少了石灰石矿山的浮土剥离量还改善了生料的易烧性。

4.4.2 调整配料方案

在提高生料饱和比的同时，降低了硅酸率；提高生料氧化铝含量和铝氧率。使液相量增加，提高了生料的易烧性（表9）。

4.4.3 调整回转窑的操作

（1）褐煤的实物煤耗较烟煤增加近一倍，褐煤中的挥发份>40%；为此提高了一次风量，达到一倍以上。

（2） 采取“薄料快烧”的煅烧制度，提高窑转速，降低喂料量，增加物料与火焰及气流的热交换。采用小龙潭褐煤烧制水泥熟料，为了保证熟料质量，熟料产量明显下降，由原设计产量16 t/h，降为12 t/h左右。

表11 盈江燃煤工业分析

（3） 入磨褐煤水分高达25%～30%，煤磨产量下降明显，为此，更换了煤磨，并提高了入磨风温。

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（4） 该厂泥灰岩和砂岩中碱含量较高，小龙潭高硫褐煤燃烧产出的SO3主要以硫酸钾的形态存在于窑灰中。由于褐煤水分高，燃烧产生的水蒸气，还会形成大量的H2S和SO2，对环境造成较大的污染。

小龙潭高硫褐煤在开远湿法长窑烧制水泥熟料的实践，虽然为我们使用褐煤烧制水泥熟料提供了技术上的参考和借鉴。但因窑产量和环保等问题，20世纪80年代以后，开远水泥厂已逐步改用烟煤。

5 褐煤在盈江水泥厂新型干法水泥窑的试验

滇西南地区烟煤和无烟煤资源匮乏，若能采用当地褐煤，将有利于提高企业经济效益。为此，2010年云南省建材院院曾在盈江水泥厂Φ3.5m×54m新型干法水泥窑进行过短期的试验。试验采用30%保山褐煤与70%华坪烟煤掺配，详见表11～表13。

表12 盈江窑用燃煤燃烧特性指标

表13 盈江水泥厂掺烧褐煤试验熟料

掺入30%褐煤后，入窑煤粉水分由1%左右上升到3%，混煤火焰较单独燃烧烟煤时稍偏长，火焰不集中，热力强度有所降低。表13的数据表明，掺烧褐煤后，熟料率值未做明显改动，但立升重、产量和强度均稍有下降。由于当地褐煤价格较低廉，工厂仍可获得一定的经济效益（表18）。

6 缅甸褐煤烧制水泥熟料

缅甸曼德勒地区主产褐煤，且不具备褐煤气化和焦化的基础条件。若熟料生产仅依赖进口烟煤，将使水泥成本居高不下。为了降低水泥的生产成本，云南省建材院2016～2017年在缅甸旦多淼水泥厂5 000t/d新型干法水泥熟料生产线，采用本地褐煤与进口烟煤搭配进行了工业性生产。

6.1 缅甸燃煤分析

6.1.1 生产用燃煤工业和元素分析

与云南省褐煤比较，缅甸本地（曼德勒）褐煤的成煤年代较早，可燃基挥发分和硫含量较低（表14），但该地褐煤产点多，质量波动很大。窑用烟煤由澳洲进口质量较为稳定（表15）。

表14 燃煤工业分析

表15 进厂燃煤的标准偏差

6.1.2 缅甸燃煤的燃烧特性

采用本地褐煤和澳洲烟煤按一定的比例混合掺烧，由于单种煤的燃烧特性对混煤有一定的影响，所以本项目进行了煤的热分析试验（详见图5～图7）。本试验采用德国耐驰STA409 PG/PC型热分析仪，检测条件按照GB/T33304-2016“煤炭燃烧特性试验方法热重分析法”的要求，气氛为空气和氩气，升温速率20℃/min。按照标准规定的方法进行计算，得出缅甸燃煤的燃烧特性（表16）。

图5 本地褐煤热分析图谱

图6 澳洲烟煤热分析图谱

图7 褐煤+烟煤（1∶1）热分析图谱

（1） 着火温度Ti/℃。着火温度是指可燃混合物化学反应达到自燃时的最低温度，按照标准方法计算，缅甸褐煤的着火温度为349.4℃；澳洲烟煤为478.6℃；混合煤的着火温度354℃较接近褐煤。

（2） 燃尽温度Tf/℃。烧掉98%可燃质燃料时的温度定义为燃尽温度，缅甸褐煤的燃尽温度500.9℃，澳洲烟煤626.8℃，混合煤614℃；两种煤按1∶1混合后，燃尽温度接近烟煤，混和煤在热分析图谱上表现为双峰（详见图7）。

表16 缅甸燃煤的燃烧特性

（3） 最大燃烧速率vp/(%/min)。当地褐煤最大燃烧速率10.60%/min，温度396℃；澳洲烟煤最大燃烧速率10.31%/min，温度555.1℃；混合煤在图谱上出现两个峰值：6.48%/min、429.4℃和6.30%/min、556.0℃。表明两种煤并非完全同步燃烧，因而降低了混合煤的平均燃烧速率。

（4）混煤着火温度明显降低，燃尽温度改善不明显。对于回转窑高温烧成带和火焰的形成有一定的影响。

6.2 缅甸褐煤使用中存在的问题和采取的措施

（1）按煤的品种划分，烟煤较易粉磨，褐煤较难粉磨。该厂在生产中为了满足热工煅烧的需要，采用了混合粉磨的方法，以提高煤粉的均匀性并降低粉磨电耗。煤磨产量基本稳定的前提下，随着褐煤掺加比例增加，煤粉筛余量和内水含量上升。

表17 出磨煤粉工业分析

（2） 煤工业分析标准偏差的统计值表明（表15），缅甸本地褐煤的质量波动很大，分析基低热值的标准偏差为3 073kJ/kg，是澳洲烟煤的五倍，生产上采取了两次均化的措施，保证了出磨煤粉质量和转窑工艺的稳定（表17）。

（3） 该厂采用高硅石灰石配料，高硅石灰石不仅石英含量高，且方解石呈重结晶状，晶粒粗大，低温分解率偏低。为此，提高了分解炉的配煤比例。

（4） 出磨煤粉水分较高（≥4%）；烟煤与褐煤的不同步燃烧，降低了混合煤的平均燃烧速率，影响了回转窑高温烧成带和火焰的形成，至使火焰延长，火温下降，窑头飞砂较大。为此，调整了配料率值，适当降低熟料硅酸率，将液相量由24.5%提高到27.8%。

6.3 生产试验的效果

试生产期间，熟料各项指标均达到国家相关规定的要求，熟料产量超过设计水平；熟料3天抗压强度≥30MPa，28天抗压强度≥55 MPa。3月份大窑进行增产试验，提高了生料喂料量和窑转速，台时产量由220 t/h提高至245t/h。熟料强度稍有下降，平均为54.5 MPa。

（1） 熟料成分和性能详见表18～表19。

表18 熟料成分指标/%

表19 熟料物理性能

（2）熟料产量和水泥能耗。试验过程中褐煤的掺加比例逐渐增加到50%，但熟料的标准煤耗仍可保持在106kg/kg.熟料左右（表20）。

7 结论

（1）褐煤是一种低价煤，其高水分、高挥发份、低热值和易风化、易自燃的特点，影响了它在水泥工业中的应用。通过我们多年的实践表明，在我国西南和南亚等匮乏烟煤的地区，掺用当地褐煤烧制水泥熟料，最大的优势是降低水泥的生产成本；合理使用自然资源。云南盈江水泥厂窑用燃料中掺用30%当地褐煤，燃煤成本每吨熟料下降22元，该项措施若按设计产量计算每年可增加收益900多万元。缅甸旦多淼水泥厂已经实现了澳洲烟煤和当地褐煤按1:1比例配合，烧制水泥熟料的稳定生产，仅此一项每年收益可达3 000多万元（表21）。

表21 掺褐煤烧制的熟料生产成本和收益

表20 熟料产量和水泥能耗

（2）褐煤的品质与其成矿条件和成矿年代相关，云南褐煤多属新生代第三纪，水分高、挥发份高、热值低，杂质含量较多，烧制水泥熟料时，可适量掺加。开远的高硫褐煤使用于开远水泥厂的湿法长窑只是个例，并不适用于其它窑型。

缅甸曼德勒褐煤质量波动很大，但成矿年代较早，挥发份和水份较低，平均发热量可达20 900kJ/kg（5 000kcal/kg）左右，通过严格均化后，可以较大量地替代烟煤。

（3）褐煤的高水份和高挥发份及混合煤的不同步燃烧，对回转窑的火焰温度和烧成带的位置会产生影响，从而影响到熟料的产量和质量。所以，必须适当调整褐煤与烟煤的掺配比例及配料方案，改善生料易烧性；加强窑工艺的管理和窑参数的调整。

（4） 水泥工厂用褐煤作燃料，其水分高、易磨性差，应选择适宜的粉磨设备和工艺条件。并根据其易风化、易自燃的特性，做好安全防范工作，确保安全生产。