利用水泥熟料生产线技改煅烧冶金石灰的技经分析

时间：2024-12-29

汤升亮，曹正，刘志国（中国中材国际工程股份有限公司，江苏南京 211100）

1 引言

1.1 水泥行业淘汰落后产能相关政策

为深入推进建材行业供给侧结构性改革，有力推动行业向高质量发展，加快促进落后产能淘汰退出，有效化解产能过剩矛盾，中国建材联合会根据国家有关指导意见发布的2019年淘汰落后产能指导目录（水泥篇）中提到水泥行业需淘汰的落后产能包括：水泥熟料产能利用率70%以下的地区（以省为单位）2000t/d（含）以下的水泥熟料生产线（2020年底前），2500t/d（含）以下的水泥熟料生产线（2021年底前）；水泥熟料产能利用率70%以上的地区（以省为单位）2 000 t/d（含）以下的水泥熟料生产线（2021年底前），2500t/d（含）以下的水泥熟料生产线（2022年底前）；1000t/d（含）以下特种水泥生产线；环境敏感区可比熟料综合能耗高于108kgce/t、非环境敏感区可比熟料综合能耗高于115kgce/t水泥熟料生产线[1]。

为进一步推动产业结构调整和布局优化，继续施策压减过剩产能。工业和信息化部于2017年12月31日出台了要求更加严格、压减力度更大的《水泥玻璃行业产能置换实施办法》。主要调整：一是加大减量置换力度。位于国家规定的环境敏感区内的建设项目，每建设1t产能须关停退出1.5t产能；位于非环境敏感区内的建设项目，每建设1t产能须关停退出1.25t产能。二是对用于置换的产能限定更加严格。用于置换的产能应当为2018年1月1日后在省级工业和信息化主管部门门户网公告关停退出的产能。同时规定：已超过国家明令淘汰期限的落后产能，已享受奖补资金和政策支持的退出产能，无生产许可的水泥熟料产能，均不得用于产能置换[2]。

2018年水泥行业日产2500t及以下、竞争乏力的熟料生产线还有800多条、产能5亿多t。在国家政策加大去产能和环保力度的背景下，作为淘汰目录内的水泥生产线进退维谷，弃之可惜，产能置换是目前小水泥生产线退出的主要方式。

1.2 建材行业高品质小粒径石灰石的尴尬处境

石灰石的主要用途包括生产硅酸盐水泥、骨料、石灰及其下游附加产品（消石灰、轻质碳酸钙）、重质碳酸钙、脱硫剂等。水泥、骨料及石灰行业石灰石用量相对较大。其中，水泥行业包容性最强，对石灰石要求相对较低，因此可以吸纳骨料、石灰等行业的边角料。石灰行业则对石灰石钙含量具有一定要求，通常选用品质相对较高的石灰石。而目前石灰生产常用的窑炉对石灰石粒径均有相应的要求：竖窑50～120mm，回转窑20～50mm，这就造成在原料准备阶段，破碎筛分工段产生大量高品质的（CaO含量在54%以上）小粒径石灰石（小于20mm）（约占处理量的25%），其通常被作为石渣低价出售。这对于高品质矿产资源的利用造成了一定的浪费。如果能将其用来生产石灰无疑更具经济性。

1.3 粉状石灰的市场及来源

粉状石灰主要应用于（1）烧结矿，一般控制在小于3mm，活性要求大于280 ml，要求较高的控制在320ml以上；（2）炼铁，粒度要细；（3）铁水脱硫，10～1000μm，S含量低于0.015%，石灰活性大于350 ml。同时，电力脱硫、玻纤、建材、造纸、污水处理等行业也需要大量粉状石灰[3]。

目前粉状石灰主要通过粉磨块状石灰获得，但块状石灰易磨性远比石灰石差，粉磨电耗高。也有部分企业尝试采用悬浮预热分解窑煅烧粉状石灰，如宝钢1991年建成投产的悬浮窑，日产量430t，但由于原料和燃料焦炉煤气进场价较高，使得石灰生产成本偏高，系统利用率很低，目前已拆除[4]。2017年浙江建科建设了一条1000t/d粉石灰悬浮煅烧试生产线，2018年4月转入工业生产[5]。

可见，在水泥行业政策去产能的大背景下，如能高效益利用建材行业高品质石灰石的边角料生产粉状石灰来盘活处于尴尬境地的小水泥熟料生产线，无论从产业政策、产品竞争力，还是从工厂生存、发展考虑都将是不错的选择。

2 水泥线改石灰线的技术路线

2.1 改烧块状石灰

近几年，有多家中小型回转窑水泥生产线进行了改造，改造项目投产后系统运行稳定，产品质量稳定，热耗及电耗均与同规格石灰旋窑线相差无几[6]。改造措施主要包括：

（1）拆除预热预分解系统，在现有框架（或新建）上增设石灰石煅烧专用竖式预热器；增加预热器上料系统，有筛分要求的，同时增建筛分楼，对石灰石原料进行筛分处理（来料要求25～50mm）；

（2）更换回转窑传动电机，使之适应块状石灰煅烧低转速要求；

（3）对篦冷机进行局部改造：不开启传动装置，只使用篦冷机前端倾斜固定篦床冷却冶金石灰；在二室前端用耐火砖砌一道挡墙，防止高温气体和粉尘窜入二室，冷却冶金石灰后的高温风全部入窑；拆除一段前端2～3排篦板，下面增加一个卸料斗，冷却后的冶金石灰由二室前端落入二室卸料斗，下部增加一个翻板阀用于锁风。或是直接将篦冷机更换为石灰专用竖式冷却器。

2.2 改烧粉状石灰

2.2.1 技术可行性

众所周知，水泥生产线生料入窑分解率一般控制在90%以上。而冶金石灰一般要求生烧率不大于5%，如何提高碳酸钙在分解炉内分解率是水泥线悬浮煅烧石灰的关键所在。因此，深入了解碳酸钙在分解炉内的分解特性对于改造具有现实的意义。分解炉内悬浮态碳酸钙的分解主要遵循缩核模型，所需分解时间主要取决于化学反应速率。福斯腾提出分解面向颗粒内心移动的速度ω公式[7]：

ρCO2—可以分解但还在石灰石中结合的CO2的密度，ρCO2＝1.19 g/cm3；K—分解速度常数，一般可取K＝19 kg/（m2·h·atm）；PCO2—分解炉中CO2的分压力，atm；PCT—分解温度T时的CO2平衡分解压力，atm；

D—碳酸钙直径，m。

由此可计算出不同温度、粒径、分压下碳酸钙分解所需时间的与其的相互关系。结果见图1，2。

图1 不同温度下石灰石颗粒（30μm）分解时间与CO2分压的关系

图2 不同粒径石灰石分解时间与煅烧温度的关系（20%CO2分压）

根据计算结果可以看出，炉内温度900℃以上时，CO2的分压对碳酸钙的分解率影响不大；900℃、CO2分压20%时，50μm以下的碳酸钙颗粒在8s内能完全分解。煅烧温度、颗粒粒径是分解时间的主要影响因素。水泥生料（80μm筛余10%～18%）在炉内温度880℃左右下、停留时间3～5s时入窑分解率可达到90%～95%。如温度提高至950℃，生料分解率能提高至99%。由此可见，通过对现有分解炉进行一定的改造，并适当提高烧成温度及控制进料粒度完全能满足煅烧石灰的要求。

2.2.2 改造方案

（1）对分解炉鹅颈管进行局部改造，增加炉容及停留时间；

（2）在分解炉底部增设悬浮冷却系统及改造燃料喷射系统；

（3）增加成品灰到石灰库的输送系统。

（4）拆除回转窑及窑头。

当然，改造方案因线而异，需进行科学的论证。

2.3 方案比选

水泥线改石灰线，首先是尊重市场。从技术角度来说，改烧块状石灰和粉状石灰都是可行。块状石灰线的产能主要受制于回转窑的规格，而粉状石灰线的产能则受制于预热预分解系统规格。表1比较了不同规模水泥熟料生产线改块状石灰和粉状石灰生产线后产能的情况。因预热预分解系统各设计院规格差异较大，此处不罗列。表1所计算粉状石灰产能为粗放值，仅供比较用。

表1 不同规模水泥熟料生产线改块状石灰和粉状石灰生产线后产能情况

3 效益分析

以2500t/d熟料生产线为例，改粉状石灰线后，产品计算热耗不高于1000×4.182kJ/kg；块状石灰热耗约1200×4.182kJ/kg。粉状石灰线产量约1800t/d，燃料及电耗成本约170元/t。块状石灰线产量约600t/d，燃料及电耗成本约200元/t。燃料按6500×4.182kJ/kg、800元/t计。因各地石灰售价差异较大，此处不做比较分析。