摘要:
根據日本川崎重工株式會社柴田紀彥先生1998年10月30日在第四屆北京水泥與混凝土國際會議上技術報告，參考席耀忠同志的譯文，對水泥熟料沸騰煅燒工藝技術作一簡要介紹。
0 前言
回轉窯是可靠的水泥熟料燒成設備，但它的致命弱點是熱效率低、轉動功率大，且體積龐大，一直是人們想要“革命”的對象。為此，50年代以來，美國、日本、中國、俄羅斯、印度等國家都相繼對不帶回轉窯的沸騰燒成工藝進行了研究。由于當時的科技水平所限，用沸騰爐(流化床)煅燒水泥熟料時，在高溫(1300℃-1400℃)條件下的自造粒而不粘結爐壁、結大塊 、維持正常的流態化操作難度很大，90年代之前均未取得完全的成功，更達不到工業化的要求。
1984年開始，日本川崎重工與住友大阪水泥公司合作，在2ｔ／ｄ試驗爐上對流化床煅燒水泥熟料進行了基本研究與測試；1984年建成20ｔ／ｄ中試線，1993年3月試驗結束，驗證了基本工藝過程和系統的可靠性；1995年底建成200ｔ／ｄ擴大試驗廠，經過近2年的運行試驗取得了基本數據，應該說這是繼窯外分解之后水泥煅燒工藝的又一次突破。目前他們正在進行500ｔ／ｄ～3000ｔ／ｄ生產線的設計。
本文根據日本川崎重工株式會社柴田紀彥先生1998年10月30日在第四屆北京水泥與混凝土國際會議上技術報告，參考席耀忠同志的譯文，對該項技術作一簡要介紹。
1 系統的組成
川崎重工已開發成功的以高溫自造粒為核心技術的雙爐和單爐流化床介紹。
1.1 雙爐流化床系統(FLBECK-II)的組成
(1) 懸浮預熱器(SP)。由四級旋風筒和分解爐組成，與傳統的技術一樣，生料粉在預熱器中被預熱和分解。
(2) 造粒爐(SBK)。經預熱和分解的物料從底部噴入，在1300 ℃高溫下使生料自造粒，平均粒徑1 ｍｍ～2 ｍｍ(無須喂入粒種)，自造粒為本系統的核心工序。
(3) 燒成爐(FBK)。在1 400℃高溫條件下，有效地完成對造粒爐產生的生料小球的燒結。
(4) 冷卻器。由流化床驟冷器(FBQ)和移動床冷卻器(PBC)組成，在驟冷器中，熟料由1400℃迅速冷卻到1000℃，以保證得到優質熟料；在移動床冷卻器中，熟料被進一步冷卻至150℃左右，這兩種冷卻器的組合，使熟料在冷卻過程中獲得很高的熱回收率，而且冷卻空氣量僅為造粒爐和燒成爐中燃料燃燒所需的空氣量，因此本系統的熱耗和CO２排放量比傳統的窯系統要低。
1.2 單爐系統(FLBECKS)
取消雙爐系統中的燒成爐(FBK)，使流化床燒成爐(FCK)兼備造粒和燒結功能，其冷卻器也由流化床驟冷器和移動式冷卻器組成，但流化床驟冷器直接裝在流化床燒成爐的底部分選排料系統之下，兼備驟冷熟料和分選物料之功能，其預熱器與雙爐系統相同。
2 中間試驗及擴大中間試驗
主要設備見表1。
表1 主要設備?
????????????????? 中試規模20ｔ／ｄ ??????? 擴大中試規模200ｔ／ｄ
造粒爐／ｍ? ?????????????????? φ2.0×6.0????? φ3.5×9.0
燒成爐／ｍ? ?????????????????? φ1.8×4.9????? φ2.55×9.0
FBQ 冷卻器／ｍ???????????????????? φ1.0×3.9????? φ1.65×6.0
PBC 冷卻器／ｍ???????????????????? φ1.45???? φ3.2
FBQ 鼓風機／(ｍ３·ｍiｎ-１)????????? ３０????????????60
PBC 鼓風機／(ｍ３·ｍｉｎ-１)???????? ３０ ???????????? 120
預熱器風機／(ｍ３·ｍｉｎ-１)???????? 130???????????700
增濕塔／ｍ ?????????????????? φ 0.95×13.0???????????? φ3.5×13.0
試驗結果如下：
(1) 在造粒爐(SBK)中，1 300℃下實現高溫連續自造粒。此項技術是系統中的關鍵技術，采用生料吹入裝置將預熱料吹入造粒爐，利用高溫反應出現液相自動形成小球而不產生粘壁和結皮現象，運行平穩；利用造粒爐底部一側的分選裝置控制料球粒度，只有達到某一要求粒度的料球才能落入燒成爐中進一步煅燒。
(2)來自造粒爐的料球在1400℃的流化床燒成爐(FBK)中進一步煅燒成熟料，煤粉中的灰分與熟料完全反應，熟料外觀為1ｍｍ～２ｍｍ黑色小球。用該熟料磨制的水泥，其質量等于或優于現今商業水泥廠所生產的水泥。
(3)冷卻器熱量回收率。把造粒爐和燒成爐合并計算，流化床冷卻器熱回收率大于80%，比現有篦冷機高20%以上。
(4)性能評價考核。對200ｔ／ｄ放大中試廠性能評價考核的結果見表2。
表2 2000 t/d中試廠性能評價考核結果
項 目??????????????????? 結 果????????????????? 目標值
產量／(ｔ·ｄ-１)???????210?????????????????? ≥200
熟料熱耗/(×4.8 kJ·kg-１)???827?????????????????? ≤830
熟料電耗/(kwh·t-１)?????? 55.6?????????? ??????? ≤56.2
煤燃燒率/%??????????????? 100??????????????????? 100
NOx 排放量/10-6 ???????? 240??????????????????? ≤200
? HM??????????????????? 2.13?????????????????? 2.16
熟料性能 SM????????????? 2.75?????????????????? 2.73
? f CaO/%??????????????? 0.32?????????????????? ≤1.0
?? 3d???????????????????? 17.9?????????????????? ≥16.5
砂漿抗壓強度/Mpa 7d?????? 26.4?????????????????? ≥23.3
28d?????????????????????? 42.9?????????????????? ≥41.0
注：按氣流中10%O２、煤中1 % N計算
(5) 變換煤種試驗。曾用低熱值(4780×4.18kJ/kg、高灰分(32.4%)劣質煤和高碳低揮發分(10.7%)煤代替常規煙煤進行試驗，結果燃燒狀況良好，煤灰吸收完全，爐內無結皮現象。
(6) 等效單爐系統試驗。取消燒成爐，只用造粒爐，以期進一步降低電耗。由于造粒爐設有分選裝置，只有長大至一定尺寸并完成燒結反應的熟料顆粒才能被卸出造粒爐，小于該尺寸的料被送回造粒爐進一步長大，因此被卸出熟料顆粒在造粒爐中停留時間幾乎為常數，能滿足燒結反應要求。可以認為，即使取消燒成爐，也能保證熟料質量。試驗結果表明，與雙爐系統相比，熱耗、電耗降低6%～9%，熟料質量基本相同。
3 擴大規模的工業沸騰煅燒系統(FLBECKS)
可根據要求的生產能力擴大流化床設備直徑，在保持表面移動速度和設備高度基本不變的情況下擴大其規模。川崎重工認為，擴大規模后熱耗會降低，但物料停留時間非常重要。根據試驗結果，水泥熟料的質量是時間和溫度的函數。工業沸騰煅燒系統的特征數據見表3。
表3 擴大規模工業沸媵煅燒系統的特征數據
項目???????????????????? 200t/d????????????? 1000 t/d???????????? 3000 t/d?
熟料熱耗/(×4.18 kJ·kg-)???? 771????????????????? 713????????????????? 690
熟料電耗/(kWh·kg-1)???????? 43.0???????????????? 41.5???????????????? 37.2
FBK???????????????????????? 48?????????????????? 42?????????????????? 37
停留時間/min FBQ???????????? 3?????????????????? 3??????????????????? 3
PBC???????????????????????? 220???????????????? 220?????????????????? 220
FCK 直徑/m????????????????? 2.5???????????????? 5.7?????????????????? 9.7
數 量?????????????????????? 2?????????????????? 2???????????????????? 4
冷卻器 FBQ直徑/m??????????? 0.7???????????????? 1.6?????????????????? 1.9
FBC直徑/m?????????????????? 3.1???????????????? 7.0?????????????????? 8.6??
4 沸騰煅燒系統(FLBECKS)的優點
據川崎重工資料介紹，雙爐系統的FLBECKS適合于小規模生產特種水泥，而單爐系統適于各種規模的普通水泥、快硬水泥和中熱水泥的生產，其共同優點為：
(1) 煤種的選擇性大、流化床良好的、相對低溫的燃燒和高效的傳熱特性可適應優質和劣質煤種。
(2) 由于熟料粒度小，流化床冷卻器效率高，系統散熱少，熱耗較傳統窯爐可下降10%～15%。
(3) 與回轉窯相比，由于流化床燃燒溫度較低、熱耗低，NOX排放量可減少40%以上，CO2排放量可降低10%～25%。
(4) 生產各種水泥轉換性好。由于流化造粒及溫度可精確控制，可根據不同要求較容易地轉換生產不同品種水泥，并可保證質量。
(5) 投資低，運行和維修成本低。與回轉窯比，其投資可降低10%～30%；系統活動部件少，設備及耐火材料壽命長，在熱耗降低的同時運行和維修成本下降。
5 結語
筆者認為，沸騰煅燒工藝是目前煅燒水泥熟料的最高技術，操作要求嚴格，從流化床技術的特性看，較適合于中小規模水泥企業。建議經濟條件較好、技術力量雄厚的企業不妨通過引進和技術合作，建立一條600ｔ／ｄ～700ｔ／ｄ生產線，以進一步驗證其性能指標和經濟。（作者:傅子誠 單位:中國建筑材料科學研究院）