高分子多功能生料催化剂在新型干法熟料线中节能减排的应用
摘 要：本文通过在水泥生料中加入一种含高分子的多功能催化剂试验，并在三条新型干法熟料生产线验证，实现了磨机提产7%、降低生料粉磨电耗3.7%左右，同时吨熟料烧成降煤耗5kg～8kg， 提高熟料3d和28d抗压强度1MPa～3MPa；另外，降低窑尾废气中SO2的排放总量，经济效益和社会效益 明显。
关键词：高分子；多功能；生料催化剂；新型干法；节能减排；应用
0 引言
随着国家《水泥工业大气污染物排放标准》、工信部《工业绿色发展规划（2016-2020）》以及于2018年实施排污税等系列政策法规的实施，对NOx、SO2排放和煤电消耗的考核限值将更加严格，更高的节能减排要求也直接关乎到水泥企业的生存。因此，加大技术创新、引进新技术是水泥企业实现节能减排、降低成本的有效途径。本文介绍的高分子多功能生料催化剂（简称生料催化剂、催化剂），是一种适用于水泥熟料生产的高分子液体材料，可多功能高效促进节能减排。
1 实验室小磨试验过程
1.1 原材料及设备
（1）原材料来源。高分子多功能生料催化剂，深色液体，由湖南昌迪环境科技有限公司提供；生料所需原材料：石灰石、煤矸石、砂岩、铁渣，取自安徽淮北XS水泥公司现场。实验原料化学成分分析见表1。
表1 原料化学成分及粒度表（%） | |||||||||
原料名称 | SiO2 | CaO | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | LOI | ∑ | 水分 | 粒度 |
石灰石 | 0.49 | 51.69 | 0.5 | 0.68 | 2.2 | 42.71 | 98.27 | 0.3 | <50mm |
煤矸石 | 52.06 | 1.09 | 23.29 | 3.18 | 0.7 | 13.98 | 93.5 | 0.6 | <30mm |
砂岩 | 90.53 | 0.68 | 4.06 | 1.33 | 0.37 | 1.98 | 98.95 | 6.0 | 粉状 |
硫酸铁渣 | 62.57 | 4.08 | 4.21 | 22.52 | 2.93 | 0.78 | 97.09 | 15 | 粉状 |
（2）试验设备。实验小磨规格φ500mm×500mm（标准实验小磨），小磨钢球级配为标准配置。
1.2 试验过程
原料按湿基配比石灰石86%、煤矸石6%、砂岩5%、铁渣3%，进行人工配料，拌匀后每次取5kg为一份。每份在105℃温度下烘干1h，在物料温度降至60℃时开始装磨粉磨，细度要求0.08mm筛余＜20%。参照《JCT 735-2005水泥生料易烧性试验方法》，检测600℃、700℃、800℃和950℃不同温度下的烧失量。结果见表2、表3。
表2 不同催化剂掺量与生料细度、烧失量的关系 | |||||||||
生料催化剂 |
比表面积 /（m2/kg） | 细度 | 烧失量/LOI | ||||||
序号 |
型号 | 掺量 /% | 0.08mm方孔筛余/% | 0.2mm方孔筛余/% |
600℃ |
700℃ |
800℃ |
950℃ | |
空白 | / | / | 279.8 | 18.6 | 1.8 | 5.8 | 8.5 | 22.6 | 34.8 |
1 | CA | 0.10 | 289.8 | 16.6 | 1.5 | 6.4 | 10.2 | 24.4 | 34.7 |
效果1 | 10 | -2 | -0.3 | 0.6 | 1.7 | 1.8 | -0.1 | ||
2 | CA | 0.15 | 301.1 | 14.6 | 1.0 | 7.6 | 11.8 | 25.6 | 35.0 |
效果2 | 21.3 | -4 | -0.8 | 1.8 | 3.3 | 3 | 0.2 | ||
3 | CA | 0.20 | 304.5 | 14.2 | 1.0 | 7.8 | 12.0 | 25.8 | 35.1 |
效果3 | 24.7 | -4.4 | -0.8 | 2 | 3.5 | 3.2 | 0.3 | ||
表3 掺入催化剂后对生料易烧性的影响 | |||||||||||||
编号 | 掺量/% | LOI/% | SiO2/% | Al2O3/% | Fe2O3/% | CaO/% | MgO/% | SO3/% | fCaO/% | KH | SM | IM | K1450指数 |
1 | / | 35.07 | 14.10 | 3.58 | 2.19 | 42.92 | 0.96 | 0.51 | 1.77 | 0.92 | 2.44 | 1.63 | 69 |
2 | 0.10 | 34.92 | 13.98 | 3.57 | 2.19 | 42.61 | 1.03 | 0.64 | 1.35 | 0.92 | 2.43 | 1.63 | 83 |
差值 | -0.15 | -0.12 | -0.01 | 0 | -0.31 | 0.07 | 0.13 | -0.42 | 0 | -0.01 | 0 | 14 | |
1.3 分析小结
根据表2、表3可看出：
（1）添加生料催化剂0.08mm细度下降2%～4.4%，0.2m m细度下降0.3%～0.8%，比表面积增加10m2/kg～24.7m2/kg，助磨效果明显；
（2）添加生料催化剂600℃～800℃时烧失量比空白均有增加，950℃烧失量与空白相当，说明催化剂有在低温下催化促进碳酸钙分解的作用；
（3）添加0.1%生料催化剂与空白对比，降低熟料游离钙0.42%，提高k1450易烧性指数14%，生料易烧性较好；
（4）添加0.1%生料催化剂与空白对比，SO3增加0.13%，催化剂有促进和吸收SO2形成硫酸盐，具有固硫的作用。
2 工业性实验
2.1 使用方法
三家工厂实验均为新型干法5000t/d生产线；磨机均为立磨；安徽PJ工厂为中控自动操作，其他两厂为中控人工操作。在水泥生料磨系统里，每吨生料投入1000g～2000g催化剂，观察并记录生料磨、窑尾废气排放（温度、废气量和废气成分）变化、熟料烧成系统煤的用量变化和熟料质量变化。实验过程分三个阶段进行，第一为空白实验阶段（实验前约4d平均数据）；第二为洗磨过渡阶段（2d左右）；第三为对比实验阶段（4d～5d）；另部分试验收集了后空白数据对比。
2.2 数据采集
在工业实验过程中，重点采集下列数据：入磨石灰石CaCO3，原料水分，生料细度，生料磨台时产量，生料吨电耗，煤粉细度，烧成带温度，窑台时产量，熟料电耗，尾气中NOx、SO2、CO排放浓度，熟料fCaO，原煤工业分析，熟料矿物组成、KH、C3S等，熟料的物理检验数据。烟气排放数据为在线监控数据；所有实验数据以厂家实验报告为凭据。
2.3 工业性实验过程
（1）淮北XS水泥的工业性试验数据采集，表4、表6来源其中控跟踪数据，表5来自工厂的化验室原始数据。（2）山东枣庄SF水泥公司实验的数据见表7。磨机平均台时产量45 8t/h，对比增加30t/h，增幅7.0%；连续开磨的电耗21.86kW h/t生料，对比下降0.81kWh/t生料，降幅3.7%。
表4 淮北XS水泥公司各种消耗变化实验数据 | |||||||
日期 | 生料产量 /（t/h） | 生料电耗 /kWh | 窑产量 /（t/h） | 熟料电耗 /（kWh/t） | 头煤 /（t/h） | 煤耗 /（kg/t） | 备注 |
空白阶段（09.17.～9.20.） | 459.8 | 13.50 | 385.5 | 30.20 | 15.6 | 160.49 | |
对比阶段（09.23.～9.26.） | 469.6 | 12.50 | 390 | 30.4 | 14.2 | 155.7 | 扣除了09.21.～22的加催化剂过渡值 |
效果 | +9.9 | -1.0 | +4.5 | +0.25 | -1.26 | -4.74 | 故障率高，窑电耗实际下 |
表5 淮北XS水泥公司质量变化实验数据 | |||||||||
日期 | 生料细度/% | 入窑生料 | 煤粉细度/% | 煤粉热值kJ/kg（kcal/kg） | 熟料fCaO | 熟料强度/MPa | |||
0.08mm | 0.2mm | 分解率/% | 0.08mm | % | 合格率/% | 3d | 28d | ||
空白阶段（09.17～20.） | 17.5 | 2.4 | 91.8 | 4.2 | 20 458.174（4 894.3） | 0.89 | 91.7 | 31.0 | 57.8 |
对比阶段（09.23～26.） | 15.9 | 2.1 | 93.8 | 4.6 | 20 215.734（4 836.3） | 0.66 | 100.0 | 32.9 | 59.3 |
效果 | -1.6 | -0.3 | +2.0 | +0.3 | -242.44（-58.0） | -0.22 | +8.3 | +1.9 | +1.5 |
表6 淮北XS水泥公司SO2实验数据 | ||||
磨机及状态 | 09.17.～20.空 白阶段平均值 /（mg/Nm3） | 09.23.～26.对 比阶段平均值 /（mg/Nm3） |
降低相对值 /（mg/Nm3） |
降低相对值/% |
1号开磨 | 77 | 40 | 37 | 48.0 |
1号停磨 | 357 | 228 | 129 | 36.1 |
2号开磨 | 90 | 31 | 59 | 65.2 |
2号停磨 | 428 | 205 | 223 | 52.5 |
表7 山东枣庄SF水泥公司生料系统对比效果表 | |||||
日期 |
生料磨产量 /（t/h） | 筛余细度/% | 生料电耗 /（kWh/t） | ||
0.08mm | 0.2mm | 连续开磨 | 间断开磨 | ||
空白阶段 （06.08.～13.） | 428 | 22.0 | 2.1 | 21.86 | 19.03 |
对比阶段 （15.～17.） | 458 | 21.6 | 1.9 | 21.05 | 18.89 |
效果 | +30 | -0.6 | -0.2 | -0.81 | -0.24 |
表8 安徽和县PJ水泥公司1号线生料系统使用效果表 | ||||||
日期 | 生料磨产量 /（t/h） | 生料段用电量 /kWh |
生料细度 /% |
分解率 /% |
主机电流 /A | |
11.13.～15. | 416 | 23.07 | 17.9 | 1.0 | 93.19 | 200 |
11.17.～20. | 433 | 22.36 | 15.8 | 0.6 | 95.36 | 197.8 |
实验与空白对比 |
+17 |
-0.71 |
-2.1 |
-0.4 |
+2.17 |
-2.3 |
（3）安徽和县PJ水泥公司实验结果数据见表8。
使用生料催化剂，1号生料磨机台时产量提高17t/h，增幅4.1%；电耗下降0.71kWh，降幅3.1%。通过使用高分子多功能生料催化剂，1号熟料生产线入窑煤耗与空白对比降低标煤耗6.2kg/t，节煤效果明显，见表9。
表9 安徽和县PJ水泥公司1号窑试验煤耗变化情况表 | |||||||
项 目 | 生料喂料量 /（t/h） | 用煤量 | 入窑煤粉 | ||||
头尾煤/t | 头煤/（t/h） | 尾煤/（t/h） | 煤炭发热量kJ/kg（kcal/kg） | Aad /% | Vad /% | ||
11.13.～15.前空白 | 399.6 | 709.7 | 11.7 | 17.8 | 23 976.48（5 736） | 23.71 | 27.57 |
11.17.～20.试验 | 397.0 | 679.5 | 11.6 | 16.8 | 24 198.02（5 789） | 23.09 | 28.09 |
实验与前空白对比 | -2.6 | -30.2 | -0.1 | -1.0 | +263.34（+53） | -0.62 | +0.52 |
11.21.～22.后空白 | 398.9 | 741.5 | 12.5 | 18.5 | 23 980.66（5 737） | 23.42 | 27.79 |
实验与后空白对比 | -1.9 | -62 | -0.9 | -1.7 | +217.36（+52） | -0.33 | +0.30 |
折吨熟料标煤耗平均值 /（kg/t） |
6.2 | ||||||
3 结 论
（1）该生料催化剂起到降低生料细度，较好的实验提高磨机产量7%，降低生料粉磨电耗3.7%左右。
（2）该生料催化剂可提高生料分解率2%～3%，降低标准熟料烧成煤耗5kg/t～8kg/t，提高生料3d和28d抗压强度1MPa～3MPa。
（3）降低窑尾废气中SO2的排放总量，较佳的停磨时实验效果降低200mg/Nm3以上，相对降幅52.5%。
总之，在生料配料过程中加入高分子多功能生料催化剂，可提高生料磨产量、质量，熟料强度，同时降低煤耗、电耗；且尾气中SO2含量均有明显改善，经济效益和社会效益明显。
致谢：本应用项目开发由湖南昌迪环境科技公司主导，期间武汉理工大学赵青林团队担当热工标定、气相检测、工程方案设计和效果评价，南京工业大学李伟峰博士团队担当催化剂材料的评价、机理设计，南京理工大学钱华博士团队担当催化剂相关安全使用评价；在近6个月的工业应用实验期间，得到了山东申丰、淮北相山和安徽盘景等水泥公司的大力支持，为本项目节能减排效果验证做出的贡献，一并表示感谢。
参考文献：
[1]马保国，徐立等.有机酸对碳酸钙热分解过程的影响[J].武汉理工大学学报，2008.
[2]苏光兰，张天石，徐彬等.复合工业助磨剂助磨性能研究[J].西南工学院学报，2000.
[3]杨道武，湛文光，杜敏等.火电厂烟气脱硫的己二酸—硫酸钠复合添加剂研究[J].电力科学与技术学报，2013.
[4]刘治华.应用生料催化剂技术煅烧水泥熟料[J].四川水泥，2007.
[5]刘成.光助FeⅡEDTA——草酸钠复合吸收液脱硫脱硝的实验研究
[A].武汉科技大学，2016.
[6]王剑锋，王栋民.水泥煅烧工艺中节煤外加剂的研究[A].中国水泥技术年会暨全国水泥技术交流大会，2009.
[7]赵洪义.水泥工艺外加剂技术及应用[J].中国建材，2000.
