李 强 张金镯 廉 锋 隋善耘 李付新 王福宏 贺敬军

(平邑中联水泥有限公司，山东 临沂 273300)

1 预热器结皮原因简述

预热器结皮的原因有很多，从“人机料法环”等角度皆可阐述，但本质原因只有一个，那就是由挥发性物质的循环富集造成，其他原因都是间接通过挥发性物质的循环富集来发挥作用的。

水泥熟料的生产工艺中，生料中主要的挥发性物质有硫、氯、碱三种，其中碱指钾和钠。这些挥发性组分在高于一定温度后挥发成气态，并被气流带到温度较低的区域，大部分(80%～90%)冷凝并被该区域的生料吸收，并随着生料重新回到高温区，继而再次挥发，然后再次被吸收，如此循环往复，此过程称为内循环；另一小部分(10%～20%)挥发性组分则附着在生料粉尘(窑灰)上，被气流带出预热器，但最终会进入生料均化库，然后再次随生料喂入预热器，此过程叫做外循环。

水泥窑系统结皮是由硫、氯、碱形成的低温共熔体，当有氯存在时，氯碱的最低共熔温度为低于800℃,相当大的共熔温度范围在500℃～700℃，甚至低于500℃[1]，碳酸碱和硫酸碱熔点范围在800℃～1 100℃附近(硫酸碱的熔融温度相对较高)，硫酸钙的最低分解温度在1 200℃以下，还原性气氛越强，分解温度越低。挥发分物质在挥发前的温度范围内基本以熔融态存在，熔融的液相物质粘结生料颗粒和飞灰形成结皮。

根据不同挥发性成分的熔融和挥发特性，可以大体判断不同位置结皮的主导元素，一般在窑尾过渡带形成的结皮或结圈，以及窑尾烟室及上升烟道区，主导元素为硫和碱，该位置结皮的化学成分硫含量相当高；五级和四级预热器主要以钾、钠、氯为主导，从四级以上，氯元素的主导越来越高，在二、三级的疏松性结皮中氯含量相对高，因为氯碱受热以直接挥发为主，可以简单的认为完全由氯元素主导的结皮没有大的粘结性，因此上几级预热器中正常的结皮都相当疏松，并且较薄。但这不能说明氯元素危害不大，相反，氯元素挥发不受其他元素的抑制，其挥发率最高，并且能明显的促进碱和硫的挥发[1，2]，因此氯碱循环是造成总体挥发率高的重要因素。

随着挥发性组分的往复循环，挥发性成分在系统内的浓度逐步增大，同时被熟料带出窑外的挥发性成分越来越多，直至达到进入量(生料中含量)与排出量(熟料中含量)的平衡，系统内挥发性组分的浓度达到最大值。

此时挥发性成分的浓度远大于入窑生料内的含量，这些挥发性组分既能冷凝在入窑生料的颗粒上，也容易冷凝在温度较低的内壁上，同时粘结部分生料颗粒形成结皮，并且结皮有不断增厚的趋势，同时物料对结皮的冲刷有降低结皮厚度的趋势，二者相互作用，当烧制程度稳定时可以形成动态的平衡，结皮厚度往往会稳定在一定范围内，但实际生产中想要长时间保持这种平衡状态是很难的，尤其是止料或投料等过程，会非常明显的增大结皮的厚度和范围，操作不当甚至会引起预热器堵塞。所以往往随着烧成系统运行时间的延长，结皮越来越厚，造成熟料的产量质量都难以提高的困境。

2 当前主流的解决思路及相应的机理

为了解决预热器结皮的问题，水泥行业和学术界做了许多相关的研究和实践，形成了一些可行的解决思路，下面结合这些研究实践的结论对相关的解决思路阐述如下。

思路一：降低原材料及燃料中的碱含量、硫含量及氯离子含量，避免使用高硫煤、高灰分煤和低灰熔点的煤，熟悉原料的易烧性，并设计与之匹配的烧成工艺。减少原燃材料中的挥发性组分含量，相当于降低了系统气相中挥发性物质的浓度，也就是降低了循环量，这对减轻结皮堵塞现象有一定的效果，也是一个基础操作。煤的灰熔点低容易在窑尾加重结皮结圈，同时原料的易烧性影响最低共熔点，因此要匹配合理的烧成制度。

思路二：在循环富集区域设置旁路放风系统。该操作也是从降低挥发性成分循环量的角度出发，其基本工艺是将部分富含挥发性组分的高温气流引出系统外经冷却、收尘、净化后排入大气中(放风量从3%～30%不等)，同时将气流中所携带的窑灰收集后废弃掉(注意窑灰不能回到系统内)。通过旁路放风技术，一定程度降低系统内挥发性组分的浓度，但是该方案的缺点也非常地明显，首先是热耗高，每排出10%的废气，热耗增加40kca～50kcal/kg熟料[3]，同时浪费掉1%的生料粉，废气的净化难度大。现在山东区域应用窑外放风技术的企业很少。

思路三：调整合理的硫碱比。硫碱比理论的本质是降低碱的挥发率，一定浓度范围内的SO2可抑止碱金属化合物的挥发，从而降低其挥发率，进而达到降低气相中碱浓度的目的；适当的提高硫含量有助于生成熔点较高的K2SO4或Na2SO4[4]。因此一般的企业都会根据实践经验按照一定的硫碱比调整配料和燃煤。但是需要说明的是，硫碱比理论在学术界是有争议的，不同的研究，不同的条件下，该方案的效果差异较大，同时一些专家不建议当碱含量升高时，为了调整硫碱比而人为的提高原料和燃料的硫含量[5]。

还有研究表明：Al2O3和SiO2都能抑制碱金属的挥发率，其中Al2O3和碱的产物熔点较高，对减轻结皮堵塞有利；SiO2和碱的产物熔点较低(1 100℃～1 200℃开始呈现为液态)，可能会加重结皮，特别是在窑尾部分。因此利用Al2O3或SiO2调节结皮或有研究的价值，但是硅酸盐熟料中硅、铝的含量都不是微量组分，同时由于工艺的限制，调整的空间也很有限。目前还没有在实践中用“铝碱比”或“硅碱比”来控制结皮的研究[6]。

思路四：在线清理结皮。传统的在线清理结皮方法主要是利用空气炮循环吹打，同时定期利用钢钎或高压水枪清理烟室内的结皮，这种方法固然有效，但是从安全、能耗、工艺稳定的角度来考虑，不是理想的解决方案。目前比较好的方案有利用亚音频装置清理结皮、使用抗结皮的耐火材料、安装不易与结皮粘附的微晶板和微晶筒，使结皮无法顺利的粘结，这些方法已发展成简单有效、安全、稳定、节约能耗的解决方案。

思路五：控制挥发性组分的凝结位置。当系统各因素稳定，形成的结皮往往会在一个相对稳定的位置，并且达到一定的平衡后厚度保持不变。假如我们能控制系统各因素的相对稳定，同时控制预热器内的温度区间，就有可能使结皮的主要位置处在一个不易堵塞的区域，这个方案对系统稳定性的要求非常高，从这个层面来讲，生料在线分析仪及石灰石在线分析仪等仪器设备对稳定生产以及控制结皮的意义非常重大。另外虽然目前能通过温度、压力等工艺参数间接的判断结皮的状态，但是如果能在关键部位安装一些探测仪器来实时测量内部结皮的厚度，能更有利于结皮的控制。

3 结 语

挥发性组分的循环富集是与新型干法回转窑工艺共存的特性，可以说是烧成工艺的一部分，因此在此工艺基础上，结皮不能根本消除。制定合理的热工制度，努力提高烧成系统稳定性是一条稳妥可行且一举多得的方案。另外采用清理结皮先进技术和设备，研究和使用抗结皮材料是目前比较可靠的研究方向。