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水泥行业煅烧水泥熟料一般采用煤粉作为燃料。因水泥熟料煅烧温度为°C左右，所以对于煤粉的燃烧特性、发热量、灰分、细度和水分必然提出一定的要求。而煤粉的制备涉及到原煤的处理、预均化、粉磨及烘干、煤粉的计量、输送等一系列过程，原煤处理系统和煤粉制备的系统合理控制和确定各操作参数的重要性就显而易见。1.原煤处理及煤粉制备系统工艺流程就现有水泥生产线的工艺流程来说，运入工厂的原煤一般经过破碎储存，然后输送至原煤预均化堆场，经预均化的原煤由输送皮带机送入原煤仓。原煤经计量以后，喂入煤磨粉磨烘干，经选粉和收集后的煤粉进入煤粉计量仓。煤粉再经计量后由气力输送设备，分别送入窑内煅烧和分解炉燃烧。常见的煤粉制备车间工艺流程见图1。从烧成系统稳定运行的要求去考虑，有效控制煤粉的燃烧特性、发热量、灰分、细度和水分等参数的均匀性甚至比生料的均匀性还要重要，因为生料有数以天计用量的生料均化库，能起到较好的均化作用;而煤粉仅有数以小时计用量的煤粉仓，无法克服数小时长的煤粉各成分和特性波动。2.关于原煤中的水分2.1煤中游离水和化合水煤中水分按存在形态的不同分为两类，即游离水和化合水。游离水是以物理状态吸附在煤颗粒内部毛细管中和附着在煤颗粒表面的水分；化合水也叫结晶水，是以化合的方式同煤中矿物质结合的水。如硫酸亚铁(绿矾)(FeSO4·7H2O)、石膏(CaSO4·2H2O)和高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)中的结晶水。一般游离水在~°C的温度下经1~2h可蒸发掉，而结晶水通常要在°C以上才能全部分解析出。煤的工业分析中只测试游离水，不测结晶水，所以本文只涉及游离水。2.2煤的游离水分煤的游离水分又分为外在水分和内在水分。外在水分，是指附着在煤颗粒表面的水分，有时俗称外水。内在水分，是指吸附在原煤颗粒内部毛细孔中的水分，有时俗称内水。内在水分与煤的孔隙度有关，而原煤的孔隙度又与煤的矿化程度有关，所以一般褐煤的内水较高，而石煤、无烟煤的内水就相对较低。在常温下的干燥空气中，原煤颗粒的外在水分很容易蒸发，而内水也可能蒸发一部分。此蒸发过程完成时，煤颗粒表面及内在水分的水蒸气压与空气的湿度、温度达到平衡。内在水分在室温及室温以上的温度下，需在~°C的温度经过一定时间才能全部蒸发干净。一般情况下，在原煤开采、输送和露天储存过程中，为了减少扬尘，一般都会向原煤喷些水，或者由于淋雨和其它原因而增加水分。这些水大部分附着在原煤颗粒表面，小部分因毛细管力而被原煤空隙吸收，成为内水。化验室里所测的原煤的收到基水分是指煤颗粒样(粒径13mm以下)在空气中并同空气湿度达到平衡时失去的水分(这时吸附在煤毛细孔中的内在水分也会相应失去一部分，其数量随当时空气湿度的降低和温度的升高而增大)。而空气干燥基水分是将原煤破碎至粒径0.2mm以下，然后在~°C温度下烘干1h或1.5h(根据原煤不同而做调整)而测得的。必须指出，化验室里测试原煤的全水分时，所测的煤的外在水分和内在水分，与煤粉中的外在水分和内在水分在概念上是不同的。其原因在于煤粉颗粒尺寸是微米级的，要比毫米级的煤颗粒小得多!由于煤颗粒的毛细孔的破裂，其盲孔或封闭区域所含的水分由内水变成煤粉的“外水”而附着在煤粉微粒表面。所以煤粉总游离水分随出磨温度提高而将明显降低。在一定条件下，当煤粉细度越大，其颗粒越小，比表面积越大，其表面吸附力越强，对水分的吸附性越强。虽然煤粉细度增加有利于提高煤粉的燃烧速度和燃烬率，但是煤粉细度过细，容易导致粉体的聚集而形成粉群，而在水分含量较大时，也会结团，导致储存、输送困难，并造成计量时的准确性问题，反而不利于燃烧，而且对煤粉制备系统的安全性也带来不利影响。粉煤水分的稳定性也是影响成系统稳定运行的一个重要因素。而煤粉水分的波动除了与操作系统稳定性有关，还与原煤的入磨水分关系甚大，尤其在雨季。所以，在原煤输送系统和煤粉储存和输送各处，必须确保不受气候的影响，否则，容易带来一系列的问题而影响烧成系统的正常运行，进而影响熟料的产质量。煤粉水分控制指标，一般应根据原煤特性、所用烘干热源和粉磨系统来确定。对于立磨系统且采用窑尾预热器废气作为热源的，其安全性较好，在正常细度下，一般可将出磨温度提高85°C左右[1]，煤粉水分可降低至1.2%以内，而利用窑头篦冷机热废气的，可将温度控制在75~80°C，煤粉水分可降低至1.5%以内;对于管磨系统，由于烘干能力有限，且钢球碰撞会出现局部过热和过粉磨现象，故宜采用窑尾预热器废气作为热源，安全性才有把握，煤粉水分可以控制在1.5%以内。如果煤粉粉磨过细，则必须从防止煤粉自燃和闷燃的安全角度调整出磨温度，但很可能导致煤粉水分过高而产生一系列问题。对于褐煤来说，由于其燃烧特性的特殊性和变化较大，游离水含量很高，其细度和水分确定和系统操作进行要根据具体煤种特殊处理，此处不再赘述。3.煤粉的细度煤粉的细度通常采用80μm筛余百分比作为比较依据，筛余越小，煤粉平均颗粒尺寸越小，煤粉细度越大。从燃烧角度和一般情况来说，煤粉的细度取决于原煤的矿化程度和原煤的挥发分。原煤的矿化程度越好，其质地越致密，挥发分越低，起始燃烧温度越高，越难以燃烧，则必须磨得细，提高煤粉的比表面积，才能正常燃烧，并提供所需的燃烧温度，如石煤和无烟煤等;而煤粉挥发分越高，一般意味着在同样温升条件下，从煤中析出的可燃气体成分越多而且越快，由此，在正常助燃空气中的燃烧速度越快，则其细度就可以适当放粗。一般烟煤煤粉的细度数值(%)达到其工业分析挥发分数值(%)的一半就能满足水泥熟料煅烧的要求，这也已经考虑到了煤粉储存和输送的安全要求。现代新型干法水泥熟料烧成系统中，由于回转窑煤粉燃烧器技术的发展，采用低一次风量和高速射流技术，可引射高温的二次风，与煤粉快速混合，并迅速排除燃烧生成的CO2和其它烟气成分，所以燃烧速度极快;而篦冷机技术的发展，在篦冷机热端高温熟料的高效热回收，使该处冷却空气从常温加热到°C以上，加上窑内的辐射热，可使实际与煤粉接触的二次风温达到°C以上。所以，在此高温下，煤粉的燃烧速度和燃烧温度都大幅度提高，这是新型干法生产核心技术之一，也是熟料产量和质量提高的基本条件。在此条件下，正常烟煤(挥发分不小于20%)的煤粉细度可以适当放宽。否则，必然造成局部焰面温度过高，产生过多的NOx。或形成球状火焰，由此在窑内形成烧成带后圈(熟料圈)，不仅增加窑内的通风阻力，影响窑内物料的正常运动，而且影响窑内温度场，对熟料矿物转化反应和烧成产生反作用。现在有些水泥企业，为了提高烧成系统产量，把挥发分高于20%的烟煤粉磨得很细(80μm筛余5%)[2]，但出于煤粉制备系统安全的考虑，又不得不降低煤粉出磨温度至65°C左右，或者，为提高煤粉细度而提高系统选粉机转速而导致其轴温偏高，也无法提高出磨温度。当入磨原煤水分高于8%时，煤粉水分高于2%，甚至达4%以上[3-5]，不仅造成煤粉输送、计量出现不稳定问题，还出现煤粉结球，分散困难、烧成带温度不集中，熟料煅烧不好等问题，导致窑内结后圈;分解炉呈现明焰燃烧，生料提前出现高温液相而导致结皮，严重影响烧成系统的正常运行。煤粉的细度的确定首先必须了解煤粉的燃烧特性，了解其升温失重曲线和起始燃烧温度和燃尽温度。然后根据此特性以及煤粉制备系统的设备配置、原煤水分和热源状况，确定煤粉制备系统的安全运行参数(入磨和出磨风温等)和细度。通常情况下，烟煤煤粉的细度数值(%)不应低于煤粉挥发分含量数值(%)的1/3。但为了确保燃烧速度和燃尽率，无烟煤的细度可超过此限，但仍必须依照煤粉的燃烧特性和煤粉活化能等指标核实其安全性。另外，如采用燃烧特性差别很大的无烟煤和烟煤的混煤作燃料时，由于其粉磨粒径无法实现两类煤粉燃烧速度和燃尽率的统一，所以使用效果很不理想。4.关于原煤和煤粉的发热量(热值)原煤的燃烧提供了热量，才在回转窑和预热器、分解炉内形成所需的温度场。所以，煤的单位质量发热量(热值)对其可用性有决定性意义。通过工业分析和计算可以确定原煤和煤粉的高位和低位热值，水泥工业通常采用原煤的空气干燥基作为分析的基准。由于热值的测量来自氧弹。其发热量的测定带有一定的局限性。4.1煤粉热值测定和计算由于水泥熟料烧成系统应用煤粉作为煅烧燃料，其发热量与所含水分与原煤的空气干燥基热值的基准不同，因为干燥过程不一样，水分含量不同，故存在一定误差。因此，应以入窑煤粉做工业分析来测定其特性参数，或者直接做元素分析。在进行氧弹量热计测定时，从吸热水温升高计算出的煤样热值称为高位热值，因为煤粉中的水分(游离水)和煤粉中的氢在燃烧后生成的水因氧弹高压而进入氧弹内液体，温度稳定后，氧弹内外水温达26~27°C(设测定环境起始温度为25°C);因温度不同而引起的水比热的差异很小，对热值测量影响细微，可以忽略不计。但是，煤粉实际在窑炉内燃烧时，与氧弹内的情形不同，水含量及煤粉中的氢燃烧时生成的水蒸汽随燃烧气体逸出，这部分水蒸气凝结变成25°C的水的相变热没法利用，故其可用热量明显降低。如果煤粉中氢含量高，这部分热量更大。例如:当煤粉中水分含量2.0%，而H含量(不含游离水中H)为3%，则由此计算总水量约为0.02+0.03×9=0.29kg/kg，则换算成低位热值时，应从测定的高位热值减去×4.18kJ/kg(不考虑煤粉中的化合水);另外，在氧弹的高压气氛中，硫被氧化产生三氧化硫，氮气氧化后产生一部分氧化氮，溶于水后形成硫酸和硝酸，也会产生一部分热。在计算煤粉空气干燥基低位热值时，也应该扣除。国外将可用的低位热值称之为NCV(NetCarolieValue，净热值)。以下是水泥工厂测定煤粉热值的主要公式:空气干燥基热值(Qgr,ad，Qnet,ad)可从氧弹热值(Qb,ad)推出:Qgr,ad=Qb,ad-(94.1Sb,ad+a×Qb,ad)(1)式中:Qgr,ad—空气干燥基高位热值，MJ/kg;Sb,ad—空气干燥基硫含量，%。由氧弹洗液(内胆所积液体)测得的含硫量。当硫含量小于4%时，或Qgr,ad≥14.60MJ/kg时，可用煤全硫或可燃硫替代;94.1为硫的校正值，几处公式取值稍有不同。a—硝酸校正系数。当Qgr,ad≤16.70MJ/kg时;a=0.;当16.70MJ/kgQgr,ad≤25.10MJ/kg时，a=0.2;当Qgr,ad25.10MJ/kg时，a=0.6。Qnet,ad=Qgr,ad-0.Had-0.Mad(2)式中:Had—空气干燥基煤样的氢元素含量(不含游离水中的H)，%;Mad—空气干燥基煤样的水分含量，%。现在一些水泥工厂化验室尚无进行煤粉元素分析的能力，所以只能用经验公式来计算各类原煤空气干燥基低位热值。现举一例经验公式[6]:

对于烟煤：

Qnet,ad=.63-17.62Vad-94.63Aad-.88Mad+41.52CRC;对于无烟煤:Qnet,ad=.52-5.91Vad-91.40Aad-.64Mad;对于褐煤:Qnet,ad=.72-16.86Vad-76.90Aad-92.88Mad;以上各式计算热值单位是kcal/kg;各式中:Vad，Aad，Mad分别代表空气干燥基下的挥发分、灰分和游离水含量(%)，而CRC为结焦指数。以上各经验公式均为统计回归而成，对测定的煤样的热值必然存在一定的误差。故为了提高煤粉热值测定精度，现代水泥工厂应当配备元素分析仪器。4.2煤粉温度和水分对煤粉真正可用热量的影响对煤粉温度而言，由于一般进入煤粉仓的煤粉温度约50°C左右，则从取样到分析，每千克煤粉损失的热量约为(50-25)×0.=6.45×4.18kJ;而烧成系统热平衡计算是以煤粉温度(~50°C)作为热收入，这里就少算了测量温度(暂以25°C计算)至取样温度之间的显热。另外，采用15°C还是20°C的水作为焦和卡转换基准，其测定的热值也有些细微变化。而煤粉中游离水在烧成系统的吸热过程应该为(仅考虑与熟料单位热耗相关的范围):~50°C的水→°C的水→°C的蒸汽→预热器出口温度下的蒸汽。假如预热器出口温度为°C，则煤粉中10kg游离水蒸发至此温度所需热量约为×4.18kJ/kg[2]。举例来说，当×4.18kJ/kg的煤粉含水量2.2%(游离水);如果单位熟料热耗为×4.18kJ/kg，则由于煤粉游离水分含量导致的单位热耗增加量应不低于2×4.18kJ/kg，约相当于每吨熟料0.3kg标煤。所以煤粉水分越低，出C1温度越低，则单位熟料热耗越低。4.3煤粉水分对烧成的影响煤粉中的微量水分，在快速升温燃烧过程中是有利于煤粉颗粒分散和初期反应物的析出，因而对提高烧成速度是有利的。但是含水过量，则由于大量吸收，反而不利于燃烧温度的提高。由于煤粉水分的提高，每千克煤粉可用热值变小。以周永康[7]文中煤粉为例，其收到基热值×4.18kJ/kg，水分1.5%为例，如果同样煤粉，将其水分提高到2.5%，则由于可燃物比例的降低，其热值可降低到约×4.18kJ/kg。如此，在窑内燃烧时，其理论燃烧温度必然降低。根据该文的计算结果，煤粉水分从0到1.5%的水分，理论燃烧温度会降低5.30°C[7]。而朱凯华、江旭昌等认为对于蒙煤，含水量6.8%煤粉中每减少1%的水分，烧成带火焰温度可提高约°C[5,8]。因此，假如不考虑煤粉制备过程中的物料损失，虽然煤粉总体可燃质量没有损失，但对烧成系统而言，煤粉水分增加必然造成烧成带火焰温度降低，对熟料的烧成状况有影响，当煤质较差时，将直接影响熟料的质量和系统产量。通常情况下，煅烧用原煤品位越好，烧成温度越高，熟料产质量越高，单位熟料热耗越低，单位废气量越低，同时其粉磨电耗越低。新型干法水泥工厂所用原煤的空气干燥基热值不应小于×4.18kJ/kg(20.91MJ/kg)。否则，应采用辅助措施(如降低熟料饱和比和硅率，采用富氧煅烧技术等)，才能达到正常的燃烧温度，保证烧成系统正常熟料的产质量。5.结语我国疆土辽阔，水泥工厂众多，所用原煤千差万别，所以在选择煤粉制备系统和操作参数时，应根据烧成系统所用燃烧器、篦冷机的状况，按照安全、节能的要求，合理选择原煤的种类，充分了解原煤燃烧特性和元素分析和工业分析数据，根据煤粉实际可用热值，确定煤粉的细度、水分，以期达到安全、正常和长期稳定运行，实现节能降耗的综合目标。

参考文献

[1]杨赞标,钟文彪.提高煤磨出口温度对煤磨和烧成系统的影响[J].水泥,9(11):35-36.[2]谢克平.对生产中控制煤粉水分的看法[J].水泥,(5):69.

[3]马金强.改造尾煤转子秤实现稳产降耗[J].水泥,(8):69.[4]蒙焕聪.稳定菲斯特转子秤尾煤的措施[J].水泥,(2):58.

[5]江旭昌.回转窑烧成系统用煤粉水分的合理控制[J].新世纪水泥导报,(4):30.[6]GB/T—，水泥回转窑热平衡测定方法[S].[7]周永康.煤粉中水分存在的利与弊[J].水泥科技,0(3):2-8.

[8]朱凯华,陆雷,孔学标,等.高水分蒙煤的干燥特性的研究[J].水泥,(6):7.

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