新型干法水泥生产线厂家使用烟煤作为回转窑煅烧熟料的燃料，主要是因为烟煤煅烧速度快，火焰形状调整方便，操作控制容易，熟料产、质量较好。而无烟煤燃烧速度慢，火焰形状调节困难，操作控制困难，熟料产、质量波动大，水泥企业使用要克服很多困难，因此一般水泥企业不愿使用。
    南方公司所属湖南、江西等区域公司邻近无烟煤产区，无烟煤价格比从外地购进的烟煤有 100 元/t 左右差价，按标准煤耗 110lkg/t 熟料，无烟煤热值 5 000×4.18×1 000J 计算，则每吨熟料实物煤耗为 154kg，使用无烟煤每吨熟料可节约成本 15.4 元左右，当 1 条日产5 000 吨生产线全部使用无烟煤全年可以节约成本2387 万元。
    所以如何用好无烟煤，进一步节约生产成本，同时保证窑系统的安全运转和熟料产、质量是南方水泥急需解决的问题之一。
    经过湖南、江西等区域公司的努力，南方水泥无烟煤的使用比例逐步提高，熟料产质量不断稳定，熟料标准煤耗有所下降，取得了良好的经济效益。
    南方水泥无烟煤使用的具体情况如下所述：


1 分析煤粉燃烧过程 找出影响燃烧因素
    水泥机械回转窑内的煤粉燃烧所形成的火焰属于湍流扩散火焰，其燃烧过程可分为煤粉和空气混合，煤粉和空气一起达到着火温度，挥发分起火燃烧和焦炭颗粒从燃烧到燃烬四个阶段。
1.1 第一阶段
    煤粉燃烧第一个阶段是风煤混合，这是煤粉燃烧的前提。所以影响煤粉燃烧的第一个因素是风煤混合的速度和强度。因为风煤混合的时间要大于加热、发火、燃烧需要的时间，而气体扩散速度控制着煤粉与空气混合速度，所以气体扩散速度控制了整个燃烧过程，因此水泥机械煤粉燃烧器（喷煤管）对气体扩散速度的控制是否方便是能否利用无烟煤的关键之一。
1.2 第二阶段
    煤粉燃烧的第二个阶段是煤粉和空气一起达到着火温度。所以影响煤粉燃烧的第二个因素是煤粉的着火温度，煤粉的本身的着火温度和煤种、煤质有关，褐煤的着火温度为 280℃~370℃， 烟煤的着火温度为380℃~480℃，无烟煤的着火温度为 500℃~600℃。 而在相同煤种时煤的燃烧又水分、细度有关，一般来说水分越高燃烧越困难，细度越粗燃烧越困难。所以在使用无烟煤时一定要降低水分，降低细度。火焰周围气体的温度高，则煤粉燃烧容易，而气体温度高低和出篦冷机的二、三次风温的高低有关，因此要尽可能提高二、三次风温，以改进煤粉在回转窑内和分解炉内的燃烧。
1.3 第三阶段
    煤粉燃烧的第三个阶段是挥发分起火燃烧。所以影响煤粉燃烧的第三个因素是挥发分高低。
    挥发分是指称取一定量的空气干燥煤样，放在带盖的瓷坩埚中，在 900℃±10℃温度下，隔绝空气加热7min。 以减少的质量占煤样质量的百分数，减去该煤样的水分含量（Mad）作为挥发产率 。煤的挥发分高低与煤的变质程度有关。随着变质程度加深，挥发分逐渐降低。一般来说褐煤的挥发分为 40%~60%，烟煤的挥发分为10%~50%，无烟煤的挥发分小于10%。
    挥发分高，煤中含有的可燃气体、液体量大，煤粉起火燃烧容易，但燃烧时间短，而无烟煤的挥发分小，所以无烟煤的燃烧比较困难，燃烧时间长。
1.4 第四阶段
    煤粉燃烧的第四个阶段是从焦炭颗粒燃烧到燃烬。所以影响煤粉燃烧的第四个因素是焦炭颗粒的从燃烧到燃烬的时间的长短。
    挥发分燃烧后，残余的焦炭颗粒的燃烧时间的长短与周围空气中的氧气同焦炭颗粒表面接触情况以及氧气从焦炭颗粒燃烧产物表面向内部扩散情况有关，这一过程又受碳粒的孔隙情况、煤粉的粒径、氧气的分压和周围气体的温度等因素影响。
    在较高温度范围内（回转窑内），燃烧是由氧气由燃烧产物颗粒边界向内部扩散的速度控制，而在较低温度范围内（分解炉内），燃烧是受挥发分、焦炭颗粒燃烧的化学反应速度控制。
    因此煤粉细度对回转窑内的燃烧速度影响较大，而挥发分的高低对分解炉内燃烧化学反应速度影响较大。
    焦炭颗粒的燃烧和燃烬也与灰分和细度、水分有关。
    灰分低，不燃物少，容易燃烧。
    细度细，煤粉与空气接触面积大，氧气由燃烧产物表面向内部扩散距离近，容易燃烬。
    水分低，由水分引起的热量消耗少，燃烧容易。


2 加强窑头风煤混合 促进无烟煤在窑内燃烧
    根据前面煤粉燃烧过程分析，风煤混合是影响煤粉燃烧的第一个因素，必须加强风煤混合的速度和强度，促进煤粉燃烧的进程，采用新型水泥机械煤粉燃烧器是加强风煤混合速度和强度的有效手段。
    新型煤粉燃烧器在窑头的使用，可以提高和强化窑内的风煤混合情况。
    南方公司部分企业使用 ZZAT 的 HJGX 型四风道煤粉燃烧器有效解决了窑头风煤混合的速度和强度，能够方便地控制气体扩散速度。
2.1 煤粉燃烧器的结构
    （1）该水泥机械燃烧器是由五个通道组成，见图 1。 ①外轴流风道；②煤风道；③内轴流风道；④旋流风道；⑤中心油枪管道。
    （2）燃烧器各个风道作用。①外轴流风：主要作用是保持火焰足够的长度和刚度；②煤风：主要作用是输送煤粉；③内轴流风和内旋风：作用是互相配合，调整火焰形状。
2.2 燃烧器的燃烧原理
    HJGX 型四风道煤粉燃烧器以一次风高推力、高动量、高速射出搅动燃烧器出口周围气体和各风道大速差为出发点，同时依据煤的燃烧特性，合理设计喷嘴结构和选择各个风道供风参数，保证了风煤混合的速度和强度，使煤粉能够良好燃烧。
    外轴流风道是由同一圆周内分布均匀的方形孔形成多股离散风组成， 它所形成的外轴流风改善了原来外环形风会屏蔽高温二次风的不良作用， 能够利用较少的一次风量产生风速较高、 风煤混合能力较强的多股离散风，形成强烈风煤混合效果，使入窑的高温二次风及窑内的高温气体快速卷吸到燃烧器的出口， 煤粉与高温气体迅速混合， 煤粉能够很快达到着火温度燃烧；同时由于风煤混合强度大、速度快，煤粉受热快速、均匀，加快了挥发分的燃烧，缩短了焦炭颗粒从燃烧到燃烬的时间。
    水泥机械燃烧器还利用轴流风和旋流风二者的调节配合，造成轴流风和旋流风风速和风量的不同，使燃烧器出口喷射出的气体形成不同的旋转的速度和扩散的角度，对火焰的长度和形状进行无级调整，得到需要的火焰形状。
    由于轴流风和旋流风各自的流速不同，煤粉刚喷出就能和风充分混合，并能在火焰的根部和中部吸入大量的高温二次风， 迅速提高和改善火焰根部的环境温度，使煤粉在根部就能迅速燃烧，从而达到水泥熟料煅烧使用多种煤质的要求和适应各种回转窑工艺上对火焰形状的要求。
2.3 燃烧器日常调节火焰的手段
     HJGX 型四风道煤粉燃烧器在日常使用时采用以下两种手段在喷煤管没有移动的情况下可以达到和实现需要的火焰形状和燃烧效果。
    风量调整调整手段：通过调整燃烧器后端的三个进风阀门来分别控制外轴流风和内轴流风及旋流风的风量。
    风速调整调整手段：在各净风管道头部设置截面积调节机构，借助水泥机械燃烧器后端的三个涡轮蜗杆移动推杆对燃烧器头部的出风口截面积进行无级调节，可以分别调整外轴流风速和内轴流风、旋流风速。
    该煤粉燃烧器能够有效解决窑头风煤混合的速度和强度，通过风量、风速调整能够方便地控制气体扩散速度，使风煤混合情况能适应煤粉燃烧需要见图2。
2.4 南方公司使用该燃烧器后的效果
     2010 年以来，该水泥机械燃烧器经南方公司部分水泥生产企业使用，普遍得到了满意的运行效果，比较有代表性的指标。
    （1）风煤混合效果好，火焰形状调控方便，在使用无烟煤时仍然能保持需要的火焰大小、长短，窑头火焰形状好，看不见黑火头，火焰集中而有力，着火时间短、燃烬率高。
    （2）煤质适应范围广，适应煅烧水泥对多种煤种和多种煤质的要求，保证回转窑煅烧熟料所需的热力强度，并可燃烧挥发分较小的无烟煤。
    （3）节能效果显著，一次风量降低（小于8％），充分利用高温二次风，可降低煤耗。
    （4）熟料产、质量有所提高。
    （5）烧成带窑皮平整而结实 ，提高了烧成带耐火材料的寿命。
    （6）技改前，熟料结粒较细，结粒不均匀。 技改后，熟料粒度较合适，结粒均匀，致密性较好，易磨性变好。从图 3 可见使用该煤粉燃烧器后窑皮情况。

3 提高气体温度 加快煤粉燃烧
    影响煤粉燃烧的第二个因素是煤粉的着火温度，在决定使用无烟煤以后，由于挥发分较低，无烟煤本身的着火温度较高这一事实是无法改变的。所以如何提高风煤混合时的气体温度（也就是平常所说的二、三次风温）是加快煤粉燃烧的另一个重要措施。
3.1 水泥机械篦冷机改造是提高气体温度的可行方法
    要提高风煤混合时的气体温度（二、三次风温），就要选择合适的熟料冷却方式。熟料冷却机在对高温熟料骤冷的同时，还承担着对二次风、三次风的加热作用，好的冷却机能使用较小的冷却风量把熟料冷却到≤100℃，同时提高二、三次风温。
    南方公司部分企业由于实际产量远远大于设计产量，篦冷机的冷却能力不足情况十分明显。出篦冷机熟料温度长期偏高（经常在 180℃~300℃以上）、篦冷机跑红料、烧坏篦板导致停窑情况经常发生，输送熟料的后续工序设备由于熟料温度高经常损坏，因此，要用好无烟煤特别需要对现有篦冷机进行改造。
3.2 南方原有篦冷机存在问题
    某篦冷机原有参数：出篦冷机熟料温度 180℃~300℃， 单位篦床产量41t/d·m2，三次风量及风温850±50℃ ， 二次风量及风温1 000℃±80℃。
    （1）二次风温、三次风温偏低助燃效果差，降低了回转窑、分解炉对煤质的适应性，特别是在使用无烟煤时，由于煤粉的燃烧速度变慢，对预分解系统的预烧影响较大，分解炉与 C5出口温度倒挂。
    （2）出篦冷机熟料温度高，热回收效果差。
    （3）用风压力配置不够，风压选得太低，很难吹透料层。特别是当产量提高和余热发电需要提高料层厚度，导致冷却风更无力穿透料层，所以篦床上的熟料得不到足够冷却。
    由于篦冷机横断面熟料颗粒和厚度分布不均造成对风阻力不同造成熟料红河和冷却风穿透现象。
    按配风要求，在篦床上要吹透 1 000mm 的熟料层，风压应超过1 100k Pa，要吹透 600mm 的熟料层，风压应超过7 000Pa，要吹透 300mm 的料层，风压应超过 3 500Pa。
     （4）篦床的机械性能可靠性不高。因为充气梁技术存在的某些不足，使用两年以后会出现篦板堵塞或充气梁堵塞现象，这只能在停窑时才能进行疏通，堵塞后急冷效果差，热交换效率低，熟料到达篦冷机第二段的温度还相当高，会经常出现篦冷机第二段的篦板被烧穿的设备故障。
    （5）系统密封差，漏风窜风严重。因为国内没有合适的用于篦冷机密封的材料，在活动框架和挡风墙交叉处用的是石棉板、石墨板，新的刚换上也会很快碎掉，所以各风室之间的密封经常是无效的。
    在下料部位用的锁风阀也性能较差，经常漏风漏料，导致风压风量损失，造成污染环境。
    以上问题归纳起来就是冷却效果差，关键是篦床结构存在缺陷和冷却风量分配、风压配置和分风方式不合理。
    综上所述，篦冷机有必要进行技术改造，以提高冷却能力，降低出水泥机械篦冷机熟料温度，降低冷却风用量，提高二、三次风温。
3.3 技改后篦冷机技术特点
    （1）SDH 对篦冷机开发出了多项冷却机的专有技术，采用国际通用规格的各种篦板，锁风性能优良的双重锁风阀，防窜风的密封材料等。
    （2）SDH 的冷却技术注重的是对出窑高温熟料的急冷，在高温段采用风箱、可调蝶阀、供风管、固定床与SDH 的专有篦板组成的急冷单元，整个固定床体根据料层和料温的分布规律被分为多个单独的小区，每个小区由 2~4 块专有篦板组成，使熟料在最大温差下进行的热交换。
    （3）由于每一个小区的供风压力通过蝶阀精确地可调，冷却风的渗透性好，可有效地淬冷高温熟料，消除高温熟料颗粒相互粘结形成“堆雪人”的隐患，较好地解决了由于熟料从回转窑内滚出引起的熟料离析现象而产生的料床横断面对冷却风阻力不同所带来的 “红河”现象和冷却风穿透现象。
    （4）因为横向料流阻力不同，采用纵向分风，而不是采用横向分风，更适合于熟料在篦床上的颗粒分布特性，急冷效果更好。
    （5）应用 SDH 技术篦冷机改造后，其单位篦床产量能达到 48t/d·m2，高温段冷却风压可达 8 000~11 800Pa。二次风温可达 1 150℃±50℃， 三次风温可达 950℃±50℃。冷却风用量减少，热回收量较原来可增加 300k J/kgcl 以上，冷却机热回收效率达 78%，节能降耗显著。
    （6）众所周知，煤粉燃烧是一个化学反应过程，适用Arrhenius 公式：
    γ=k×exp（-E/RT）
    反应速度随温度增加而增加，对煤粉来说，温度上升 70℃，反应速度可以提高 1 倍。所以，随着篦冷机的改造，二、三次风温的提高，无烟煤的燃烧情况变好。


4 努力降低煤粉细度 缩短煤粉燃烧时间
    （1）煤粉燃烧的第四个过程是从焦炭颗粒燃烧到燃烬。所以影响煤粉燃烧的第四个因素是焦炭颗粒的从燃烧到燃烬的时间长短。
    （2）窑内气体温度高，化学反应速度快，燃烧由氧气从焦炭颗粒表面扩散到内部的速度控制，煤粉燃烬时间和煤粉粒径成平方关系，而在分解炉内气体温度比窑内要低，化学反应速度相对减慢，挥发分高低对燃烧影响明显，煤粉燃烬时间与煤粉粒径成正比关系。
    （3）要减少焦炭颗粒从燃烧到燃烬的时间，方法之一是减小焦炭颗粒的直径，也就是降低煤粉细度。
    （4）一般来说采用立磨进行原煤粉磨，煤粉细度要控制较低有一定难度，因此南方水泥部分新建企业为了充分利用当地无烟煤资源，多采用风扫磨作为煤磨，有些企业还进行了水泥机械立磨改风扫磨的技改。


5 延长分解炉内停留时间 保证煤粉充分燃烧
    （1）因为无烟煤的燃烧时间比烟煤要长，而南方水泥的许多企业原设计时是考虑使用烟煤的，分解炉内气体停留时间设计较短，不能满足使用无烟煤时候煤粉燃烧的需要，需要进行扩大分解炉容积的改造。
    （2）在改造时把生料下料点适当提高，给无烟煤燃烧留出更多在较高气体温度下燃烧空间。
    （3）分解炉内煤粉燃烧器也使用新型多通道燃烧器，以促进分解炉内的风煤混合状况。
    （4）LY 南方公司分解炉原是按使用北方优质烟煤设计的，其规格为准7200×36000，煤粉在分解炉内停留时间短，使用无烟煤时煤粉延伸到 5 级筒内继续燃烧，不仅浪费燃煤，而且极易造成五级筒堵塞。
    LY 南方公司于 2010 年春节后大修期间（3 月 5日至4 月 9 日）对分解炉进行了改造，分解炉长度增加了 12.8m。
    分解炉改造完成后，掺用无烟煤情况小结如下：
    ①2010 年 4 月分解炉改造完成后无烟煤用量统计见表 1。
    ②煤挥发分情况统计见表 2。
    ③煤发热量、单价统计及分析见表 3。
    ④换算为同热值比价计算的经济效益见表 4。
    （5）JL 南方公司对分解炉鹅颈管作延长技术改造 ，以延长煤粉和物料在炉内的停留时间。
    2010 年上半年完成对 1 号线鹅颈管的技术改造 ，将鹅颈管加长近 52m，容积增加 527m3。
    从 5 月份项目试运行以来，煤粉在分解炉系统内的燃烧状况得到了明显的改善，杜绝了 C5级旋风筒下料管温度倒挂和经常结皮造成堵塞等工艺故障。
    技改前后各项经济指标对比见表5。

6 积极认真改进操作，确保无烟煤正常使用
    由烟煤改用无烟煤以后，煤粉燃烧情况发生了巨大变化，要积极认真改进中控操作方法，确保无烟煤正常使用。
6.1 窑况变化
    使用无烟煤后，水泥机械回转窑和分解炉、预热器等所组成的热工系统发生了不小的变化，具体情况如下所述：
    （1）无烟煤在窑上煅烧第一个变化为燃烧速度变慢，窑内后过渡带易长副窑皮和结圈，窑尾烟室和斜坡经常长结皮和积料，影响窑内通风。
    （2）无烟煤在窑上煅烧第二个变化是窑尾还原气氛严重；分解炉内煤粉燃烧反应滞后至 C5级预热器继续燃烧，导致C5锥部和炉内温度经常倒挂，致使锥部和 C5级下料管局部温度过高，产生高温粘结，严重时影响正常下料，使预热器锥部堵塞等工艺事故经常发生。
    （3）无烟煤在窑上煅烧第三个变化是无烟煤与烟煤的燃烧特性差别较大。烟煤挥发分高，挥发分易烧，燃烧后煤炭颗粒疏松多孔，与氧气反应接触面积增大，燃烬时间短。而无烟煤则相反。烟煤热量逐步散发，火力较平稳，窑内温度分布较均衡，而无烟煤挥发分低，要么煤粉颗粒不燃烧，要么煤粉颗粒燃烧后热量集中释放。
6.2 操作改进措施
    （1）在工艺条件允许的情况下无烟煤要尽可能降低煤粉细度和水分，煤粉细度控制要求≤4%，水分控制要求≤1%。
    （2）制定严格的窑尾结皮清理制度，配备固定岗位工和高压水枪结皮清理机器，专门负责清理结皮，做到班结班清。
    （3）窑冷态升温期间，保证窑内燃烧所需空气后，窑内通风尽量减少，也可以将窑头排风机先开启，火焰燃烧后将热空气回拉，逼烧窑口提高温度，以利于无烟煤的尽快着火，同时可以避免窑冷态升温时经常发生的熄火现象，节约点火柴油用量。
    （4）投料期间，二次风温低于 500℃时，必须采用柴油进行助燃，以避免无烟煤不完全燃烧产生的长后结圈、预热器结皮等工艺故障，尽可能提高二次风温。
    （5）在二次风温有保证的前提下，窑正常生产操作时，无烟煤、烟煤无太大差别。但在升温期间、窑况不正常时，操作有一些不同，中控操作的动作幅度比烧烟煤时要大一些，否则极易发生跑生料、长后圈、预热器结皮等现象。
    （6）要保证较高的二次风温 ，尽缩短无烟煤的燃烬时间，使无烟煤能在窑内、分解炉内完全燃烬。
    （7）如煅烧时感觉比较吃力，尽量不要追求高产，否则系统温度上升不来，要形成恶性循环，使二次风温降低，煤粉要产生后燃烧或不完全燃烧现象，导致产量加不上去，二次风温则更低。
    （8）在中控操作上，严禁盲目增加产量，只有在窑内温度升高时，循序渐进，逐步增加产量。
    （9）在预热器操作中 ，一定要避免分解炉、5 级筒温度倒挂现象，遇到倒挂现象时（特别是窑刚投料期间），尽量减少分解炉用煤量，适当关三次风门，适量增加头煤用量，因为要提高分解炉热风温度，而分解炉热风由窑内风和三次风混合而成，刚投料时三次风温较低，窑尾烟气和冷态三次风混合后气体温度降低，不利于无烟煤的燃烧，所以刚投料时，适当降低三次风门开度，趋于SP 窑操作，以利用窑内热风，随着熟料出窑，三次风温度升高，再逐步加大三次风门开度，直至正常。
    （10）烧无烟煤时，在同样产量和用风情况下 ，1 级筒出口温度高出约 10℃，这是因为无烟煤滞后燃烧造成的，同样窑内窑皮也要长一些。窑尾温度高出约50℃（比烧烟煤），这都是因为无烟煤燃烧速度较慢而造成的相对滞后燃烧。
    （11）烧无烟煤比烧烟煤 （同等条件下），三次风门开度要小一些为佳，但系统压损要稍微高些，以保证窑内富氧环境，对煤粉有助燃效应。同时可以提高进水泥机械分解炉混合气流温度，毕竟窑尾温度高出三次风温许多。


7 结语
    无烟煤在南方水泥的利用取得初步成功，为企业创造了良好的经济效益，今后还要进一步总结无烟煤的应用经验，不断提高无烟煤使用的比例，为利用低热值燃料和低热值可燃工业废弃物创造良好的工艺条件，为中国水泥的技术进步和经济效益、社会效益的提高做出更大贡献。