1.概述
粉煤灰是火力發電廠排出的工業廢渣，主要產物是電廠旋風式煤粉爐燃燒后殘留的煤灰，煤灰的理化性質與所用煤的品質（細度、水分、發熱量），所采用煤粉爐特性有關，對于優質煤粉燃燒形成的粉煤灰或普通品質燃煤在特性優良的燃燒爐形成的粉煤灰，由于燃燒比較充分，燒失量較低，顆粒也較細小，這部分灰經分選后作為Ⅰ級灰或Ⅱ級灰被廣泛用作水泥混合材料用于水泥生產，但是對于較差煤種或特性較差的燃燒爐所形成的粉煤灰，因其機械燃燒不完全，大多是細度較粗、燒失量較高，這種灰作為混合材用于水泥生產比較困難，但利用其化學成分的校正特性和殘余可燃物發熱特性，將其用于水泥配料可大大降低熟料生產能耗。山水集團濰坊山水水泥公司從2008年開始使用昌樂熱電廠排出的低品質粉煤灰進行水泥配料生產，取得了噸熟料標準煤耗下降5.1kg標煤，噸熟料發電量提高2.51kWh的技術效果，為公司和社會創出了顯著的經濟效益和社會效益。為表明使用低品質粉煤灰配料前后節能效果，現從原料使用、物料配料、熟料燒成以及余熱電站運行情況變化來加以說明。
2.原燃料的使用及成分分析
在使用低品質粉煤灰配料前后，濰坊山水水泥公司所使用的主要原燃料石灰石、砂巖、鐵尾礦、燒成用煤化學成分等特性變化不大，變化較大是粉煤灰。在使用低品質粉煤灰配料之前生料制備采用石灰石、砂巖、鐵尾礦、優質粉煤灰四組分配料；在使用低品質粉煤灰配料之后，生料配料改用石灰石、砂巖、鐵尾礦、低質粉煤灰四組分配料。原燃料成分分析情況如下：
2.1原料化學成分
在使用低品質粉煤灰配料前后物料化學成分見下表1。
?表1.原料化學成分???
|
物料名稱 |
Loss |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
∑ |
|
石灰石 |
40.09 |
6.54 |
1.62 |
0.96 |
48.73 |
1.21 |
99.16 |
|
砂巖 |
1.93 |
85.72 |
6.81 |
1.46 |
0.26 |
0.43 |
96.61 |
|
鐵尾礦 |
-0.70 |
58.07 |
1.00 |
33.64 |
1.85 |
2.25 |
96.11 |
|
優粉煤灰 |
4.22 |
51.57 |
31.34 |
7.32 |
1.94 |
0.97 |
97.36 |
|
劣粉煤灰 |
16.21 |
45.21 |
27.35 |
6.96 |
1.68 |
0.85 |
98.26 |
從表中看到：劣粉煤灰燒失量較高，內含大量的固定碳，說明具有一定的發熱能力，根據分析，低品質粉煤灰發熱量為3350～4200kJ/kg，平均為3770 kJ/kg。另外劣粉煤灰在校正Al2O3同時可提供SiO2量和Fe2O3量，相應減少砂巖用量和鐵尾礦用量，這對于合理使用原料和提高磨機能力具有一定積極作用。
2.1.2煤工業分析
在使用低品質粉煤灰配料前后燒成用煤工業分析見下表2。
? 表2.煤的工業分析??
|
階段 |
Ma (%) |
Mad(%) |
Vad(%) |
Aad(%) |
FCad(%) |
Qnet，ad(kJ/kg) |
|
使用前 |
10.00 |
3.85 |
30.75 |
16.66 |
48.74 |
25017 |
|
使用后 |
10.00 |
4.57 |
30.91 |
14.96 |
49.56 |
25359 |
2. 2物料配比
因使用低品質粉煤灰配料后，低品質粉煤灰的燒失量和化學成分變化較大，因此物料配比發生了變化，其使用低品質粉煤灰前后配比變化情況見下表3所示。
表3.使用低品質粉煤灰前后物料配比???
|
階段 |
石灰石(%) |
砂巖(%) |
鐵尾礦(%) |
優粉煤灰(%) |
劣粉煤灰(%) |
|
使用前 |
88.2 |
5.4 |
2.5 |
3.9 |
0.0 |
|
使用后 |
87.6 |
5.4 |
2.4 |
0.0 |
4.6 |
從表中看到：劣質粉煤灰使用量要比優質粉煤灰高4.6－3.9＝0.7百分點，相對提高18%，說明改用劣粉煤灰后其綜合利用廢渣能力得到增強。另外，應用低質粉煤灰配料后，每生產1t熟料所需生料中可多帶入212.0MJ/t，相當于帶入7.2kg標煤/t熱量。
3.熟料產量及煤耗變化
根據生產統計，應用低質粉煤灰后窯系統工作正常，沒發生因配料改變出現結圈、結大塊、預熱器結皮、堵塞等不正常現象，應用低質粉煤灰配料期間熟料產量沒有發生改變，說明低質粉煤灰對熟料生產沒有不良影響。但是低質粉煤灰帶入的可燃組分進入預分解系統后，先與預熱器中過剩O2氧化燃燒放熱，用以提高廢氣溫度進而提高生料預熱程度，然后再進入分解爐繼續燃燒用以碳酸鹽分解。由于低質粉煤灰中可燃物質燃燒替代了部分燃料，因此應用低質粉煤灰配料后熟料燒成標準煤耗由應用前的117.14kg標煤/t降至應用后的112kg標煤/t，燒成煤耗下降5.1kg標煤/t，占低質粉煤灰帶入熱量的71.0%。其余熱量用于加熱廢氣，然后被廢氣帶走，這部分熱量占低質粉煤灰帶入熱量的29.0%。
4.水泥窯余熱發電能力變化
使用劣質粉煤灰后，所帶入的29.0%熱量即約2.1kg標煤/t用于加熱廢氣。理論計算該部分熱量可使2500t/d水泥窯廢氣溫度升高15～25℃。實際過程要比我們想像得復雜，因為不僅熟料燒成熱耗下降值有波動，而且粉煤灰燒失量穩定度、化學成分的穩定度也有波動，再加上C1筒效率、預熱器漏風率、表面散熱等因素，因此實際窯尾C1A/C1B出口溫升值要比理論計算值低一些，這可從實際運行的中控操作畫面上看到：使用前C1A/C1B出口廢氣溫度為(310～316)℃/(316～324)℃，使用后C1A/C1B出口廢氣溫度為(323～329)℃/(327～336)℃，平均溫升約為10～15℃。
因廢氣溫度升高引起的發電量增加可通過余熱電站發電量修正計算公式進行計算，對于2500t/d水泥窯，當廢氣溫度升高10～15℃時，每小時可產生：23kWh/℃×（10～15）℃=230kWh～345kWh發電量，平均為288kWh。
5.經濟效益分析
應用劣質粉煤灰替代優質粉煤灰進行水泥配料后，由于配比改變、熟料燒成煤耗降低、發電能力提高，水泥熟料生產成本也將發生改變，其變化情況見下表4所示：
表4.采用劣質粉煤灰替代優質粉煤灰后水泥熟料生產成本變化???
|
序號 |
項目 |
應用前 |
應用后 |
前后變化 (元/t) | ||||
|
定額 (t/t) |
單價 (元/t) |
成本 (元/t) |
定額 (t/t) |
單價 (元/t) |
成本 (元/t) | |||
|
1 |
原料成本 |
1.5329 |
? |
28.59 |
1.5461 |
? |
28.88 |
0.30 |
|
1.1 |
石灰石 |
1.3520 |
16.49 |
22.29 |
1.3544 |
16.49 |
22.33 |
? |
|
1.2 |
砂巖 |
0.0828 |
34.50 |
2.86 |
0.0835 |
34.50 |
2.88 |
? |
|
1.3 |
鐵尾礦 |
0.0383 |
35.00 |
1.34 |
0.0371 |
35.00 |
1.30 |
? |
|
1.4 |
粉煤灰 |
0.0598 |
35.04 |
2.09 |
0.0711 |
33.33 |
2.37 |
? |
|
2 |
燃料（原煤） |
0.1367 |
600.00 |
82.00 |
0.1307 |
600.00 |
78.40 |
-3.60 |
|
3 |
核減發電(kWh/t) |
40.0000 |
0.50 |
20.00 |
42.5135 |
0.50 |
21.26 |
1.26 |
|
4 |
合計 |
? |
? |
90.58 |
? |
? |
86.03 |
-4.56 |
濰坊山水水泥公司利用其化學成分的校正特性和殘余可燃物發熱特性用于水泥配料全年可綜合利用工業廢渣：0.0711t/t×88萬t=6.3萬t，節約煤炭：(0.1307 t/t -0.1367 t/t)×880000t=5277t，多發電：(42.5135 kWh/t -40.0000 kWh/t)×88萬t=221萬kWh，噸熟料生產成本下降4.56元，全年可為公司節約成本費用401萬元。
6.結論
我國熱電廠分布較廣，裝機一般較小，機械燃燒不完全問題比較突出，根據測定熱電廠所排粉煤灰熱含量高達3350～4200kJ/kg，濰坊山水水泥公司利用其化學成分的校正特性和殘余可燃物發熱特性用于水泥配料取得綜合利用工業廢渣和降低熟料生產成本的雙重效益，為劣質粉煤灰在水泥窯中應用開辟了新的途徑。