專利名稱：一種水泥窯用煤粉助燃劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種水泥窯用煤粉助燃劑。
背景技術(shù)：
作為主要的建筑材料，水泥混凝土在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的位置。我國(guó)水泥產(chǎn)量已連續(xù)十余年居于世界首位，近五年來(lái)水泥年產(chǎn)量更是以年均15%的速度增長(zhǎng)，2008年水泥總產(chǎn)量達(dá)到13.88億噸，占世界水泥總產(chǎn)量的55%。水泥生產(chǎn)中對(duì)資源、能源消耗量大，燃料成本占水泥生產(chǎn)成本的60%以上，在2008年，我國(guó)水泥熟料煅燒用煤達(dá)1.86億噸，占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的6.7%。減少能源消耗、降低環(huán)境負(fù)荷，從而使水泥工業(yè)進(jìn)入環(huán)境材料型發(fā)展階段是我國(guó)水泥工業(yè)今后的發(fā)展方向。 水泥熟料煅燒熱耗高、熱效率低的重要原因之一是燃料燃燒速度慢、燃燒完全程度低。這不僅造成燃料的浪費(fèi)，而且還會(huì)因未燃盡燃料落入熟料，在熟料形成時(shí)繼續(xù)燃燒而消耗氧氣，造成還原氣氛，產(chǎn)生還原料，降低熟料質(zhì)量；或者不完全燃燒產(chǎn)物隨氣流流動(dòng)預(yù)熱器繼續(xù)燃燒造成溫度倒掛，液相提前出現(xiàn)而結(jié)皮、堵塞，影響生產(chǎn)正常運(yùn)行，甚至流動(dòng)到排風(fēng)機(jī)、收塵器處燃燒而損壞設(shè)備，產(chǎn)生安全事故。因此，強(qiáng)化燃料燃燒，提高燃燒速度和燃燒完全程度，是實(shí)現(xiàn)水泥熟料優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的關(guān)鍵。
現(xiàn)有水泥生產(chǎn)中采用的高硅配料方案使得水泥熟料燒成溫度高達(dá)1500°C，為此生產(chǎn)中窯內(nèi)火焰溫度要求達(dá)到170(TC以上，對(duì)燃燒用煤的要求很高。我國(guó)大量存在的中低熱值、低揮發(fā)份、高灰分含量的劣質(zhì)煤，因難以滿足水泥煅燒需要，無(wú)法作為水泥生產(chǎn)的主要燃料而得不到充分應(yīng)用，由此造成水泥工業(yè)燃煤緊缺的現(xiàn)狀。降低熟料煅燒熱耗、減少?gòu)U氣排放、提高熟料產(chǎn)量和質(zhì)量，是水泥工作者長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題，尤其在能源危機(jī)、優(yōu)質(zhì)燃料短缺的今天，尤為重要。 目前，為提高水泥熟料產(chǎn)量、降低熱耗，常采用在生料中添加礦化劑、助燒劑或在煤粉中加入助燃劑。這些添加劑一般為氟化物、硫化物(或硫酸鹽)或其復(fù)合物，其原理是降低液相形成和熟料燒成溫度，促進(jìn)水泥熟料礦物的形成，但會(huì)造成預(yù)分解系統(tǒng)結(jié)皮、堵塞，也會(huì)對(duì)設(shè)備造成侵蝕、損害，還會(huì)加重大氣污染、降低熟料質(zhì)量；而且并不能促進(jìn)燃料燃燒，節(jié)煤效果并不明顯。因此，研究開(kāi)發(fā)適用于現(xiàn)今以預(yù)分解窯為主要生產(chǎn)方式的水泥窯用煤粉助燃劑是業(yè)內(nèi)人士十分關(guān)注的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)低揮發(fā)份、高灰分含量的劣質(zhì)煤，提供一種促進(jìn)劣質(zhì)煤燃燒，使之滿足水泥窯煅燒要求的水泥窯用煤粉助燃劑。 本發(fā)明的水泥窯用煤粉助燃劑，其包括錳礦石、化學(xué)激發(fā)劑和水泥熟料助燒劑，根據(jù)錳礦石成分調(diào)節(jié)化學(xué)激發(fā)劑組成和配比，根據(jù)水泥生料成分調(diào)節(jié)水泥熟料助燒劑組成，將錳礦石、化學(xué)激發(fā)劑、水泥熟料助燒劑按照設(shè)計(jì)比例充分混合均勻后加入煤磨中，與煤粉共同粉磨后使用。
3方案是所述水泥窯用煤粉助燃劑組成及重量百分比為 錳礦石50 80%，化學(xué)激發(fā)劑10 40%，熟料助燒劑5% 15%，水分含量小于2%。
所述水泥窯用煤粉助燃劑優(yōu)選組成及重量百分比為錳礦石50 70%，化學(xué)激 發(fā)劑20 40%，熟料助燒劑5% 15%。 所述的錳礦石，要求錳礦石中錳含量以Mn02計(jì)不低于40% C質(zhì)量比)。
所述化學(xué)激發(fā)劑為硝酸鉀、碳酸鉀、硅酸鈉的一種或組合。
所述水泥熟料助燒劑為含Cu、 Cr、鑭系稀土元素La02其中的一種或組合。
所述化學(xué)激發(fā)劑組成及重量百分比為硝酸鉀50% 70%，碳酸鉀20% 40%，硅酸鈉5% 10%。 所述的熟料助燒劑組成及重量百分比為CuO 55% 70%， Cr2O3 20 % 40%，鑭系稀土La02 5% 10%。 催化燃燒的特點(diǎn)是降低反應(yīng)所需的活化能，使反應(yīng)能在較低的溫度下進(jìn)行。煤 粉在著火階段，主要表現(xiàn)為揮發(fā)分的釋放和燃燒。隨著大部分揮發(fā)分釋放完畢，周圍的 氧氣逐漸擴(kuò)散到煤粉裂解后的焦炭表面并滲透到孔隙結(jié)構(gòu)中，在一定的溫度作用下，氧 氣和焦碳表面碳和氫作用形成二氧化碳和水為主的產(chǎn)物并往外擴(kuò)散。在這個(gè)階段，促進(jìn) 氧氣與焦碳的充分接觸能提高煤粉的燃盡。特別是在煤粉燃燒的后期階段，由于有機(jī)碳 的消耗，煤粉體積逐漸收縮，煤粉中的灰分逐漸覆蓋在外層，阻礙了氧氣往煤焦內(nèi)部的 進(jìn)一步擴(kuò)散，不可避免的造成難燃盡。 上述組分中，錳礦石與化學(xué)激發(fā)劑在高溫下發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，錳礦 石中的MnC^與化學(xué)激發(fā)劑形成固體氧化劑(如KMnCg、金屬離子(如K+、 Na+等)等。 固體氧化劑可以起到增氧作用，改變煤燃燒時(shí)局部缺氧的狀況，且熱量集中，有助于煤 的進(jìn)一步燃燒，繼而提高煤的燃燒效率，減小煤粒外排，降低空氣污染和能源浪費(fèi)；而 金屬離子與煤炭中含有的腐植酸鹽(一般是不溶性的腐植酸鈣)將進(jìn)行鹽基交換而生成著 火點(diǎn)較低的腐植酸鹽，當(dāng)煤粉表面的這些氣態(tài)低分子量的碳?xì)浠衔镔|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定 值時(shí)，與氧氣化合反應(yīng)放熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散熱，使反應(yīng)迅速加快，形成著火，改變了煤炭的 著火性能。同時(shí)，某些金屬鹽分解的氧化物或直接添加進(jìn)去的金屬氧化物促進(jìn)了煤炭中 長(zhǎng)鏈脂肪族烷烴的C-C鍵的斷裂分解，使氣態(tài)揮發(fā)分較快釋放出來(lái)，增加了易燃的揮發(fā) 分含量，從而加快了煤的著火速度。金屬離子促進(jìn)C二O鍵的形成和加強(qiáng)，削弱煤中 C-C鍵使之易斷裂，且C = O鍵作為電子給予體與具有未滿d能帶的過(guò)渡金屬形成絡(luò)合物 CO-M+(M+為催化劑的金屬離子)，該絡(luò)合物擔(dān)負(fù)著反應(yīng)活性中心的作用，其反應(yīng)式為
M+-CO+02 — MO+C02
4MO+C — 2M20+C02
M20+l/202 — 2MO 中間絡(luò)合物氧化分解成金屬氧化物MO， MO被碳還原成金屬或低價(jià)金屬氧化 物，然后依靠金屬或低價(jià)金屬氧化物吸附氧氣，便又得到金屬氧化物，就這樣金屬一直 處于氧化-還原的循環(huán)中。由于氧氣不斷從金屬向碳原子傳遞，加快了氧氣的擴(kuò)散速度， 有利于加速碳的燃燒，增加煤的燃燼率，但金屬離子也會(huì)與煤中的氧基官能團(tuán)結(jié)合，同 時(shí)在燃燒中也會(huì)與煤中礦物質(zhì)作用，因此在使用水泥窯用煤粉助燃劑時(shí)應(yīng)注意含量對(duì)催 化效果的影響，并不是摻量越多越好。
4
金屬鹽類或金屬氧化物等添加劑本身熱容小，且能催化煤炭中長(zhǎng)鏈脂肪族烷烴 的C-C鍵的斷裂，變成相對(duì)較小的分子，增加分子的熱運(yùn)動(dòng)，降低煤的熱容，提高了煤 的熱傳遞。電子轉(zhuǎn)移學(xué)說(shuō)從電子催化理論入手，認(rèn)為金屬離子嵌入碳晶格的內(nèi)部使碳的 微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并作為電子給予體，通過(guò)電子轉(zhuǎn)移加速部分反應(yīng)步驟。此外催化劑中 的金屬離子在加熱過(guò)程中能夠被活化，從而其自身的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移成為電子給予體，金 屬離子將形成空穴，而碳表面的電子構(gòu)型也將發(fā)生變化，這種電荷的遷移將加速某些反 應(yīng)，從而提高了整個(gè)反應(yīng)的速度，使碳燃燒得更充分。同時(shí)化學(xué)激發(fā)劑中的一種無(wú)機(jī)鹽 受熱達(dá)到一定溫度時(shí)發(fā)生微爆，使周圍的可燃物膨松，增加供氧面積，使燃煤能夠得到 更加充分的燃燒，燃煤熱效率得到了顯著的提高。 自然界含錳的礦物約有150多種，但含錳量高的礦物并不多。本發(fā)明選用錳礦 石，主要利用錳礦石的主要組成MnC^，為減少天然錳礦石中雜質(zhì)成分的影響，要求錳礦 石中Mn02含量不低于40%。助燃劑中錳礦石的用量根據(jù)錳礦石中Mn02含量的不同進(jìn) 行適當(dāng)調(diào)整。 本發(fā)明組分中水泥熟料助燒劑的主要作用是降低液相形成溫度或增加液相量， 加速固相、液相、固液界面的反應(yīng)，改變液相的粘度和表面張力，從而改善熟料礦物 (C2S、 C^)的晶體生長(zhǎng)和形態(tài)，有利于水泥熟料強(qiáng)度的提高和水泥熟料燒成的節(jié)能降 耗。熟料礦物屬于CaO-Si02-Al203-Fe203四元體系，其中CaO為堿性組分，Si02為酸性 組分，A1203、 F&03為中性或兩性組分。四元體系中硅氧陰離子團(tuán)主要以簡(jiǎn)單的Si(V—的 形式存在，提高堿度對(duì)中和反應(yīng)的影響并不明顯，而硅氧復(fù)合體的擴(kuò)散活化能和粘流活 化能相等，熔融物的粘度、表面張力取決于硅氧陰離子團(tuán)的遷移速率。酸性增加時(shí)，如 加入比A10/—、 ？6043-酸性強(qiáng)的3042—，則鋁、鐵朝著提高陽(yáng)離子Ar、 Fe3+的堿性方向移 動(dòng)，使結(jié)構(gòu)松散，粘度下降。堿性增加時(shí)，反應(yīng)的平衡朝著生成補(bǔ)充四面體的A1、 Fe離 子數(shù)量方向移動(dòng)。據(jù)此推斷離子荷徑比和Me-O鍵能的減少，元素對(duì)液相粘度的降低的 效果減弱，即離子半徑小、高電荷的離子(如Cr、 Cu、 Mn、 Ti、 Zn等)是降低熔融物粘 度和表面張力的最有效離子。 CuO既是礦化劑，又是助熔劑，可降低燒成溫度5(TC。 CuO含量0.5X時(shí)使CaO 在110(TC下反應(yīng)；1%時(shí)使得游離氧化鈣在120(TC下迅速下降，并認(rèn)為是CuO促進(jìn)了四 元體系的反應(yīng)活性。 Cr有各種形態(tài)，其中C一+、 &6+較為穩(wěn)定。Cr能固溶于e-GS中，提高生料的 活性和穩(wěn)定e-C^S相。適量的Cr加入后能顯著提高水泥熟料質(zhì)量，但是摻加過(guò)量則使 得熟料游離氧化鈣增加，熟料質(zhì)量下降。 鑭系稀土元素是以鑭(La)為代表的一族元素，具有相似的外層電子結(jié)構(gòu)，對(duì) 水泥熟料的煅燒均具有促進(jìn)作用。鑭系稀土元素在熟料燒成固相反應(yīng)階段可通過(guò)形成 中間產(chǎn)物促進(jìn)固相反應(yīng)；在燒成階段對(duì)硅酸鹽礦物形成起催化作用。能使碳酸鹽分解 溫度、固相反應(yīng)溫度、阿利特形成溫度等下降10-35t:，達(dá)到同樣燒成程度的時(shí)間縮短 5-15min。當(dāng)在體系中添加鑭系稀土元素時(shí)，因其4f軌道居于6d、 5s、 6p軌道內(nèi)層，成 鍵能力很弱，但它可奪取反應(yīng)分子形成反應(yīng)活化體，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物分子，從而大大 加快了礦物的形成速率。與此相應(yīng)，礦物形成速率的加快又促使CaO粒子擴(kuò)散遷移速度 的加快，使新分解而產(chǎn)生的CaO能快速地與酸性氧化物(SiC^、 A1203、 F&0》 應(yīng)形成中的碳酸鹽顆粒的產(chǎn)物層迅速變薄，進(jìn)而又加快碳酸鹽分解反應(yīng) 的速度。本發(fā)明選用的是鑭系稀土元素為鑭系稀土提純礦物L(fēng)aC^， 1^02含量在99%以 上。稀土礦物用量(以1^02計(jì))在0.06%以下時(shí)(在熟料中的質(zhì)量比)有顯著效果，多 加后效果減緩。 本發(fā)明的水泥窯用煤粉助燃劑，通過(guò)錳礦石和化學(xué)外加劑的共同作用，降低煤 粉的燃點(diǎn)，提高煤粉灰分的熔點(diǎn)，并在高溫下調(diào)節(jié)燃燒氣氛，達(dá)到促進(jìn)劣質(zhì)煤的集中燃 燒的目的，實(shí)現(xiàn)在水泥窯中使用劣質(zhì)煤時(shí)煅燒合格水泥熟料的要求。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證 實(shí)，化學(xué)激發(fā)劑對(duì)錳礦石的助燃效果有很好的促進(jìn)效果，在錳礦石中MnC^含量較低、雜 質(zhì)成分較多時(shí)以及使用煤粉的灰份含量較高時(shí)，適當(dāng)增加化學(xué)激發(fā)劑的比例可促進(jìn)錳礦 石的助燃效果，而選用錳礦石中MnC^含量較高時(shí)以及所使用煤粉灰份含量較低時(shí)，采用 化學(xué)激發(fā)劑對(duì)錳礦石的助燃作用的促進(jìn)作用減弱，可適當(dāng)減少化學(xué)激發(fā)劑的用量。根據(jù) 水泥窯用煤粉的情況，在選用錳礦石的MnC^含量大于40^時(shí)，錳礦石在助燃劑中含量 不宜低于50%，否則不能發(fā)揮MnC^的助燃作用，在錳礦石中MnC^含量較高時(shí)，可增加 錳礦石含量，降低化學(xué)激發(fā)劑的含量。但是化學(xué)激發(fā)劑在助燃劑中含量不應(yīng)低于10%， 否則將不能發(fā)揮其激發(fā)作用，嚴(yán)重影響錳礦石的助燃作用發(fā)揮。采用錳礦石50 80%， 化學(xué)激發(fā)劑10 40% (兩者在助燃劑中總量為85% 95% )的比例均可獲得較好的助燃 效果。通過(guò)兩者的協(xié)同強(qiáng)化燃燒作用，可實(shí)現(xiàn)節(jié)煤10%以上。熟料助燒劑中Cu0 55X 70%， Cr203 20% 40%，鑭系稀土 La02 5% 10%的比例是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定的最佳 配比，按照5% 15%的比例加入時(shí)，主要作用是促進(jìn)熟料燒成反應(yīng)，使煤粉中的灰份 可與水泥生料成分更好反應(yīng)，使水泥熟料強(qiáng)度提高3 5MPa。煤粉助燃劑中各組分對(duì)煅 燒設(shè)備無(wú)損害，通過(guò)節(jié)煤可減少?gòu)U氣排放，因此具有重大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益，可廣 泛用于水泥生產(chǎn)中。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 水泥窯用煤粉助燃劑的組成(重量百分比)為錳礦石70%，化學(xué)激發(fā)劑20% (由硝酸鉀40%，碳酸鉀40%，硅酸鈉20%組成)，熟料助燒劑10%(由010 65%， Cr203 25%，鑭系稀土La02 10%組成)。據(jù)此按照0.06%的摻入量加入煤粉中，可實(shí)現(xiàn)以熱值 為19000 20000kJ/kg的劣質(zhì)煤燒制熟料，熟料燒成熱耗降低，節(jié)煤15%，熟料28d抗 壓強(qiáng)度提高4MPa。
實(shí)施例2 水泥窯用煤粉助燃劑的組成(重量百分比)為錳礦石50%，化學(xué)激發(fā)劑40% (由硝酸鉀60%，碳酸鉀35%，硅酸鈉5%組成)，熟料助燒劑10%(由01065%， Cr203 25%，鑭系稀土La02 10%組成)。據(jù)此按照0.04%的摻入量加入煤粉中，可實(shí)現(xiàn)以熱值 為19000 20000kJ/kg的劣質(zhì)煤燒制熟料，熟料燒成熱耗降低，節(jié)煤12%，熟料28d抗 壓強(qiáng)度提高3MPa。
實(shí)施例3 水泥窯用煤粉助燃劑的組成(重量百分比)為錳礦石60%，化學(xué)激發(fā)劑30% (由硝酸鉀55%，碳酸鉀40%，硅酸鈉5%組成)，熟料助燒劑10%(由01065%， Cr203
625%，鑭系稀土La0.2 10%組成)。據(jù)此按照0.05%的摻入量加入煤粉中，可實(shí)現(xiàn)以熱值 為19000 20000kJ/kg的劣質(zhì)煤燒制熟料，熟料燒成熱耗降低，節(jié)煤14%，熟料28d抗 壓強(qiáng)度提高3MPa。
權(quán)利要求
一種水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是水泥窯用煤粉助燃劑組成及重量百分比為錳礦石50～80％，化學(xué)激發(fā)劑10～40％，熟料助燒劑5％～15％，水分含量小于2％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是水泥窯用煤粉助燃劑組成及重量百分比為錳礦石50 70%，化學(xué)激發(fā)劑20 40%，熟料助燒劑5% 15%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是所述的錳礦石中錳含量 以Mn02計(jì)質(zhì)量比含量不低于40%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是所述化學(xué)激發(fā)劑為硝酸 鉀、碳酸鉀、硅酸鈉的一種或組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是所述水泥熟料助燒劑為含Cu、 Cr、鑭系稀土元素天然礦物其中的一種或組合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是所述化學(xué)激發(fā)劑組成 及重量百分比為硝酸鉀50% 70%，碳酸鉀20% 40%，硅酸鈉5% 10%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是所述的熟料助燒劑組 成及重量百分比為CuO55% 70%， Cr2O3 20% 40%，鑭系稀土 La02 5% 10% 。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種水泥窯用煤粉助燃劑水泥窯用煤粉助燃劑組成及重量百分比為錳礦石50～80％，化學(xué)激發(fā)劑10～40％，熟料助燒劑5％～15％，水分含量小于2％。本發(fā)明的水泥窯用煤粉助燃劑具有促進(jìn)煤粉集中燃燒、提高熟料強(qiáng)度的作用，其助燃機(jī)理為通過(guò)助燃成分達(dá)到降低煤粉的燃點(diǎn)，提高煤粉灰分的熔點(diǎn)，并在高溫下調(diào)節(jié)燃燒氣氛，從而達(dá)到在水泥煅燒中充分利用劣質(zhì)煤的目的；通過(guò)水泥熟料助燒劑組分的加入，達(dá)到促進(jìn)熟料燒成反應(yīng)，提高熟料強(qiáng)度的目的。
文檔編號(hào)C10L9/00GK101691514SQ20091006621
公開(kāi)日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者吳育謙, 張亞南, 王玉江 申請(qǐng)人:洛陽(yáng)大澤節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?br>