專利名稱：一種水泥窯用煤粉助燃劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬建筑材料技術領域，特別涉及一種水泥窯用煤粉助燃劑。
背景技術：
作為主要的建筑材料，水泥混凝土在國民經(jīng)濟中占有重要的位置。我國水泥產(chǎn)量已連續(xù)十余年居于世界首位，近五年來水泥年產(chǎn)量更是以年均15%的速度增長，2008年水泥總產(chǎn)量達到13.88億噸，占世界水泥總產(chǎn)量的55%。水泥生產(chǎn)中對資源、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，我國水泥熟料煅燒用煤達1.86億噸，占全國煤炭產(chǎn)量的6.7%。減少能源消耗、降低環(huán)境負荷，從而使水泥工業(yè)進入環(huán)境材料型發(fā)展階段是我國水泥工業(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，而且還會因未燃盡燃料落入熟料，在熟料形成時繼續(xù)燃燒而消耗氧氣，造成還原氣氛，產(chǎn)生還原料，降低熟料質量；或者不完全燃燒產(chǎn)物隨氣流流動預熱器繼續(xù)燃燒造成溫度倒掛，液相提前出現(xiàn)而結皮、堵塞，影響生產(chǎn)正常運行，甚至流動到排風機、收塵器處燃燒而損壞設備，產(chǎn)生安全事故。因此，強化燃料燃燒，提高燃燒速度和燃燒完全程度，是實現(xiàn)水泥熟料優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗的關鍵。
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1500°C，為此生產(chǎn)中窯內火焰溫度要求達到170(TC以上，對燃燒用煤的要求很高。我國大量存在的中低熱值、低揮發(fā)份、高灰分含量的劣質煤，因難以滿足水泥煅燒需要，無法作為水泥生產(chǎn)的主要燃料而得不到充分應用，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、減少廢氣排放、提高熟料產(chǎn)量和質量，是水泥工作者長期關注的問題，尤其在能源危機、優(yōu)質燃料短缺的今天，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)或其復合物，其原理是降低液相形成和熟料燒成溫度，促進水泥熟料礦物的形成，但會造成預分解系統(tǒng)結皮、堵塞，也會對設備造成侵蝕、損害，還會加重大氣污染、降低熟料質量；而且并不能促進燃料燃燒，節(jié)煤效果并不明顯。因此，研究開發(fā)適用于現(xiàn)今以預分解窯為主要生產(chǎn)方式的水泥窯用煤粉助燃劑是業(yè)內人士十分關注的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，針對低揮發(fā)份、高灰分含量的劣質煤，提供一種促進劣質煤燃燒，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、化學激發(fā)劑和水泥熟料助燒劑，根據(jù)錳礦石成分調節(jié)化學激發(fā)劑組成和配比，根據(jù)水泥生料成分調節(jié)水泥熟料助燒劑組成，將錳礦石、化學激發(fā)劑、水泥熟料助燒劑按照設計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計不低于40% C質量比)。
所述化學激發(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%。 催化燃燒的特點是降低反應所需的活化能，使反應能在較低的溫度下進行。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 氧氣逐漸擴散到煤粉裂解后的焦炭表面并滲透到孔隙結構中，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)物并往外擴散。在這個階段，促進 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部的 進一步擴散，不可避免的造成難燃盡。 上述組分中，錳礦石與化學激發(fā)劑在高溫下發(fā)生一系列的物理化學變化，錳礦 石中的MnC^與化學激發(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，改變煤燃燒時局部缺氧的狀況，且熱量集中，有助于煤 的進一步燃燒，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；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)將進行鹽基交換而生成著 火點較低的腐植酸鹽，當煤粉表面的這些氣態(tài)低分子量的碳氫化合物質量分數(shù)達到一定 值時，與氧氣化合反應放熱遠遠大于散熱，使反應迅速加快，形成著火，改變了煤炭的 著火性能。同時，某些金屬鹽分解的氧化物或直接添加進去的金屬氧化物促進了煤炭中 長鏈脂肪族烷烴的C-C鍵的斷裂分解，使氣態(tài)揮發(fā)分較快釋放出來，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C二O鍵的形成和加強，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能帶的過渡金屬形成絡合物 CO-M+(M+為催化劑的金屬離子)，該絡合物擔負著反應活性中心的作用，其反應式為
M+-CO+02 — MO+C02
4MO+C — 2M20+C02
M20+l/202 — 2MO 中間絡合物氧化分解成金屬氧化物MO， MO被碳還原成金屬或低價金屬氧化 物，然后依靠金屬或低價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，但金屬離子也會與煤中的氧基官能團結合，同 時在燃燒中也會與煤中礦物質作用，因此在使用水泥窯用煤粉助燃劑時應注意含量對催 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，且能催化煤炭中長鏈脂肪族烷烴 的C-C鍵的斷裂，變成相對較小的分子，增加分子的熱運動，降低煤的熱容，提高了煤 的熱傳遞。電子轉移學說從電子催化理論入手，認為金屬離子嵌入碳晶格的內部使碳的 微觀結構發(fā)生變化并作為電子給予體，通過電子轉移加速部分反應步驟。此外催化劑中 的金屬離子在加熱過程中能夠被活化，從而其自身的電子發(fā)生轉移成為電子給予體，金 屬離子將形成空穴，而碳表面的電子構型也將發(fā)生變化，這種電荷的遷移將加速某些反 應，從而提高了整個反應的速度，使碳燃燒得更充分。同時化學激發(fā)劑中的一種無機鹽 受熱達到一定溫度時發(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 行適當調整。 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，改變液相的粘度和表面張力，從而改善熟料礦物 (C2S、 C^)的晶體生長和形態(tài)，有利于水泥熟料強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主要以簡單的Si(V—的 形式存在，提高堿度對中和反應的影響并不明顯，而硅氧復合體的擴散活化能和粘流活 化能相等，熔融物的粘度、表面張力取決于硅氧陰離子團的遷移速率。酸性增加時，如 加入比A10/—、 ？6043-酸性強的3042—，則鋁、鐵朝著提高陽離子Ar、 Fe3+的堿性方向移 動，使結構松散，粘度下降。堿性增加時，反應的平衡朝著生成補充四面體的A1、 Fe離 子數(shù)量方向移動。據(jù)此推斷離子荷徑比和Me-O鍵能的減少，元素對液相粘度的降低的 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時使CaO 在110(TC下反應；1%時使得游離氧化鈣在120(TC下迅速下降，并認為是CuO促進了四 元體系的反應活性。 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量，但是摻加過量則使 得熟料游離氧化鈣增加，熟料質量下降。 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構，對 水泥熟料的煅燒均具有促進作用。鑭系稀土元素在熟料燒成固相反應階段可通過形成 中間產(chǎn)物促進固相反應；在燒成階段對硅酸鹽礦物形成起催化作用。能使碳酸鹽分解 溫度、固相反應溫度、阿利特形成溫度等下降10-35t:，達到同樣燒成程度的時間縮短 5-15min。當在體系中添加鑭系稀土元素時，因其4f軌道居于6d、 5s、 6p軌道內層，成 鍵能力很弱，但它可奪取反應分子形成反應活化體，然后再轉變?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，礦物形成速率的加快又促使CaO粒子擴散遷移速度 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》 應形成中的碳酸鹽顆粒的產(chǎn)物層迅速變薄，進而又加快碳酸鹽分解反應 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LaC^， 1^02含量在99%以 上。稀土礦物用量(以1^02計)在0.06%以下時(在熟料中的質量比)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，通過錳礦石和化學外加劑的共同作用，降低煤 粉的燃點，提高煤粉灰分的熔點，并在高溫下調節(jié)燃燒氣氛，達到促進劣質煤的集中燃 燒的目的，實現(xiàn)在水泥窯中使用劣質煤時煅燒合格水泥熟料的要求。通過大量實驗證 實，化學激發(fā)劑對錳礦石的助燃效果有很好的促進效果，在錳礦石中MnC^含量較低、雜 質成分較多時以及使用煤粉的灰份含量較高時，適當增加化學激發(fā)劑的比例可促進錳礦 石的助燃效果，而選用錳礦石中MnC^含量較高時以及所使用煤粉灰份含量較低時，采用 化學激發(fā)劑對錳礦石的助燃作用的促進作用減弱，可適當減少化學激發(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，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，可增加 錳礦石含量，降低化學激發(fā)劑的含量。但是化學激發(fā)劑在助燃劑中含量不應低于10%， 否則將不能發(fā)揮其激發(fā)作用，嚴重影響錳礦石的助燃作用發(fā)揮。采用錳礦石50 80%， 化學激發(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。通過兩者的協(xié)同強化燃燒作用，可實現(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)過大量實驗確定的最佳 配比，按照5% 15%的比例加入時，主要作用是促進熟料燒成反應，使煤粉中的灰份 可與水泥生料成分更好反應，使水泥熟料強度提高3 5MPa。煤粉助燃劑中各組分對煅 燒設備無損害，通過節(jié)煤可減少廢氣排放，因此具有重大經(jīng)濟、社會、環(huán)保效益，可廣 泛用于水泥生產(chǎn)中。
具體實施方式

實施例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，可實現(xiàn)以熱值 為19000 20000kJ/kg的劣質煤燒制熟料，熟料燒成熱耗降低，節(jié)煤15%，熟料28d抗 壓強度提高4MPa。
實施例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，可實現(xiàn)以熱值 為19000 20000kJ/kg的劣質煤燒制熟料，熟料燒成熱耗降低，節(jié)煤12%，熟料28d抗 壓強度提高3MPa。
實施例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，可實現(xiàn)以熱值 為19000 20000kJ/kg的劣質煤燒制熟料，熟料燒成熱耗降低，節(jié)煤14%，熟料28d抗 壓強度提高3MPa。
權利要求
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%，化學激發(fā)劑20 40%，熟料助燒劑5% 15%。
3. 根據(jù)權利要求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計質量比含量不低于40%。
4. 根據(jù)權利要求1所述的水泥窯用煤粉助燃劑，其特征是所述化學激發(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煤粉集中燃燒、提高熟料強度的作用，其助燃機理為通過助燃成分達到降低煤粉的燃點，提高煤粉灰分的熔點，并在高溫下調節(jié)燃燒氣氛，從而達到在水泥煅燒中充分利用劣質煤的目的；通過水泥熟料助燒劑組分的加入，達到促進熟料燒成反應，提高熟料強度的目的。
文檔編號C10L9/00GK101691514SQ20091006621
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月22日 優(yōu)先權日2009年10月22日
發(fā)明者吳育謙, 張亞南, 王玉江 申請人:洛陽大澤節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?br>