不同内燃料对烧结砖生产的影响

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不同内燃料对烧结砖生产的影响


烧结砖的内燃焙烧工艺，也称内燃烧砖。这是利用原料本身含有的固体可燃物，或是将固体燃料掺配到制砖原料中，与制砖原料一同进行加工处理之后，成型为坯体，经干燥后送到窑炉里焙烧。通过坯体内的固体含能物质燃烧来完成（或帮助完成）砖制品的焙烧，称之为内燃焙烧。坯体内的固态含能可燃物叫做内燃料。目前我国绝大部分烧结砖企业，不管使用的是哪种焙烧窑炉，绝大部分都是采用内燃焙烧工艺。

可作为内燃料的固体可燃物很多，其中使用最多、最普遍的是煤炭以及煤炭生产或使用后产生的含碳工业废弃物——煤矸石、煤泥、粉煤灰、炉渣等。另外还有生物质燃料，如锯末、粉碎后的秸秆、柴草、树木枝叶等。
不同的内燃料对烧结砖生产的作用和影响不一样，这和它们的成分及燃点、发热量等燃烧性能有关。
1.各种固体燃料的成分
固体燃料的成分分类方法有多种，其中国家标准GB/T212《煤的工业分析方法》和GB/T28731《固体生物质燃料工业分析方法》都是按燃料的燃烧特点和对燃料使用的要求，把固体燃料的成分分为水分、挥发分、灰分和固定碳四项。

（1）固体燃料中的水分各种固体燃料在被送交成分检测时和交付使用时都含有一点量的水分，水分是燃料的重要组成部分，是这些固体燃料客观存在的事实。固体燃料里的水分按其存在形态分为两类，即游离水和化合水。游离水是以物理状态吸附在燃料颗粒内部毛细管中和附着在燃料颗粒表面的水分；化合水也叫结晶水，是以化合的方式同燃料中物质结合的水。游离水在105～110C的温度下经过若干时间加热可蒸发掉，而结晶水通常要在200C以上才能分解析出。燃料工业分析测定的水分只是游离水，不测结晶水。水分在燃料燃烧时蒸发吸热，消耗燃料燃烧产生的热能。燃料中的水分增多会减少燃料的有效成分，降低燃料的发热量，提高燃料的燃点，不易着火，影响焙烧前期的升温速度，是燃料中的有害成分；
（2）固体燃料的挥发分固体燃料中的挥发分，是燃料中的有机质在150～900℃温度条件下隔绝空气加热，在受热过程中陆续分解而产生的多种气体挥发物。这些挥发物不是燃料固有的,不是燃料中的碳，而是燃料在特定温度下热解产出的气体，含有氮、氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢以及其他复杂的有机可燃性化合物组成的混合气体，其中大部分是可燃气体，是形成燃料全部完全燃烧总发热量的一部分。挥发分的热值视其成分不同悬殊很大，低的约为2000×4.2kJ/kg，含氢气多的挥发分热值可高达12000×4.2kJ/kg。
这些可燃性气体挥发物的燃点很低，因此挥发分在燃料里含量的多少很大程度上决定了该燃料的着火点（即燃点)的高低，也影响燃料的发热量。挥发分越多越易点燃，燃点就越低；挥发分越少越难点燃，燃点就越高。但是如果燃烧条件不适当则会造成挥发分热解速度快但燃烧慢，甚至未燃烧，这时易产生并排放未燃尽的气体挥发物质，俗称“黑烟”；并产生一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，降低燃料的燃烧热效率。
（3）固体燃料的灰分固体燃料的灰分是指煤炭类矿物质燃料在815±10ºC条件下、生物质燃料550±10ºC以下完全氧化燃烧后的残留物。燃料中的灰分来源燃料中的无机物、矿物质，如黏土矿物、石膏、碳酸盐、黄铁矿等矿物质。这些物质在燃料的燃烧中发生分解和化合，有一部分变成气体逸出，剩余下的残渣就是灰分，以氧化物、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等形式存在于灰分中。燃料的灰分越高，含碳量就越低，不仅降低了燃料的发热量，而且当无机物、矿物质在燃料燃烧后成为灰分时还要吸收热量，排渣时也要带走热量。灰分是燃料的有害成分，但有的燃料中无机物、矿物质可以成为做砖的原料，比如有的煤炭、煤矸石中含有高岭石、伊利石等黏土矿物，即便这种燃料灰分较高，也可直接作为内燃料烧制砖，既作燃料又是原料。
（4）固体燃料的固定碳固体燃料中去掉水分、灰分、挥发分，剩下的就是固定碳。固体燃料中的固定碳不仅仅包括燃料的单质碳含量,还包括燃料当中有机物的碳含量，比如生物质燃料中的纤维素等。
矿物质燃料的固定碳是表征燃料的碳化程度的一个主要指标，固定碳是燃料燃烧产生发热量的重要来源，是燃料分类的一个重要指标。固定碳含量的多少可以鉴定燃料的品质。固定碳含量越高,煤化程度越高，燃料燃烧值越高，燃烧时间越长，发热量就越高。
2. 各种固体内燃料对烧结砖焙烧的作用和影响各种固体内燃料的成分不同，对焙烧产生的作用和影响也不同。在烧结砖生产的原料、产品及其他条件相同时，仅因内燃料的不同而对烧结砖焙烧产生的作用和影响大致如下：
（1）无烟煤内燃料对烧结砖焙烧的作用和影响按照国家标准GB5751《中国煤炭分类》，依据干燥无灰基挥发分、粘结指数等指标，把煤炭分为无烟煤、烟煤和褐煤三大类。其中无烟煤为挥发分小于或等于10%（Vdaf≤10%）的煤炭。无烟煤挥发分小，但固定碳含量高，一般含碳量在80%以上，是煤化程度最大的煤炭。密度大，硬度高，一般含硫少，杂质少，质地紧密。燃点高（燃点550～700℃），火焰短，不易着火；但发热量高，刚燃烧时温升慢，火着上来后火力强，不冒烟，燃烧时间长，燃烧时不易结渣。由于无烟煤具有燃烧缓慢、耐烧的特性，故在相同的燃烧条件下，它的热利用率往往比其它煤高，从而也被认为其发热量最高。
用无烟煤作内燃料，因为燃点高，会影响焙烧坯体的窑炉起火慢、升温慢、焙烧周期时间长，“后劲大”，温度过高不易控制等现象，会导致产品焙烧时间较长。因此，设计和砌筑使用无烟煤内燃的焙烧窑炉时，要把升温带和高温焙烧带相对都要砌筑的长一些。如果窑炉已经建成而且也比较短，可以适当延长窑车进车间隔时间，延长焙烧周期。否则会因窑温较低和焙烧时间短造成产品欠火、夹生、哑音等质量缺陷，或影响产量。相同的条件下，使用无烟煤作内燃料的焙烧窑炉的焙烧周期较长，产量相对较低。
无烟煤燃烧无烟，看似“清洁”，有的企业就把窑炉焙烧烟气抽送到干燥室烘干坯体。这种做法其实不妥。因为这种看似“清洁”的烟气还可能含有一些有害气体，并且焙烧产生的烟气一般湿度大而温度并不高，对坯体干燥弊大于利，最好不用于干燥室的热源。
（2）烟煤内燃料对烧结砖焙烧的作用和影响烟煤为挥发分10％以上的煤炭，高的烟煤挥发分超过40%。烟煤碳含量为76％～90％，加上挥发分的发热量后总的发热量较高。多呈黑色而有光泽，质地细致，燃点相对较低（400～550℃，或更低）。相比无烟煤，烟煤容易点燃，发热量较高，燃烧时上火较快，燃烧较快，火焰较长，有黑烟，燃烧时间较短，不耐烧。大多数烟煤有粘性，燃烧时易结渣，有的含硫较高。黑烟多为未燃烧的挥发分和碳，造成热损失和空气污染。
因为烟煤的挥发分多，燃点低、起火较快、升温快、燃烧快，用烟煤作内燃料，产品的焙烧时间相对可以短些。烟煤的挥发分越多，同时含碳量多而灰分少，它的上述燃烧特点就越明显。因此，设计和砌筑使用烟煤内燃的焙烧窑炉，升温带和高温焙烧带相对都可以短些，实际产品焙烧周期短，产量大。但要注意控制整个窑炉的升温速度和焙烧温度，防止升温过快或焙烧温度过高造成产品裂纹、过烧等质量问题。
另外，烟煤燃烧时因挥发分多，易产生“黑烟”，必须在窑炉烟气排放口安装脱硫除尘设备，保证焙烧排放到大气中的烟气达到《砖瓦工业大气污染物排放标准》(GB29620-2013)的要求。这种焙烧烟气显然不能用做干燥室干燥坯体的热源。
烟煤按挥发分的多少及煤化程度、结合粘结性等指标又分为贫煤、瘦煤、肥煤、气肥煤、焦煤、气煤、长烟煤等十二种。其中粘结指数大于65%的肥煤、焦煤更益于砖瓦焙烧产品的烧结，可适当降低产品的焙烧温度，提高制品的密实度和制品强度。
（3）褐煤内燃料对烧结砖焙烧的作用和影响褐煤是挥发分大于37%（Vdaf>37%）的煤炭，挥发分所占比例很高，比烟煤还多，有的达到60%。褐煤燃点更低（燃点270～400℃），是煤化程度最低的煤。含碳量与发热量都较低（一般发热量3000×4.2kJ/kg以下）。其特点是水分高、比重小、挥发分高、不粘结、化学反应性强、热稳定性差、易燃但更不耐烧。多为块状，呈黑褐色，光泽暗，质地疏松。褐煤虽然燃点低，容易着火，火焰长；但因挥发物多又极易析出(150～300℃即可热解析出)，往往燃烧不完全而产生“黑烟”，浪费了这部分可燃挥发分的热量。褐煤均含有不同程度的腐殖酸，有的有机硫含量可高达4%以上。
如果内掺燃料使用褐煤，焙烧时燃点更低、起火更快、燃烧也更快、升温也快。挥发分极易在低温时快速而大量热解，常常挥发分已经热解产出但是没有完全燃烧就排放出，形成严重“黑烟”。褐煤含碳量较少，不耐烧。掺配褐煤内燃产品的焙烧耗煤相对较高，要达到需要的焙烧温度并保持必须的高温焙烧时间比较困难，总的焙烧时间反而较长。因此，窑炉升温带要长些并且升温速度略慢些，控制挥发分不要过快热解产出，尽可能完全燃烧，防止这部分可燃物质的热能浪费。
另外，褐煤含可燃硫较高，焙烧产生的“黑烟”和二氧化硫气体比较严重，必须在烟气排放口安装脱硫除尘设备。这种烟气就更不能用做干燥室干燥坯体的热源，否则会对干燥室设备腐蚀损坏。如果“黑烟”很严重，可把含有可燃挥发分较多的“黑烟”抽送到高温燃烧带进行二次燃烧，尽可能消减“黑烟”，并充分回收利用和节约能源，提高褐煤的燃烧效率。
有的褐煤含有硫酸镁、硫酸钙等可溶盐，还容易造成制品泛霜等缺陷。
（4）煤矸石内燃料对烧结砖焙烧的影响和作用煤矸石是煤矿建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选生产过程中排放的干基灰分>50%的岩石，是煤炭行业生产排放的固体废弃物。煤矸石主要成分是灰分，含量在一半以上，固定碳少，发热量低。并含有金属化合物、非金属矿物、黏土矿物较多，有的含有机腐殖质，有的含硫较高。
国家标准GB/T29162《煤矸石分类》是把煤矸石依据GB/T212《煤的工业分析方法》，按其灰分、含硫量和矿物质成分含量分类的。其中按灰分产率分为低灰煤矸石（灰分产率≦70%）、中灰煤矸石（灰分产率70～85%）、高灰煤矸石（灰分产率≧85%）。
砖瓦生产一般还要根据煤矸石中岩石矿物的组成特征将其分为黏土质煤矸石（含有高岭石、伊利石等黏土矿物50%以上）、碳泥质煤矸石、砂质煤矸石、砂岩与石灰岩质煤矸石（砂岩与石灰岩质煤矸石不适于制砖）。烧结砖生产一方面利用煤矸石含有的碳作为内燃焙烧燃料，同时利用它的硅酸盐矿物作为制砖原料，既当原料又当燃料。
煤矸石种类繁多、成分复杂，变化较大。具体使用时要检测发热量、挥发分、灰分的含量，以及其他矿物成分、化学成分后，根据检测的具体情况合理掺配。如果煤矸石挥发分高（挥发分大于15%）且混有煤炭发热量也较高（发热量大于1000×4.2kJ/kg），其燃烧特点类似于烟煤，选用的焙烧隧道窑可以适当短些，焙烧周期相应短。相反，选用的隧道窑应当长些，类似于内掺无烟煤的焙烧特点。
（5）粉煤灰、炉渣内燃料对烧结砖焙烧的影响和作用粉煤灰和炉渣都是煤炭燃烧之后的余烬，是工业生产使用煤炭燃烧后的固体废弃物。其中粉煤灰是从煤炭燃烧后的烟道中收捕下来的粉末，炉渣是剩留在燃烧器里的粗渣。因为这类废渣是已经经过锅炉高温燃烧过的残渣，它们的最主要的特点是挥发分很少，几乎为零；固定碳较少，发热量低；灰分多。如果是干灰、干炉渣水分很少；如果是湿灰、湿渣则水分很多。粉煤灰含有莫来石、α-石英、钙长石、硅酸钙、生石灰、无水石膏、赤铁矿和磁铁矿晶体矿物等。非晶体矿物为多孔玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上。比较轻，堆积干密度一般为550～700 kg／m3，颗粒比较细小且均匀，灰白色。
炉渣的成分和性能特点基本和粉煤灰相同，只是颗粒粗且大小不均匀，有的含硫酸钙较多。
粉煤灰、炉渣类内燃料，掺到坯体里焙烧燃点较高，燃烧升温过程很慢。这类工业废渣没有可塑性，掺配到原料里会大大降低坯体的可塑性，使坯体成型困难。因此一般不可能内掺太多，往往达不到全内燃的程度，还要窑外补充投放其它燃料。对内掺粉煤灰类焙烧的窑炉，在设计建造时，一定要将隧道窑建的长些，焙烧周期适当延长。窑外投燃料尽量选用烟煤、褐煤，以弥补粉煤灰、炉渣的燃烧缺陷。
（6）生物质内燃料对烧结砖焙烧的影响和作用生物质燃料指农林三剩物的统称，即采伐剩余物：树枝、树皮、树叶、树根和稻谷、稻草、玉米秆、玉米芯等柴草；造材剩余物：指造材截头；加工剩余物：指板皮、木竹截头、锯沫、碎木板、刨花、小木块、边角余料。
生物质燃料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，含有碳、氢、氧及极少量的氮、硫等元素。生物质燃料的水分因其干腐程度不同差别很大，少的5% 以下，多的超过20%。可燃性的挥发分很高，平均60～80%；固定碳较少；灰分也不多。发热量差异很大，平均3500×4.2kJ/kg(含水率10%时)。燃点很低（150～200℃），燃烧快，不耐烧，达到最高焙烧温度的温升速度慢，时间长。
生物质燃料作为焙烧内掺料必须粉碎很小（比如锯末），或者加工挤压固化为成型细小颗粒，否则会严重影响坯体成型质量。内掺的生物质燃料颗粒燃烧后会在制品中留下许多小孔，这些小孔降低制品的密实度和强度，减轻制品密度，增加制品的吸水率，同时可以提高制品的保温性能和隔音性能。一般把生物质成型燃料作为外燃料使用效果更好：投料方便，发热量大，清洁卫生，不污染环境，废气污染非常少，二氧化硫排放不到煤的5%，可大大减轻大气环境污染。尤其是经过炭化后燃烧，燃料热能利用率可达90%以上。
使用生物质燃料焙烧砖瓦一定要控制窑炉内空气的流速，防止流速过大把可燃的挥发分吹跑。隧道窑可适当短些，码窑密度应相对稀些，增加坯体和空气的接触面积和空气的流通面积，采用空气低流速大流量的燃烧方式，保证所有可燃挥发分完全燃烧。
3. 选用固体内燃料焙烧中的注意事项
在实际生产过程中，根据各种不同内燃料的成分和燃烧性能的特点，选用固体燃料内燃焙烧应该注意以下事项：
（1）不论采用哪种固体内燃料，对该燃料进行发热量的检测的同时，还必须进行工业分析，测定该燃料的挥发分和水分、灰分、固定碳。特别是挥发分，它的含量多少明显影响内燃焙烧的速度、焙烧周期、产品焙烧质量和对环境污染的影响；
（2）必须按检测的内燃料发热量和工艺确定的焙烧内燃程度（全内燃、部分内燃或超内燃），确定内燃焙烧要求的热值，确定原料和内燃料的合理比例，准确掺配内燃料量；
（3）因为在窑炉里焙烧的是含有内燃料的混合料制成的坯体，不是燃烧单纯的内燃料。内燃料所含的挥发分掺在混合料中之后，混合料中挥发分的产率要比内燃料降低，所以必须把混合料坯体视为燃料一样，按照国家标准GB/T212《煤的工业分析方法》进行成分的检测分析，测定混合料坯体的挥发分含量，根据混合料坯体的挥发分、发热量等成分和性能确定焙烧工艺制度；
（4）尽可能选用挥发分在30以上%的内燃料，并且内掺燃料后混合料的挥发分在10%以上。挥发分适当较高的坯体焙烧周期相对可以缩短1～5h。例如：河南偃师某砖厂的两条内宽3.6m、长120m的焙烧隧道窑日产普通砖高达45万块，就是选用了挥发分30%多的内燃料（发热量1500×4.2kJ/kg），比原先内掺挥发分10%的内燃料（发热量1500×4.2kJ/kg）的窑车进窑间隔时间缩短10分钟左右，焙烧周期由原35小时左右缩短为不到30小时。焙烧周期虽然缩短，但升温速度快，只是缩短了预热升温带，而高温焙烧带不变，对制品烧成没有大的影响；
（5）如果是全内燃焙烧，尽量选用发热量2000×4.2kJ/kg左右的内燃料较好。发热量太低，需要掺配的内燃料比例要多，容易降低原料的可塑性，影响坯体成型质量；发热量高的内燃料价格较高，影响企业生产成本和经营效益；
（6）在实际产生中严格认真控制内燃料，准确掺配。固体燃料检测报告提供的燃料发热量是按质量计的发热量，如果实际生产采用的也是按原料和内燃料的质量比例混合掺配（比如皮带秤计量给料），那可以直接使用报告提供的发热量计算内燃料掺配量。但要注意实际使用内燃料的水分可能和工业分析的水分不一致，则需要根据水分变化调整掺配量。
如果实际生产是按原料和内燃料的体积量掺配混合，还必须按原料与内燃料的密度，将质量混合比例换算为体积混合比例；
（7）各种固体内燃料的可塑性都很差，有的甚至没有可塑性，无论掺配多少都会降低原料的可塑性，影响坯体成型（内燃料中含有蒙脱石矿物例外，蒙脱石会提高原料的可塑性）。实际生产应该尽可能将其颗粒粉碎至2mm以下。内掺燃料颗粒越细小，会加大坯体中内燃料和空气接触的比表面积，燃料热阻本身也减小，可以降低燃点，有助于燃料的快速、充分燃烧而缩短焙烧周期，还可减轻制品压花和黑心等缺陷；
（8）内掺的固体燃料必须和原料充分混合，搅拌均匀。特别是内燃料和基本原料颗粒大小差异相对悬殊时，两种物料在生产线各环节的运行过程中，会因大颗粒和小颗粒受到重力（或挤压力、离心力等）作用的大小差异较大，很容易分别离散而各自聚集到一起，破坏了混合料颗粒混合的均匀程度，造成颗粒离析现象，影响坯体成型和产品质量。因此必须使内燃料的颗粒大小和原料颗粒的大小基本一致，保证级配合理。
另外，在内燃料和基本原料密度差异相对悬殊时，即便是两者颗粒粒径差异不大，但质量相差很大。比如粉煤灰（密度700kg/m3左右）和页岩、煤矸石类（密度1300kg/m3左右）的混合料，两类物料的密度相差约1.5～2.0倍。这样两类物料的混合料在生产环节运行过程中，会因同样大小的颗粒轻的轻、重的重而受到的重力（或挤压力、离心力等）作用不同，轻颗粒和重颗粒分别离散各自聚集到一起，破坏了混合料的均匀程度，造成另外一种颗粒离析现象，影响坯体成型和产品质量。因此，除采用搅拌机等一般混合设备外，还必须采用轮碾机等强力混合搅拌设备将其混合均匀；
（9）新设计建造砖瓦焙烧窑炉、确定焙烧工艺制度时，除考虑原料各项性能、产品规格型号和产量等条件与要求以外，还必须注重内燃料和混合料的成分及燃烧特点对焙烧产生的影响和要求，综合设计建造窑炉和确定工艺焙烧制度，特别全内燃焙烧和超内燃焙烧。例如，某设计院为山西阳煤集团太原化工新材料公司设计的页岩、粉煤灰、炉渣二次码烧烧生产线的最初方案，是选用长度为141.2m焙烧隧道窑。
后来考虑到内燃料是化工厂的粉煤灰和炉渣，挥发分几乎为零，燃点高、燃烧慢，又为超内燃焙烧，在对原料、燃料检测、化验后，重新设计的施工图确定隧道窑长度为191.8m，加长了36%，并改进和增加了其他窑炉辅助系统；
（10）内燃料如果变换，应及时检测新内燃料的成分和各项性能，按新内燃料的成分和性能调整内掺比例，同时修改或调整焙烧方式、焙烧周期、焙烧温度曲线，以及送风、排烟、抽余热等各项相关工艺制度。内容来源于百度