一种替代燃料、同时生产高压蒸汽和煅烧水泥熟料的方法和 设备 【技术领域】
本发明涉及一种替代燃料、在高温锅炉中同时生产高压蒸汽和煅烧水泥熟料的方法，涉及可由该方法生产的水泥熟料、涉及实施该方法而设计的设备、涉及该设备的应用、还涉及由这种水泥熟料制得的水泥。背景技术
高温锅炉是常见的热力供应设备，燃料在炉膛中燃烧，使其高温区的温度至少为900℃，蒸发出的高温高压蒸汽供应给热力用户如热力电厂供发电用。高温锅炉通常包括燃煤、燃油和燃气高温锅炉较常见；而在煤较易获得的地方则常采用燃煤高温锅炉。由于火力发电目前仍然是电力生产的一个主要方式，还由于这些高温锅炉的高压蒸汽生产能力大，传热系数和热效率都较高，例如对煤粉炉而言，热效率可达到90％或更高，故这三类高温锅炉得到广泛采用。
这三类高温锅炉的结构基本相同，但随燃料地不同，对燃料的处理、运输方式及对燃烧后烧余物的处置方式有些不同，因此设备的配置有些区别。举例而言，煤粉锅炉使用最早、且仍是最常见的高温锅炉，其主要流程和设备见图1。从图1中可以看出，煤粉炉主要由以下几个子系统组成：原煤配料系统(包括1、2、3)、煤粉磨制系统(包括4、5、6)、煤粉供应和燃烧出热系统(包括7、8、9、10)和副产物处理系统(包括11、12、13)。其中的关键设备是煤粉锅炉(9)。煤粉经喷咀喷入炉膛内，呈高度分散的悬浮湍动状态，在炉膛燃烧区与900-1700℃的高温气流相遇后，急剧升温并燃烧放热；煤粉燃烧而使锅炉中产生的高温高压蒸汽可直接用于推动涡轮机或其它动力、热工设备如发电设备。煤粉在炉膛高温区内的平均停留时间一般为2-10秒，形成的粉煤灰随烟气流离开炉膛。离开炉膛时烟气的温度约为1000-1200℃，进入含尘烟气输送通道，在其中与供汽、锅炉供水、供风等设施进行间接换热，在1-5秒内均匀而迅速地冷却至200℃以下，然后进入电除尘器(11)，粉煤灰即被收集下来。另处，沉落于炉膛底部的炉渣经水淬急冷后由扒渣机卸出。煤粉在锅炉中快速燃烧放热、生成的烟气和粉煤灰渣迅速冷却；收集的粉煤灰通常用水力输送到专门修建的堆灰池(13)中堆置，或用气力输送到储库中储存；大量的粉煤灰除掉后，仍含少量粉煤灰灰尘和一定量SO2的废气排入大气中。与传统水泥窑炉相比，其它燃煤高温锅炉也具有相似的热工条件。
燃煤的旋风炉的基本构造和操作流程与煤粉炉的基本相同，只是煤粉不是如在煤粉炉中那样在炉膛中呈悬浮湍动状态，而是受风力引导而沿炉壁作螺旋前行运动，其在炉中900-1700℃的高温区中的平均停留时间一般为约3-15秒钟。
流化床炉与煤粉炉的不同之处主要在于，在炉膛中流态化悬浮燃烧的不是煤粉，而是有一定颗粒尺寸如直径为0.6-1.2cm的煤颗粒，它们逐层燃烧、剥灰直至燃烧完全，颗粒在炉膛高温区中的平均停留时间为15-30分钟。
链条炉则是使用较大尺寸的煤块，用链条传送带水平传送到并缓慢通过炉膛燃烧区，在其中鼓风燃烧，烧余的煤灰随链条传送带带出炉膛并作后处置。煤块在炉膛高温区的平均停留时间一般为2-5分钟。
对于燃油和燃气锅炉而言，其结构和流程就相对较为简单，因为其中不再需要煤的粉磨和/或预制及输送装置。燃料油或燃料气从库中取出，经计量后可直接泵压，经喷咀喷入炉中燃烧，也不再需要灰渣收集和后处置系统。
这一类高温锅炉具有共同的特点是，其炉膛高温区的温度高、高温区域较大且均匀；同时，燃料从进入到离开高温区的停留时间较短，在炉膛中的分散度较高且均匀燃烧(链条炉除外)。这些特点能为煅烧水泥熟料提供极为有利的热工条件。
另一方面，水泥是建筑工业的三大基本材料之一。最常用的为硅酸盐系列水泥。其国家标准见GB175-1999。
按常规方法，常规水泥熟料生产的主要原料为石灰石、粘土和铁粉，锻烧所用的燃料主要为煤。常规水泥熟料中的矿物组成主要是硅酸钙，其中的硅酸二钙(以下简称C2S相应地，硅酸三钙则表示为C3S)矿物组成通常在大于1100℃的温度下就开始生成，生料中加入矿化剂后其生成温度还可降低。水泥生产的主要环节，无论哪一种方法和窑型，均可概括为“两磨一烧”，即生料的配制和粉磨、熟料锻烧、和水泥粉磨三个基本过程。图2是一个较先进的窑外预分解干法回转窑工艺流程示意图，其中最关键的设备是锻烧熟料的回转窑。在熟料锻烧过程中，燃料和生料分别入窑，煤粉通过窑头的一个火嘴喷入回转窑内，在中心线的位置形成一支毛笔头似的火焰，其高温火焰可达1600-1700℃；主要通过对流和幅射方式传热给随窑转动而呈堆积前进的物料，物料在回转窑中的填充率为12-14％左右。这样的传热方式有两个主要的问题：一是热效率低，一般只22％左右，即使是先进的窑外预分解干法回转窑工艺，其总效率也才达到约50％，这造成燃料热值的较大浪费；第二是物料呈堆积状态，受热不均匀，导致从生料入窑到烧成熟料并冷却下来这一过程需花较长时间，一般约需1.5-2小时，窑外预分解窑也要40分钟至1个小时，这体现了“慢烧”特征；这也容易导致熟料过烧。煅烧温度很高、锻烧不均匀和过烧现象的存在，使得矿物活性受到不利影响，最终降低常规水泥熟料的质量。这都是由于在传统窑型中，物料与窑中的热工条件配合不够好，物料的传热和传质或是不足或是过度造成的。除了上述缺陷外，常规水泥生产还带来其它问题，如占用土地、燃料、原料和产品的往返运输耗费，导致环境如土地、水源、大气等方面的污染。
能否利用高温锅炉中的有利条件来煅烧水泥熟料？中国专利申请96111664.1(申请日：1996年8月14日)对此进行了有益的探索。其中考虑到煤中灰质所含的化学成分及相互比例与常规硅酸盐水泥熟料的化学成分及其相互比较为接近、但钙质成分太少这一特点，通过向煤中掺入一种以CaO为主要成分的掺烧剂，来补充煤灰质中缺少的钙质，以使烧余物中的化学元素组成尽量接近常规硅酸盐水泥熟料的化学成分，并利用煤粉炉中煤粉燃烧过程中的“速烧速冷”特性和炉膛中有利的热工条件，使掺入了掺烧剂的煤在炉中燃烧的同时，使煤灰质和掺烧剂成分之间发生固相矿化反应，在生产高压蒸汽的同时，得到具有一定水硬胶凝活性的灰渣，同时，燃煤中含有的硫也不再主要以SO2形式随烟道气排到大气中，而是被固结到水泥熟料中，脱硫率大大提高。
但是，该方法有三个明显的不足；第一，它只限于在煤粉炉中实施，因为其发明构思中的一个重要方面是利用煤灰质，它只限于在燃煤高温锅炉中实施，不能在燃油、燃气高温锅炉中实施；第二、为了在煤粉炉这样的燃煤锅炉中利用煤灰质，它虽然向煤中配入了一种主要含CaO的掺烧剂，使烧余物的元素化学组成尽量接近硅酸盐水泥的元素化学组成，以图在燃烧中这些元素之间能发生矿化反应，生成硅酸盐矿化物质，但在实际入炉燃烧过程中矿化反应程度并不高，主要表现在游离钙过高，硅质和钙质材料的较大部分仍处于分离的状态，矿化反应并不充分，灰渣的水硬胶凝活性不如所预期的那样好；第三，由于在炉膛中并未充分发生矿化反应，故矿化反应热也并未充分释放出来，未观察到生成C2S的矿化反应能放出大量的固相矿化反应热这一事实，故入炉燃烧的物料不可能以水泥生料物质为主。这三方面的原因限制了中国专利申请96111664.1中公开的技术的可应用范围。
通过长期的研究和对大型燃煤高温锅炉的实际运行状况的观察分析，发现按中国专利申请96111664.1号公开的技术之所以并未观察到大量的矿化反应放热，是因为相对含量较小的煤灰质是与煤中的碳混在一起，整体上看被碳成分包裹，它与外加的CaO之间隔了一层碳层，硅质与CaO之间不容易发生直接的接触。只有在碳层燃烧成CO2后才使煤灰质与CaO有较多的直接接触的可能，才有发生矿化反应的机会，但等碳层烧完，CaO与煤灰质可以发生直接接触和反应时，煤粉在炉膛高温区的平均停留时间已差不多用完了，煤灰质要开始离开高温区而被冷却了，因而不具备充分的、使CaO与煤灰质发生进一步固相矿化反应的高温条件；另外，生成的CaO要逃逸离开煤粉颗粒，这种逃逸作用也有妨碍CaO与煤灰质发生接触的效果。总而言之，外加的CaO与煤中含有的灰质成分难以发生直接的接触、不能充分利用高温条件发生生成C2S的矿化反应，这就能合理地解释为什么按96111664.1号专利技术实施时，烧余物中游离钙含量高，灰渣的水硬胶凝活性并不理想，以及并未观察到大量的矿化反应放热这几种现象。
基于以上认识，本发明人认为，必须改变利用煤灰质作为水泥生料的一部分的发明构思。对燃煤高温锅炉而言，必须撇开煤灰质，向煤中直接加入已配好的、以生成C2S为目的的水泥生料，以便使水泥生料中的各成分在入炉前就已有了密切的接触，在经与煤共同粉磨均匀后，直接进入或经造粒后进入高温区，有足够的接触机会和接触时间，因而可能发生主要生成C2S的固相矿化反应；并放出大量的矿化反应热。对于燃油和燃气高温锅炉而言，没有与煤粉磨的问题，只须将水泥生料粉磨均匀，与油、气燃料共同入炉燃烧即可发生大量的固相矿化反应，放出大量的反应热能。这时，在炉中煅烧水泥熟料就不再是如96111664.1号申请公开的方法那样仅是燃煤生产高压蒸汽的一个副产品，也不仅限于只在煤粉炉中才能进行，而是所有高温锅炉能同时实现的两个主要目的之一。本发明人还发现，按本发明的入炉物料只要在炉中高温区温度达到900℃以上、优选1100℃以上后，即可开始被引发燃烧和发生固相矿化反应，释放出大量的热量。在此基础上，本发明人提出了一种新方法，从而完成了发明。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是，提供一种替代燃料、在高温锅炉中同时生产高压蒸汽和煅烧水泥熟料的方法，其中的高温锅炉是指其炉膛的高温区至少为900℃、优选1100℃的燃煤、燃油和燃气锅炉。
本发明的另一个目的是，提供一套适合于实施本发明方法的设备，其主要部分是所说的高温锅炉。
本发明的又另一个目的是，提供按本发明的方法可制得的水泥熟料，及任选配入水泥辅料后制得的水泥产品。
本发明的再另一个目的是，提供现有高温锅炉在生产按本发明的水泥熟料中和/或在制造按本发明的设备中的应用。
本发明的更进一步的目的是，提供一种大量降低从高温燃煤锅炉排放的烟气中SO2含量的方法。
按本发明的一个方面，提供了一种替代燃料、在高温锅炉中同时生产高压蒸汽和煅烧水泥熟料的方法，其中将燃料送入锅炉炉膛中燃烧，使其高温区中的温度至少达900℃、优选至少达1100℃，产生的高温高压蒸汽输送给热力用户，其特征在于，向燃料中掺入一种主要包含CaO、铝质成分、铁质成分和硅质成分的水泥生料，水泥生料中的元素组成和相互比例要使其经锻烧后尽量接近以C2S为主要固相成分的水泥熟料的元素组成和相互比例，其中所说水泥生料掺烧量是燃料总重量的0.25-4倍，更优选为0.6-2倍；水泥生料要粉磨至通过0.080mm筛的筛余小于15％、优选小于10％、更优选小于6％的粒度；将水泥生料粉末与燃料密切混合并送入炉膛中燃烧，在高温区中的平均停留时间为2秒至30分钟，优选4秒至10分钟，更优选6秒至6分钟，使烧余物成分之间发生固相矿化反应，生成水泥熟料并退出炉膛。
退出炉膛后的水泥熟料可在1-5秒内迅速冷却到200℃以下并收集。
按本发明的水泥生料的用量可以为燃料重量的0.25-4倍，优选0.5-2倍，更优选0.7-1倍。
按本发明的水泥生料中还可任选包含2-9重量％的矿化剂，2-9重量％的早强剂/硫渣剂。
按本发明的方法较好是在1100-1700℃，优选在1250-1450℃，更优选在1300-1400℃下进行。
本发明方法的发明构思是在发现了下列事实后提出的：
首先，使用石灰石、粘土等生料配料的煅烧常规水泥熟料的传统窑型如立窑、回转窑要使用大约占入炉料总量为20％的煤作为煅烧水泥熟料的热源。熟料的理论热耗一般在1630-1800KJ/公斤熟料范围之内波动，平均为1715KJ/公斤熟料。
理论热耗主要用于干燥入炉物料，以蒸发掉入炉物料中含的自由水；用于使粘土物质脱去结晶水；用于使碳酸钙(CaCO3)分解成为CaO+CO2等。而熟料中固相矿物成分主要是硅酸三钙(C3S)，约占熟料的55％以上，从C2S进一步吸收CaO生成C3S的反应也是吸热反应。熟料的实际热耗大大高于平均为1715KJ/公斤熟料的理论热耗，例如先进的预分解回转窑的实际热耗约为4187KJ/公斤熟料，是其理论热耗的2.44倍，两者相差2472KJ/公斤熟料，这主要是窑的热耗散造成的，这说明在降低热耗散方面有很大的潜力可挖。当在高温锅炉中实施本发明方法时，由于以下几方面的原因，将大大降低熟料的实际热耗：
入炉物料中自由水和结晶水较少，用于干燥物料、降去水分的热耗基本节省了，下降量大约为800KJ/公斤熟料；
将用CaO代替CaCO3作为钙源，这省去了约1990KJ/公斤熟料的吸热热耗；
速烧速冷的工况使固相矿化反应生成的矿物组成主要为C2S，节省了由C2S生成C3S的吸热热耗；
高温锅炉的总体热效率达90％以上，大大高于传统窑炉的总体热效率，热耗散较低，可以省下传统窑炉的热耗散2472KJ/公斤熟料中的绝大部分。
这几项降低热耗的效果集总起来，在未考虑由C2S生成C3S所需的吸热热耗的情况下，使生成每公斤水泥熟料所需热耗至少降低约5200KJ，也即在高温锅炉中“速烧速冷”锻烧水泥熟料的过程总体上不但不吸热，反而是一个显著的放热过程。
其次，按照现有的对煅烧机理的认识，在传统窑炉中煅烧常规水泥熟料时，当入炉物料进入温度为1100℃-1250℃的固相矿化反应放热带时，发生生成C2S等的放热固相反应，放出的热量足以使该部分物料自身的温度很快升高300-400℃，这说明固相反应的放热量是很大的。
第三，在大型热电厂所使用的煤粉炉中进行工业试验时，向煤中掺入了以CaO为主要成分的一种掺烧剂时，掺入量从15％至大约30％不等，这时仍能保持锅炉中蒸汽蒸发量的高低负荷不变，炉膛不但未灭火，实际上燃烧状况良好。这说明，掺入了该掺烧剂后，含15-30重量％掺烧剂的入炉燃烧物的放热效果基本上等效于燃烧未加入掺烧剂的原煤时的放热效果。
不希望受到任何理论的束缚，本发明人认为，从上述三个事实似乎可以理解到，若在高温锅炉中煅烧水泥熟料，除了基本上省去了传统窑炉中的用于蒸发入炉料中的水份、分解CaCO3所需热耗和大量的热耗散这几个节能因素的贡献外，更重要的是，生成C2S为主的避免生成C3S的活性成分的固相矿化反应能释放出大量的反应热，其放热量与燃烧等量煤时的放热量可比。因此，释放的固相反应热可当作一种能源来利用，以下称作反应能。只不过该反应能要在按本发明的入炉物料在高温锅炉中达到900℃以上、优选1100℃以上的高温条件和足够的氧气，按本发明的水泥生料就能发生固相矿化反应，释放出巨大的反应能，成为高温锅炉中热源的主要提供者之一，甚至是主要的提供者。
按本发明的方法中，高温锅炉包括燃油、燃气和燃煤高温锅炉。在燃油和燃气高温锅炉中实施本发明较为简单，因为燃料油或燃料气燃烧后基本没有烧余物，由CaO、铝质成分、铁质成分和硅质成分配成的水泥生料中，使钙/硅比(按CaO/SiO2计)为2∶1-3.0∶1，优选2∶1-2.5∶1。将水泥生料预先粉磨，其粉末与燃料油或燃料气在入炉前混合均匀，再喷入炉内，或将燃料油或燃料气与水泥生料粉末分别喷入炉中，在炉膛内湍动混合均匀，共同燃烧放热，维持炉膛中的高温条件。烧余物收集起来，即是按本发明的水泥熟料。
燃煤高温锅炉包括煤粉炉、旋风炉、流化床锅炉和链条炉。在煤粉炉和旋风炉中燃烧的是煤粉，流化床锅炉和链条炉中燃烧的是造粒了的煤粒或煤块。在燃煤高温锅炉中实施本发明方法时，主要由CaO、铝质成分、铁质成分和硅质成分组成的水泥生料，使其元素组成和相互比例尽量接近以C2S为主要固相成分的水泥熟料的元素组成和相互比例，其中使CaO/SiO2比率为2∶1-3.0∶1，优选2∶1-2.5∶1，并粉磨到所需粒度，在向煤中掺入该水泥生料后，使其与煤混合均匀并发生密切接触，得到一种配煤粉末，在煤粉炉和旋风炉的情况下直接入炉燃烧，燃烧后剩余下来的灰渣就是水泥熟料，收集起来即可备后用。
按本发明的水泥生料中的铝质成分包括在入炉燃烧后能提供活性Al2O3的那些材料，具体的例子包括但不限于铝粉、Al2O3及其它含铝较多的工业废渣和矿物等。
按本发明的水泥生料中的铁质材料包括但不限于铁粉、Fe2O3、铁矿石及含铁较多的工业废渣等。
按本发明的水泥生料中的硅质成分包括但不限于页岩、硅石和含硅较多的工业废渣料。
在本发明范围内，以下术语具有下面给定的意义：
“水泥熟料”是指按本发明方法制得的具有水硬胶凝活性的硅酸盐类材料。
“常规水泥熟料”是指按常规方法、在常规窑炉如在立窑和回转窑中生产的水泥熟料。
“水泥生料”是指能按本发明方法制成水泥熟料的生料。
“煤灰质”是指燃煤中含有的不可挥发和不可燃的物质成分，在煤燃烧完全后，它们以煤灰渣形式残留下来。
按本发明的另一个方面，提供了一种专门用于实施本发明方法的设备，如图3所示，它包括：
一套燃料仓储及任选的均化装置；
一套用于燃料的计量装置，它上接燃料仓储装置，计量后的原料经下接的输送装置送去与水泥生料粉末密切混合和均化；
一套用于水泥生料中各原料成分的仓储装置；
一套用于水泥生料中各原料成分的计量配料装置，它上接的仓储装置，计量配料后的水泥生料送去粉磨装置；
一套水泥生料的粉磨和粉末分筛及粒度控制装置；
一套混合均化装置，它使来自燃料计量配料装置的燃料和来自水泥生料粉磨和粒度控制装置的水泥生料粉末进行密切混合和均化，必要时接入造粒装置，形成入炉配料，并下接入炉配料的输送装置；
一套入炉配料的输送装置，用于将入炉配料送入高温锅炉炉膛中燃烧；
一套高温锅炉系统，包括一套燃料燃烧装置、一套蒸汽发生和输出装置，以及
一套含尘烟气和液态渣的排出和冷却装置；
一套电收尘和炉渣收集装置；
一套灰渣形式的水泥熟料仓储装置；和
一套任选接入的水泥配料、粉磨、包装、仓储装置。附图说明
附图1是现有煤粉炉的主要设备和流程示意图。
附图2是一个用于生产水泥熟料的常规窑外预分解干法回转窑工艺流程示意图。
附图3是按本发明方法的主要设备和流程的示意图。
附图4是在煤粉炉中实施按本发明方法的一个实施方案的流程示意图。
【具体实施方式】
下面以热电厂用的煤粉炉为例，说明本发明方法在燃煤高温锅炉中实施时的一些具体步骤和其结果。
中国专利申请96111664.1中公开了利用煤灰质作为煅烧水泥熟料的主要物料，再掺入主要为CaO、并包括少量其它辅助掺烧剂如晶种、矿化剂和早强剂等的所谓“AMC”掺烧剂来形成配煤混合物，在煤粉炉中同时生产高压蒸汽和水泥熟料的方法。如其说明书中所述，该方法只限于对煤灰质的利用，其中要解决的三个主要问题是：第一、如何使从煤粉炉中以灰渣形式排出的产物的化学组成尽量接近预期水泥熟料的化学组成；第二，如何使粉煤灰中的化学成分发生固相反应，大量生成具有较好水硬活性的矿物成分；第三，如何保证在煤灰质与掺烧剂各成分发生固相反应时，不吸收煤粉燃烧时放出的热量，以保证炉膛高温条件，保证锅炉出热能力不降低。它所采用的技术解决方案是，根据煤灰质的含量和化学成分的分布，向煤中配入一种“AMC”，其中含有以CaO为主的富钙物质和任选其它辅助掺烧剂如晶种、矿化剂和早强剂，“AMC”的用量要使得配煤混合物燃烧后得到的速烧水泥熟料中CaO含量(都以CaO％表示)为20-70％(基于得到的水泥熟料的重量计)；将这种配煤混合物充分混匀并磨细，其粉末粒度应达到通过0.008mm筛的筛余小于30％；将这种配煤混合物粉末喷入炉膛内，使其在1300℃以上的高温区充分燃烧，同时灰质间发生矿化反应，得到水泥熟料。
但在煤粉炉中实施本发明方法时，有以下几个方面不同于96111664.1号申请中的方法。
—按本发明的水泥生料不同于所说的“AMC”；
利用煤灰质作为水泥熟料的原料时所需加入的那些物料，例如CaO、晶种、矿化剂、早强剂等。“AMC”掺烧剂的总用量和其中各成分的含量要根据煤灰质的含量和化学成分的分布而定，以使煤灰分加上这部分掺烧剂后的化学组成尽量达到或接近以C2S为主要活性成分的水泥熟料的化学组成。
表1列出了常见的燃煤中灰质分布数据和掺入“AMC”掺烧剂后实际达到的组成和各成分的含量。煤中灰分占大约15-30重量％。
表1.粉煤灰的和经“AMC”掺烧剂调整后预期的化学组成(重量％) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 R2O 残炭粉煤矿 33.9-59.7 16.5-35.41.5-15.40.8-10.40.7-1.8 0-1.1 0.7-3.3 1.0-23.5调整后 25-30 5-12 3-5.5 50-65 ＜1 ＜0.5 ＜1.2 ＜3常规水泥熟料 20-24 4-7 3-3.5 62-68 ＜5 ＜1.3
从表1中列出的粉煤灰的组成和含量分布数据可见，“AMC”掺烧剂中只需主要含CaO，以用于调整CaO/SiO2比率至大致为2或略高；
而在按本发明的方法中，根本不考虑煤灰质的利用问题，向煤中加入的是按本发明的水泥生料，它主要由CaO、铝质成分、铁质成分和硅质成分组成，各成分的含量应基本上达到如表1第四行中所列的各成分含量范围，但应调整其CaO/SiO2比例大约为2或略高；水泥生料的用量可以为燃煤重量的0.25-4倍之间。
按本发明的水泥生料还可任选包含2-9重量％矿化剂，2-9重量％的早强剂/焦渣疏松剂。 ——按本发明的方法只需要求在其高温区在900℃以上、优先
1100℃以上的燃煤锅炉中操作；
这种燃煤锅炉可包括煤粉炉、旋风炉、流化床炉和链条炉，利用其炉膛高温区可达到的至少900℃以上、优选1100-1700℃、更优选1250-1450℃、最优选1300-1400℃的温度范围，可使发生的矿化反应主要为生成C2S的放热反应，通过控制物料的CaO/SiO2比率等于或略高于2、控制反应温度不太高和停留时间一般不超过10分钟来尽量抑制C2S吸收CaO而生成C3S的反应。
图4是在煤粉中实施按本发明方法，同时生产高压蒸汽和锻烧水泥熟料的一个流程示意图。
按照图4，原煤在预均化堆场(13)进行预均化，以保证煤质稳定，经原煤储仓(1)和微机配料(2)而计量进入输送机(3)；水泥生料经其原料堆场(14)进入其料仓(15)，经微机配料(16)计量送入水泥生料预磨机(24)，然后再进入输送机(3)，在此配入原煤中，形成配煤混合物；该配煤混合物进入配煤混合物粉磨机(4)及粗粉分离器(5)，在此粉磨至所需细度；配煤粉进入旋风分离器(6)，再经配煤粉储仓(7)和配煤粉给煤机(8)，用一次风送入煤粉炉(9)的炉膛中燃烧、反应；锅炉出热送给热力用户如发电设备(10)，含尘烟气经电除尘器(11)收尘，废气放空；而以炉渣形式收集下来的和以粉尘形式收集下来的水泥熟料共同进入水泥熟料库(12)；这种水泥熟料既可直接销售出厂，也可进选接入的虚线框内的系统，配制成水泥成品后销售出厂。虚线框内的系统包括混合材及石膏料仓(17)、微机配料(18)、水泥粉磨机(19)、水泥储库(20)、水泥散装(21)并出厂、袋装水泥包装机(22)、水泥成品库(23)，袋装成品由此出厂。
将图4与图1对比可知，它的流程主要部分与现有煤粉炉的基本相同。但按本发明的方法，流程中增设了：水泥生料的堆储、配料及预磨系统；原煤预均化堆场；在流程的后部取消了原来的粉煤灰输送及堆灰池系统，增设了水泥熟料库，还可任选包括水泥的配料及粉磨、包装和仓储系统。另外，在与原来煤粉炉设备基本相同的部分中，需增加磨煤机的处理能力，以适应对加入了水泥生料后进行粉磨的需要，同时需适当调整钢球配比，以满足本发明对粉末细度的要求；必要时还需调整炉膛的尺寸和结构参数，使粉末在炉膛内900℃以上、优选1100℃以上的高温区的停留时间不少于2秒、优选不少于4秒、更优选不少于6秒。这样使配煤物在高温区内有足够的燃烧和发生矿化反应的时间，以满足同时生产高压蒸汽和锻烧水泥熟料的需要，获得最大的技术经济效益。
若利用现在煤粉炉来作为主要设备实施本发明的方法，则其主要流程仍同图4。为了节省篇幅，在此不再逐一叙述各装置及物料的流程。这种通过对现有设备进行技术改造后形成的设备的重要优点在于，充分利用了现有设备，只需少量投资对少数几个子系统进行改造，甚至利用省去的、过去每年需花费的粉煤灰输送和增扩建堆灰池的费用，就可以实现在现有煤粉炉中同时生产高压蒸汽和锻烧水泥熟料的目的。另一个重要优点在于，现有煤粉炉的成熟的操作和维护经验可以完全运用于本发明方法中，设备的运行可靠性好。
按本发明同时生产高压蒸汽和煅烧水泥熟料的方法赋予了按本发明得到的水泥熟料一些新的物化特性。通过对若干典型样品进行X-光衍射分析，所得结果表明，按本发明的水泥熟料显示了硅酸盐矿物相的X-光衍射特征，尤其是其中C2S占主导地位；对由它们制得的水泥的物理性能检测结果表明，这种水泥同时具有早期强度和晚期强度都高的特点。这表明它具有以C2S为主要活性成分的贝利特水泥的新特点。
由于本发明方法中加入的水泥生料能利用炉膛中的高温条件而锻烧，发生大量放热的固相反应；还由于按本发明对配煤混合物进行充分粉磨，所达到的细度有利于煤的充分燃烧。这两个方面的放热效应使得煤耗可显著降低，节煤率可达20-80％。
按本发明得到的水泥熟料具有良好的水硬活性，由其作为唯一活性成分或作为主要成分(例如它占水泥产品总重量的65-95％)制成的水泥产品符合GB175-1999标准，其等级达325#以上，较好的达425#以上。
按本发明的方法还具有良好的固结硫成分、降低烟道气中SO2含量的脱硫效果，因为在配煤混合物在高温区燃烧时，煤中含的硫成分易于与CaO和其它成分发生反应，生成硫酸钙(CaSO4)、无水硫铝酸钙(4CaO 3Al2O3 CaSO4)和氟硫硅酸钙(3C2S 3CaSO4 CaF2)等矿物质，使过去以SO2形式随烟气排入大气的硫大量地固结转移到灰渣中来，成为有利无害的物质。经检测，脱硫效果可达到80％。
本发明具有突出的优点：
首先，它开辟了一条在高温锅炉中替代燃料、同时生产高压蒸汽和煅烧水泥熟料及脱硫的新工艺。按本发明，只要是其高温区达900℃以上、优选1100℃以上的高温锅炉，都具备实施本发明方法的基本条件。现在生产水泥熟料既不限于在传统窑炉中进行，也不必如96111664.1号申请那样，只能利用煤粉炉或旋风炉、只限于将煤灰质作为生产水泥熟料的主要原料物质加以利用。按本发明，所有燃油、燃气和燃煤的高温锅炉均可用于实施按本发明的方法，这大大方便了缺煤而油气燃料易于得到的地区生产制备水泥熟料；即使在燃煤高温锅炉中，也不限于利用煤灰质、再掺入缺少的钙质作为煅烧水泥的原料，它可直接将水泥生料送入高温锅炉中同时生产高压蒸汽和煅烧成水泥熟料。按本发明的方法生产的水泥熟料已证实是C2S为主要活性成分的贝利特型水泥熟料，这是一条以更大的工业规模来生产优质贝利特水泥的新途径。
其次，按本发明方法能产生非常显著的部分替代而节约燃料的效果。与常规的水泥熟料的生产工艺相比，按本发明的方法充分利用高温锅炉的有利热工条件，利用其中的高温场和水泥生料成分间已存在的密切接触来引发矿化反应，一旦发生了固相反应，则能向炉膛中释放出大量的反应能，这种反应能可以部分替代燃料的燃烧放热，再加上这种锅炉的高热效率，不再需分解CaCO3及可避免C2S继续反应生成C3S的吸热、残炭显著下降等因素，使得常规的水泥熟料生产所需的燃料消耗量可完全省掉。相对于96111664.1号申请中的方法而言，按本发明方法突破了其中的“AMC”掺烧剂组成和掺烧量只能适应利用煤灰质的需要这一限制，按本发明的水泥生料加入量可显著增加，因而对固相反应能的利用率增大了，相应地节约燃料的效果也增大了。
第三，按本发明方法还可极大地消除污染。首先是常规水泥熟料生产中的污染大大降低了；其次尤其是燃煤锅炉的粉煤灰污染消除了，向空气中排放的SO2量大大地降低了。这体现了对能源和资源的综合利用，极为有利于环境保护。
第四，按本发明在高温锅炉中同时生产高压蒸汽和煅烧水泥熟料的方法具有极大的技术经济优势。首先是省去了传统的水泥熟料生产设备，高温锅炉的制造和操作均有成熟可靠的经验，既安全又高效；再者是省去了传统的水泥熟料生产所需的燃料消耗，也能节省高温锅炉正常操作所需的部分燃料。综合这几个因素，生产单位电能和单位重量水泥熟料的成本将显著下降，具有很强的竞争力。
下面结合实施例对本发明进行较详细的说明。应当注意，这些实施例仅用于说明的目的，而不构成对本发明的限制。本领域普通技术人员可以根据说明书的叙述，对本发明的实施方案作出改变或改进，但这些改变或改进均落入后附的本发明申请权利要求书所限定的保护范围之内。
实施例1
本实施例在进行本发明的方法的专用设备中进行。它为一种煤粉炉，其流程图见图4。其中锅炉膛高温区温度可达1100-1500℃，配煤混合物在炉膛内的停留时间为6秒以上。所用的煤含约15％的煤灰质，煤灰质的化学分析结果列于表2中。按本发明的水泥生料的组成列出于表2第4行，其中使CaO/SiO2之比大约为2.2，每公斤燃煤所需水泥生料的量也列于表2中。表2 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 其它辅助 掺烧剂3) 用量 (公斤) MgO+烧 失量粉煤灰分析 1.5％ 63.2％ 18.0％8.3％ - 0.15 1.6+4.9 “AMC”掺烧剂 85％ 6％ -- 9％ 0.29按本发明的水泥生料 55％ 25％ 5％1)3.5％2) 11.5％ 0.421)铝粉；2)铁粉；3)包括矿化剂、早强剂/焦渣疏松剂。
由表2数据可知，每公斤燃煤中加入的水泥生料的组成与C2S水泥生料的组成近似，见表2中第4行。当设计使配成的煤中不可燃物总含量达到40％时，水泥生料的加入量约为0.42公斤，占配煤重量的大约30％。由于在配制水泥生料时不考虑煤灰质，故配煤物燃烧后，原有的煤灰质作为水泥熟料中的填充料存在。
如图4所示，将经微机计量后的原煤与从水泥生料料仓计量送来的经预磨的水泥生料混合，送至粉磨系统磨至经4900孔/cm2筛的筛余于小6％的细度，得到配煤粉，它经配煤粉给煤机、随一次风一起吹入按本发明设计的煤粉炉炉膛中燃烧，燃烧放热形成和维持约1100-1500℃左右的高温区，这种高温迅速引发配煤中水泥生料成分之间的矿化反应，释放出大量的矿化反应能。这些燃烧放热和反应能生产的高温高压蒸汽送给热力用户，而形成的水泥熟料主要随烟气离开炉膛，在1-5秒钟之内迅速冷却到200℃以下，然后进行电收尘，另一部分水泥熟料则以炉渣形式经水淬冷后回收。在燃烧过程中，观察到炉膛发亮，说明燃烧状况良好。将这两部分水泥熟料送至水泥熟料库，在不同时间取3个样品进行分析，得到的成分分析结果列于表3。将这3个水泥熟样品与5％石膏混合，再经水泥粉磨机粉磨之后，制成水泥，其性能测试结果列于表4。
实施例2
本实施例在天津陈塘热电厂液态排渣旋风炉1号炉上进行，其水蒸发量为220吨/小时。试验中采用了如实施例1所说的煤和按本发明的水泥生料配方，但其加入量为每1公斤燃煤加1公斤水泥生料。原来的设备不变，只是将预先粉磨到经过4900孔/cm2筛的筛余于小6％的水泥生料粉末按比例加入原煤输送带，与煤一起送至磨煤机一起粉磨，使之混合均匀，成为配煤粉料，然后用压缩空气将配煤粉料送入已点火、炉膛温度达到900℃的旋风筒燃烧区中燃烧。在给粉量维持与实施本发明前的给粉量不变的情况下，发现炉膛火焰明亮，温度比原来升高20-50℃，高温蒸汽的温度比原来有些升高，减温水的用量增大，液排渣量大大增加，排渣顺利。这说明上述配煤粉料在炉内燃烧时放出的热量比原来所用燃料放出的热量有些增加，因此产生了非常显著的节煤效果。收集其灰和渣样品，在不同时间共取3个样，混匀后送去做成分分析，结果列如表3中。同样制成水泥，其性能检测结果列于表4。
实施例3(对比例)
其余实验条件同实施例1，但按96111664.1号申请中所述方法那样，只限于利用煤中的灰质作为锻烧水泥熟料的原料。为此每公斤燃煤中只需加入如表2第3行所列的“AMC”掺烧剂0.29公斤，就可使配煤后不可燃物中CaO/SiO2比率大约为2.2。这时配煤中不可燃物含量为约34％，“AMC”掺烧剂含量为约22.3％。使这种配煤混合物入炉燃烧，然后收集灰和渣形式的水泥熟料，取样送去作成分分析，得到的结果列于表3中。同样制成水泥，其性能检测结果列于表4。表3水泥熟料的成分分析结果 CaO (％) SiO2 (％) Al2O3 (％) Fe2O3 (％) MgO (％) 烧失量 (％) 其它 (％) 实施例1 1 44.3 38.1 9.1 5.2 0.3 2.2 0.8 2 44.4 37.8 8.9 5.0 0.4 2.4 1.1 3 42.6 39.5 9.3 5.4 0.5 1.8 0.9 实施例2 1 52.4 32.7 7.3 4.5 0.1 1.8 1.2 2 50.3 33.9 8.0 4.9 0.3 1.5 1.1 3 49.8 34.2 8.3 4.6 0.3 1.9 0.9 实施例3 59.3 26.9 6.5 3.3 0.5 2.5 1.0表4 水泥产品性能检测数据 试样 初凝 (时：分) 终凝 (时：分) 安定性 抗折强度(MPa) 抚压强度(MPa) 标号 3天 7天 28天 3天 7天 28天实施例1 1 2：70 3：85 合格 3.4 4.6 7.1 14.1 21.0 42.8 425# 2 2：37 3：58 合格 3.6 4.8 7.3 15.8 22.3 43.1 425# 3 3：09 4：17 合格 3.9 4.9 7.0 15.0 21.4 42.7 425#实施例2 1 2：15 3：36 合格 4.1 5.2 7.5 19.3 29.2 44.2 425# 2 3：06 4：23 合格 3.1 3.6 6.6 16.7 18.9 41.6 325# 3 2：85 4：11 合格 3.4 4.4 7.4 20.7 31.3 43.8 425#实施例3 3：25 4：41 合格 3.0 3.5 6.4 13.8 16.8 38.4 325#