粉煤灰是火力发电厂排出的工业废渣，主要产物是电厂旋风式煤粉炉燃烧后残留的煤灰，煤灰的理化性质与所用煤的品质（细度、水分、发热量），所采用煤粉炉特性有关，对于优质煤粉燃烧形成的粉煤灰或普通品质燃煤在特性优良的燃烧炉形成的粉煤灰，由于燃烧比较充分，烧失量较低，颗粒也较细小，这部分灰经分选后作为Ⅰ级灰或Ⅱ级灰被广泛用作水泥混合材料用于水泥生产，但是对于较差煤种或特性较差的燃烧炉所形成的粉煤灰，因其机械燃烧不完全，大多是细度较粗、烧失量较高，这种灰作为混合材用于水泥生产比较困难，但利用其化学成分的校正特性和残余可燃物发热特性，将其用于水泥配料可大大降低熟料生产能耗。山水集团潍坊山水水泥公司从2008年开始使用昌乐热电厂排出的低品质粉煤灰进行水泥配料生产，取得了吨熟料标准煤耗下降5.1kg标煤，吨熟料发电量提高2.51kWh的技术效果，为公司和社会创出了显著的经济效益和社会效益。为表明使用低品质粉煤灰配料前后节能效果，现从原料使用、物料配料、熟料烧成以及余热电站运行情况变化来加以说明。
2.原燃料的使用及成分分析
在使用低品质粉煤灰配料前后，潍坊山水水泥公司所使用的主要原燃料石灰石、砂岩、铁尾矿、烧成用煤化学成分等特性变化不大，变化较大是粉煤灰。在使用低品质粉煤灰配料之前生料制备采用石灰石、砂岩、铁尾矿、优质粉煤灰四组分配料；在使用低品质粉煤灰配料之后，生料配料改用石灰石、砂岩、铁尾矿、低质粉煤灰四组分配料。原燃料成分分析情况如下：
2.1原料化学成分
在使用低品质粉煤灰配料前后物料化学成分见下表1。
表1.原料化学成分
物料名称
Loss
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
∑
石灰石
40.09
6.54
1.62
0.96
48.73
1.21
99.16
砂岩
1.93
85.72
6.81
1.46
0.26
0.43
96.61
铁尾矿
-0.70
58.07
1.00
33.64
1.85
2.25
96.11
优粉煤灰
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
从表中看到：劣粉煤灰烧失量较高，内含大量的固定碳，说明具有一定的发热能力，根据分析，低品质粉煤灰发热量为3350～4200kJ/kg，平均为3770 kJ/kg。另外劣粉煤灰在校正Al2O3同时可提供SiO2量和Fe2O3量，相应减少砂岩用量和铁尾矿用量，这对于合理使用原料和提高磨机能力具有一定积极作用。
2.1.2煤工业分析
在使用低品质粉煤灰配料前后烧成用煤工业分析见下表2。
表2.煤的工业分析
阶段
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
因使用低品质粉煤灰配料后，低品质粉煤灰的烧失量和化学成分变化较大，因此物料配比发生了变化，其使用低品质粉煤灰前后配比变化情况见下表3所示。
表3.使用低品质粉煤灰前后物料配比
阶段
石灰石(%)
砂岩(%)
铁尾矿(%)
优粉煤灰(%)
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
从表中看到：劣质粉煤灰使用量要比优质粉煤灰高4.6－3.9＝0.7百分点，相对提高18%，说明改用劣粉煤灰后其综合利用废渣能力得到增强。另外，应用低质粉煤灰配料后，每生产1t熟料所需生料中可多带入212.0MJ/t，相当于带入7.2kg标煤/t热量。
3.熟料产量及煤耗变化
根据生产统计，应用低质粉煤灰后窑系统工作正常，没发生因配料改变出现结圈、结大块、预热器结皮、堵塞等不正常现象，应用低质粉煤灰配料期间熟料产量没有发生改变，说明低质粉煤灰对熟料生产没有不良影响。但是低质粉煤灰带入的可燃组分进入预分解系统后，先与预热器中过剩O2氧化燃烧放热，用以提高废气温度进而提高生料预热程度，然后再进入分解炉继续燃烧用以碳酸盐分解。由于低质粉煤灰中可燃物质燃烧替代了部分燃料，因此应用低质粉煤灰配料后熟料烧成标准煤耗由应用前的117.14kg标煤/t降至应用后的112kg标煤/t，烧成煤耗下降5.1kg标煤/t，占低质粉煤灰带入热量的71.0%。其余热量用于加热废气，然后被废气带走，这部分热量占低质粉煤灰带入热量的29.0%。
4.水泥窑余热发电能力变化
使用劣质粉煤灰后，所带入的29.0%热量即约2.1kg标煤/t用于加热废气。理论计算该部分热量可使2500t/d水泥窑废气温度升高15～25℃。实际过程要比我们想像得复杂，因为不仅熟料烧成热耗下降值有波动，而且粉煤灰烧失量稳定度、化学成分的稳定度也有波动，再加上C1筒效率、预热器漏风率、表面散热等因素，因此实际窑尾C1A/C1B出口温升值要比理论计算值低一些，这可从实际运行的中控操作画面上看到：使用前C1A/C1B出口废气温度为(310～316)℃/(316～324)℃，使用后C1A/C1B出口废气温度为(323～329)℃/(327～336)℃，平均温升约为10～15℃。
因废气温度升高引起的发电量增加可通过余热电站发电量修正计算公式进行计算，对于2500t/d水泥窑，当废气温度升高10～15℃时，每小时可产生：23kWh/℃×（10～15）℃=230kWh～345kWh发电量，平均为288kWh。
5.经济效益分析
应用劣质粉煤灰替代优质粉煤灰进行水泥配料后，由于配比改变、熟料烧成煤耗降低、发电能力提高，水泥熟料生产成本也将发生改变，其变化情况见下表4所示：
表4.采用劣质粉煤灰替代优质粉煤灰后水泥熟料生产成本变化
序号
项目
应用前
应用后
前后变化
(元/t)
定额
(t/t)
单价
(元/t)
成本
(元/t)
定额
(t/t)
单价
(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
砂岩
0.0828
34.50
2.86
0.0835
34.50
2.88
1.3
铁尾矿
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
核减发电(kWh/t)
40.0000
0.50
20.00
42.5135
0.50
21.26
1.26
4
合计
90.58
86.03
-4.56
潍坊山水水泥公司利用其化学成分的校正特性和残余可燃物发热特性用于水泥配料全年可综合利用工业废渣：0.0711t/t×88万t=6.3万t，节约煤炭：(0.1307 t/t -0.1367 t/t)×880000t=5277t，多发电：(42.5135 kWh/t -40.0000 kWh/t)×88万t=221万kWh，吨熟料生产成本下降4.56元，全年可为公司节约成本费用401万元。
6.结论
我国热电厂分布较广，装机一般较小，机械燃烧不完全问题比较突出，根据测定热电厂所排粉煤灰热含量高达3350～4200kJ/kg，潍坊山水水泥公司利用其化学成分的校正特性和残余可燃物发热特性用于水泥配料取得综合利用工业废渣和降低熟料生产成本的双重效益，为劣质粉煤灰在水泥窑中应用开辟了新的途径。
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