（工程热物理专业论文）水泥用低品位原料煅烧特性与燃料燃烧特性的研究.pdf

畸 k 摘要 中国煤炭资源储藏丰富，但由于中国是人i ：1 大国，煤炭资源消耗量大，事实 上中国是一个能源缺乏国家，生产量尚不能完全满足国内的消费需要。水泥工业 是我国的耗煤大户，现在国内水泥窑炉燃烧耗煤指标跟国外的先进技术相比，有 较大差距，造成了能源的浪费随着国内水泥产量的迅速增加，中国水泥的耗能 也大大增加了，水泥工业的节能技术变得极其重要了。 为了达到降低烧制水泥过程能耗的目的，本文从烧制水泥用的燃料、原料两 个不同的角度，做了分析研究。主要采用了热分析的方法，辅以灰成分分析、煤 基本参数分析等分析手段，对不同煤种、不同品位的石灰石进行分析，得出了其 燃烧特性及反应动力学状况。主要包括以下几个方面内容： 1 通过对热分析的研究，比较各种具体的热分析方法，确立了应用在研究煤 的燃烧特性以及石灰石煅烧特性上的较为合适分析方法。 2 、研究了不同煤种的着火、燃烧特性，分析了煤种、粒径、升温速率等因 素对煤的燃烧特性的影响；并对不同煤种燃烧不同阶段的活化能，以及不同煤种 的反应机理做出了判定。 3 、结合窑炉燃烧的具体情况，确定了混煤在水泥窑炉燃烧中的掺混方案， 并对混煤的燃烧特性，通过热天平做出了分析。 4 、用热重法研究了石灰石的煅烧分解特性，确定了石灰石燃烧过程中不同 转化率下的活化能值。并研究了石灰石品位、石灰石种类、石灰石粒径等因素对 石灰石煅烧分解特性的影响。 5 、通过对不同品位的石灰石配置的白生料，以及将白料与不同煤种进行混 合得到的黑料进行热分析，得出了在水泥生料煅烧过程中煤与石灰石、粘土等成 分在分解过程中的相互影响关系，并结合窑炉燃烧的具体情况作出了分析 关键词：煤水泥石灰石低品位热分析活化能反应机理 a b s t r a c t c o a lr e s o u r c e sp r e s e r v er i c hi nc h i 眦b u tb e c a u s eo ft h eg r e a tp o p u l a t i o n , t h e c o a lr e s o u r c e sc o n s u m p t i o ni sb i g s oi nf a c te n e r g yi sl a c k si nc h i mi uf a c t , t h e p r o d u c t i v i t ys t i i ic a n n o tm e e tt h ei n t e r n a ln e e d sc o m p l e t e l y mr 宅m e n li n d u s t r y c o n s u m p tag r e a td e a lo fc o a l 。n o wt h em o r ec o a li sb u r n e db yc e m e mk i i ns t o v e i n t e r n a lt h a nt h eo v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n o l o g y , a n dc r e a t et h ee n e r g yw a s t e a l o n g w i t ht h ei n t e r n a lc e m e n to u t p u tr a p i di n c r e a s e ，e n e r g yc o n s u m e db yt h ec e m e n ta l s o g r e a t l yi n c r e a s e d , t h ec e m e n ti n d u s t r ye n e r g yc o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g yc h a n g e sm o 把 a n dm o r ei m p o r t a n t i no r d e rt 0r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nd u r i n gp r o d u c ec e m e n t , i nt h i sa r t i c l et h e e n e r g yc o n s u m p t i o nc o n d i t i o ni sm s e 缸c h e d 肺mt h ef i l e ia n dt h el a wm a t e r i a lt w o d i f f e r e n ta n g l e s t h em a i n l ym e t h o dh a sb e e nu s e di nt h i sa r t i c l ei s1 1 峙t h e r m a l a n a l y s i sm e t h o d , a n da u x i l i a r yb ya s hi n g r e d i e n ta n a l y s i s ，c o a lb a s i cp a r a m e t e r a n a l y s i s ；1 1 圮d i f f e r e n ts t a t u sl i m e s t o n ea n dt h ed i f f e r e n tc o a lw e r ec a r r i e do na n a l y s i s h a so b t a i n e di t sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h er e a c t i o nk i n e t i c sc o n d i t i o n m a i n l y i n c l u d e sf o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 s t t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h et h e r m a la n a l y s i s ，c o m p a r e i n gw i t he a c ht h e r m a l a n a l y s i sm e t h o d , a n de s t a b l i s ht h ea p p r o p r i a t ea n a l y s i sm e t h o dt h a ti sa p p l i c a t e di n r e s e a r c h i n gc o a l c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ca sw e l la st h el i m e s t o n eb u r n i n g c h a r a c t e r i s t i c 2 n d , s t u d i e dt h ef h c t o rt h a ti n f l u e n c i n gt h ec o a lc o m b n s t i o nc h a r a c t e r i s - t i c i n c l u d i n gt h ec a t c h e sf i r ea n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n tc o a l 。a n a l y z e dt h e c o a lk i n d , p a r t i c l es i z e ，e l e v a t i o no ft e m p e r a t u r es p e e d ；a n dp l a n t st h ea c t i v a t i o n e n e r g yo ft h ed i f f e r e n tb u r n i n gs t a g et ot h ed i f f e r e n tc o a l ，a sw e l la st h ed i f f e r e n tc o a l p l a n t st h er e a c t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nm a d et h ed e t e r m i n a t i o n 3 r d , l i n kt dt h es p e c i a ld e t a i l so fk i i ns t o v eb u r n i n g w ea s c e r t a i n e dt h em i x e s p r o j e c to fm i x i n gt h em i x e dc o a lb u r n i n gi nc e m e n tk i l ns t o v e ，a n da n a l y s i s e dt h e m i x e dc o a lc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h r o u g ht h et h e r m o b a l a n c e 4 t h , t h r o u g hr e s c a c h i n gc a l c i n a t i o na n dd e c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e l i m e s t o n ew i t ht h e r m o g r a v i m e t r ym e t h o d , w ea s c e r t a i n e dt h ea c t i v a t i o ne n e r g yv a l u e u n d e rt h ed i f f e r e n tc o n v e r s i o nr a t eo fl i m e s t o n ec o m b u s t i o np r o c e s s a n ds t u d i e d f a c t o r , i n c l u d i n gl i m e s t o n es t a t u s ，l i m e s t o n et y l 辑a n dl i m e s t o n ep a r t i c l es i z e ， i n f l u e n c ec a l c i n a t i o na n dd e c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c 5 t h , t h r o u g hr e s e a c h i n gt h ew h i t ec r u d em a t e r i a l ，c o n f e c t e db yt h ed i f f e r e n t s t a t u sl i m e s t o n e a sw e l la sh eb l a c kc r u d em a t e r i a lm i x e db yt h ew h i t ec r u d em a t e f i a l a n dt h ed i f f e r e n tc o a lw i t ht h e r m o g r a v i m e t r ym e t h o d , o b t a i n e dt h ei n f l u e n c e r e l a t i o n s h i pi nt h ec e m e n tc r u d em a t e r i a lc a l c i n a t i o np r o c e s sa m o n gt h ei n g r e d i e n to f h a sc a l c i n e dt h ec o a l 、t h el i m e s t o n ea n dt h ec l a y w ea l s oa n a l y s i si tl i n kt ot h es p e c i a l c o m b u s t i o nd e t a i l so f k i i ns t o v e k e y w o r d s ：c o a l , c e m e n t ，l i m e s t o n e , l o ws t a t u s ，t h e r m a la n a t y s i s ，a c t i v a t i o n e n e r g y , r e a c t i o nm e c h a n i s m 学号垒里；坠血 独创性声明 y 9 9 9 s 五7 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑堑盍堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 与良常签字日期：a 咿6 年；月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙迢太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：竭眩惨导师签名 签字日期：- 一6 年月7 f j 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 扒俘* 签字日期：2 瑚铲月 日 电话 邮编 能源是国民经济和社会活动赖以生存和发展的物质基础。能源工业一方面满 足国民经济发展和人民生活的需求，另一方面又是国民经济重要的支柱产业。2 l 世纪人类所面临的重大挑战是实现经济和社会的可持续发展，而保证优质可靠的 能源供应是现代社会实现可持续发展的必要条件之一0 - 2 1 。 作为世界上最大的发展中国家，我国是世界第三大能源生产国，第二大能源 消费国但是我国能源发展过程中却存在以下几点问题： 第一、优质能源比例低。我国总的能源状况是富煤缺油少气【m o ，能源主要 以煤炭的形式为主，是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭在我国的能源消费 结构中的比例为7 0 。这导致了我国的能源生产和能源消费结构极不合理，一定 程度上制约了我国经济的总体发展。我国能源的生产和消费的具体情况见下表 1 1 ，表1 2 ： 表1 1中国能源生产总量及构成 浙江大学硕士论文冯展管第一章绪论 2 0 0 01 0 6 9 3 86 6 62 1 83 4 8 2 2 0 0 l 1 2 0 9 0 06 8 61 9 43 38 7 2 0 0 21 3 8 3 6 97 1 2 1 7 3 3 1 8 4 2 0 0 31 5 9 9 1 27 4 51 5 12 97 5 2 0 0 41 8 4 6 0 0 7 5 61 3 53 07 9 5 7 1 4 4 6 0 2 7 5 7 6 6 8 2 9 6 9 3 4 9 8 7 0 3 1 0 3 7 8 3 1 0 9 1 7 0 1 1 5 9 9 3 1 2 2 7 3 7 1 3 1 1 7 6 1 3 8 9 4 8 1 3 7 7 9 8 1 3 2 2 1 4 1 3 0 1 1 9 1 3 0 2 9 7 1 3 4 9 1 4 1 4 8 2 2 2 1 7 0 9 4 3 7 0 7 7 2 2 7 5 8 7 6 1 7 6 2 7 6 1 7 5 7 7 4 7 7 5 0 7 4 6 7 4 7 7 1 7 6 9 6 6 8 0 6 6 1 6 5 3 6 5 6 6 7 6 2 2 7 2 0 7 1 7 1 1 7 1 1 6 6 1 7 1 1 7 5 1 8 2 1 7 4 1 7 5 1 8 0 2 0 4 2 1 5 2 3 2 2 4 6 2 4 3 2 4 0 2 2 7 3 2 3 i 2 2 2 1 2 1 2 0 1 9 1 9 1 9 1 8 1 8 1 7 2 2 2 2 2 5 2 7 2 6 2 7 3 4 4 o 4 9 4 7 5 i 4 8 4 9 5 2 5 7 6 1 5 5 6 2 6 7 6 6 6 8 7 7 7 8 7 o 2 0 0 4 1 9 7 0 0 06 7 72 2 72 67 0 注：1 电力折算标准煤的系数根据当年平均发电煤耗计算 2 2 0 0 4 年为估算数 3 资料来源：中国统计年签2 0 0 5 ) 2 帆|塞鳓舢嗍薹|哪肼哪雕嗍嗍嗍姗舢撇舢 浙江大学硕士论文冯展管第一章绪论 从表中我们可以看出我国的能源消耗量呈逐年增加的趋势，而且2 0 0 1 年以来 增速有明显加快的迹象。虽然煤炭的生产与消耗量所占能源生产和消耗总量的百 分比变化不大，但是随着总量的增加，煤炭的消耗量也在不断增加。多年来，我 国一直是世界上最大的煤炭生产国和消费国。随着国民经济的快速发展，对能源 的需求也不断增长，资源短缺的现象也逐渐显露出来了 第二、人均能源资源占有量低。众所周知，我国是世界第一人口大国，虽然 我国的能源资源不管是储量还是在生产量上都在世界的前列，但是由于人口基数 大，用人均量来衡量的话，还是比较贫乏的。例如：我国的煤炭储量丰富，列世 界第三位，但人均值只有世界平均值的一半【2 l ；石油和天然气储量较少，分别是 世界的第l o 位和第l l 位，相应的人均值则更低，石油储量人均值只有世界平均 值的1 1 ，天然气储量人均值只有世界平均值的4 。同时中国的人均能源消费 水平同世界水平相比，仍处于相对较低的地位根据世界资源研究所1 9 9 7 年发 布的世界资源报告计算的人均能源消费水平的结果( 见表l - 3 ) 可以看出： 中国的人均能源消费水平不及世界人均水平的一半，是美国的1 1 3 。 表i - 3世界人均能源消费水平1 1 1 1 3 l 鉴于中国能源的现状，我们可以得出结论，我国以煤为主的能源消费结构是 由自然资源条件决定的，在中国的能源结构中煤炭占绝对的优势，我国以煤炭为 主的能源格局在短时期内是难以彻底改变的。所以未来的几十年里我国将仍然以 煤炭资源为主要的能源利用形式表1 4 和表1 5 是我国近年来的煤炭均衡表： 表1 4中国煤炭资源来源表( 单位历吨标准煤) 3 浙江大学硕士论文冯展管第一章绪论 表1 5中国煤炭资源消费表( 单位历吨标准煤) 资料来源：中国统计年签2 0 0 5 ) 从表1 5 中我们可以看出： 第一，作为我国能源支柱的煤炭资源尚不能满足本国的需要，每年都要依靠 进口来填补消费与生产的缺口，我国的煤炭资源缺乏不言而喻 第二、工业、生活消费、发电、炼焦等行业是我国煤炭资源的主要消费点 其中生活消费、工业消费都存在很多问题，包括：能源利用效率低、环境污染严 重等，一定程度上存在着浪费现象。 第三、我国煤炭资源地域分布广，所以煤的燃烧特性十分复杂无烟煤、贫 煤等低挥发分煤，石煤、煤矸石等高灰分煤，在我国的煤炭资源中占了较大的比 重。无烟煤、贫煤等低挥发分煤是矿物化程度很高的矿物质固体燃料，是年龄最 老的煤，特点是密度大、含炭量高，挥发分少，组织致密而坚硬，吸水性小，灰 分少，含硫量低，发热量大。尤其是年老的无烟煤，如福建、贵州，广州的低挥 发分煤的挥发分含量更低石煤灰分很高，热值低，燃烧困难，主要分布在我国 的南方各省。这些劣质煤着火、稳燃、燃尽一直是燃烧技术中的难题，而且对这 些劣质煤的燃烧特性研究起步较晚，因此就目前情况来看，对劣质煤的利用技术 还很不完善“4 1 。 因此，煤炭在未来几十年来仍然是我国主要的能源形式，同时我国的煤炭资 源尚不能满足国民经济发展的需要，而且在煤炭资源的利用上还存在着环境污染 严重，劣质能源利用技术上存在着诸如着火稳燃困难、燃尽困难等问题。低挥发 分煤炭、高灰分煤在我国的煤炭资源中占了很大的比重，而且这些劣质煤利用还 不够充分。因此为解决我国煤炭资源不足，充分利用劣质煤就成为一种行之有效 浙江大学硕士论文冯展管第一章绪论 的方法。对劣质煤的燃烧特性研究以及劣质煤利用方法研究作为本文的一个重要 研究方向，有其深刻的意义 1 1 2 水泥工业在国家经济中的重要性 水泥是混凝土最主要的原料i ”】水泥行业的上游相关产业包括能源、运输、 采矿、设备制造等产业，其下游相关产业包括房地产、建筑业等产业，同时又与 环保产业密切相关。从水泥行业的相关产业来看，水泥行业与国民经济的诸多基 础产业息息相关，这就决定了水泥行业的发展周期与国民经济的发展周期有着密 切的关系。另一方面，由于水泥是基础建设的重要材料，在公路、铁路、机场、 水利、能源、城市设施等国民经济基础设施建设中起着重要的作用【1 6 1 。 我国“十五”期间要完成住房面积1 0 亿m 2 ；拟建设铁路9 0 0 0 1 a n 和公路2 0 万l a n ；拟建造或更换石油和天然气管道1 4 万k m ；拟在北京、上海、广州、深 圳、南京，武汉、重庆、成都、沈阳、天津、长春、青岛、大连和西安建设地铁、 轻轨和城市铁路；2 0 0 8 年的奥运会拟建设施投资将达3 0 0 0 亿元人民币。此外， “十五”期间我国还将建设一批港口、码头、机场、输水管道及农业灌溉等工程。 所有这些都保持了对水泥的巨大需求，事实上水泥实物产量己连续1 7 年位居世 界第一，2 0 0 1 年水泥总产量达6 4 亿t ，2 0 0 2 年水泥总产量7 2 5 万吨，2 0 0 3 年 产8 6 8 亿吨。我国在未来几年中，对水泥的需求保持较高的增量。特别是按照“十 六大”制定的奋斗目标，到2 0 2 0 年要实现国内生产总值比2 0 0 0 年翻两番的要求。 这就意味着在这2 0 年中，我国国民经济发展速度必须达到年平均递增7 2 ：这 也意味着在未来时间里，我国水泥总需求量会呈增长态势但是，也有人认为， 随着混凝土技术的发展及商品混凝土的普及，超细矿渣粉掺合混凝土的使用，将 会减少水泥的使用量；再考虑世界经济不景气，水泥出口形势不容乐观，这些因 素会对水泥的总需求形成制约。我们认为，客观考虑各种有利和不利因素的抵消， 未来几年我国水泥的总需求将会保持在2 0 0 2 年的水平【1 6 l 。在我国的经济发展中 充当了一个极其重要的角色。 水泥制造业在我国g d p 中的占的比重见表1 - 6 ： 表i - 6 水泥制造业在g d p 中的地位【1 6 1 水泥制造业总产值( 千元) 1 1 4 7 0 8 4 1 1 g d p ( 千元) 在g d p 中的占比( ) 5 8 7 8 8 0 0 0 0 0 1 9 5 浙江大学硕士论文冯展管第一章绪论 1 2 低品位燃料、原料在水泥窑炉节能中的意义 1 2 1 水泥工业的耗能现状 中国的水泥工业消耗能量大，水泥工业的节能意义重大主要表现在以下几 个方面： 第一、水泥烧成能耗居高不下 ( 1 ) 2 0 0 0 年中国建材科学研究院统计，全国立窑水泥烧成热耗平均为 1 0 5 0 k c a l k g 熟料，最低为7 5 0 k c a l k g 熟料，最高1 4 0 0k c a i k g 熟料，一般水平在 1 0 0 0 - - l l o o k c a l k g 熟料；国外立窑较少，由于设备先进和高科技应用，煤耗普 遍较低。一般在8 0 0 k c a l k g 熟料( 3 3 4 4 k j k g 熟料) ，两者相比差距比较远，我国几 乎高2 5 ，见表l - 7 表l - 7 立窑水泥烧成煤耗情况表 我国水泥科技工作者虽然作了很多的努力，但只有少部分立窑煤耗有明显下 降。 ( 2 ) 我国回转窑由于种种条件所限，起始阶段发展比较慢，在上世纪9 0 年代 大部分为中空、湿法回转窑，熟耗很高，每吨熟料标煤耗1 8 0 k g - - 2 0 0 k g ( 说明湿 法回转窑热耗多在1 2 0 0 k c a l k g 以上) 标煤以上9 0 年后发展起来的新型干法回 转窑与国外比也要相差2 0 k g 标煤以上，见表l - 8 。 表i - 8 回转窑煤耗情况表 从表1 7 、1 8 看出，我国目前无论立窑、回转窑，还是新型干法回转窑烧 成热耗都较高，与国外比差距较大，总体是居高不下 6 浙江大学硕士论文冯展管第一章绪论 第二、水泥产量大，用煤量大 据国家发展与改革委员会2 0 0 3 年8 月1 4 日发布的信息，我国2 0 0 2 年水泥 产量为7 2 5 亿吨，2 0 0 3 年产8 6 8 亿吨，多年来居世界第一位建材行业总的用 煤2 5 亿吨( 占全国产煤量的2 3 ) ，而水泥用煤i 5 亿吨，占煤总产量( 约1 0 亿吨) 的1 2 ，这是一个很大的耗煤量 由于建设的拉动，煤耗高的立窑、湿法回转窑，中小型中空窑仍然在大幅度 提高产量根据国家发展与改革委员会2 0 0 3 年统计，占全国水泥产量的8 4 ， 而新型干法回转窑虽近年发展很快，但相对占有比例反而下降，仅占1 6 ：从目 前实际情况看，在近l o 年里，这个现状不会有很大变化水泥行业依然是立窑、 中小型回转窑为主体的主要耗煤窑炉，尤其是经济欠发达地区，立窑、小型回转 窑会存在很长时间，所以对这些窑炉的节能技术开发，有着重要的意义【l 盯。 第三、水泥工业发展迅猛，耗煤猛增 2 0 0 0 年全国水泥产量5 9 亿吨，到2 0 0 2 年达7 2 5 亿吨，2 0 0 3 年达8 6 8 亿 吨。有人预计2 0 1 0 年我国水泥会达到1 2 亿吨按照发达国家每人拥有水泥一吨 计算，再加上中国大规模建设拉动，尤其是开发西部建设，农村建设，水泥增到 1 2 亿吨，是可以预测到的前景，所以这种大规模、高煤耗产业的快速发展，势 必要求煤炭产量的大幅度增加，从而对业已十分紧张的煤炭供求关系造成新的压 力，因此，对水泥窑炉节能开发在现在和未来都将是一项重要的技术任务。 第四、水泥烧成的节能技术开发 水泥烧成工艺过程一般烟尘较大，是社会主要的污染源，尤其立窑，到目前 还没有一个有效的技术方法使立窑水泥企业变成无烟、无尘的清洁工厂；回转窑 虽除尘条件较好，但很多回转窑烟尘仍然较大【l ，所以开发水泥烧成的洁净生产 在水泥工业和环保治理上是一个突出的问题i 删翻。 从水泥烧成节能角度评价，水泥烧成工艺中排出的烟尘是一种浪费，实际也 是耗能的一种表现。窑炉排出的尘都是烧成的水泥熟料( 微粒) ，水汽是用燃料 烧成蒸发的结果，立窑每蒸发l 水分就要耗1 5 千卡的热量，水泥烧成中窑炉烟 尘热损失造成的煤耗估算占水泥烧成煤耗的百分之二十以上，即2 5 3 5 k g 标煤。 此外，新型干法回转窑水泥生产工艺中，有很多n 2 0 带着热量被排入大气，减 少这些污染物排放，也就会节省这些污染物引起热量损失，是一项窑炉节能的重 要措施。所以开发洁净烧成工艺，实际也是一个重要的节能措施。 1 2 2 水泥工业应用劣质燃料原料意义 新型干法水泥规模迅速扩大，对原燃材料提出了更高的要求，急需解决对劣 质燃料的利用技术 我国新型干法水泥起步于2 0 世纪7 0 年代，起始的3 0 多年中，发展步伐较 7 浙江大学硕士论文冯展管 第一章绪论 小，速度缓慢。其中，2 0 世纪7 0 年代，主要进行实验研究、中间试验和生产实 验；8 0 年代，从国外成套引进的冀东、宁国、珠江、柳州等4 0 0 0 伽、3 0 0 0 t d 熟 料级生产线及国产化的江西水泥厂2 0 0 0t d 熟料生产线相继投产，同时引进吸收 了国外单机设计制造技术，使我国初步掌握了新型干法生产技术；9 0 年代，除 在建设一批引进技术或主机设备的新型干法生产线外，建设了一批不同规模的全 国产化( 自己开发设计、自行设备制造) 新型于法水泥生产线，标志着我国进入了 大型化干法水泥生产的发展轨道进入新世纪以来，随着我国国民经济的飞速发 展，我国新型干法水泥生产的发展进入了快车道，达到了令人刮且相看的速度 一批自行设计建设的2 0 0 0 们、2 5 0 0 伽、及5 0 0 0 t d 熟料生产线相继建成投产， 且其达标达产周期短，建设投资和生产耗能也大大降低。目前，海螺集团公司正 在建设的多条生产线中，规模达7 2 0 0 t d 1 0 0 0 0t d 熟料生产线就有4 条，并将 于2 0 0 3 年年底陆续投入生产运行，这预示着我国的新型干法水泥生产技术将跨 入世界先进水平 纵观近两年来我国新型干法水泥生产技术的发展，有几个显著特点： 一、 新型干法水泥生产量增加很大； 二，新型干法水泥生产单线规模越来越大； 三、水泥生产企业集团的规模越来越大 据相关统计报道，2 0 0 1 年我国新增新型干法水泥熟料生产能力1 7 0 0 多万t ，a ， 2 0 0 2 年又相继投产新型干法水泥熟料生产线5 2 条，新增总产能达3 3 0 0 万妇左 右其中1 0 0 0 1 5 0 0 t d 熟料的2 6 条，2 0 0 0 们熟料的5 条，2 5 0 0t d 熟料的1 4 条，3 2 0 0 伽熟料的l 条，4 0 0 0t d 熟料的l 条，5 0 0 0f f d 熟料的5 条仅2 0 0 1 年和2 0 0 2 年投产的新型干法水泥总生产能力将达到5 0 0 0 万t 。另外据统计报 道，2 0 0 2 年我国几大水泥集团海螺集团、渤海集团、天山集团、山水集团等 的水泥产量分别超过了5 0 0 万妇，其中海螺集团的水泥产量达到了2 1 0 0 万t a t x 3 1 。 根据我们掌握的资料，对全国7 0 0 c ，d 熟料规模以上生产线进行了统计，前几 个新型干法水泥生产大省和综合统计结果见表1 - 9 。 表i - 9 水泥生产大省7 0 0 t d 熟料以上规模水泥熟料生产线统计鲫 省份 安徽 浙江 河北 山东 已投产生产线在建( 含前期) 生产线 1 84 3 9 5l o 2 63 4 96 1 2 2 8 69 1 42 7 46 21 06 5 5 o2 66 2 7 o1 3 3 8 5 l92 8 0 l 1 3 1 0 7 8 ( 大陆) 1 9 03 2 1 7 5 8 351 3 43 7 8 8 57 62 7 注：( 1 ) 统计时间至2 0 0 2 年8 月； ( 2 ) 因为资料来源不同，统计可能不够很准确，仅作粗略参考 分析表1 - 9 的统计数据可得到以下几点： ( 1 ) 到统计时间2 0 0 2 年8 月，我国总的新型干法水泥熟料生产能力已近l 亿 t ；到2 0 0 3 年底前后或再稍后一些时间，目前在建的生产线差不多建成投产，又 将新增新型干法水泥熟料生产能力约1 1 5 亿t 到时，总的新型干法水泥熟料生 产能力将达到2 1 5 亿t 左右，新型干法水泥产能将接近2 5 亿t ，这个量将占到 我国水泥总产量的3 5 - - 4 0 ，这将使我国水泥结构调整取得实质性变化l ，1 ( 2 ) 目前，我国2 0 0 0 t d 熟料以上规模生产线总数占新型干法生产线的比例为 4 6 3 ，而在建生产线中2 0 0 0 t d 熟料以上规模生产线占约7 7 。当这批在建生 产线建成投产后，我国2 0 0 0 t d 熟料以上规模生产线总数占新型干法生产线的比 例将达到5 9 0 0 ，且5 0 0 0t d 熟料以上规模生产线占的比例将达到1 0 0 0 ，还有几条 1 0 0 0 0t d 熟料生产线投入生产，到时，我国新型干法水泥生产线中，2 0 0 0 t d 熟 料以上规模生产线将占主导地位1 2 4 。 ( 3 ) 到2 0 0 5 年，我国大的水泥生产企业的规模也将达到3 0 0 0 万妇以上，就 其产能而言，可跻身于世界大水泥集团行列；我国新型于法水泥生产水平也将跨 入世界先进水平。 1 3 水泥回转窑和煤燃烧过程 1 3 1 回转窑结构和工艺 回转窑是水泥熟料煅烧不可缺少的重要热工设备，水泥回转窑是由厚度为 1 0 3 0 m m 钢板卷成简体后，一段段地焊接而成，长径比为l o 5 0 之间( 新型干法 窑长径比一般在1 0 1 6 ) 。一般倾斜布置，斜度为2 - 5 。生料由高的一端，即 窑尾送入，燃料与助燃空气从另一端。即窑头喷入气固以逆流方式相对运动， 并进行换热与反应。 回转窑内的热源，主要靠煤粉提供。煤粉和输送用的空气( 一次风) 混合物 以一定的喷射速度入窑后，受到窑壁和高温热烟气的辐射和对流作用而升温，当 9 浙江大学硕士论文冯展管第一章绪论 煤粉获得足够的热量，达到着火温度时，煤粉中的挥发分与一次风所提供的氧发 生激烈的氧化反应而着火燃烧，见图i - l 所示 攥崖 图i - i 窑内煤粉燃烧过程示意图 代表固体c 粒 m 0 c 0 2 荻 窑内煤粉着火是稳定燃烧与控制火焰的前提条件除与煤质有关外，着火区 域的环境温度以及窑内空气动力场也起着极重要的作用充分利用来自冷却机的 高温二次风以提高着火环境温度，可以保证在一定位置上着火，缩短黑火头。合 理地组织窑内空气动力场，选择最佳一次风速，强化高温气体回流，是保证稳定 燃烧的重要条件。 回转窑煅烧熟料对火焰的要求是多方面的，首先是保证窑内物料达到完全反 应的温度位( 通常是1 4 5 0 c ) ，同时要满足反应所需的时间及与之相适应的火焰 长度，并在生产波动时有一定的可调性为了保持衬砖寿命，对火焰形状及刚度 也有要求 实际上，回转窑内气体量和组成因燃料燃烧、生料分解有很大变化，气体温 度从窑头到窑尾也有大幅度波动，窑头气温在1 6 0 0 1 7 0 0 c 范围内，导致气体 平均流速和平均密度都变化很大。由于气体温度高、密度小，且窑空间大，气体 流速不高，所以窑内气体流动阻力一般在1 0 0 3 0 0 p a 范围，占系统阻力份额不大 因此，为了煤粉燃烧器合理组织燃烧，在窑头部分造成了复杂流型，有的甚 至出现明显的回流区，以稳定燃烧着火从流动角度讲，这是一种在有限空间的 射流运动，会引起喷射介质动量的极大损耗。但这部分损失都是由喷燃器的鼓风 机提供。一旦喷入窑内，其气体压强也就由窑系统决定。 而在分解炉内，有煤粉燃烧速率一般都低于碳酸盐的分解速率，也就是说煤 粉完全燃烧所需时间较碳酸盐分解需要时间为长。因此，如何加快煤粉燃烧速率， l o 浙江大学硕士论文冯展管 第一耄绪论 缩短煤粉燃尽时间，就成为分解炉设计和充分发挥其应有性能的关键。 1 3 2 回转窑煤燃烧特点 燃料的着火温度和燃烧( 烬) 特性直接影响水泥熟料的烧成，关系到水泥熟料 的质量等。回转窑内煤粉燃烧所形成的火焰属于湍流扩散火焰，燃烧过程基本上 可分为四个阶段： ( 1 ) 燃料与空气混合； ( 2 )燃料与空气加热到一定温度，释放挥发分； ( 3 )挥发分着火燃烧放出热量，为残碳着火燃烧创造高温环境条件； ( 4 )残碳着火燃烧及燃烬，释放燃烧产物 上述四个过程无明显界限，过程是有交叉的。风煤混合是燃烧的主要过程， 它通过气体的扩散来实现。首先是煤粉受热干燥，然后挥发份逸出，遇到空气时 燃烧并提供碳进一步燃烧所需热量煤粉的着火温度主要受挥发份的着火温度影 响，取决了煤质的品种和加热速率烟煤由于挥发份比较高，故比无烟煤容易着 火。 煤中可燃物主要是挥发分和固定碳，因此，挥发分的着火燃烧和残碳的燃烬 是整个燃烧的重要阶段，决定燃料的燃烧时间、速度等一般来说，挥发分含量 较少，燃烧时间极短，挥发份析出+ 着火燃烧 9 0 ，特别 是无烟煤。因此，挥发分主要影响燃料的着火，而残碳燃烧( 烬) 的影响起主导 作用。 一般来说，回转窑属于高温燃烧，受扩散控制；而分解炉内属于中温燃烧， 受化学控制焦碳在回转窑和分解炉内主要燃烧特性列在表5 中 表1 1 0 影响焦碳燃烬时间t 的主要因素 浙江大学硕士论文冯展管 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 我国水泥工业燃烧技术相对落后，耗能较高，加上我国的水泥产量高，多年 来一直处在世界首位，所以水泥工业成了我国的耗能大户因此水泥的节能研究 意义深刻。由于近年来我国新型千法水泥的迅猛发展，对燃料和原料有了更高的 的要求，显然燃用优质燃料造成了浪费，也是为我国能源紧缺的现状所不允许的。 但是由于我国对劣质原、燃料，尤其是劣质原、燃料的研究起步较晚，对其燃烧， 分解特性的理解还不够透彻，给劣质原、燃料的利用上带来了困难。因此本文研 究的重点放在水泥用的劣质原料、燃料的燃烧特性及利用技术上，以期望在劣质 原、燃料的利用上取得突破。 本文主要研究内容包括以下四部分： ( 1 ) 不同品位单煤燃烧特性研究； ( 2 ) 煤燃烧反应动力学机理和参数计算； ( 3 ) 高低品位煤混合燃料的燃烧特性研究； ( 4 ) 不同品位水泥原料煅烧特性的熟重研究 1 2 浙江大学硕士论文冯展管 第二章试验方法及仪器介绍 2 试验方法及仪器介绍 2 1 热分析法概述 热分析，( t h e r m a la n a l y s i s ) 1 9 6 8 年国际热分析学会( i c t a ) 名词委员会曾 首次对热分析下过定义，指出所谓的热分析乃是测量物质的任何物理性质与温度 的关系的各种分析技术的统称1 9 7 7 年在i c t a 第五届会议上，名词委员会对上 述定义做了修改，提出新的定义，在程序控制温度下，测量物质的物理性质和温 度的关系的一类技术。包括很多具体的热分析技术，例如：在程序控制温度下， 测量物质的质量与温度关系的热重法、测量物质( 试样) 与参比物之间的温度差 和温度之间的关系的差热分析、测量物质在非振荡负荷作用下形变与温度的关系 的热机械分析等等，都属于热分析的范畴人们习惯上把等温环境下的质量变化 测量及等温差热分析等静态技术称为热分析，但是热分析无疑是以动态技术为主 的，即在试样温度按照一定程序变化时，测量其物理性质与温度间的关系瞄i 热分析中，最为常用的当数热重法。热重法f l m e r m og r a v i m e t r y ，t g ) 是在程 序控制温度下测量物质的质量和温度关系的一种技术，用于热重法的仪器是热天 平，它能连续记录质量与温度的函数关系( t g 曲线) 工作时，一般以程序控 制温度的方式来加热和冷却样品，或使样品保持在某个恒定的温度，或进行某种 程序的循环陋l 。热重法的特点是定量性强嘲。 2 1 1 热天平工作原理 图2 1 为热天平的原理图，其主要组成部分：( 1 ) 记录天平；( 2 ) 支持器；( 3 ) 加热炉；( 4 ) 程序控制温度系统；( 5 ) 温度检测系统；( 6 ) 记录仪 ( 1 ) 记录天平 热天平最重要的组成部分就是记录天平它基本上与一台优质的天平相同， 例如准确度、重现性、容量、结构坚固、抗环境温度变化等都要具有良好的性能 另外还要有可调的重量量程，高度的电子和机械稳定性，对重量变化反应迅速， 可以防震等特点。根据记录天平的动作方式，基本上可分为两大类：偏转型和指 零型【2 们 ( 2 ) 支持器 支持器也是天平最重要的组成部分之一，其结构材料、几何形状和尺寸对热 重曲线有着相当大的影响。支持器的种类很多，具体使用取决于试验样品重量、 样品特性及所采用的最高温度范围而定。根据制造支持器材料的不同，试样重量 n - i 双5 m g 1 0 0 m g 不等1 2 ” ( 3 ) 加热炉 加热炉是温控系统的控制对象，它对热分析结果有着较大的影响。热分析用 浙江大学硕士论文冯展管 第二章试验方法及仪器介绍 的加热炉以电阻加热炉为主，它用电阻丝及其他电热材料作为加热元件。炉丝的 材料取决于所要求的最高温度：一般最高工作温度在1 1 0 0 1 2 以下，康铜或着镍 铬合金是合适而且使用较多的材料；铂或者铂铑合金一般最高工作温度为1 1 0 0 一1 5 0 0 ，若合金中铑含量较高，最高工作温度可达1 7 5 0 ( 2 。 图2 - 1 近代热天平原理图嗍 虽然热重法对炉温的均匀性要求不是非常严格，但是仍然相当重要，体积大 的炉子容易出现较大的均温区。另外，管式炉易于制造而且温度分布均匀，因为 当炉膛体积相同时，细而长的炉子有较长的加热段小炉子的优点是冷却速度快， 但蓄热少，并且炉子体积越小，升温速率线性控制越难：大炉子容易维持恒温， 有利于炉温的线性控制。 炉子的安装方式分为垂直式和水平式，垂直式结构简单操作方便，但比同样 尺寸的水平式炉子均温区短，对流激烈，在热重测量中对t g 曲线影响较大：水 平式炉子的对流比垂直式缓和得多，而且在流动气氛下作热重试验时，因气体流 动方向与重力方向垂直，故对t g 曲线的干扰较小。 ( 4 ) 温度检测系统 程序控温系统的职能是使加热炉的温度自动的按给定的程序变化，而且系统 在稳定性能、动态品质及抗干扰性能方面应能达到一定的指标下图为现代热分 析仪器使用的程序温控系统的典型结构。 1 4 浙江大学硕士论文冯展管第二章试验方法及仪器介绍 图2 2 典型的闭环程序温控系统 ( 5 ) 温度检测系统 温度检测系统中，通常用热电偶或热电阻来测温。热电偶的材料也与使用的 温度有关，目前最为常用的是铂铑l o 铂或铂铑1 3 1 铂，工作温度可达1 6 0 0 0 ，其 稳定性好，精确度高。对于测温元件来说，相对于样品的位置非常重要热电偶 或其他测温元件一定要紧靠样品，甚至要放在样品当中如图2 3 所示： 燃 ( a )( b )( c ) 图2 3 测温热电偶在热天平中的位置 三种位置分别为：热电偶放在支持器附近，但不接触，这时测得的温度有一 定的误差，是超前还是落后取决于样品的热效应；热电偶紧靠样品，并放在支持 器内但不与其接触，这时热电偶能把样品温度的微小变化反映出来热电偶或与 样品接触或与支持器接触，这是测量样品温度的最好方法，与支持器接触测得的 温度是总体温度。 ( 6 ) 记录仪 记录仪的主要职能是在热分析的过程中自动记录测量