（材料加工工程专业论文）悬浮态预煅烧系统的基础研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文结合新型干法水泥生产技术和流态化技术的优点来研究分段煅烧水泥 熟料技术，在保留原来回转窑的基础上，在最下一级旋风筒与回转窑之间增加 悬浮态预煅烧装置，提高入窑生料的温度，从而可以把碳酸盐在入窑前完全分 解，同时把部分原来在窑内堆积态进行的气固换热过程和部分初始固相反应过 程移到窑外悬浮态预煅烧炉中快速进行，可以减少回转窑的热负荷。加上悬浮 态预煅烧炉之后，可以提高热效率，缩短回转窑的长度，减少表面散热损失， 显著提高熟料产能。 在悬浮态预煅烧系统的基础研究中，首先用实际生产线的热工标定数据对 加入预煅烧炉之后的新型干法预煅烧系统的热平衡进行了理论计算，然后与原 系统进行对比。加入预煅烧炉之后，新型干法预煅烧系统中出窑熟料产量可大 幅度提高，比较增产前后各处用煤量及总用煤量的变化情况。通过冷模试验， 预测实际生产线中预煅烧炉的尺寸及主要参数。根据试验要求及试验所要研究 的内容，需进行悬浮态预煅烧炉的热态试验研究，首先设计悬浮态预煅烧炉的 尺寸及确定理论需风量，根据设计尺寸进行冷模试验，测定物料完全悬浮起来 所需实际风量，根据所测的实际风量，对配气系统进行计算。获得如下结论： ( 1 ) 随着入窑生料温度的升高，预煅烧炉的用煤量逐渐增多，而回转窑的 用煤量逐渐减少，分解炉的用煤量没有很明显的变化，总用煤量也没有明显的 变化。所发生变化的是随着入窑生料温度的升高回转窑的煤粉越来越多的被移 到预煅烧炉中进行燃烧，这样就大大减少了回转窑的热负荷，为提高产能提供 了可能性。随着回转窑的用煤量减少，供窑内煤粉燃烧的二次风风量比例也相 应的减少，但是三次风的风量比例却相应的增加。 ( 2 ) 由于加入预煅烧炉之后，如果要保持回转窑的热负荷不变，相同直径 回转窑的单位熟料产量将会大大增加。假设入窑生料温度为1 0 5 0 ，要使回转 窑的单位热负荷保持不变，则加入预煅烧炉系统后的出窑熟料产量是原系统出 窑熟料产量的1 8 3 倍，即可增加产量8 3 ，把增产前后烧成系统的热平衡加以 对比，可以得出增产后熟料烧成热耗减少了5 1 2 。 ( 3 ) 假定完全预分解系统中，分解炉与回转窑的用煤比例为8 0 ：2 0 ， 摘要 与原预分解系统相比，相当于原系统中回转窑中一半的煤放到分解炉中进行燃 烧；与悬浮态预煅烧系统相比，相当于悬浮态预煅烧系统中分解炉与悬浮态预 煅烧炉的用煤量全部放到假定完全预分解系统的分解炉中进行燃烧。 ( 4 ) 在预煅烧系统中，为了能使预煅烧炉中的燃料充分而均匀的燃烧，要 保持预煅烧炉内一直是氧化气氛，防止还原气氛出现。在原燃料有害成分偏高 时，可通过窑尾放风的措施减少有害成分在窑尾系统的循环，从而降低结皮堵 塞的可能性。 ( 5 ) 通过冷模试验可知，预煅烧炉具有较低的阻力特性和较高的料气停留 时间比值。利用理论模拟研究及冷模试验的结果，对悬浮态预煅烧炉的实际放 大尺寸及参数进行预测，当入窑生料温度在1 0 5 0 。c 时，5 0 0 0 t d 生产线预煅烧炉 直径为4 6 2 m ，高度为2 4 m ，炉容大约为3 8 4 m 3 ，截面风速为8m s ，物料停留 时间为1 7 4 s 左右。 ( 6 ) 在悬浮态热模试验炉的设计中，计算颗粒的沉降速度范围在 0 0 9 9 2 1 2 m s 之间，沉降区的设计尺寸选取2 0 0 3 5 0 m m ，反应区的设计尺寸 选取5 0 2 0 0 m m ，中部稳定区由锥体组成。 ( 7 ) 对热态模型炉进行冷模试验，测试在冷态模型下把生料悬浮起来所需 要的风量。在加入不同物料( 2 0 4 0 9 ) 的情况下测定使物料完全悬浮起来所需 要的风量不超过3n m 3 h 。 ( 8 ) 理论计算要把3 n m 3 的空气从8 0 0 加热到1 2 0 0 需要天燃气 0 0 4 6 3 m 3 h ，但是还要考虑到换热效率、散热损失等影响因素，可考虑天然气 的用量为o 1 m 3 1 1 。为确保热模试验炉中天然气燃烧后的气氛与实际窑尾气氛相 似性，需对热模试验用的气体进行配气。根据计算可知，在配气系统中所需空 气量1 5 0 11m 3 h ，二氧化碳量0 8 0 7 7m 3 h ，氮气量o 8 3 9 4m 3 h 。 关键词：预煅烧炉用煤量回转窑理论计算尺寸设计冷模试验 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m b i n a t e st h ea d v a n t a g e so fn e wd r yc e m e n tp r o d u c t i o np r o c e s s a n df i u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yt oc o n s i d e rs e c t i o n a lc e m e n tc l i n k e rs i n t e f i n gt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fr e t a i n i n gt h eo r i g i n a lr o t a r yk i l n ，t h es u s p e n d e dp r e 。s i n t e r i n g e q u i p m e n tw a sp l u s e db e t w e e n t h el o w e s tl e v e lc y c l o n ea n dr o t a r yk i l nt or a i s et h e t e m p e r a t u r eo ff e e d s ot h a tw ec a nm a k et h ec a r b o n a t ec o m p l e t e l yd e c o m p o s e da n d r e d u c eh e a tl o a do fr o t a r yk i l n a f t e rp l u s i n gt h es u s p e n d e dp r e c a l c i n e r , w ec a n i m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c yo fr o t a r yk i l n ，s h o r t e nt h el e n g t h ，r e d u c et h es u r f a c e h e a tl o s s e s i nt h es t u d y , w ef i r s t l yc a l c u l a t e dt h et h e r m a lb a l a n c eo ft h en e wd r y p r e s i n t e r i n gs y s t e ma f t e ra d d i n gp r e - c a l c i n e r , w i t ht h e r m a lc a l i b r a t i o nd a t ao ft h e a c t u a lp r o d u c t i o nl i n e ，t h e nc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls y s t e m a f t e ra d d i n g p r e c a l c i n e r , w eg r e a t l yi m p r o v e dc l i n k e rp r o d u c t i o n ，a n dc o m p a r e d w i t ht h e c h a n g e so ft h ea m o u n to fc o a lb e f o r ea n da f t e ri n c r e a s i n gp r o d u c t i o n a c c o r d i n g t o t h et e s tr e q u i r e m e n t sa n dr e s e a r c hc o n t e n t s ，t h es i z eo fs u s p e n d e dp r e c a l c i n e rc o u l d b ed e s i g n e da n dt h et h e o r e t i c a lg a sv o l u m er e q u i r e dc o u l db ed e t e r m i n e d w ed i d c o l dm o d e lt e s t ，i nw h i c hw em e a s u r e da c t u a la i rf l o w i n go fm a t e r i a l sc o m p l e t e l y s u s p e n d e d ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n a ld i m e n s i o n s t h e ng a sd i s t r i b u t i o ns y s t e mw a s c a l c u l a t e d i ti sc o n c l u d e dt h a t ： ( 1 ) w i t ht h ei n c r e a s e o ft h et e m p e r a t u r eo fk i l nf e e d ，t h ea m o u n to fc o a l i n p r e c a l c i n e ri n c r e a s e d ，b u tt h ea m o u n t o fc o a li nk i l nd e c r e a s e d ，t h ea m o u n to fc o a l i nc a l c i n e ra n dt h et o t a lc o a lh a sn o to b v i o u s l yc h a n g e d t h ec h a n g ew a st h a tm o r e a n dm o r ec o a lo fr o t a r yk i l nw a sm o v e dt op r e - c a l c i n e r , s ot h eh e a tl o a do fr o t a r y k i l nw a sg r e a t l yr e d u c e d w i t ht h ed e c r e a s et h ea m o u n to fc o a li nk i l n ，s e c o n d a r ya i r f l o wd e c r e a s e d ，b u tt e r t i a r ya i rf l o wi n c r e a s e d ( 2 ) a f t e ra d d i n gp r e c a l c i n e r , i fw ew a n tt ok e e pt h eh e a t l o a d o fr o t a r yk i l n m a i n t a i n e d ，u n i tc l i n k e rp r o d u c t i o no ft h e s a m ed i a m e t e rr o t a r yk i l nw o u l db e i n c r e a s e d i ft h et e m p e r a t u r eo fk i l nf e e di s10 5 0 ，a n dt h eu n i th e a tl o a do fr o t a r y i i i a b s t r a c t k i l nw a sm a d eu n c h a n g e d ，c l i n k e rp r o d u c t i o no fp r e - s i n t e r i n gs y s t e mi s1 8 3t i m e s m o r et h a nw h i c ho fo r i g i n a ls y s t e m w ec o n s t r a s t e dt h e r m a le q u i l i b r i u mo fb u r n i n g s y s t e mb e f o r ew i t ha f t e ri n c r e a s i n gy i e l d i tw a sk n o w n t h a tt h ea m o u n to ft o t a lc o a l w a sd e c r e a s e db y 5 12 ( 3 ) t h ep r o p o r t i o no fc o a li nc a l c i n e rt ot h a ti nr o t a r yk i l ni s8 0 ：2 0 i na s s u m i n g c o m p l e t l yp r e - c a l c i n e ds y s t e m ，c o m p a r e d w i t ht h e o r i g i n a lp r e - c a l c i n e d s y s t e m ，w h i c hi se q u i v a l e n tt h a th a l fo fc o a li nr o t a r yk i l nw a sm o v e dt oc a l c i n e r ； c o m p a r e dw i t ht h es u s p e n d e dp r e - s i n t e r i n gs y s t e m w h i c hi se q u i v a l e n tt h a ta l lc o a l i nc a l c i n e ra n ds u s p e n d e dp r e - c a l c i n e dw e r em o v e dt oc a l c i n e ri na s s u m i n g c o m p l e t e l yp r e - c a l c i n e ds y s t e m ( 4 ) i no r d e rt om a k ec o a l i np r e - c a l c i n e rf u l la n du n i f o r mb u r n i n gi np r e - c a l c i n e r s y s t e m ，w en e e dt ok e e po x i d i z i n ga t m o s p h e r ei np r e - c a l c i n e r , a n dp r e v e n tr e d u c i n g a t m o s p h e r e i ti sb e s tt oe n s u r et h a tt h ee x c e s s a i rc o e f f i c i e n t no fp r e c a l c i n e ri s a b o v e1 1 0 ( 5 ) f o r mc o l dm o d e lw ec a ns e et h a tt h ep r e - c a l c i n e rh a sl o wr e s i s t a n c ea n dh i g h m a l t e r i a l - g a sr e s i d e n c et i m ea sm a j o rc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e s u l t so ft h e o r e t i c a l s i m u l a t i o ns t u d ya n dc o l dm o d e li n d i c a t et h a tw ec a np r e d i c tm a g n i f i e da c t u a l - s i z e a n dp a r a m e t e r so ft h es u s p e n d e dp r e - c a l c i n e r t h ed i a m e t e ro fp r e - c a l c i n e ri s4 6 2 m i nt h e p r o d u c t i o nl i n eo f5 0 0 0t d ，t h eh e i g h t i s 2 4 m ，a n dt h ei n n e rv o l u m e i sa b o u t1 7 4 s s e c t i o n a lw i n ds p e e di s8 r n s ，m a l t e r i a l - g a sr e s i d e n c et i m e ( 6 ) r a n g eo fp a r t i c l es e t t l i n gv e l o c i t yi so 0 9 9 2 - 1 2 m s ，t h ed e s i g n a ld i m e n s i o n so f t h es e r l e m e n ti s0 2 0 0 3 5 0 r a m ，t h ed e s i g n a ld i m e n s i o n so fr e a c t i o na r e ai s0 5 0 2 0 0 m m ，c e n 廿a ls t a b l ea r e ai sf o r m e db yt h ec o n e ( 7 ) w ed i dc o l dm o d e lt e s tb yu s i n gh o tm o d e lf u m a c et om e a s u r ea i rf l o w i n go f m a t e r i a l sc o m p l e t e l ys u s p e n d e d ，w h i c hi sn om o r et h a n3n m 3 hi nt h ec a s eo f d i f f e r e n tm a t e r i a l s ( 2 0 - 4 0 9 ) ( 8 ) t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns h o w st h a th e a t i n g3 n m 3o fa i rf r o m8 0 0 t o12 0 0 n e e d0 0 4 6 3 m 3 ho fn a t u r a lg a s b u tw et o o ki n t oa c c o u n to ft h eh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c y , h e a tl o s s e sa n do t h e rf a c t o r s ，t h ea m o u n to fn a t u r a lg a sm a y b ec o n s i d e r e d i v 硕士学位论文 t oo 1m 3 h a c c o r d i n gt oc a l c u l a t i o n s i ti sk n o w nt h a ta i r , c a r b o nd i o x i d ea n d n i t r o g e na r e1 5 0 11n m 3 h ，0 8 0 7 7n m 3 h ，0 8 3 9 4n m 3 hi ng a sd i s t r i b u t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：p r e - s i n t e r i n g ；c o a lc a p a c i t y ；r o t a r yk i l n ；t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ； d i m e n s i o nd e s i g n ；c o l dm o d e le x p e r i m e n t v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 水泥流化烧成l 1 1 1 国外流态化煅烧水泥技术进展l 1 1 2 国内流态化煅烧水泥技术进展5 1 2 大颗粒流化床煅烧水泥熟料8 1 3 循环流态化1 0 1 4 流态化煅烧水泥存在的问题与前景1 2 1 4 1 流态化煅烧水泥存在的问题1 2 1 4 2 流态化煅烧水泥的发展前景1 3 1 5 研究课题的提出、目的及意义1 3 参考文献15 第二章研究内容及技术路线18 2 1 研究内容18 2 2 技术路线1 9 参考文献2 0 第三章理论模拟研究与分析2 1 3 1 平衡计算2 1 3 1 1 热平衡计算的原始数据2 1 3 1 2 计算参数2 2 3 1 2 1 已知参数2 2 3 1 2 2 选取参数2 3 目录 3 1 2 3 燃料废气比热的回归模型2 3 3 1 2 4 假定参数2 3 3 1 2 5 未知参数2 4 3 1 3 计算过程2 4 3 1 4 计算结果2 5 3 1 5 预煅烧窑与n s p 窑各子系统供热量的比较2 5 3 2 悬浮态预煅烧系统增产前后的比较2 6 3 3 完全预分解系统的预测31 3 4 高温条件下熟料结皮堵塞问题的控制与解决3 5 3 4 1 结皮堵塞的原斟7 ，8 1 3 5 3 4 2 防止高温条件下的结皮堵塞3 6 3 5 本章小结3 8 参考文献3 8 第四章预煅烧炉的冷模试验及模型放大的预测研究4 0 4 1 阻力特性的测定4 0 4 2 物料停留时间的测定4 1 4 3 预测预煅烧炉的放大模型4 2 4 4 本章小结4 4 第五章高温悬浮态预煅烧炉试验台的开发研究4 5 5 1 悬浮态热模试验装置的研究进展4 5 5 2 试验系统开发要求4 9 5 3 高温悬浮态预煅烧炉试验台的研究内容4 9 5 4 试验系统的设计方案5 0 5 4 1 系统设计的主要参数5 0 5 4 2 系统特点5 0 5 5 悬浮态预煅烧炉的尺寸设计5 1 5 5 1 颗粒的沉降速度【7 ，引5 1 5 5 2 预煅烧热模炉的尺寸计算5 4 5 6 预煅烧热模炉的冷模试验5 7 硕士学位论文 5 7 配气系统的计算6 0 5 8本章小结6 2 参考文献一6 2 第六章结论与展望6 4 6 1 本文结论6 4 6 2 问题与展望6 5 附录i 与温度有关的主要拟合计算式6 7 附录i i 悬浮态预煅烧系统理论计算的方法与步骤6 8 成果7 9 致谢8 0 硕士学位论文 第一章绪论 水泥熟料的煅烧是指生料在1 4 5 0 。c 高温下，经历一定的时间( 1 0 2 5 m i n ) ， 在有部分熔融物( 液相) 存在的情况下，完成具有凝胶特性的矿物形成反应。 以新型干法窑煅烧水泥熟料的研究是目前一项成熟的生产技术，但近年来的研 究表明这一系统的热耗、成本等指标已经无法进一步降低，回转窑最高换热效 率只能达到6 0 左右，这一直是个无法突破的瓶颈。为此，有必要开展一项新 型的熟料煅烧技术来克服以上的这些缺点，这必然会让人联想到早期就已经进 行开发、且目前国外正在研究的流态化水泥煅烧系统。用流态化装置代替回转 窑完成熟料煅烧过程是近半个世纪以来的热门研究课题【2 】。 流态化煅烧水泥熟料的研究可以追溯到二十世纪四十年代，到六十年代末 七十年代初，由流态化技术发展的日益成熟和流化床应用于燃烧器后具有的突 出优点，人们才又关注这一技术。对水泥熟料流态化煅烧工艺进行回顾总结， 有利于推动此项技术的进一步研究与开发，并尽快转化为生产力、实现工业化 有着重要的意义。 1 1 水泥流化烧成 流化床水泥熟料煅烧技术利用了流化床中的燃烧、热传递、颗粒分散和造 粒特点，其研究和开发的目的是有效燃烧低质煤，大幅度降低n o x 排放量和增 加热效率( 通过回收排出的固体和气体的热量) ，以符合全球性的环境保护、节 能和生产水泥的各项要求。流化床水泥熟料煅烧技术虽然在预热和分解上采用 了新型干法生产技术，但在烧成方式上发生了质的变化。它由带分解的预热装 置、烧成部分的造粒装置和熟料冷却装置三部分组成【3 】。 1 1 1 国外流态化煅烧水泥技术进展 国外流态化煅烧水泥熟料的研究最早可以追溯到2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 4 年， l l , 塞尔( p y z e l ) 4 】就开始研究用流化床烧结水泥熟料的技术，用一部分粒径较小 的熟料颗粒返回流化床层作为进一步煅烧的核粒，1 3 0 0 。c 的高温生料粉末裹覆 其上，熔结反应立即进行。此生产系统虽未得到工业应用，但它为水泥煅烧技 术的发展提供了一个新的途径。 第一幸绪论 1 9 5 8 年美国富勒公司根据p y z e l 法所建造的产量6 5 8 5 t d 的中型规模流 化床煅烧炉陋一。这种装置是单层操作，许多热量被热气体和热的固体产物带走 而损失掉，所以单位热耗为4 4 0 0 4 9 4 0 k j k g ( 1 0 5 0 1 1 8 0 千卡千克熟料) ，比 当时的长回转窑的热耗量还要高。该装置虽然不很完善，但对改革水泥熟料的 生产是个新的发展方向。日本国井大藏和美国的列文斯比尔早在7 0 年代曾预言 9 j ：生产水泥熟料的p y z e l 法( 图卜1 ) 将对水泥工业有潜在的影响。 摹 图1 - 1p y z e l 法煅烧水泥熟料 f i g 1 - 1p y z e l m e m o dc a l c i n e d c e m e n tc l i n k e r 流态化技术在石油催化、裂化生产中获得巨大成功后，作为一门基础技术 学科已渗透到化工、石油、能源、材料、轻工、机械、环保等领域，为经济的 发展做出了卓越贡献册。为了把流态化技术应用到煅烧水泥熟料工艺上来，日 本在这方面做了大量的研究工作及工业实践。 1 9 8 3 年日本秩父公司和石川岛播磨重工业公司在熊谷水泥厂建设了日产 5 0 吨的流态化煅烧水泥熟料的示范性生产线8 ，如图2 - 2 。 整个系统由四级悬浮预热器、分解炉、流化床反应器、分级器和两级熟料 冷却机组成。生料粉经四级悬浮预热器预热到7 3 0 * ( 2 后，投入到分解炉中，其 中8 0 8 5 的石灰石分解为石灰并达到8 3 0 * ( 2 ，此高温粉末状原料经加压流入 流态化烧成炉，在1 3 5 0 ( 2 的烧成温度下滞留约3 0 m i n 烧成，烧成熟料装置通过 分料装置进入一级冷却器冷却到7 0 0 8 0 0 c ，再经过二级冷却器冷却到1 5 0 c 后 2 硕士学位论文 由熟料装置排出，送至熟料库。本烧成法的一个特点就是要取出小部分熟料作 为“熟料种”，熟料种经辊式破碎器破碎后筛分，成为0 5 5 m m 粒径的熟料， 称为“熟料核”。熟料核通过储仓和加料器掺入原料中，并与原料一起进入烧 成炉，在烧成温度下熟料核表面即有2 0 2 5 的液相，炉内的高温粉末状原 出+ 锰韩空气ll ，娃片毫抖 1 一旋风筒2 分解炉3 一流化床反应器4 分级器5 热熟料捧出装置6 _ 一级熟料冷却机 7 一二级熟料熟料冷却机8 熟料排出装置9 - 辊式破碎机 图1 - 2 秩父公司流态化煅烧水泥工艺流程 f i 9 1 - 2f l u i d i z e dc a l c i n i n gc e m e n t p r o e e 嚣o f c h i e h i b u c o m p a n y 料即附着在熟料核表面的液相上进行液相反应，生成熟料矿物相( c 3 s ，c 2 s ) ， 完成烧成工艺。需要指出的是该工艺直接用原料粉进行煅烧，无需先成球，减 少了成球工艺和因生料球中的水分蒸发所需要的热耗。 1 9 8 4 年，日本川崎重工业株式会社开始沸腾窑基础试验 1 0 , 1 1 】。首先与住友 大阪水泥公司合作，在2 t d 试验窑进行试验，随后进行了2 0 t d 中试和2 0 0 t d 窑扩大试验，取得了沸腾床窑扩大系数与其运行性能关系的宝贵数据。该工艺 第一章绪论 两窑系统由悬浮预热器( s p ) 、造粒窑( s b k ) 、烧结窑( f b k ) 、流化床淬冷器 ( f b q ) 和移动床冷却器( p b c ) 组成，如图1 - 3 。粉状物料经预热和部分c a c 0 3 分解后，在1 3 0 0 ( 2 下在造粒窑中进行造粒，在1 4 0 0 。c 下烧结窑中进行流态化煅 烧后，经冷却即成为水泥熟料，此熟料晶体颗粒均匀，f - c a o 含量要比在回转 * - 2 ：j 、 慧 4 a c ，t + ! ：日i t h 1 釜 ： $ 十2 j 【 ；i “一剖”t 一* m 一。# 甲 一雾、 。黟。、 图1 - 3 日本川崎公司研制的沸腾窑煅烧工艺 f i 9 1 - 3 b o i l i n g k i l nc a l c i n i n g p r o c e s s o f k a w a s a k ic o m p a n y i nj a p a n 窑中煅烧成的熟料低。其关键技术是高温自造粒技术，在煅烧普通硅酸盐水泥 时，1 2 5 0 0 产生液相，之后随着温度升高，液相量增多，熟料呈部分熔融状态， 易出现结块和粘聚问题，严重时会破坏流化状态”】。要避免这一情况，必须严 格控制料球的平均尺寸和粒度分布。为了实现自造粒技术，造粒窑中粒种产生 的比例应维持稳定，必须严格控制流化床温度，防止产生大颗粒，以免熟料在 窑壁粘附结皮。 为了进一步降低能耗，9 0 年代日本川崎重工株式会社 1 3 , 1 4 1 在其开发的二窑 系统的基础上又开发了流化烧成装置的一窑系统，即取消了烧结窑，将造粒和 4 硕士学位论文 熟料烧结在造粒窑中同时进行，如图1 3 所示。该系统是其开发的两窑煅烧系 统的等效窑。由于对造粒进行了充分的研究，为煅烧和床层的稳定打下了良好 的基础。经中试后发现，该系统的热耗、电耗及n o x 的排放量均大大降低，经 济性和环境效益均有大幅度的改善。其煅烧的水泥熟料3 天和7 天强度较回转 窑略高，而2 8 天强度稍低。比较适合于普通波特兰水泥熟料的生产，是未来流 态化煅烧工艺的方向之一。此外，据报道【l5 j 丹麦f l s m i d t h 公司、日本石j l i 岛 公司、日本住友公司等都进行了流态化煅烧水泥研究与试验。 1 1 2 国内流态化煅烧水泥技术进展 我国在二十世纪5 0 年代初期，就开展了对流态化技术及其应用的研究工 作，最早的应用实例就是流态化焙烧【l6 i 。由于能源短缺问题导致人们对水泥生 产过程中节能问题的关注，在“七五”期间我国开展了把流态化技术应用于低 温煅烧水泥熟料的研究，取得了良好的进展。 l 一鼓风枫，2 一宅气； 槐i 5 一分舞沸腾娥烧装鹫l 粉；8 一牧m 嚣；9 一瓣风弧i 3 一煞料，4 一监残冷- 坪 6 一器浮藏热器l 了一生辩 l o 一稍嘲：ll 一废气l l2 一窑获，可盈新配张遴入子热潞1 3 一燃料( 灏秘( 戚) 煤) 霸雾化空气 图14 悬浮沸腾炉煅烧水泥熟料 f i g 1 - 4s u s p e n d e dr o a s t e rc a l c i n i n gc e m e n tc l i n k e r 5 第一章绪论 中国建筑材料科学研究院、武汉工业大学、四川建材学院均进行了利用悬 浮沸腾炉煅烧水泥熟料的研究f 1 7 1 ，如图1 4 所示。经悬浮预热器预热的生料粉 进入有均匀温度场的沸腾炉内，在高速气流的作用下，物料悬浮起来，并产生 一定返混。悬浮、沸腾、返混的结果使物料在几秒钟内即达到1 3 0 0 c 煅烧温度 并完成煅烧过程。该工艺的最大优点是物料的分解反应、气固反应都在物料处 于高活性下完成，其反应速度及转化效率明显高于传统的水泥熟料煅烧设备。 试验表明1 8 , 1 9 ：在悬浮沸腾状态下，传热系数达2 3 0 , - q 2 0 0 k j m 2 k ，为传统 回转窑的2 5 2 5 倍，而传热面积达1 6 1 5 5 0 米2 公斤物料，接近于4 0 - 1 3 0 微 米颗粒理论上全部分散时的传热面积，为传统回转窑的1 3 0 0 , - 4 1 ) 0 0 倍以上。由 此悬浮沸腾炉系统升温速度快，使高岭土脱水、碳酸盐分解温度升高，热效应 下降，熟料形成过程反应几乎重合，液相量减少，阿利特增加，并可使c a c 0 3 直接参与c 2 s 的形成反应。因此，熟料形成反应的热效应下降，使熟料形成理 论热耗从1 7 8 5 k j ，k g - c l 降至1 5 0 7 k j k g - c l ，降低了2 7 8k j & g - e l 以上，但是最终 由于稳定性问题无法解决而没有得到工业性推广。 1 ，羞h 帆2 艟宝鲥，哼i 埘m 一4 蠢i t ，e 鳗栩6 - 热h 妒7 - 舅雎i l 瞒电i9 曩i o - l l l e 一 1 1 - a 点火1 2 i m l ，点火妒 i 埔j ii 鼻舅t 妒i “l l t l nl 埔h nl 空气引对量i 钆一曩 图1 5 中国矿业大学沸腾炉煅烧水泥熟料工艺图 f i 9 1 5 r o t h c a l c i n i n gc e m e n tc l i n k e r p m c e s s o f c h i n a u n i v e r s i t y o f m i n i n g 6 硕士学位论文 中国矿业大学【2 0 】以煤矸石为主要原料，采用沸腾炉煅烧工艺，生料球由生 石灰( c a c 0 3 煅烧得到的c a o ) 、沸渣( 煤矸石沸腾燃烧形成的灰渣) 、晶种、 半水石膏、明矾石和粘结剂组成。料球经常压蒸养后入炉，炉内温度控制在8 0 0 c 左右，煅烧出了低钙水泥熟料，其热模试验流程如图1 - 5 所示。该试验系统以 轻柴油为燃料，轻柴油与热空气混合并部分形成高温烟气，通过沸腾炉后继续 燃烧，高压热风及高压烟气成为沸腾炉的流化介质。流化床内直接用已成型并 经过常压蒸养的生料球为固体物料，形成气一固流态化。由于温度较低，不易 产生晶核，因此需要外加晶种来缩短晶核形成和晶体的生长时间，最终有利于 提高水泥的强度。经一段时间的煅烧，烧成的水泥熟料经溢流口排出，与石膏 等混合并磨细即制得低温低钙水泥。这种烧成方法虽然是在快速升温下进行煅 烧，可降低熟料的烧成温度，但8 0 0 。c 的温度仍然得不到熟料的重要成分c 3 s ， 水泥强度难以提高。这种以c 2 s 为主要成份的水泥与普通硅酸盐水泥的制造要 求还有相当大的差距。 幽1 6 流化分解炉结构示意图 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l u i d i z e de a l e i n e r 鉴于新型干法水泥技术热效率不高，难以突破瓶颈的难题以及流态化技术 的不成熟，一时还很难应用到水泥工业中来，近年来把流态化技术应用在以碳 7 第一幸绪论 酸钙分解反应为主要化学过程的分解炉上，研发出新型的反应器流化床式 分解炉。在水泥工业中也已取得了成功的经验，但国内自行开发设计的流态化 分解炉为数不多。根据国内某水泥厂具体改造工程的实际需要，开发了与原预 热器系统相配套的流化床式分解炉，其结构如图1 - 6 。此流化分解炉已在h h 厂 得到了应用，经过国内权威单位的热工标定，生料在流化床分解炉内的分解率 在5 5 “2 之间，与理论计算结果一致。通过多年来的生产实践证明，流化 床分解炉的运行相当稳定可靠。鉴于流化床分解炉的优良特性，该分解炉不仅 适合老系统的改造，也可用于新系统设计川。 1 2 大颗粒流化床煅烧水泥熟料 一谈到流化床人们往往会想到直径为几百微米以下的颗粒的流态化问题。 为了降低能耗、减小污染，同时开发新型熟料煅烧工艺，日本科学家佐成俊清 于七十年代开发了一种大颗粒流态化煅烧装置口”。与传统水泥煅烧方法不同， 在流化烧成中，此烧成装置是采用并列两段流化床。上下分别配有空气透过( 横 流) 的预热器和竖简冷却器用以回收热量。将粉磨过的水泥生料预先成球，经 产燎l 飘村1 抟气 住热薯 后段 漉化床 畸啊 点火 堪烧生 空兰t 3 辩 图1 _ 7 两段流化床煅烧装置 f i g1 - 7t w of l u i d i z e db e dc a l c i n i n gd e v i c e 雕章l 鞭轴 图1 - 8 一段流化床煅烧装置 f i 9 1 8 0 n e f l u i d i z e db e d c a l e i n i u g d e v i c e 硕士学位论文 移动床预热器预热后加入到流化床中，经流化排出的气体预热( 一部分还原) 后， 再由往复运动的送料器送向并列两段流化床进行c a c 0 3 的分解和熟料烧成。前 段流化床由炉栅支持，后段流化床无炉栅而是直接与竖筒冷却器连接，因而此 流化床是靠竖筒冷却器内部的熟料来支持。后段流化床烧成的热料在冷却器内 得到冷却后排出。在冷却器内与熟料进行热交换的空气，全部用来实现后段流 化床的流态化，并使吹进流化床的燃料燃烧。进行了流化床两窑和一窑两种方 法的试验( 试验系统工艺图见图1 7 、图1 8 ) 。结果显示在单段流化床中煅烧水 泥熟料并使之f - c a o 降到1 以下需要3 5 m i n 以上，双段流化床则需要 1 5 1 6 m i n 。这个试验还从理论上阐明了水泥熟料是适合于采用流化烧成，消除 了过去人们对流态化烧成水泥的怀疑。 l 料钟调节转盘 2 - - 进料u 3 支馏口 4 偾热带 5 - - 烧成带 6 - - 冷却带 7 - - 进风口 8 - 卸料n 1 进科斗 2 管道 3 - - 囊赢斗 4 - - 出烟口 5 - - 辊式卸辩罄l 6 - - 用扦 卜璜热童 8 - - 曲科空阍 9 一井蕾艇 1 0 - - r 援 1 1 - - 建气空幅 1 2 一菇盎化丑城点宣 1 3 一爵面扩大的空问 “- 碱化床 i s 遘科神翻 1 6 一疆志化缓餐蔓 i t - b 碡璀硅靛段 l e 一降却童 1 9 一进且苔 2 0 一印科苔 图1 - 9 西安建筑科技大学大颗粒流态化煅烧水泥熟料冷态及热态试验装置 f i g 1 - 9 c o l da n d h o te x p e r i m e n t a la p p a r a t u s o f l a r g e p a r t i c l e f i u i d i z o d c a l c i n i n gc e m e n t c l i n k v r o f x i a n u n i v e r s i t y o f a r c h i t e c t u r va n d t c c h n o l o