工艺技术_水泥工艺生产熟料煅烧技术培训

第六章熟料煅烧技术 一 概述二 生料在煅烧过程中的物理与化学变化三 悬浮预热技术四 预分解技术五 回转窑技术六 熟料冷却机七 预分解窑技术的生产控制八 新型干法水泥技术的发展九 窑用耐火材料 第六章熟料煅烧技术 本章学习要点 本章主要介绍新型干法水泥生产过程中的熟料煅烧技术以及煅烧过程中的物理化学变化 以旋风筒 换热管道 分解炉 回转窑 冷却机为主线 着重介绍当代水泥工业发展的主流和最先进的煅烧工艺及设备 生产过程的控制调节等 6 1概述 悬浮预热 窑外分解技术 从根本上改变了物料的预热 分解过程的传热状态 将窑内物料堆积状态的预热和分解过程 分别移到悬浮预热器和分解炉内进行 6 1概述 概念 一次空气 二次空气 三次空气 窑头 窑尾 物料进窑方向 废气出窑方向 6 1概述 6 1概述 预分解窑的关键技术装备筒 旋风筒 管 换热管道 炉 分解炉 窑 回转窑 机 冷却机 6 1概述 预分解窑的关键技术装备适当成分的生料进入预热器预热 预热好的生料进入分解炉 碳酸盐分解分解后的生料进入窑内煅烧成为熟料 熟料进入冷却机进行冷却 P61表6 1国内外预分解窑情况统计 6 2生料在煅烧过程中的物理化学变化 生料在加热过程中 依次发生干燥 粘土矿物脱水 碳酸盐分解 固相反应 熟料烧结及熟料冷却结晶等重要的物理化学反应 这些反应过程的反应温度 反应速度及反应产物不仅受原料的化学成分和矿物组成的影响 还受反应时的物理因素诸如生料粒径 均化程度 气固相接触程度等的影响 6 2 1干燥 排除生料中自由水分的工艺过程称为干燥 生料中还有不超过1 O 的水 自由水分的蒸发温度一般为27 150 左右 当温度升高到100 150 时 生料自由水分全部被排除 自由水分蒸发热耗大 每千克水蒸发潜热高达2257kJ 在100 下 6 2 2脱水 脱水是指粘土矿物分解放出化合水 层间水在100 左右即可排除 而配位水则必须高达400 600 以上才能脱去 6 2 2脱水 粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示 Al2O3 2SiO2 2H20Al203 2SiO2 2H2O 高岭土无定形无定形水蒸气高岭土进行脱水分解反应属吸热过程 生成了非晶质的无定形偏高岭土 具有较高活性 为下一步与氧化钙反应创造了有利条件 在900 950 由无定形物质转变为晶体 同时放出热量 6 2 2脱水 影响因素1 生料水分2 粘土矿物不同粘土矿物脱水温度不一样 书P36表3 43 粘土脱水产物活性一般结构疏松 无定形 非晶态 新生态 细小的 活性高 易与CaO结合 高岭石 蒙脱石 伊利石 长石 水云母 6 2 2脱水 影响因素1 生料水分2 粘土矿物3 粘土脱水产物活性4 急烧 粘土脱水后 随着温度的升高 会结晶或晶型转变 导致活性 急烧可使脱水产物来不急进行上述转变 就已进入碳酸钙分解温度 而与分解出的CaO均处于高活性状态 而易于反应 有利熟料的形成 6 2 2脱水 影响因素1 生料水分2 粘土矿物3 粘土脱水产物活性4 急烧5 粘土颗粒大小 粘土脱水首先在表面 再向粒子中心扩散 扩散过程较慢 内部脱水速度控制整个脱水过程 所以越细越好 6 2 3碳酸盐分解 1 分解反应特点 可逆反应 受T PCO2影响 T 有利反应向正方向进行 且分解速率加快600 开始分解 890 时PCO2 1个大气压 1100 1200 反应迅速 慢加快迅速 每T 50 分解速度约增1倍 6 2 3碳酸盐分解 1 分解反应特点 可逆反应 受T PCO2影响 T 有利反应向正方向进行 且分解速率加快T 废气T 热耗 预热器 分解炉易堵 结皮 加强通风 PCO2 有利反应向正方向进行 6 2 3碳酸盐分解 1 分解反应特点 可逆反应 受T PCO2影响 强吸热反应 是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程 约占预分解窑的1 2 湿法1 3 烧失量大 纯CaCO3为44 一般在40 左右 与石灰质原料的品质有关 6 2 3碳酸盐分解 1 分解反应特点 可逆反应 受T PCO2影响 强吸热反应 烧失量大 分解温度与PCO2和矿物结晶程度有关 PCO2 则分解温度增高 方解石的结晶程度高 晶粒粗大 则分解温度高 相反 微晶或隐晶质矿物的分解温度低 6 2 3碳酸盐分解 2 碳酸钙的分解过程五个过程 两个传热过程 热气流向颗粒表面传热 热量以传导方式向分解面传热 一个化学反应过程 分解面上的CaCO3分解并放出CO2 两个传质过程 分解放出的CO2穿过分解层 CaO层 向表面扩散 表面CO2向周围介质气流扩散 6 2 3碳酸盐分解 2 碳酸钙的分解过程五个过程中 传热和传质皆为物理传递过程 仅有一个化学反应过程 各过程的阻力不同 所以CaCO3的分解速率受控于其中最慢的一个过程 回转窑 生料粉粒径小 传质过程快 但物料呈堆积状态 传热面积小 传热系数不高 故传热速率慢 所以CaCO3分解速率取决于传热过程 6 2 3碳酸盐分解 2 碳酸钙的分解过程五个过程中 传热和传质皆为物理传递过程 仅有一个化学反应过程 各过程的阻力不同 所以CaCO3的分解速率受控于其中最慢的一个过程 立窑和立波尔窑 生料需成球 由于球径较大 故传热速率慢 传质阻力很大 所以CaCO3分解速率取决于传热和传质过程 6 2 3碳酸盐分解 2 碳酸钙的分解过程五个过程中 传热和传质皆为物理传递过程 仅有一个化学反应过程 各过程的阻力不同 所以CaCO3的分解速率受控于其中最慢的一个过程 预热器 预分解炉内 生料处于悬浮状态 传热面积大 传热系数高 传质阻力小 所以CaCO3分解速率取决于化学反应速率 6 2 3碳酸盐分解 3 影响碳酸钙分解反应的因素 反应条件 提高反应温度有利于加快分解反应速率 同时促使CO2扩散速率加快 但应注意温度过高 将增加废气温度和热耗 预热器和分解炉易结皮 堵塞 加强通风 及时排出反应生成的CO2气体 可加速分解反应 通风不畅时 废气中CO2含量增加 不仅影响燃料燃烧 而且使分解速率减慢 6 2 3碳酸盐分解 3 影响碳酸钙分解反应的因素 石灰石的种类和物理性质 结构致密 质点排列整齐 结晶粗大 晶体缺陷少的石灰石不仅质地坚硬 而且分解反应困难 如大理石的分解温度较高 质地松软的白垩和内含其他较多的泥灰岩 则分解所需的活化能较低 分解反应容易 当石灰石中伴生有其他矿物和杂质时 一般具有降低分解温度的作用 6 2 3碳酸盐分解 3 影响碳酸钙分解反应的因素 生料细度和颗粒级配 生料细度细 颗粒均匀 粗粒少 物料的比表面积大 可使传热和传质速率加快 有利于分解反应 6 2 3碳酸盐分解 3 影响碳酸钙分解反应的因素 生料悬浮分散程度 生料悬浮分散差 相对地增大了颗粒尺寸 减少了传热面积 降低了碳酸钙的分解速度 是决定分解速度的一个非常重要因素 书P112回转窑和分解炉内分解时间比较 回转窑内CaCO3分解率为85 95 800 1000 要15min 而分解炉内 800 850 要2s 6 2 3碳酸盐分解 3 影响碳酸钙分解反应的因素 粘土质组分的性质 若粘土质原料的主导矿物是活性活性大的高岭土 由于其容易和分解产物CaO直接进行固相反应生成低钙矿物 可加速CaCO3的分解反应 反之 若粘土的主导矿物是活性差的蒙脱石 伊利石 则要影响CaCO3的分解速率 由结晶SiO2组成的石英砂的反应活性最低 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应1 反应过程在熟料形成过程中 从碳酸钙开始分解起 物料中便出现了游离氧化钙 它与生料中的SiO2 Al2O3和Fe2O3等通过质点的相互扩散而进行固相反应 形成熟料矿物 固相反应 是指固态物质间发生的化学反应 有时也有气相或液相参与 而作用物和产物中都有固相 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应1 反应过程熟料形成过程的固相反应比较复杂 其过程大致如下 见书P113约800 开始形成CA CF与C2S C A CAC F CF2C S C2SC2S开始形成800 900 开始形成C12A7 C2F 7CA 5C C12A7 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应1 反应过程约800 开始形成CA CF与C2S 800 900 开始形成C12A7 C2F 900 1100 2C A S C2ASC2AS形成后又分解C12A7 9C 7C3AC3A开始形成C2F 2C C12A7 7C4AFC4AF开始形成1100 1200 大量形成C3A C4AF C2S含量达最大值 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应1 反应过程约800 开始形成CA CF与C2S 800 900 开始形成C12A7 C2F 900 1100 C2AS形成后又分解 C3A C4AF开始形成1100 1200 大量形成C3A C4AF C2S含量达最大值由上可见 水泥熟料矿物的形成是一个复杂的多级反应 反应过程是交叉进行的 上述反应为放热反应 用普通原料约放热420 450J g 足以使物料升温300 以上 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应1 反应过程约800 开始形成CA CF与C2S 800 900 开始形成C12A7 C2F 900 1100 C2AS形成后又分解 C3A C4AF开始形成1100 1200 大量形成C3A C4AF C2S含量达最大值以上化学反应的温度都小于反应物和生成物的熔点 也就是说物料在以上这些反应过程中都没有熔融状态物出现 反应是在固体状态下进行的 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应1 反应过程由于固体原子 分子或离子之间具有很大的作用力 因此固相反应的反应活性较低 反应速率较慢 通常 固相反应总是发生在两组分界面上 为非均相反应 对于粒状物料 反应首先是通过颗粒间的接触点或面进行 随后是反应物通过产物层进行扩散迁移 因此 固相反应一般包括界面上的反应和物质迁移两个过程 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应2 影响固相反应的主要因素 生料的细度和均匀性生料愈细 则其颗粒尺寸愈小 比表面积愈大 各组分间的接触面积愈大 同时表面的质点自由能亦大 使反应和扩散能力增强 因此反应速率愈快 但是 当生料磨细到一定程度后 如继续再细磨 则对固相反应的速率增加不明显 而磨机产量却大大降低 粉磨电耗剧增 因此 必须综合平衡 优化控制生料细度 生料的均匀性好 即生料内各组分混合均匀 这就可以增加各组分之间的接触 所以能加速固相反应 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应2 影响固相反应的主要因素 生料的细度和均匀性硅酸盐水泥生料细度一般控制范围 0 2mm 900孔 cm2 以上粗粒在1 0 1 5 以下 此时0 08mm以上粗粒可以控制在8 12 最高在15 以下 或者使生料中以上粗粒为0 5 左右 则0 08mm以上粗粒可放宽到15 以上 甚至可以达到20 以上 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应2 影响固相反应的主要因素 生料的细度和均匀性 温度和时间当温度较低时 固体的化学活性低 质点的扩散和迁移速率很慢 因此固相反应通常需要在较高的温度下进行 提高反应温度 可加速固相反应 由于固相反应时离子的扩散和迁移需要时间 所以 必须要有一定的时间才能使固相反应进行完全 急剧煅烧 热力梯度大 升温快 使脱水 CaCO3分解重合 新生态 活性高 6 2 4固相反应 固相反应 放热反应2 影响固相反应的主要因素 生料的细度和均匀性 温度和时间 原料性质当原料中含有如燧石 石英砂等结晶SiO2或方解石结晶粗大时 因破坏其晶格困难 所以固相反应的速率明显降低 特别是当原料中含有粗粒石英砂时 其影响更大 6 2 5熟料烧结 当物料温度升高到1250 1280 时 即达到其最低共熔温度 开始出现以氧化铝 氧化铁为主的液相 液相的组分中还有氧化镁和碱等 随着温度的升高和时间延长 液相量增加 液相粘度降低 氧化钙 硅酸二钙不断溶解 扩散 硅酸三钙晶核不断形成 并逐渐发育 长大 最终形成几十微米大小 发育良好的阿利特晶体 与此同时 晶体不断重排 收缩 密实化 物料逐渐由疏松状态转变为色泽灰黑 结构致密的孰料 我们称以上过程为熟料的烧结过程 简称熟料烧结 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度最低共熔温度 物料在加热过程中 两种或两种以上组分开始出现液相时的温度 组分性质与数目都影响系统的最低共熔温度 见书P114表6 2 矿化剂和微量元素对降低共熔温度有一定作用 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量液相量 CaO不易被吸收完全 导致熟料中f CaO 影响熟料质量 或降低窑产量和增加燃料消耗 液相量 能溶解的C2S CaO亦 形成C3S快 液相量 易结大块 回转窑内结圈 立窑内炼边 结炉瘤等 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量烧结范围 是指水泥生料加热至出现烧结所必需的 最少的液相量时的温度 开始烧结温度 与开始出现结大块 超过正常液相量 时的温度差值 生料中的液相量随温度升高而缓慢增加 其烧结范围就较宽 如生料中液相量随温度升高而增加很快 则其烧结范围就较窄 它对熟料烧成影响较大 如烧结范围宽的生料 窑内温度波动时 不易发生生烧或烧结成大块的现象 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量含铁量较高的硅酸盐水泥 其烧结范围就较窄 降低铁的含量 增加铝的含量 烧结范围就变宽 烧结范围还和液相粘度 表面张力及这些性质随温度而变化的情况有关 通常硅酸盐水泥熟料的烧结范围约为150 影响液相量的因素 生料成分 烧成温度 一般水泥熟料在烧成阶段的液相量约20 30 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量3 液相粘度液相粘度直接影响硅酸三钙的形成速率和晶体的尺寸 粘度小 则粘滞阻力小 液相中质点的扩散速率增加 有利于硅酸三钙的形成和晶体的发育成长 反之则使硅酸三钙形成困难 熟料液相粘度随温度和组成 包括少量氧化物 而变化 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量3 液相粘度影响液相粘度的因素 温度 温度 粘度 T 离子动能 相互间作用力 液相组成 液相粘度随液相中离子状态和相互作用力的变化而异 6 2 5熟料烧结 液相组成 液相粘度随液相中离子状态和相互作用力的变化而异 a CaO离解为Ca2 离子 b SiO2主要离解为SiO44 阴离子团 Si O价键较强 在粘滞流动时 不易断裂 因而液相粘度较高 c Al2O3和Fe2O3为两性化合物 可同时离解成MeO45 和Me3 离子 两者的比例视各自金属离子半径和液相酸碱度而异 以MeO45 离子状态存在时 有4个O2 配位 构成较紧密的四面体 Me O价键较强 在粘滞流动时 不易断裂 因而液相粘度较高 6 2 5熟料烧结 液相组成 液相粘度随液相中离子状态和相互作用力的变化而异 a CaO离解为Ca2 离子 b SiO2主要离解为SiO44 阴离子团 Si O价键较强 在粘滞流动时 不易断裂 因而液相粘度较高 c Al2O3和Fe2O3为两性化合物 可同时离解成MeO45 和Me3 离子 两者的比例视各自金属离子半径和液相酸碱度而异 以Me3 离子状态存在时 有6个O2 配位 构成松散的八面体 Me O价键较弱 在粘滞流动时 易于断裂 因而液相粘度较低 6 2 5熟料烧结 液相组成 液相粘度随液相中离子状态和相互作用力的变化而异 a CaO离解为Ca2 离子 b SiO2主要离解为SiO44 阴离子团 Si O价键较强 在粘滞流动时 不易断裂 因而液相粘度较高 c Al2O3和Fe2O3为两性化合物 可同时离解成MeO45 和Me3 离子 两者的比例视各自金属离子半径和液相酸碱度而异 Al3 半径 Fe3 趋向于构成较多的MeO45 离子 因而提高IM 则粘度 6 2 5熟料烧结 液相组成 液相粘度随液相中离子状态和相互作用力的变化而异 a CaO离解为Ca2 离子 b SiO2主要离解为SiO44 阴离子团 Si O价键较强 在粘滞流动时 不易断裂 因而液相粘度较高 c Al2O3和Fe2O3为两性化合物 可同时离解成MeO45 和Me3 离子 两者的比例视各自金属离子半径和液相酸碱度而异 液相碱性较弱时 例如有MgO SO3时 则Me2O3呈碱性 更多地离解成Me3 离子 因而液相粘度降低 当液相碱性较强 例如有Na2O K2O时 则Me2O3呈酸性 更多地离解成MeO45 离子 因而液相粘度提高 6 2 5熟料烧结 液相组成 液相粘度随液相中离子状态和相互作用力的变化而异 a CaO离解为Ca2 离子 b SiO2主要离解为SiO44 阴离子团 Si O价键较强 在粘滞流动时 不易断裂 因而液相粘度较高 c Al2O3和Fe2O3为两性化合物 可同时离解成MeO45 和Me3 离子 两者的比例视各自金属离子半径和液相酸碱度而异 d 其它 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量3 液相粘度影响液相粘度的因素 温度 液相组成 煅烧方法 慢速升温 则Me2O3大部分离解成MeO45 离子 因而液相粘度提高 快速升温 则Al3 以四 六配位共存 而六配位的Fe3 增多 因而液相粘度降低 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量3 液相粘度4 液相的表面张力液相表面张力愈小 愈容易润湿熟料颗粒或固相物质 有利于固相反应与固液相反应 促进熟料矿物特别是C3S的形成 T 表面张力 熟料中含镁 碱 硫等物质时 表面张力 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量3 液相粘度4 液相的表面张力5 氧化钙溶解于熟料液相的速率C3S的形成主要是在液相中 由f CaO C2S形成 因而溶于液相速率对C3S形成有重要影响 T 溶解速率 粒径 溶解速率 6 2 5熟料烧结 影响熟料烧结的因素 1 最低共熔温度2 液相量3 液相粘度4 液相的表面张力5 氧化钙溶解于熟料液相的速率6 反应物存在的状态研究发现 在熟料烧成时 氧化钙与贝利特晶体尺寸小 处于晶体缺陷多的新生态 则其活性大 活化能小 易溶于液相中 因而反应能力很强 这有利于硅酸三钙的形成 试验还表明 极快速升温 600 min以上 可使粘土矿物的脱水 碳酸盐分解 固相反应 固液相反应几乎重合 使反应物处于新生的高活性状态 在极短的时间内 可同时生成液相 贝利特和阿利特 6 2 6熟料冷却 冷却的目的在于 回收熟料带走的余热 预热二次 三次空气 提高窑的热效率 迅速冷却熟料以改善熟料质量与易磨性 降低熟料温度 便于熟料的运输 贮存与粉磨 熟料的冷却并不是简单的温度降低 而是伴随着一系列的物理化学变化 如液相凝固 相变等 冷却的方法 速度不同 则发生的物理化学变化过程不一样 对熟料的质量 易磨性的影响也不一样 平衡冷却 慢冷 冷却速度非常慢 使固液相反应充分进行 淬冷 冷却速度快 使高温下形成的液相来不及结晶而冷却成玻璃相 6 2 6熟料冷却 在水泥生产中 一般均采用快冷 其作用有 1 提高熟料质量 快冷阻止或减少 C2S向 C2S转变 防止熟料粉化 阻止或减少C3S C2S f CaO 快速越过C3S的分解温度 使C3S来不及分解而呈介稳状态保存下来 急冷使C3S晶体细小 可提高熟料质量 6 2 6熟料冷却 在水泥生产中 一般均采用快冷 其作用有 1 提高熟料质量 快冷阻止或减少 C2S向 C2S转变 防止熟料粉化 阻止或减少C3S C2S f CaO 避免或减少MgO结晶成方镁石 冷却速度越慢 结晶越粗大 膨胀 即改善了水泥的安定性 急冷使熟料中C3A结晶体减少 可增强水泥的抗硫酸盐性能 另外 结晶型的C3A水化后易使水泥浆快凝 而非结晶的C3A水化后 不会使水泥浆快凝 因而容易掌握其凝结时间 6 2 6熟料冷却 在水泥生产中 一般均采用快冷 其作用有 1 提高熟料质量 2 改善熟料的易磨性 快冷熟料玻璃体含量高 同时造成熟料产生内应力 缺陷多 快冷使熟料矿物晶体保持细小 易磨 3 回收余热 提高一 二次风温熟料进入冷却机时尚有1100 以上高温 若冷却到室温 则尚有837kJ kg的热量 可用二次空气来回收 有利窑内燃料煅烧 提高窑的热效率 6 2 6熟料冷却 在水泥生产中 一般均采用快冷 其作用有 1 提高熟料质量 2 改善熟料的易磨性3 回收余热冷却机形式 单筒 多筒 篦式 熟料形成的热化学 1 热效应 熟料形成的热化学 2 熟料形成热 指在一定生产条件下 用某一基准温度 一般是0 或20 的干燥物料 在没有任何物料和质量损失的重要依据下 制成1kg同温度的熟料所需要的热量 3 熟料理论热耗 390 430kcal kg熟料 1650 1800kJ kg 计算假定条件 生产1 0kg熟料所需的生料量为1 55kg 石灰石和粘土的比例为78 22 据此 按物料在加热过程中的化学反应热和物理热 计算所得 由于原料不同 各种计算所得略有出入 熟料形成的热化学 3 熟料理论热耗 390 430kcal kg熟料 1650 1800kJ kg 实际生产中形成的熟料和废气不可能冷却到0 因而必然带走一部分热量 生产过程不可能没有物料损失及物料循环的存在 其煅烧设备还要向外散失热量 因此 实际生产每1kg熟料消耗的热量 必然比熟料形成热要大得多 根据生产方法和使用的设备不同 一般在2800 7500kJ kg范围内 这就是熟料的单位热耗 熟料的单位热耗越接近熟料形成热 煅烧设备的热效率越高 6 3悬浮预热技术 由加料管自然滑落喂入的生料粉在调整气流的冲击下迅速分散 均匀悬浮于气流中 气固之间80 以上的换热在进风管道中完成 换热时间仅需0 02 0 04秒 只有20 以下的换热在旋风筒中完成 6 3悬浮预热技术 预热器必须具备三个功能 使气 固两相能充分分散均布迅速换热高效分离三个功能 锁风阀 翻板阀 翻板阀是个能绕轴旋转的耐热部件 起到密封的同时把生料喂入到气流中翻板阀的设计是当一定重量的物料压在阀板上才会打开翻板阀可以调节 因此可以根据物料的多与少进行调节 重锤 锁风阀 翻板阀 双锁风阀 撒料板 撒料箱 通过锁风阀的物料都是成团的 一股一股的 这种团状或股状物料 气流不能带起而直接落入旋风筒中造成短路 撒料板 箱 的作用就是将团状或股状物料撒开 将物料均匀的分布到气管的横截面 提高换热效率 撒料板 撒料箱 撒料箱安装 6 4预分解技术 预分解窑的特点 在悬浮预热器与回转窑之间增设一个分解炉或利用窑尾上升烟道 装设燃料喷入装置 喷入煅烧所需的60 左右的燃料 使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程 在分解炉中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行 使入窑生料的分解率达到85 95 减轻窑内煅烧带的热负荷 有利于缩小窑的规格及生产大型化 并且可以节约单位建设投资 延长衬料寿命 大幅度提高了窑系统的生产效率 有利于减少大气污染 6 4预分解技术 分解炉内气 固流运动方式及功能分解炉内的气流运动 有四种基本型式 即涡旋式 喷腾式 悬浮式及流化床式 在这四种型式的分解炉内 生料及燃料分别依靠 涡旋效应 喷腾效应 悬浮效应 和 流态化效应 分散于气流之中 由于物料之间在炉内流场中产生相对运动 从而达到高度分散 均匀混合和分布 迅速换热 延长物料在炉内的滞留时间 达到提高燃烧效率 换热效率和入窑物料碳酸盐分解率的目的 涡流燃烧式分解炉 以RSP ReinforcedSuspensionPrcheater 型为例 6 4预分解技术 分解炉与窑的连接方式 6 5回转窑技术 水泥回转窑是由10 70mm铁质钢性材料卷成筒体后 一段段焊接做成的 长径比一般为10 16 一般倾斜布置 斜度为2 5 气固逆流相对运动 转速设计一般为1 4r min 一般有三组支撑托轮 窑内砌筑一定厚度和不同材质的耐火砖 6 5回转窑技术 6 5回转窑技术 回转窑的功能预分解窑系统中回转窑具有五大功能 1 燃料燃烧功能2 热交换功能3 化学反应功能4 物料输送功能5 降解利用废弃物功能 6 5回转窑技术 回转窑两个很大的缺点和不足一是作为热交换装置 窑内炽热气流与物料之间主要是 堆积态 换热 换热效率低 从而影响其应有的生产效率的充分发挥和能源消耗的降低 二是熟料煅烧过程所需要的燃料全部从窑热端供给 燃料在窑内煅烧带的高温 富氧条件下燃烧 NOx等有害成分大量形成 造成大气污染 6 5回转窑技术 预分解窑工艺带的划分从窑尾起至物料温度1280 止 也有以1300 为过渡带 主要任务是物料升温及小部分碳酸盐分解和固相反应 物料温度1280 1450 1300 区间为烧成带 窑头端部为冷却带 6 5回转窑技术 物料在窑内的工艺反应分解反应 固相反应烧结反应 6 5回转窑技术 分解反应 分解率为85 95 温度820 850 的细颗粒料粉 当它刚喂入窑内时 还能继续进行分解 但由于重力作用 随即沉积在窑的底部 形成堆积层 随窑的转动料粉又开始运动 但这时即使气流温度 窑尾烟气温度 达1000 料层内部的料温低于900 其分解反应亦将暂时停止 因料层内部颗粒周围被CO2气膜所包裹 气膜又受上都料层的压力 因而使颗粒周围CO2的压力达到l大气压 料温在其平衡分解温度900 以下是难以进行分解的 但处于料层表面的料粉仍能继续分解 随着时间的推移 料粉颗粒受气流及窑壁的加热 温度从820 上升到900 时 料层内部再进行分解反应 直到分解反应基本完成 由于窑内总的物料分解量大大减少 因此窑内分解区域的长度比悬浮预热器窑缩短 6 5回转窑技术 预分解窑熟料煅烧进程书P128图6 10 物料停留的时间 min 6 6熟料冷却技术 在水泥生产中 一般均采用快冷 其作用有 1 提高熟料质量 2 改善熟料的易磨性3 回收余热冷却机形式 单筒 多筒 篦式衡量冷却机的优缺点的准则 冷却机的热量回收 冷却后熟料温度 动力消耗 设备重量 配套收尘设备投资 占地面积等 6 6熟料冷却技术 史密斯第四代蓖冷机 史密斯第四代蓖冷机 史密斯第四代蓖冷机 第四代蓖冷机特点 第四代蓖冷机特点 6 7预分解窑技术的生产控制 预分解窑生产中重点监控的主要工艺参数见书P132 135窑系统由废气处理系统 生料喂料系统 预热器 分解炉 回转窑 冷却机系统和喂煤系统等组成 在生产过程中 通过对气体流量 物料流量 燃料量 温度 压力等工艺过程参数的检测和控制 使它们相互协调 成为一个有机的整体 进而对窑系统进行有效的控制 中央控制室简介 中央控制室是指能够把全厂所有操作功能集中起来 并把生产过程集中进行监视和控制的一个中心场所 在中控室里 通过计算机等技术能将整个生产过程参数 设备运行情况等全面迅速反映出来 并能对过程参数实现及时 准确的控制 因此 中央控制室是全厂的控制枢纽和指挥中心 把生产过程集中在中控室内进行显示 报警 操作和管理 可以使操作人员对全厂的生产情况一目了然 便于针对生产过程中出现的问题及时进行调度指挥 从而有利于优化操作 实现高产 优质 低消耗 中央控制室简介 中央控制室简介 应用以微型计算机为基础的分布式控制系统 DCS 是一种控制功能分散化 监视操作集中化的控制系统 既所谓的集散控制系统 集散控制系统将4C技术 计算机技术 控制技术 通讯技术 CRT显示技术 相结合 解决了计算机集中控制所存在的问题 中央控制室简介 6 7 4预分解窑异常状况调控及其故障处理 书P137表6 6 6 8新型干法水泥生产技术的发展 铜陵海螺2 10000t d生产线 6 8新型干法水泥生产技术的发展 铜陵海螺2 10000t d生产线 6 8新型干法水泥生产技术的发展 铜陵海螺2 10000t d生产线 6 8新型干法水泥生产技术的发展 铜陵海螺2 10000t d生产线 和谐水泥 降低热耗 提高热效率的措施 1 熟料理论热耗2 蒸发水分热耗 料浆过滤脱水 料浆稀释剂等3 减少不完全燃烧热损失据热工测定统计 我国回转窑的不完全燃烧热损失平均为251kJ kg cl 约占熟料热耗的4 左右 其中化学不完全燃烧热损失为142 155kJ kg cl 机械不完全燃烧热损失为71 130kJ kg cl 减少不完全燃烧热损失的途径或采取以下措施 降低热耗 提高热效率的措施 1 熟料理论热耗2 蒸发水分热耗 料浆过滤脱水 料浆稀释剂等3 减少不完全燃烧热损失 过剩空气系数的控制 在1 05 1 15之间 但过剩空气系数具体应控制在多少才合适 主要是在保证燃料完全燃烧的情况下 尽量保持较小的过剩空气系数 即减少废气带走热 控制好煤粉质量 影响燃烧速度的因素同时也影响燃料燃烧的完全程度 为减少不完全燃烧所造成的热损失 煤的水分和细度应符合工艺要求 降低热耗 提高热效率的措施 1 熟料理论热耗2 蒸发水分热耗 料浆过滤脱水 料浆稀释剂等3 减少不完全燃烧热损失 准确的喂煤量 造成喂煤量不准确 主要原因是因喂煤系统设备调节不灵活 不能根据窑内温度变化 适量地培养喂煤量 从而产生不完全燃烧热损失 下煤不均引起跑煤和断煤现象较多 如 煤粉仓锥体部分煤粉流动差 双管绞刀或其他给煤装置锁风不严 煤粉计量设备性能差等均可导致煤流的不稳定 不准确 降低热耗 提高热效率的措施 1 熟料理论热耗2 蒸发水分热耗 料浆过滤脱水 料浆稀释剂等3 减少不完全燃烧热损失 加强密闭堵漏 窑头 窑尾的漏风 严重影响窑内通风和燃料燃烧 预热器系统的漏风比前两者的影响还要大 此外 篦式冷却机的各室串风 漏风现象 对煤粉的燃烧都有影响 窑头 窑尾 减去机漏风与部件材质 管理不善等因素有关 应加强管理 把漏风控制在最低水平 降低热耗 提高热效率的措施 1 熟料理论热耗2 蒸发水分热耗 料浆过滤脱水 料浆稀释剂等3 减少不完全燃烧热损失4 废气带走热损失废气带走热损失是熟料热耗中最大的一项 平均为2048kJ kg cl 约占热耗35 左右 其中干法窑平均为3405kJ kg cl 占53 湿法窑为1116kJ kg cl 占17 半干法窑为1428kJ kg cl 占31 12 这主要是窑尾废气温度高 新型干法窑出系统温度为380 以下 但废气量很大 废气带走的热量相当可观 降低热耗 提高热效率的措施 1 熟料理论热耗2 蒸发水分热耗 料浆过滤脱水 料浆稀释剂等3 减少不完全燃烧热损失4 废气带走热损失5 表面散热损失 我国回转窑筒体热损失平均为739kJ kg cl 约占熟料热耗的12 国外由于采用隔热材料 热耗比我国低167 502kJ kg cl 据统计 筒体温度每降低1 约减少热耗约5 4kJ kg cl 近年来国内推广隔热材料 效果良好 如硅酸钙板在预热系统上已大量使用 在预热器分解炉系统使用硅藻土隔热砖 有的企业采用中国建材研究院耐火材料所研制的新型隔热材料 窑体温度下降100 左右 降低热耗 提高热效率的措施 1 熟料理论热耗2 蒸发水分热耗 料浆过滤脱水 料浆稀释剂等3 减少不完全燃烧热损失4 废气带走热损失5 表面散热损失6 熟料带走热损失与冷却机废气热损失7 其它 减少窑内部与外部物料循环 窑灰带走热 实现低温煅烧 加强余热的利用等 窑用耐火材料 窑衬 是指砌筑在窑筒体内表面的耐火材料层 耐火材料的选用适当与否 以及镶砌的质量好坏 直接影响到窑的长期安全运转 同时也影响到窑的产量和热能的消耗 一般窑筒体 金属钢材制成 能承受温度400 左右 窑衬能承受1600 左右 如果窑出现掉砖 则会使窑筒体温度过高 在晚上观查时会有暗红色 如果不及时处理 窑筒体会发生变形 在以后的初砌窑衬时 会因窑筒体变形而很难使窑衬密实 容易发生脱落 窑用耐火材料 一 窑衬的主要作用1 减少高温气体与物料对筒体化学侵蚀与机械磨损 保护窑筒体 2 充当传热介质 窑砖可从气体中吸收一部分热量 以不同的传导及辐射方式传给物料 3 窑衬可以隔热保温 减少窑体热损失等 窑用耐火材料 二 回转窑对窑衬的要求1 耐高温性强窑内不管烧成状况的好坏 窑内温度都在1000 以上 这就要求耐火砖在高温下不能熔化 在熔点之下还要保持有一定的强度 同时还要有长时间暴露在高温下不变形的特性 2 热振稳定性好即抵抗窑温剧烈变化而不被破坏的能力好 在停窑 开窑以及运转状不稳定的情况下 窑内的温度变化都比较大 这就要求窑砖在温度剧烈变化的情况下 不能有龟裂或者是剥落的情况 窑用耐火材料 二 回转窑对窑衬的要求3 抗化学侵蚀性强物料在窑内煅烧时 所形成的灰分 熔渣 蒸气均会对窑衬产生很大的侵蚀 窑衬应能抵抗各种侵蚀 4 耐磨性及机械强度好窑内物料的滑动及气流中粉尘的摩擦 均会对窑衬造成很大的磨损 尤其是开窑的初期 窑内还没有窑皮保护时更是 窑衬还要承受高温时的膨胀应力及窑筒体变形所造成的应力 因此窑衬要有一定的机械强度 窑用耐火材料 二 回转窑对窑衬的要求5 窑衬具有良好的挂窑皮性能窑皮挂在窑衬上 对窑衬有很大的保护作用 如果窑衬具有良好的挂窑皮性能 并且窑皮能够维持较长的时间 可以使窑衬不受侵蚀与磨损 6 孔隙率要低窑衬如果气孔率高会造成腐蚀性的窑气渗入 从而造成窑衬腐蚀损坏 特别是碱性气体更是如此 窑用耐火材料 二 回转窑对窑衬的要求7 热膨胀安定性要好窑筒体的热膨胀系数虽大于窑衬的热膨胀系数 但是窑筒体温度一般都在280 450 左右 而窑衬的温度一般都在800 以上 在烧成带的地方其温度超过1300 因此窑衬的热膨胀比窑筒体要大 窑衬容易受热膨胀应力造成剥落 窑用耐火材料 三 回转窑常用耐火材料1 粘土砖2 高铝砖3 磷酸盐结合高铝质窑用耐火材料4 镁砖5 镁铝尖晶石砖6 普通镁铬砖7 直接结合镁铬砖8 耐碱砖 第6章结束 第三节回转窑内的煅烧 一 回转窑的结构为使回转窑筒体适应各带物料反应的不同要求 往往将筒体做成各种形状 主要是直筒型和各种局部扩大型两类 第三节回转窑内的煅烧 一 回转窑的结构为使回转窑筒体适应各带物料反应的不同要求 往往将筒体做成各种形状 主要是直筒型和各种局部扩大型两类 第三节回转窑内的煅烧 一 回转窑的结构1 直筒形结构简单 便于制造和维修 部件和所用耐火材料尺寸规格及品种少 便于管理 由于直径相同 对于提高传热面积 增加窑的产量适应性差 第三节回转窑内的煅烧 一 回转窑的结构2 冷端扩大扩大干燥带或预热带的直径 一般用于湿法长窑 扩大后 可多挂链条及安装其他热交换装置 增加传热面积 提高预烧能力 降低出窑废气温度 降低热耗 同时使窑尾风速减小 减少飞扬损失 有利于降低料耗 在窑内传热面积相同的情况下 可缩短窑的长度 对大型带悬浮预热器的干法窑 为减小窑尾风速 也有采用扩大冷端直径的 第三节回转窑内的煅烧 一 回转窑的结构3 热端扩大扩大燃烧带的直径 使燃烧带容积增加 提高了燃烧带的发热能力 有利于提高窑产量 减少结圈 但烧成带容积增加后 往往会感到窑的预烧能力不足 若不相应地扩大预烧带 提高预烧能力 会使窑尾废气温度升高 降低窑的热效率 第三节回转窑内的煅烧 一 回转窑的结构4 两端扩大 哑铃型 热端扩大是为了提高窑的烧成能力 冷端扩大是为了提高窑的预烧能力 中间缩小可省钢材 还可提高分解带料层厚度 防止物料窜动 使物料在分解带内翻滚煅烧 但中部缩小后 风速增大 使分解带内扬尘增加 料耗增加 增加了收尘器的工作负荷 第三节回转窑内的煅烧 一 回转窑的结构以上几种筒体形状 各有优缺点 生产中应根据具体情况进行分析选用 但各种扩大型窑体结构复杂 所用耐火材料尺寸规格及品种多 比直筒形制造 维修 管理麻烦 湿法长窑常采用冷端扩大 热端扩大多用于直径较小的窑 新型干法回转窑大都用直筒形 第三节回转窑内的煅烧 二 回转窑筒体规格回转窑的长度是从前窑口到后窑口的总长 常用符号 L 表示 直径是指窑筒体的内径 通常用符号 D 表示 为了保护筒体 筒体内镶砌有100 230mm厚的耐火材料 直径4 0m 长60m 4 0 60m热端扩大 扩大直径为3 0m 其他为2 8m 长70m 3 0 2 8 70m冷端扩大 扩大直径为3 0m 其他为2 8m 长70m 2 8 3 0 70m两端扩大 扩大直径为3 0m 其他为2 8m 长70m 3 0 2 8 3 0 70m 第三节回转窑内的煅烧 三 回转窑的功能回转窑作为水泥熟料矿物最终形成的煅烧设备 一直单独承担着水泥生产过程中的熟料煅烧任务 回转窑具有以下五大功能 1 燃料燃烧功能煤粉燃烧产生的热量通过辐射 对流 和传导三种基本传热方式 将热量传给物料 作为燃料燃烧装置 它具有广阔的空间和热力场 可以供应足够的空气 装设优良的燃烧装置 保证燃料充分燃烧 为熟料煅烧提供必要的热量 回转窑中熟料煅烧过程所需要的燃料全部从窑热端供给 燃料在窑内煅烧带的高温 富氧条件下燃烧 NOx等有害成分大量形成 造成大气污染 第三节回转窑内的煅烧 三 回转窑的功能1 燃料燃烧功能2 热交换功能 作为热交换装置 它具有比较均匀的温度场 可以满足水泥熟料形成过程各个阶段的换热要求 特别是阿利特矿物生成的要求 作为热交换装置 窑内炽热气流与物料之间主要是 堆积态 换热 换热效率低 从而影响其应有的生产效率的充分发挥和能源消耗的降低 第三节回转窑内的煅烧 三 回转窑的功能1 燃料燃烧功能2 热交换功能3 化学反应功能作为化学反应器 随着水泥熟料矿物形成不同阶段的不同需要 它既可分阶段地满足不同矿物形成对热量 温度的要求 又可以满足它们对时间的要求 是目前用于水泥熟料矿物最终形成的最佳装备 尚无其他装备可以替代 第三节回转窑内的煅烧 三 回转窑的功能1 燃料燃烧功能2 热交换功能3 化学反应功能4 物料输送功能回转窑有一定斜度 3 5 在窑不断回转运动中 物料从高端向低端 窑头 逐渐运动 作为输送设备 它具有更大的潜力 因为物料在回转窑断面内的填充率 窑斜度和转速都很低 回转窑斜度与填充率的经验关系 斜度 2 53 03 54 04 5平均填充率 131211109 第三节回转窑内的煅烧 三 回转窑的功能1 燃料燃烧功能2 热交换功能3 化学反应功能4 物料输送功能5 降解利用废弃物功能由于回转窑具有较高的温度场和气流滞流时间长的热力场 可降解化工医药等待业排出的有毒 有害废弃物 同时 可将其中的绝大部分重金属元素固化在熟料中 生成稳定的盐类 避免了 垃圾焚烧炉 容易产生的二次污染 第三节回转窑内的煅烧 四 回转窑内物料的运动情况物料在窑内运动的情况影响到物料受热的均匀性 物料运动的速度影响到物料在窑内停留时间和物料在窑内的填充系数 影响到物料与气体之间的传热 为了提高产 质量 降低料耗 必须了解物料在窑内的运动 第三节回转窑内的煅烧 四 回转窑内物料的运动情况A B C D E F G 所经踟如一根半圆形弹簧 第三节回转窑内的煅烧 四 回转窑内物料的运动情况物料在窑内运动常用如下公式作分析参考 正常生产中 Di S 基本是定值 因而改变流速只能通过改变窑速实现 第三节回转窑内的煅烧 四 回转窑内物料的运动情况当喂料量不变时 窑速愈慢 料层愈厚 物料被带起的高度也愈高 由在窑壁上的时间愈长 在单位时间内的翻滚次数愈少 物料前进速度亦愈慢 窑速愈快 料层愈薄 物料被带起的高度愈低 单位时间内翻滚次数愈多 物料前进愈快 窑内料层厚 物料受热不均匀 产量虽高 质量不易稳定 在生产操作中经常用调整窑的转速来控制物料的运动速度 新型干法窑常用较快的窑速 采用 薄料快烧 的方法 第三节回转窑内的煅烧 四 回转窑内物料的运动情况当回转窑的喂料量一定 物料运动速度还影响物料在回转窑内的填充率 或称物料的负荷率 即窑内物料的容积占整个窑筒体容积的百分比 可用下式表示 第三节回转窑内的煅烧 四 回转窑内物料的运动情况由该式可知 当喂料量G保持不变时 物料运动速度加快 窑内的物料负荷率必然减少 反之 就要加大 在熟料生产过程中 要求窑内的物料填充系数最好保持不变 以稳定窑的热工制度 当预烧和煅烧不良需要降低窑速时 要相应地减少喂料量 以保持窑内物料厚度 即物料填充系数不变 因此 窑的传动电机的转速应与喂料机电动机同步 以使窑的转速与生料喂料量有一定的比例 第三节回转窑内的煅烧 四 回转窑内物料的运动情况窑的斜度与转速一定 物料平均速度大体上固定 但由于窑内各带物料煅烧进程不同 导致物料的性质变化 从而使窑内各带物料的实际运动速度是不同的 从干燥带向窑前运动速度逐渐增加 分解带最快 以后又逐渐减小 碳酸盐分解放出的CO2气体导致物料处于流化状态 物料速度最快 烧成带由于部分熔融物料大 所以物料运动速度慢 第三节回转窑内的煅烧 五 气体在回转窑内的运行回转窑采用强力通风的方法 在窑尾安装排风机 使窑内产生负压 保证煤粉的完全燃烧并形成一定的火焰形状和长度 及时排出窑内的废气 促使碳酸盐分解过程顺利进行 窑内气体流速大小影响对流传热系数 窑内飞灰的多少 火焰的长度 流速 对流传热速率快 但气流与物料接触时间短 废气温度可能升高 热耗增加且飞灰大 使料耗增大 因此不一定经济 若流速过低 传热速度低 使产量降低 同时为了保持窑内适当的火焰长度 要求有适当的气体流速 第三节回转窑内的煅烧 五 气体在回转窑内的运行窑头 窑尾负压反映二次风入窑及窑内液体阻力的大小 在正常操作中 应稳定窑头 窑尾负压在不大的范围内波动 若窑内通风增大时 窑头 窑尾负压均增大 当窑内阻力增大 窑内有结圈或料层增厚时 则窑尾负压增大 而窑头负压反而减小 在生产中当排风机抽力不变 可根据窑头 窑尾负压的变化来判断窑内情况 在正常生产时 窑头保持微负压状态 第三节回转窑内的煅烧 六 回转窑内的煤粉燃烧及对火焰的要求煤粉燃烧过程分为四个阶段 1 燃料与空气混合 2 燃料与空气加热至一定温度 释放挥发分 3 挥发分着火燃烧放出热量 为固定碳着火燃烧创造高温环境条件 4 固定碳着火燃烧及燃尽 释放燃烧产物 新型干法窑要求火焰的形状 温度和强度与回转窑煅烧熟料相适应 保证在整个火焰长度上都能进行高效率的热交换 同时又不能使窑皮产生局部过热 第三节回转窑内的煅烧 六 回转窑内的煤粉燃烧及对火焰的要求煤粉燃烧过程分为四个阶段 燃料与空气混合 燃料与空气加热至一定温度 释放挥发分 挥发分着火燃烧放出热量 为固定碳着火燃烧创造高温环境条件 固定碳着火燃烧及燃尽 释放燃烧产物 新型干法窑要求火焰的形状 温度和强度与回转窑煅烧熟料相适应 保证在整个火焰长度上都能进行高效率的热交换 同时又不能使窑皮产生局部过热 第三节回转窑内的煅烧 六 回转窑内的煤粉燃烧及对火焰的要求1 火焰形状火焰的形状指火焰长度 粗细和完整性 1 火焰长度通常火焰长度是指燃焰长度 第三节回转窑内的煅烧 六 回转窑内的煤粉燃烧及对火焰的要求1 火焰形状火焰的形状指火焰长度 粗细和完整性 1 火焰长度火焰长度太长 烧成带温度降低 液相出现早 易结圈 废气温度高 煤耗增加 火焰长度太短 高温部分过于集中 易烧垮窑皮及衬料 不利于窑的长期安全运转 因而火焰长度应根据窑内实际情况进行调整 影响火焰长度的因素有气体在窑内的流速和煤粉燃烧的速度 第三节回转窑内的煅烧 六 回转窑内的煤粉燃烧及对火焰的要求1 火焰形状 1 火焰长度 气体在窑内的流速流速愈快 火焰愈长 一次风速增加 一方面能提高煤粉的有效射程 使火焰拉长 另一方面又使风煤混合均匀 使燃烧速度快 火焰短 为防止 回火 喷出速度过小 火焰将不断向后传播 直至传入喷煤管 喷出速度应比火