熟料煅烧技术

1、 熟料煅烧技术熟料煅烧技术 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。 概概 述述 硅酸盐水泥主要由熟料所组成。熟料 的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、 燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。 新型干法水泥生产，是以悬浮预热 和窑外分解技术为核心，把现代科学技 术和工业生产成果，广泛用于水泥生产 全过程，使水泥生产具有高效、优质、 低耗、符合环保要求和大型化、自动化 为特征的现代水泥生产方法，并具有现 代化的水泥生产新技术和与之相适应的

2、 现代管理方法。 生 料 回 转 窑 预热器 窑 气 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。 预分解窑的关键技术装备有旋风筒、预分解窑的关键技术装备有旋风筒、 换热管道、分解炉、回转窑、冷却机（简换热管道、分解炉、回转窑、冷却机（简 称筒称筒- -管管- -炉炉- -窑窑- -机）等。这五组关键技术机）等。这五组关键技术 装备五位一体，彼此关联，互相制约，形装备五位一体，彼此关联，互相制约，形 成了一个完整的熟料煅烧的热工体系，分成了一个完整的熟料煅烧的热工体系，分 别承担着水泥

3、熟料煅烧过程的预热、分解、别承担着水泥熟料煅烧过程的预热、分解、 烧成、冷却任务烧成、冷却任务。 生料在煅烧过程中的物理化学变化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。 干干 燥燥 排除生料中自由水分的工艺过程称为干燥 脱脱 水水 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 400600以上才

4、能脱去。 碳酸盐分解碳酸盐分解 MgC0MgC03 3 MgO + CO MgO + CO2 2(1047(10471214)J/g1214)J/g CaC0 CaC03 3 CaO + CO CaO + CO2 21645 J/g1645 J/g 生料中的碳酸钙和夹杂的少量碳酸镁在煅烧过程中分 解并放出CO2的过程称碳酸盐分解。 碳酸镁的分解温度始于402480左右，最高分解温 度700左右； 碳酸钙在600时就有微弱分解发生，但快速分解温度 在812928之间变化 碳酸钙分解反应的特点碳酸钙分解反应的特点 1可逆反应； 2强吸热反应； 每1 kg纯碳酸钙在890时分解吸收热量为1645J/

5、g， 是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程。分解 所需总热量约占预分解窑的二分之一； 3烧失量大； 4分解温度与CO2分压和矿物结晶程度有关 。 碳酸钙的分解过程碳酸钙的分解过程 热气流向颗粒表面传进分解所需要的热量； 热量以传导方式由表面向分解面传递的过程； 在一定温度下碳酸钙吸收热量，进行分解并放出CO2的 化学过程； 分解放出的CO2，穿过CaO层，向表面扩散传质； 表面的CO2向周围气流介质扩散。 分解速度或者分解所需的时间将决定于化学反应所 需时间，即反应生成的CO2通过表面CaO层的扩散是整个碳 酸钙分解过程中的速度控制过程。 影响碳酸钙分解速度的因素影响碳酸钙分解速度的因素

6、 1石灰质原料的特性 2生料细度和颗粒级配 3生料悬浮分散程度 4温度 5系统中CO2分压 6 生料中粘土质组分的性质 固相反应固相反应 通常在碳酸钙分解的同时，分解产物CaO与生料中的SiO2、 Fe2O3、Al2O3等通过质点的相互扩散而进行固相反应，形 成熟料矿物。 固相反应的过程比较复杂，其过程大致如下： 800 CaO+ Al2O3 CaOAl2O3 (CA) Ca0+Fe2O3 CaOFe2O3 (CF) 2Ca0+ Si02 2CaOSi02 (C2S)开始形成 800900 7(CaOAl2O3)+5CaO 12CaO7Al2O3 (C12A7) 9001100 2CaO+Al

7、2O3+Si02 2CaOAl2O3Si02 (C2AS)形成后又分解 12CaO7Al2O3+9CaO 7(3CaOAl2O3) (C3A)开始形成 7(2CaOFe2O3)+2CaO+12CaO7Al2O3 7(4CaOAl2O3Fe2O3) (C4AF)开始形成 1100l200 大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。 水泥熟料矿物的固相反应是放热反应，固相反应的放热量 约为420500J/g。 固相反应通常需要在较高温度下进行，影响固相反应的主 要因素主要有以下几点： （1）生料细度及均匀程度 （2）原料性质 （3）温度 熟料烧结熟料烧结 在高温液相作用下，固相硅酸二钙和氧化钙

8、都逐步溶解 于液相中，硅酸二钙吸收氧化钙形成硅酸盐水泥的主要矿 物硅酸三钙，其反应式如下： C2S + Ca0 C3S 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，以上过 程为熟料的烧结过程，简称熟料烧结。 130014501300称为熟料的烧结温度。在此温度范 围内大致需要1020 min完成熟料烧结过程。 影响熟料烧结过程的因素 : 1.最低共熔温度 2.液相量 3.液相粘

9、度 4.液相的表面张力 5.氧化钙和硅酸二钙溶于液相的速率 熟料冷却熟料冷却 熟料烧结过程完成之后，C3S的生成反应结束，熟料从 烧成温度开始下降至常温，熔体晶化、凝固，熟料颗粒结 构形成，并伴随熟料矿物相变的过程称为熟料的冷却。 冷却的目的冷却的目的 1.改善熟料质量与易磨性； 2.降低熟料温度，便于熟料的运输、储存和粉磨； 3.部分回收熟料出窑带走的热量，预热二、三次空气， 4.降低熟料热耗，提高热利用率。 急冷对改善熟料质量的作用急冷对改善熟料质量的作用 1防止或减少C3S的分解 2避免-C2S转变成-C2S 3改善了水泥安定性 4使熟料C3A晶体减少，提高水泥抗硫酸盐性能 5改善熟料易

10、磨性 6克服水泥瞬凝或快凝 悬浮预热技术悬浮预热技术 1悬浮预热技术 2悬浮预热技术的优越性 3悬浮预热器的构成及功能 4旋风预热器是主要的预热设备 1 1、悬浮预热技术悬浮预热技术 悬浮预热技术: 是指低温粉状物料均匀分散在高温气流之中，在悬浮状态 下进行热交换，使物料得到迅速加热升温的技术。 2 2、悬浮预热技术的优越性悬浮预热技术的优越性 物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加， 因此传热速度极快，传热效率很高。 生料粉与燃料在悬浮态下均匀混合，燃料燃烧产生的热 及时传给物料，使之迅速分解。 由于传热、传质迅速，大幅度提高了生产效率和热效率。 3 3、悬浮预热器的构成及功能悬浮预

11、热器的构成及功能 构成旋风预热器的热交换单元主要是旋风筒及各级旋 风筒之间的连接管道(换热管道) 。 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 4 4 、旋风预热器是主要的预热设备旋风预热器是主要的预热设备 旋风预热器是由旋风筒和连接管道组成的热交换器。 换热管道是旋风预热器系统中的重要装备，它不但承担着 上下两级旋风筒间的连接和气固流的输送任务，同时承担 着物料分散、均布、锁风和气、固两相间的换热任务，所 以，换热管道除管道本身外还装设有下料管、撒料器、锁 风阀等装备，它们同旋风筒一起组合成一个换热单元。 旋风筒的作用主要是气固分离，旋风筒的作用主要是

12、气固分离， 传热只占传热只占6%6%12.5%12.5%。 气流主要受离心力、器壁的摩擦力的作用 粉尘主要受离心力、壁的摩擦力和气流的阻力作用 两者还同时受到含尘气流从旋风筒上部连续挤压而产生的向 下推力作用，这个推力则是含尘气流旋转向下运动的原因。 含尘气流中的气流和粉尘的受力状况基本相同，但由于两者 物理特性不同，致使两者在受力状况基本相同的条件下，得 到不同的运动效果，从而使得含尘气流最后得到分离。 旋风筒的分离效率旋风筒的分离效率 旋风筒的分离效率的高低，对系统的传热速率和热效率 有重要影响。 旋风筒的分离效率愈低，生料在系统内、外循环量就愈 高。 系统内生料循环量等于喂料量时，废气温

13、度将升高38。 外循环量增加，就会增加收尘设备的负荷，降低热效率。 最高一级旋风筒的分离效率决定着预热器系统的粉尘排 出量，提高它的分离效率是降低外部循环的有效措施， 因此一级旋风筒一般为并联的双旋风筒。 热交换主要在连接管道内进行约热交换主要在连接管道内进行约8080以上以上 对管道的设计十分重要 管道风速太低，虽然热交换时间延长，但影响传热效率， 甚至会使生料难以悬浮而沉降积聚，并且使管道面积过大 风速过高，则增大系统阻力，增加电耗，并影响旋风筒的 分离效率 正确确定换热管道尺寸，必须首先确定合适的管道风速 管道风速的确定管道风速的确定 可根据生料粒径、悬浮速度以及工况等因素进行理论计算。

14、 由于影响因素复杂，许多因素的考虑也不能完全符合实际，故计 算后亦常需要以实验数据或经验数据予以修正，故各国设计或制 造单位，一般根据实践经验数据选定各部换热管道风速，作为管 道尺寸设计的基础。 各种类型的旋风预热器的换热管道风速，一般选用1218m/s。 必须采取的措施：必须采取的措施： 目的：使生料能够充分的分散悬浮于管道内的气流中，加速气固之间 的传热。 措施1： 1.在生料进入每级预热器的上升管道处，管道内应有物料分散装置，一 般采用板式撒料器（如图6-4所示）和箱式撒料器。 作用：在于防止下料管下行物料进入换热管道时的向下冲料，并促使下 冲物料冲至下料板后飞溅、分散。装置虽小，但作用

15、极大。 2.选择生料进入管道的合适方位，使生料逆气流方向进入管道，以提高气 固相的相对速度和生料在管道内停留时间。 3.两级旋风筒之间的管道必须有足够的长度，以保证生料悬浮起来，并在 管道内有足够的停留运行距离，充分发挥管道传热的优势。 4.旋风筒下料管道上设有锁风翻板排灰阀，要求结构合理、轻便灵活不漏 风，生料能连续卸出，有料封作用。 撒料板装置撒料板装置 锁风翻板排灰阀锁风翻板排灰阀 锁风翻板排灰阀(简称锁风阀)是预热器系统的重要附属设备。 它装设于上级旋风筒下料管与下级旋风筒出口的换热管道入料口之 间的适当部位。其作用在于保持下料管经常处于密封状态，既保持 下料均匀畅通，又能密封物料不能

16、填充的下料管空间，最大限度地 防止由于上级旋风筒与下级旋风筒出口换热管道间由于压差容易产 生的气流短路、漏风，做到换热管道中的气流及下料管中的物料 “气走气路、料走料路”，各行其路。 既有利于防止换热管道中的热气流经下料管上窜至上级旋风筒下料 口，引起已经收集的物料再次飞扬，降低分离效率；又能防止换热 管道中的热气流未经同物料换热，而经由上级旋风筒底部窜入旋风 筒内，造成不必要的热损失。 锁风阀锁风阀 4 4 预分解技术预分解技术 定义：预分解(或称窑外分解)技术是指将已经过悬浮预热 后的水泥生料，在达到分解温度前，进入到分解炉内与进 入炉内的燃料混合，在悬浮状态下迅速吸收燃料燃烧热， 使生料

17、中的碳酸钙迅速分解成氧化钙的技术。 预分解窑的特点预分解窑的特点 .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。 分解炉内气、固流运动方式及功能分解炉内气、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

18、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。 1.1.旋流式分解炉又称旋风式分解炉旋流式分解炉又称旋风式分解炉 以SF型为代表。 现 已 发 展 为 N S F ( N e w S u s p e n s i o n P r e h e a t c r Flash Calciner) 型， 它的原理已发展 为旋流-喷腾式 分解炉类型。 2

19、2涡流燃烧式分解炉涡流燃烧式分解炉 以RSP(Reinforced Suspension Prcheater)型为例。 3 3喷腾式分解炉喷腾式分解炉 以FLS (FLSmidth)型为例 4 4沸腾式分解炉沸腾式分解炉 以MFC(Mitsubish Fluidized Calciner)型为代表，如图所示 为MFC系统工艺流程与带出式N-MFC沸腾分解炉的示意图。该炉分 四个区： (1)流化层区 (2)供气区 (3)稀薄流化区 (4)悬浮区 新型分解炉的发展方向新型分解炉的发展方向 (1) 适当扩大炉容，延长气流在炉内的滞留时间，以空间 换取保证低质燃料完全燃烧所需的时间； (2) 改进炉的

20、结构，使炉内具有合理的三维流场，力求提 高炉内气、固滞留时间比，延长物料在炉内滞留时间； (3) 保证物料向炉内均匀喂料，并做到物料入炉后，尽快 地分散、均布； (4) 改进燃料燃烧器形式与结构，以及合理布置，使燃料 入炉后尽快点燃； (5) 下料、下煤点及三次风之间布局的合理匹配，以有利 于燃料起火、燃烧和碳酸盐分解； (6) 根据需要，选择分解炉在预分解窑系统的最优部位、 布置和流程，有利于分解炉功能的充分发挥，提高全系统 功效，降低NOx，SO3等有害成分排放量，确保环保达标。 新型分解炉型及结构分析新型分解炉型及结构分析 1、“喷-旋”型分解炉 “喷-旋”迭加型分解炉的喷腾作用有利于物

21、料在炉内的分 散、均布，旋流有利于延长物料在炉内的滞留时间： RSP炉SC室对中低质及低挥发分煤的点火预燃的优异作用 流阻力较大，喷-旋流场组织不好，不但不能充分发挥两种 流 场 迭 加 的 应 有 作 用 ， 反 而 引 起 系 统 阻 力 增 加 2、“喷腾”型及“喷腾迭加”型分解炉 喷腾型及喷腾迭加型分解炉，由于其阻力小，结构简单，布 置方便，炉内物料分散、均布以及点火起燃条件、换热功能 良好，只要结合原燃料条件，保证有一个充足的炉容是很有 发展前途的。 3、“流化悬浮”型分解炉 MFC窑具有“两步到位”，适应中低质燃料，充分利用窑气热量和 防止“粘结堵塞”的优点； N-MFC炉是对MF

22、C炉流化床阻力大、流化风温度低等缺点的改进和优 化 在使用中低质燃料、甚至劣质燃料时都可以适应 4、“悬浮”型分解炉 “悬浮型”分解炉以Prepol和Prolong型炉为代表。其主要特点是 以延长和扩展的上升烟道作为管道式炉，虽然“悬浮效应”的固气 滞留时间比值较其他炉型小，炉内气固流湍流效应较差，但是由于 它们有较充裕的炉容补差，炉型结构也比较简单，布置方便，随着 中低质燃料的使用、工业垃圾的处理和环境保护，因而得到了较为 广泛地应用。 预分解窑及各种分解炉预分解窑及各种分解炉 技术创新的共同趋势和目标技术创新的共同趋势和目标 一是中低质及低挥发分燃料在炉内的迅速点火起燃的环 境改善； 二是

23、使用中低质及低挥发分燃料时，要“以空间换时 间”，即扩大炉容，改进结构，提高燃料燃尽率； 三是降低窑炉内NOx生成量，并在出窑入炉前制造还原气 氛，促使NOx还原，满足环保要求； 四是采取措施，促进替代燃料和可燃废弃物的利用。 第一种方式第一种方式 分解炉与窑连接方式分解炉与窑连接方式 分解炉直接坐落在窑尾烟室之上，称为同线型分解炉。这种炉型 实际是上升烟道的改良和扩展。它具有布置简单的优点，窑气经 窑尾烟室直接进入分解炉，由于炉内气流量大，O2含量低，要求 分解炉具有较大的炉容或较大的K值（固气滞留时间比）。这种 炉型布置简单、整齐、紧凑，出炉气体直接进入最下级旋风筒， 因此它们可布置在同一

24、平台，有利于降低建筑物高度。同时，采 用“鹅颈”管结构增大炉区容积，亦有利于布置，不增加建筑物 高度。 第二种方式第二种方式 分解炉自成体系，称为离线型炉。采用这种方式时，窑尾设有 两列预热器，一列通过窑气，一列通过炉气，窑系列物料流至 最下级旋风筒后再进入分解炉，同炉系列物料一起在炉内加热 分解后，经炉系列最下级旋风筒分离后进人窑内。同时，离线 型窑一般设有两台主排风机，一台专门抽吸窑气，一台抽吸炉 气，生产中两列工况可以单独调节。在特大型窑，则设置三列 预热器，两个分解炉。 第三种方式第三种方式 分解炉设于窑的一侧，称半离线型炉。这种布置方式中，分解 炉内燃料在纯三次风中燃烧，炉气出炉后可

25、以在窑尾上升烟道 下部与窑气会合(如RSP、MFC等)，亦可在上升烟道上部与窑气 会合(如N-MFC、SLCS等)，然后进入最下级旋风筒。这种方 式工艺布置比较复杂，厂房较大，生产管理及操作亦较为复杂。 其优点在于燃料燃烧环境较好，在采用“两步到位”模式时， 有利于利用窑气热量和防止粘结堵塞。 5 5、回转窑回转窑 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 回转窑两个很大的缺点和不足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。 预分解窑工艺带的划分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