新型水泥回转窑系统

1、 在本章将主要学习以下内容： (1)(1)该系统流程及其几个重要性能指标 (2)(2)旋风预热器 (3)(3)分解炉 (4)(4)回转窑 (5)(5)冷却机 (6)(6)煤粉燃烧器（喷煤管） (7)(7)均衡稳定操作与防止异常操作现象 (8)(8)水泥窑用耐火材料 水泥是一种细磨材料，它加入适量水后，成为塑性浆体，这种浆体是既能在空气中硬化，又能在水中硬化（硬化后要达到一定的强度），并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的而且具有其他一些性能的水硬性胶凝材料。 水泥生产要经过“二磨一烧”（即生料磨、水泥窑和水泥磨），其中，水泥窑系统是将水泥生料在高温下烧成为水泥熟料的热工设备，是水泥生产中一个极为

2、重要的关键环节。2.1 2.1 系统概述 没有分解炉的新型干法水泥回转窑系统叫做SPSP窑，有分解炉的新型干法水泥回转窑系统叫做NSPNSP窑，在一些欧美国家也将NSPNSP窑称为PCPC窑，即预分解窑。2.1.1 2.1.1 系统简介窑外分解窑的原理图窑外分解窑的效果图窑外分解窑的立体图 该系统的工作原理为： （分别从料、煤、风的角度论述）（以5 5级预热为例） 第一，生料粉从第1 1级旋风筒和第2 2级旋风筒之间的联接管道加入，加入的生料进入联接管道内后马上被分散在上升气流中，从而被携带到第1 1级旋风筒（简称C C1 1，C C是CycloneCyclone的第一个字母，1 1代表第1

3、1级旋风筒）内，在旋风筒内利用离心力的作用进行气固分离后，废气被排走，而生料粉被再一次加到C C2 2和C C3 3之间的联接管道内，然后再一次被携带到C C2 2内进行气固分离。 这样依次类推，生料粉依次通过各级旋风筒及其联接管道。生料粉每与上升的气流接触一次，就经过一次剧烈的热交换，从而生料粉被一次一次地预热升温，废气则被一次一次地冷却降温，从而达到回收废气余热来预热生料。当生料达到一定温度，会发生一定程度的碳酸盐分解（小部分分解，因为废气的热焓不足以使其发生大量分解）。 出C C4 4的预热生料进入分解炉，在分解炉内完成大部分碳酸钙的分解，分解反应所需热量来自于分解炉内的燃料燃烧。分解后

4、的生料与废气再一起进入C C5 5内，经C C5 5完成气固分离后，生料入回转窑内煅烧，再经过一系列物理化学反应后，最终烧成为水泥熟料。出窑后熟料再经过冷却机冷却后被送到熟料库内。熟料、石膏、混合材按一定比例在水泥磨内混合粉磨后就成为水泥。 第二，来自煤磨的煤粉被分成二部分，小部分煤粉（大约45% 30%）被送到窑头喷入回转窑内燃烧，燃烧后产生的高温烟气供给回转窑内煅烧水泥熟料所用；大部分煤粉（大约55% 70%）被气力输送到分解炉内燃烧，以供给预热生料中碳酸钙分解所需的大量热量。 第三，燃料燃烧所需的助燃空气被分成三部分，第一部分来自窑头的鼓风机，称为：一次空气（或称：一次风）。一次风主要作

5、用是：携带从窑头煤粉仓下来的煤粉经喷煤管高速喷入回转窑内高效燃烧来保持喷出火焰有一定的“刚度”（平、顺、直）；另外两个部分助燃空气来自熟料冷却机内的预热空气，分别称为：二次空气（或称：二次风）和三次空气（或称：三次风）。二次风从窑头进入回转窑内成为窑头煤粉燃烧的主要助燃空气（另外少量的助燃空气是一次风）。三次风通过专门设立的三次风管进入分解炉成为分解炉内煤粉燃烧所需的主要助燃空气。 二次空气和三次空气的预热温度不受限制，温度越高越好；而一次空气不允许被预热，否则温度较高的一次风会使煤粉中的挥发份在喷煤管中提前逸出，从而可能造成煤粉爆炸。因此，二次风的比例越多越好，即在能够保证一次风携带煤粉并以

6、一定的动量喷入回转窑内的前提下，一次风的比例越低越好。此外，出窑废气（简称：窑气）、出炉废气（简称：炉气）一起又到悬浮预热器内逐级预热生料。2.1.2 2.1.2 新型干法水泥回转窑系统 的几个重要性能指标 对于新型干法水泥回转窑系统，在保证其能够生产出质量合格的水泥熟料这一前提下，有两个主要的评价指标尤为重要：一是产量，二是热耗。所以，评价一个新型干法水泥回转窑系统是否达标（达到设计指标）；主要是看这两个指标，即产量是否达标（产量是否高于设计产量；热耗是否达标（热耗是否低于设计热耗）。 当然，除了这两个技术性能指标以外，关于水泥回转窑系统的技术性能指标还有其他若干个，参见教材的第2.1.22

7、.1.2节；关于熟料冷却机的几个重要性能的定义与解释参见教材的第2.5.12.5.1节。2.2 2.2 悬浮预热器 悬浮预热是为了实现气（废气）、固（生料粉）之间的高效换热，从而达到提高生料温度，降低排出废气温度的目的。 悬浮预热器曾经有旋风预热器和立筒预热器之分。立筒预热器已经淘汰。因此，关于悬浮预热器只介绍旋风预热器。2.2.1 2.2.1 旋风预热器的工作原理 旋风预热器是由若干级换热单元所组成（参见教材的图2.12.1、图2.22.2，早期的旋风预热器为4 4级，现在一般为5 5级，个别窑型为6 6级）。每一级换热单元都是由旋风筒及其联接管道所构成，参见教材的图2.42.4。 一个换热

8、单元必须同时具备以下三个功能： 第一，生料粉在废气中的分散与悬浮； 第二，气、固相之间的换热； 第三，气、固相的分离, ,气流被排走， 生料粉被收集。 旋风预热器的工作原理是：生料粉进入联接管道后，随即便被上升气流所冲散，使其均匀悬浮于气流中。由于悬浮态时气固之间的接触面积极大，对流换热系数较高，因此换热速度极快，完成有效换热只需要0.02 0.04s。当气料流到达旋风筒时，气固之间的温度差已经很小，所以气固之间的换热主要是在联接各个旋风筒的联接管道中进行，所以有人干脆将其称为“换热管道”。而旋风筒的主要功能则是完成气固相的分离和固相生料粉的收集。 旋风筒的工作原理是：气流携带生料粉以切线方向

9、、高速进入旋风筒，从而被迫在圆筒体与排气管之间的圆环柱内呈旋转运动，而且是一边旋转，一边向下运动，从圆筒体到锥体，一直延伸到锥体的端部，并反射旋转向上，最后气流从排气管排出。向下旋转的气流为外旋流，向上旋转的气流为内旋流。旋转运动使粉料受到离心力，由于粉料的密度大，在离心力作用下，粉料向边壁运动并沿边壁下滑后经锥体端部排出，从而完成气固相的分离和固相生料粉的收集。 为了避免排出的粉料被下一级管道内逆流上升的气流吹起而造成“二次飞扬”，从而降低气固分离效率，所以在下料管上要有锁风阀（也称：翻板阀 或 闪动阀）。锁风阀目前常用单板式、双板式。需要指出：由于上数第1 1级旋风筒C C1 1非常强调其

10、气固分离效率要高（参见第2.2.4.12.2.4.1中的分析），所以C C1 1的下料管上往往设置有两道锁风阀，而其他级旋风筒上则只设置一道锁风阀。 另外，关于如何克服旋风筒内部旋风（有人形象地称为“龙卷风”）的风尾在旋风筒锥体内引起的“二次飞扬”问题，人们还常常采用以下措施：第一，延长旋风筒的长度，使其大于旋转气流的自然长度，从而避免旋转气流的二次卷吸；第二，在旋风筒的锥体部分，采用隔离膨胀仓技术，参见教材的表2.72.7；第三，在旋风筒锥体部分，设置隔离导向锥，参见教材的图2.272.27。 单板式 双板式两种型式锁风阀的结构 两道锁风阀 一道锁风阀影响旋风筒气固分离效率的主要因素有： 旋

11、风筒直径：筒径越小，分离效率越高。 旋风筒进风口：进风口结构应保证进风沿切向入筒、减小涡流干扰。进风口形状现在多采用多边形（参见表2.7和图2.12）。进风口尺寸应保证进口风速在15 25m/s。 排气管（也称：出风管或出口导管，简称：内筒 或 套筒）的尺寸及其插入深度：一般来说，内筒的直径越小，插入深度越深，旋风筒的气固分离效率越高。 旋风筒的高度：增加高度有利于气固分离效率的提高。 当然，除上述4 4个主要因素以外，其它因素（像粉料颗料的大小、气流中的粉料浓度、锁风阀的严密程度等）也都会对旋风筒的气固分离效率有一定的影响。 除了气固分离效率以外，旋风筒的另一个重要的性能指标就是它的流体阻力

12、损失（水泥行业中常叫做压损，即压强损失，Pressure LossPressure Loss）。 一般说来，强调分离效率的提高会引起旋风筒压损的提高由于压损的提高会增加整个系统的电耗，所以，具体设计和生产时，要统筹考虑气固分离效率和电耗这两个指标，并兼顾考虑其他一些因素，以综合效益最优者为最佳。2.2.2 2.2.2 影响旋风预热器换热效率 的因素 关于旋风预热器的换热效率，应主要考虑以下三个因素： 粉料在管道内的悬浮状况； 气、固之间的换热效果； 气、固相的分离程度。2.2.2.1 2.2.2.1 粉料在管道内的悬浮 一般生料粉是成股地从加料口加入，向下有一个冲力，当遇到向上的气流时，部分粉

13、料会被气流带起，折面向上而悬浮于高温气流之中，料股中间的料粉继续下冲，又被气流冲散、被上升气流带起，也悬浮于高温气流中。如果有部分粉料未被气流冲散，则不能够悬浮于高温气流中而会短路落入下级旋风筒内，失去了进一步受热的机会，这会大幅度降低换热效率。为了防止这种现象发生，在设计时着应该重考虑以下几点措施： 选择合理的喂料位置 为了充分利用联接管道的长度，延长气、固之间的热交换时间，喂料点宜靠近联接管道的起端，但必须以加入的料粉能良好悬浮、不短路落料为前提。喂料点距出风管起始端应大于1m1m，此距离还与来料落差、来料均匀程度、内筒插入深度以及管道风速有关。 选择适当的管道风速 一般要求风速在10 2

14、5m/s之间，通常大于15m/s。可在悬浮区局部缩小管径，使气体局部加速以增大冲击力。 在喂料口加装撒料装置 在喂料口处加装撒料装置后，当粉料喂入管道内下冲时，首先撞击在撒料装置上，被冲散后并折向，再被上升气流进一步冲散而充分悬浮。撒料装置的主要作用在于防止下料管内下行物料进入换热管道时发生向下冲料，以及促使下冲物料冲至下料装置后发生飞溅、分散。撒料装置主要有两种类型：一是板式撒料器（也称：撒料板）；二是撒料箱（也称：撒料盒），在教材上如图2.72.7（a a）、（b b）所示。 注意来料的均匀 要求均匀喂料，而且要求下料管的翻板阀灵活、严密，当来料多时，它能起到一定的缓冲作用；当来料少时，还

15、能够有效地防止系统内部漏风。因此，有人提出了高频脉动喂料法，这无论是从传热学的角度来看还是从来料均匀的角度来看，都是合理的。2.2.2.2 2.2.2.2 气、固相之间的换热 对于旋风预热器内气、固相之间的悬浮态传热，由于废气温度不是太高，相对来说，辐射换热量不是太大，因此，换热方式以对流换热为主（约70% 80%。这样，根据传热学的有关公式，得： Q = F（tg tm） （kW） 式中， Q气、固相之间的换热量 （也称：换热速率），kW或kJ/s；气、固相之间的换热系数（包括对流和辐射，以对流为主）； F F气、固相之间的接触面积，m m2 2； t tg g - t- tm m气、固二相

16、之间的 平均温度差，。 受各种因素影响和限制，和（tg tm）允许波动的幅度都不大。因此，影响气、固相之间换热速率的最敏感因素是接触面积F。 对于生料粉来说，由于生料磨将其磨得很细，因此其比表面积很大，一般为2500 3500cm2/g。假如它在气流中的分散程度不同，则其暴露的表面积也会有很大的差异，因此，气、固相之间的悬浮换热效果在很大程度上取决于生料在气流中的分散程度。 需要指出：悬浮态气固相之间的换热速度极快，尤其固相刚刚加入到气相后的加速段，经过0.02 0.04s的时间，气固相之间就可以达到温度的动态平衡，在教材上如图2.8 所示。这时，再增加气固相之间的接触时间，其意义已经不大，所

17、以这时只有实现气、固相分离进入下一个换热单元，才能强化气、固相传热。这就是为什么旋风预热器系统需要若干个换热单元相串联的真正缘故所在。 串联级数越多，换热效果越好，但相应整个系统的流体阻力也会增大，因而电耗也就会随之增加，到底几级换热单元串联最为合理，这个问题将在第2.2.52.2.5中讨论。有人提出的高频脉动喂料方法，可以达到固相生料不断变速的效果，从而能够充分利用“固相加速初始段”气固换热效率高的这一悬浮态换热的特点。2.2.2.3 2.2.2.3 气、固相的分离 实现气、固相之间的有效换热且在低成本下运行是悬浮预热系统的最终目的。但是气流中生料的分散与悬浮，气固换热、气固分离是相互联系、

18、相互制约的。我们可以向以下几个方向努力： 开发新型高效、低压损的旋风筒； 开发新型换热管道； 开发新型锁风阀； 开发新型撒料装置； 重视气固比的影响。具体内容请参见教材的第2.2.2.3。 以上几条已经成为当代窑外分解系统研制开发和竞争的主要课题。人们越来越清楚地认识到，只有旋风预热器系统现代化，才能为窑外预分解系统的最佳匹配打下坚实的基础，进而才能够充分地发挥悬浮预热技术和窑外预分解技术应有的优势。2.2.3 2.2.3 旋风预热器的结构参数 和技术参数具体内容请参见教材。2.2.4 2.2.4 各级旋风预热器性能的配合 以下是关于各级旋风筒几个影响因素对整个预热器系统热效率影响的讨论。 （

19、以5 5级旋风预热器为例）2.2.4.1 2.2.4.1 各级旋风筒气固分离效率C C的影响 假如简单地从传热学角度考虑（越往下，气体温度越高），各级旋风筒的气固分离效率C C对预热器系统热效率影响的顺序是： C5C5C4C4C3C3C2C2C1C1， 但是，若考虑到C C1 1排出粉尘量的影响最大（出了C C1 1的生料就出了整个预热器系统而成为飞损的粉尘，从而增加料耗、热耗以及收尘器的负担），所以，C1C1的重要性应大于其他各级。所以应改为： C1C1C5C5C4C4C3C3C2C2 （当然不排除一些特殊的设计理念。例如，有设计者认为，C2C2较高时，才能够保证很高的C1C1。所以他们也特

20、别强调C2C2要高，甚至高于C5C5）。由此可看出：中间几级旋风筒对气固分离效率的要求相对较低，这就使得我们可以在降低压损方面多采取改进措施，因为降低旋风筒的阻力损失与提高旋风筒的气固分离效率往往是一对矛盾的缘故。目前，中间几级旋风筒甚至最下一级旋风筒均采用低压损的旋风筒。 最下一级旋风筒的气固分离效率C5C5不仅对热效率有很大影响，还直接决定着回流到上一级旋风筒的生料量有多少，而且在高温下增大细颗粒生料的循环量容易造成预热生料的发粘堵塞，从而影响整个窑系统正常运行。因此，应该尽可能保持C5C5较大，设计者要多采用一些新技术来解决这一问题，参见教材的第2.2.32.2.3节。2.2.4.2 2

21、.2.4.2 各级旋风筒表面散热损失 的影响 越往下，旋风筒及其联接管道的表面温度越高，故而表面散热损失越大，因此其边壁保温显得越来重要，尤其是在最下一级旋风筒和窑尾上升烟道处，其表面散热损失大，所以更应加强此处的保温。2.2.4.3 2.2.4.3 各级旋风筒漏风量的影响 越往下，气体温度越高，冷风漏入热效率影响越大。漏风不仅会降低气流温度，还继续影响着上面各级换热单元的热效率，还增加了后面排风机的负担、增大电耗，漏风量对热效率的影响顺序是： LokLokC5 C5 Lok LokC4 C4 Lok LokC3 C3 Lok LokC2 C2 LokLokC1C12.2.52.2.5旋风预热

22、器串联级数的选择 有研究人员在理想条件下，通过物料平衡和热量平衡计算的方法对不同级数预热器内气体温度及物料的预热效果进行了比较。其计算结果在教材上如教材上的表2.62.6所示与图2.132.13所示。由此，可以得出下列结论： 预热器出口处废气温度随级数的增多而降低。但是它们之间的关系不是直线关系，而是随级数的增多，废气温度降低的趋势逐渐减缓。即旋风预热器级数愈多，平均每级所能回收的热量愈少。 物料预热温度随级数增大而升高。但是同样的规律是随着旋风预热器级数增多，升温曲线逐渐趋向于平缓。 从理论上讲，旋风预热器级数愈多，愈接近于可逆换热过程，换热效率愈高。但在实际生产中，每增加一级预热器就需要多

23、克服一级的流体阻力，所以动力消耗（电耗）增大。另外，随着旋风预热器级数的增加，设备投资增加，预热器的框架增高（土建投资将增大）。因此不是级数愈多, ,而是有个最佳级数值。 有资料表明: :若以国内现有旋风预热器窑生产中有代表性的操作参数为基础，计算各级预热器气、固温度变化和流体阻力损失，并以给定的原料、燃料、电力和成品的价格为例进行计算，在不考虑土建投资的情况下，计算结果如下： 第一，若目标函数为最低热耗时，最佳级数为7 8级；第二，若目标函数为最低综合能耗（热耗和电耗）时，最佳级数为6 7级；第三，若目标函数为单位产品最低成本，则最佳级数为5 6级；第四，上述级数的数值也是一个变数。例如，粉

24、料在气流中的分散悬浮程度不好、传热效果差、旋风筒出口处气固之间的温差大、表面散热多、漏风系数大，均将使最佳级数减少；反之，若以上各项条件改善（例如，采用新型低阻高效旋风筒）、以及加大“固气比”，均可使最佳级数增加。 最早的旋风预热器是四级旋风筒，随着科技的发展，目前大都采用五级、六级旋风筒，为了补偿级数增加导致整个预热器系统压降的增加，中间几级旋风筒采用低压损旋风筒。这样可使得五级旋风筒的压损之和与传统的四级旋风筒压损之和相差不多。至于低压损旋风筒的结构型式，随其开发公司和研制单位的不同而有所差异。目前最常用的是1-1-1-1-11-1-1-1-1结构（单列）或2-2-2-2-22-2-2-2

25、-2结构（双列）。2.2.6 2.2.6 旋风预热器的分类、特点以及几种典型的旋风预热器 旋风预热器窑的专利最早出现于2020世纪3030年代的捷克，19321932年丹麦F. L. F. L. 史密斯公司购得了此专利。而旋风预热器窑出现在水泥工业则是到了19531953年，最早是由德国洪堡公司推出的传统洪堡型旋风预热器。2020世纪7070年代窑外预分解技术出现之后，旋风预热器也有了很大的发展。在国际上，水泥设备制造公司在改进分解炉结构、性能的同时，其研究开发的目标也扩展到预热器系统上。许多改进型的低压损旋风筒应运而生。 不但在旋风筒的结构上，而且在换热管道、撒料装置、锁风装置等方面均有改进

26、，在教材上如图2.72.7所示。概括起来说，这些旋风筒的改进有以下五个方面： 在旋风筒入口或出口处增设导流板； 旋风筒筒体结构的改进； 旋风筒进风口与内筒结构的改进； 旋风筒下料口结构的改进； 旋风筒旋流方式的改进。参见教材上的相关内容。 为了便于读者对旋风筒的结构有进一步的了解，这里对几种典型的旋风筒以及相关的预热器系统作一简介。具体内容参见教材上的相关部分。传统的德国洪堡型 旋风预热器德国洪堡公司的五级旋风预热器单列 双列德国伯力休斯公司的六级旋风预热器丹麦F. L.史密斯公司的FLS-LP旋风预热器HURRIVANEHURRIVANE导流板 HURRICLONHURRICLON旋风筒奥地

27、利PMT旋风筒技术公司的 导流板与旋风筒 泰国L.V.L.V.技术公司的 LVCLVC旋风筒泰国L. V. 技术公司的LV型五级旋风预热器成都建材工业设计研究院有限公司的CNC型五级旋风预热器 2.3 分 解 炉2.3.1 窑外分解技术的产生 SP窑较好地解决了生料的预热问题，而且还使得小部分碳酸盐的分解过程在窑外完成，入窑生料的表观分解率达到35%左右。但是，CaCO3分解过程速度过慢的问题仍没有从根本上得到解决，这就制约了回转窑产量的进一步提高。因为这时，如果设想增大回转窑尺寸来提高产量，则由于窑内燃烧带的截面热力强度随窑径的增大而急剧增加，因而会导致回转窑的窑龄大大缩短。 鉴于此，人们借

28、鉴了悬浮态传热快，而石灰配料（用熟石灰CaO代替石灰石CaCO3配制水泥生料）产量高以及含油页岩作为水泥生料的原料可以增产的成功经验，便在的悬浮预热器与回转窑之间增设了一个新热源 “分解炉”，在分解炉内喷入相当数量的燃料，以弥补窑尾废气中热焓量的不足，使得炉内燃料燃烧的放热过程与生料中CaCO3分解的吸热过程同时在同一空间内呈高效而迅速地进行， 这样不仅大大提高了传热速率，而且也大大地加快了分解产物CO2向主气流的扩散速度，CaCO3分解过程的速度大大加快，入窑生料的表观分解率可以提高到85% 95%（为了避免过分追求入窑生料分解率而使窑尾温度过高以及为了适应生产过程中一些不可避免的波动，生产

29、中入窑生料的表观分解率一般控制在100%100%以下）。 这从根本上解决了“传统水泥回转窑的预烧能力低，回转窑的产量受制于生料预烧效果”的问题，其结果是：回转窑的单机产量大幅度提高。这就是 “窑外预分解窑”，简称：窑外分解窑 或 预分解窑，国外称之为NSPNSP（New SPNew SP）窑或PCPC（PrecalciningPrecalcining）窑。 新建窑外分解窑的产量可以提高一倍以上，被称为“倍增型”。现在，普遍公认的世界上第一台窑外分解窑于19711971年在日本研制成功，具体是由日本石川岛 播磨株式会社（Ishikawajima-Harima Inc.Ishikawajima-H

30、arima Inc.，简称：IHIIHI）和日本原秩父水泥株式会社（Chichibu Cement Inc.Chichibu Cement Inc.）联合研制开发，并在秩父一厂投产成功。 随后，各种类型的分解炉及窑外分解窑像雨后春笋一般涌现出来，加入到这场技术竞争的行列。后来经过“相互学习、相互借鉴、取长补短、优胜劣汰”，使得目前世界上有一批在技术上较为成熟的分解炉炉型和窑外分解窑存在。窑外分解窑技术也因此在水泥生产技术中占据了统治地位。 窑外预分解窑的优点主要体现在以下三个方面：一是在流程结构方面：它在SPSP窑的悬浮预热器与回转窑之间，增设了一个分解炉，分解炉高效地承担了原来主要在回转窑内

31、进行的大量CaCOCaCO3 3分解的任务，这样可以缩短回转窑，从而减少占地面积、减少可动部件数以及减低窑体设备费用；二是在热工过程方面：分解炉是预分解窑系统的“第二热源”，将传统上燃料全部加入窑头的做法，改为小部分燃料加入窑头、大部分燃料加入分解炉，这就有效地改善了整个窑系统的热力布局，从而大大减轻窑内耐火衬料的热负荷，延长窑龄。 另外，该热力布局也有助于降低只有很高温度才能产生的NONOx x（有害成分）含量，这有利于环境保护；三是在工艺过程方面：将熟料煅烧过程中耗热量最大的CaCOCaCO3 3分解过程移至分解炉内进行后，由于燃料与生料粉处于同一空间且高度分散，所以燃料燃烧所产生的热量能

32、够及时高效地传递给预热后的生料，使得燃烧、换热、分解过程都得到优化，水泥熟料煅烧工艺更臻完善，熟料质量、产量因而得到大幅度提高，烧成热耗也因此有所降低。 当然，窑外预分解窑的流体阻力大、电耗高、基建投资大、对原料与燃料中的有害成分有一定限制是该窑型的不利方面。2.3.2 2.3.2 预分解窑流程的分类 按全窑系统主流气体运动方式来分类（也称：LkwechLkwech分类法），窑外预分解窑的流程可以分为3 3种基本类型，具体参见教材上的图2.282.28。 第1 1种类型，如图教材上的2.282.28（a a）所示。其特点是：三次风全部从窑内通过，没有单独增设三次风管。该类型适合于在冷却机或窑头

33、上均无法设立三次风管的情况（主要是指使用多筒冷却机的情况），这是迫不得已而采取的措施，现在已经被淘汰。 第2 2种类型，如图教材上的2.282.28（b b）所示。其特点是：有三次风管，从冷却机或窑头抽取三次风，三次风在炉前或炉内与窑气混合。大多数预分解窑都属于该类型。 第3 3种类型，如教材上的图2.282.28（c c）所示。其特点是：有三次风管，但窑气不在炉前或炉内与三次风混合。具体来说，这种类型又有以下三种方式： 方式1 1：炉气在分解炉后与窑气混合，然后一起进入预热器系统，如教材上的图2.282.28（c c1 1）所示。 方式2 2：窑气不与炉气混合，而是各自经过单独的预热器，如教

34、材上的图2.252.25（c c2 2）所示。 方式3 3：窑气从窑尾完全排走 ，如教材上的图2.282.28（c c3 3）所示，简称：旁路放风（By-passBy-pass）。 按照某些公司的叫法，在图2.282.28中，（a a）、（b b）的情况叫做“同线型”（In-LineIn-Line）；（c c1 1）的情况叫做“半同线型”（Semi-Semi-in-Linein-Line）；（c c2 2）的情况叫做“异线型”（Separate LineSeparate Line）；（c c3 3）的情况叫做“旁路放风型”（By-passBy-pass）。2.3.3 2.3.3 分解炉的分类2

35、.3.3.1 2.3.3.1 按分解炉内主气流的运动形式 来分类 按炉内主气流的运动形式来分，分解炉有四种基本型式：旋流式、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“旋流效应”、“喷腾效应”、“悬浮效应”和“流态化效应”分散于气流之中。 早期开发的分解炉，大多主要依靠上述“四种效应”中的一种。后来，各种类型的分解炉在技术上相互渗透，所以目前的分解炉大都趋向于采用以上各种效应的“综合效应”，以力求优化分解炉内的热量传递、质量传递、动量传递和化学反应过程（简称“三传一反”过程）。即遵循“以物料的高度分散为前提，以燃料的高效与完全燃烧为关键，以生料的有效分解为目的，以环境

36、保护与社会责任为己任！”的原则来改进与完善分解炉。具体的改进措施主要体现在以下几个方面： 改进分解炉结构，使炉内具有合理的三维流场，并力求提高炉内固、气停留时间比，延长生料在炉内停留时间，合理调配生料的返混度； 确保向炉内均匀下料，要求预热生料入炉后，尽快分散且均匀分布，为此，目前分解炉的下料点处大都设置板式撒料器或撒料箱。 改进炉用燃烧器的型式与结构，合理布置燃烧器，使燃料入炉后尽快着火燃烧，并提高燃料燃烬率。另外，利用多级燃烧技术、在炉内产生还原燃烧区来降低NONOx x排放量； 下料点、下煤点及三次风之间的布局要合理匹配，保证分解炉内有合理的温度场，以利于燃料的着火、燃烧和CaCOCaC

37、O3 3的分解； 根据需要，在预分解窑系统流程上选择最优部位布置分解炉，以利于分解炉功能的充分发挥，提高全窑系统的功效； 适当扩大分解炉的容积，而且在此基础上，延长分解炉的出口管道，从而形成“炉体 + + 管道”的分解炉结构，在具体结构上注重通过拐弯来延长联接管道（俗称：鹅颈管）。该结构不仅有效增加了分解炉的容积，也延长了气流在炉内的停留时间； 扩大分解炉所用燃料的品种，尤其是分解炉可使用无烟煤、低热值煤、可燃废弃物等低质燃料。对于难燃的燃料，还可考虑“双分解炉”结构，两个分解炉用鹅颈管相串联，即“炉1 + 1 + 管道 + + 炉2 2”的型式或其类似结构。2.3.3.2 2.3.3.2 按

38、制造厂家的公司名称来分类 在世界上第一台窑外预分解窑SFSF窑出现之后，国外许多相关公司根据自己的研究成果和思路，纷纷推出了各自的炉型，在教材上如表2.92.9所示。需要指出的是：该表中的有些炉型不断被新炉型所取代，而且这种变化还在继续进行当中。所以该表中所展示的炉型是让同学们了解到其发展历程，从而开阔思路。国内有关单位推出的部分炉型参见教材上的表2.122.12。2.3.4 2.3.4 几种典型分解炉的结构特征简介日本石川岛播磨株式会社的 NSF分解炉的结构日本原秩父水泥株式会社的日本原秩父水泥株式会社的CSFCSF分解炉的结构日本原小野田水泥株式会社日本原小野田水泥株式会社RSP分解分解炉

39、的的结构丹麦F. L.史密斯公司的新型新型ILC分解分解炉 丹麦F. L.史密斯公司的 SLC-D分解炉 日本神户制钢与日本太平洋水泥株式会社的 DD分解炉及其三种改进型日本三菱株式会社N-MFC分解分解炉法国FCB公司CF/FCB分解分解炉泰国L.V.技术公司的LV型分解炉德国伯力休斯公司的Prepol-AS-CC分解分解炉德国伯力休斯公司的P repol-MSC型分解炉 德国洪堡公司的PYROTOP窑系统德国洪堡公司的Pyroclon-LowNOx型分解炉奥地利欧马格矿山公司的 MAG1窑系统中国海螺集团公司的日产万吨熟料的NSP窑 上述分解炉的具体介绍请参阅教材的第2.3.4节。 希望同

40、学们在学习和掌握了上述知识以后，在具体工作中，注意“观察其流程，收集其资料，分析其原理，寻找其特点”，只有这样才能够不断丰富自己的专业知识和专业技能。 随着时代的发展、科技的进步以及人们对水泥生产原理认知的进一步深入，一定还会有更多窑型、炉型及水泥生产技术等成果涌现出来，所以读者不仅要从广度和深度上来学习，而且还应从其基本原理、从发展的角度来认识和掌握这方面的新技术。2.4 回转窑 在预热/预分解系统中经过预热、预分解后的生料，进入回转窑内进行烧成后才能成为水泥熟料（Clinker，简称：熟料）。 水泥回转窑（简称：回转窑，俗称：旋窑）是一个倾斜放置的旋转圆筒体，其内壁上镶砌有耐火砖（或称：耐

41、火衬料）。回转窑规格用其筒体内径和有效长度来表示。 回转窑是通过几个轮带放置在几对支撑托轮上，轮带通过垫块与回转窑的窑体相联，这样筒体和轮带之间就有间隙，间隙一则有利通风冷却，二则有利减少窑体向轮带的热传导，于是降低轮带上的温度应力。 当回转窑旋转时，轮带与窑筒体之间沿圆周方向会产生一定的相对滑动，从而引起磨损，这时垫块也可以起到保护回转窑筒体的作用。 回转窑内按物料各个阶段物理化学过程的不同划分为几个带。对于窑外分解回转窑来说，由于其生料的预热和绝大部分CaCO3的分解分别被移到窑外的预热器和分解炉中进行，所以，它只有过渡带（小部分分解带和大部分固相反应带）、烧成带和冷却带这三个带，因而其长

42、度较短（长径比约115），通常只依靠三对托轮（俗称：三点支承 或 三档窑），在教材上如图2.69（a）所示。 国际上也有更短的回转窑，只需两对托轮支承（俗称：两点支承 或 两档窑），在教材上如图2.69（b）所示。因结构简单，土建和机械造价较低，所以它代表着水泥回转窑的一种发展趋势。 窑体的轴向窜动由挡轮来限制与控制。挡轮一般是安装在回转窑中部。挡轮主要有两种：普通挡轮和液压挡轮。普通挡轮是信号挡轮，不能够长时间地承受窑体的轴向窜动力，液压挡轮不仅可以指示而且也可以调节窑体轴向窜动的方向与位置。 回转窑的新型驱动方式是托轮驱动，即电动机通过减速器将动力传递给一个或两个托轮，托轮依靠摩擦力再驱动

43、窑体转动。但目前回转窑的主要驱动方法仍是齿轮驱动，即由小齿轮（俗称：小牙轮）驱动窑体大齿圈（俗称：大牙轮）带动窑体转动。 电动机将动力传递给小齿轮的方式有两类：机械传动和液压传传动。为免受高温，大齿圈一般安装在远离热端。大齿圈与窑体的连接方式主要有两种：切向连接和轴向连接。 水泥回转窑要求有两组动力驱动装置：一个主驱动装置，另一个辅助驱动装置。正常时用主驱动装置，而辅助驱动装置是以备停电、检修、点火时等非正常情况所用（在停电时，马上由备用发电机发电，通过辅助驱动装置使回转窑缓慢转动，俗称：打慢车，这样能够防止由于炽热熟料长时间停留在回转窑底部而造成回转窑筒体的热变形）。 水泥回转窑正常工作时是

44、负压操作。为防止漏风，窑头与窑尾都必须设有密封装置，其密封程度好坏会直接影响到窑系统合理的风、煤、料配比以及熟料煅烧效果。目前常用的密封装置主要有：迷宫式、接触式、气封式、气动式、复合式五种类型。迷宫式密封装置又有轴向密封与径向密封之分，参见教材的图2.71。 从漏风对生产上的影响程度来考虑，回转窑的窑尾比窑头要求有更高的密封程度。为了防止回转窑烧成带的筒体以及其内耐火衬料过热，在窑烧成带筒体的外面，还设置风冷装置，在教材上如图2.72所示。并有窑筒体的红外扫描测温装置，当发现窑体表面温度过高或“红窑”时，该测温装置会自动报警，提示操作人员紧急处理。 从工作原理上来看，回转窑至少具备以下4个功

45、能： 回转窑是一个燃料燃烧装置：它具有较大的燃烧空间和热力场，可以供应足够的助燃空气，是一个装备优良的燃料燃烧装置，能够保证燃料的充分燃烧，可以为水泥熟料的煅烧提供必要的热量。 回转窑是一个热交换装备：它具有比较均匀的温度场，可以满足熟料生产过程中各个阶段的换热要求，特别是A矿（Alite）生成的要求。 回转窑是一个化学反应器：熟料矿物形成的不同阶段有不同的要求，回转窑既可以满足不同阶段、不同矿物对热量、温度的要求，又可以满足它们对停留时间的要求。 回转窑是一个输送设备：用来输送物料和让气流通过。从输送物料角度来看，回转窑还具有更大的潜力，因为物料在回转窑内的填充率、回转窑的斜度以及回转窑的转

46、速都是很低的。 此外，回转窑还具有降解和利用一些可燃废弃物的作用，这在讲究环境保护的当今社会显得非常重要。回转窑的技术控制参数主要有窑的斜度、窑的转速和窑内物料填充率。 回转窑的技术控制参数主要有窑的斜度、窑的转速和窑内物料填充率（常见教材上图2.73）。回转窑内的物料填充率、回转窑的转速、回转窑内的物料运动速度及其停留时间都是相互关联、相互影响、相互制约的，其中任何一个参数的变化都会给回转窑内物料的烧成过程带来变化，因此必须重视回转窑的稳定操作。例如，为了使回转窑内物料的填充率保持恒定，当回转窑的斜度较大时，其转速要变小一些。2.5 冷却机2.5.1 概述 出窑熟料还要进入水泥熟料冷却机（简

47、称为：熟料冷却机）内快速、充分冷却后才能入熟料库储存，随后被粉磨，参见教材的图2.1和图2.2。 熟料必须快速有效冷却的主要原因有以下四点：第一，急冷熟料有利于发挥水泥的强度和水硬性（能保留较多玻璃体，能防止或减少C3S在1250时分解为C2S和f-CaO，从而保留较多的C3S，能阻止C3S晶体长大，也能防止-C2S在500时转变为-C2S而引起熟料粉化）和增强水泥抗硫酸盐性能与防止水泥瞬凝或快凝（可阻止C3A结晶析出或减少其晶粒），也能改善水泥的安定性（可阻止MgO的结晶析出减少其晶粒）。 第二，冷却熟料能有效回收熟料的余热来预热助燃空气等来改善燃料燃烧，节省燃料和节约能源；第三，熟料被急冷

48、后可改善其易磨性（急冷产生的温度应力导致熟料内有微裂纹存在，从而改善其易磨性）；第四，熟料被冷却后其温度较低，可使其输送设备、储存设备免受高温侵蚀。 按照此要求，熟料冷却机的功能与作用如下： 冷却机作为一个工艺设备，它承担对高温熟料的快速冷却任务，尤其是篦式冷却机还可对熟料实施骤冷。骤冷能阻止熟料中矿物晶体的长大或分解（特别是阻止C3S晶体的长大或分解）、能使液相凝固成玻璃体（使MgO及大部分C3A固化在玻璃体内），也可防止-C2S向-C2S转变，从而提高所生产水泥的的质量。 冷却机作为一个热工设备，在对熟料实施冷却的同时还承担着对入窑二次风、入炉三次风的加热升温任务，这对燃料（特别是中、低质

49、燃料）的着火和预燃、提高燃料的燃烬率、提高燃烧效率，从而保持全窑系统有一个优化的热力分布具有着重要的促进作用。 冷却机作为一个热回收设备，它承担着对出窑熟料携带出去的大量热焓进行回收的任务。主要是通过高温二次风再入窑、高温三次风再入炉来降低整个熟料烧成系统的热耗。另外，这些回收热量还可用于煤磨的干燥热风，或用于中、低温余热发电（参见教材的第5.3节）。 冷却机对高温熟料进行有效冷却不仅有利于改善水泥的某些性能，也有利于熟料的输送、储存与粉磨。 关于熟料冷却机的技术评价指标主要有以下几个： （1）熟料冷却机的三个效率熟料冷却机的三个效率分别是：热效率cL，冷却效率L和空气升温效率i 。 热效率c

50、L 熟料冷却机热效率cL的定义为：从出窑熟料中回收的、且重新入熟料烧成系统的总热量与出窑熟料物理热的百分比，参见教材上公式（2.26a）（2.26c）。 冷却效率L 熟料冷却机冷却效率L（也叫做：熟料冷却机的热回收效率 或简称：热回收率）的定义为：从出窑熟料中回收的总热量与出窑熟料物理热的百分比，参见教材上公式（2.27）。 由于从出窑熟料中回收的总热量不仅包括了重新入熟料烧成系统的总热量（二次风、三次风带入的热量之和），也包括了余风（可用于低温余热发电，也可当作废气排走）和煤磨干燥风中所含的热量，甚至还包括了无法消除的冷却机表面散热，所以L一定比cL大。 空气升温效率i 参见教材上公式（2.

51、28）（2）入窑二次风温和入炉三次风温 入窑二次风温和入炉三次风温越高越好。一般来说，入窑二次风温在400 1000，入炉三次风温在400 900。（3）出冷却机熟料温度 出冷却机熟料温度（简称：出料温度）越低越好。越低表示熟料被冷却的越充分，现代篦式冷却机的设计指标普遍能达到“65 + 环境温度”以下。（4）环境保护 熟料冷却机的环境保护主要是指噪声污染和粉尘污染要低。（5）投资费用 熟料冷却机投资费用主要是指其设备费用及土建费用要低。（6）操作费用 熟料冷却机操作费用主要是指其动力消耗及维护、维修费用要低，且操作方便简单。2.5.2 冷却机分类与简介 到目前为止，在水泥工业中曾经使用过的熟

52、料冷却机有：单筒冷却机、多筒冷却机、篦冷机。并且，在新型干法水泥生产系统中，广泛采用的是推动式篦冷机（简称：篦冷机），而且是第三代推动式篦冷机，第四代推动式篦冷机也在推广使用。 2.5.3常用一些冷却机简介 2.5.3.3篦式冷却机（1）篦冷机结构简介 篦式冷却机是一种空气骤冷式冷却机（Air Quanching Cooler，简称AQC）。 德国伯力休斯公司根据篦冷机的功能，将全机分为三个区域，最前端是骤冷区（简称：QRC区）。在QRC区骤冷是为了确保熟料的高质量，因为对于刚进入篦冷机的熟料实施非常快速的冷却（简称：骤冷）可以阻止熟料中矿物晶体的长大，特别是阻止C3S晶体的长大，同时骤冷还可

53、以使液相快速凝固成玻璃体，使大部分的MgO及C3A固化在玻璃体内，从而提高熟料的活性，也可有效地防止-C2S向-C2S的转变；骤冷区后面是热回收区（简称：RC区）。 RC区的作用是对熟料实施快速、有效冷却的同时，尽可能高效地回收出窑熟料冷却过程中所放出的热量来给予入窑二次风和入炉三次风；RC区后面是冷却区（简称：C区），C区的作用是充分冷却熟料，从而最大可能地降低出冷却机的熟料温度，C区内冷却熟料后的热空气大部分作为余风最后排向大气，小部分可作为煤磨的干燥空气（俗称：热抽风）。在RC区内，由于热量的回收起着重要作用，所以RC区内可采用厚料层操作；而在C区，由于主要作用是更加充分地冷却熟料，所以

54、C区内可采用薄料层操作。 （2）第三代篦冷机以及第四代篦冷机 第一代、第二代篦冷机有可能发生堆“雪人”现象和“红河”现象，这两种现象都会影响熟料质量，提高烧成热耗，也会使篦板等部件局部过热，甚至烧毁而造成计划外停窑。从而导致第三代篦冷机问世，其具体特点有以下几条： 第一，采用阻力篦板及具有充气梁结构的篦床以增加篦板的气流阻力在“篦板+料层”总阻力中的比例，从而尽量降低料层内颗粒粗细不均等因素对气流均匀分布的不利影响。进料区为窄宽布置，并常用固定式倾斜篦床。这时为避免进口端堆料，常设置空气炮（参见教材的图2.83和图2.84）。RC区为水平篦床或倾斜度为30左右的倾斜篦床， C区多采用水平篦床，

55、该区也适当辅助有喷水冷却装置； 第二，在进料区配备脉冲高压鼓风系统，发挥脉冲高速气流对熟料的骤冷作用，用尽量少的冷却风来回收熟料余热以减少余风量，提高二次、三次风温。脉冲供风也能使细颗粒料不会被高速气流带走，同时由于细颗粒料的扰动作用，也增加了气料间的换热速率； 第三，高压冷却风通过充气梁，特别是篦冷机热端前部的数排空气梁向篦板下供风，以提高料层中气流的均匀分布程度，也能增强气流对熟料、对篦板的冷却作用，从而消除“红河”现象和保护篦板； 第四，设置了针对篦床一、二室各排篦板的自控调节系统，以对风量、风压及脉冲供气进行调控。有的篦冷机也设置了针对各块篦板的人工调节阀门，以便根据需要进行手动调节。

56、同时对第一段篦板速度及篦板下的风压实行自动调节，以保持料层的设定厚度，其他段篦床与第一段篦床同步调节； 第五，多数采用液压传动方式（简称；液压驱动）；第六，通常在篦冷机中间或卸料处使用辊式破碎机；第七，篦床下密封程度有提高，有的可将篦床下拉链机等机构去掉以降低篦冷机高度 第四代篦冷机是可控制流固定篦床式，其最显著特点是：熟料的冷却与输送用两套机构、固定篦床使可动部件数大大减少，不用高阻力篦板，但仍使用可控制流（分区控制）技术。其主要特点体现在以下几个方面： 第一，篦床不再承担输送熟料的任务，该任务由新设置的机构来完成（这些熟料输送机构的型式因机型而异）。这样篦床就成为固定式，它实际上只起到“充

57、气床”作用。同时，篦床上一层不动的低温熟料层可保护篦板及充气梁等部件免受磨损与高温侵蚀，这层熟料也能起到均化冷却气流的作用，因此这时可不用高阻力篦板来均化气流，以降低篦板的压损。 第二，尽管篦冷机内仍然有可动部件，但只限于熟料输送机构（一般为液压驱动），因而可动部件的数目大为降低，而且假如该机构的个别零部件偶而损坏，也很容易更换，并且这时只对熟料输送略有影响，不会对熟料冷却有显著影响，因而篦冷机的运转率大大提高，为其长期、安全、稳定运转提供了良好条件，篦冷机热效率也有保证。 通过可动篦板与固定篦板间缝隙来漏料的可能，这样篦床下的漏料收集、漏料输送装置（拉链机）等就被省掉第三，由于是固定篦床，所

58、以不会有，篦床下结构就非常简单，篦冷机高度也因而大大降低； 第四，由于是固定篦床，使得包括空气梁在内的供气系统与篦床的联接以及冷却风的操作与调节都变得非常简便，漏风量也大为降低，因此使用阻力篦板时平衡充气梁内风压所用的空气屏障密封装置也被简化掉。 德国IKN公司的INK型摆挂式篦冷机（第三代） 德国伯力休斯公司的瑞波尔RS型篦冷机（第三代）和伯力揣克型篦冷机（第四代） 伯力休斯公司的第四代篦冷机是伯力揣克（Polytrack）篦冷机，其QRC区为固定式倾斜篦床，在每个阶梯型篦板间安装有空气炮来清除积料。而RC区和C区为固定式水平篦床，水平篦床上输送熟料的任务由输送道（Track）来完成， 德国

59、洪堡公司的派列斯带泊型篦冷机（第三代）和派列福劳尔篦冷机（第四代）德国洪堡公司推出的第四代篦冷机是派列福劳尔型（PYROFLOOR）篦冷机。 德国克劳迪斯彼得斯公司的第三代篦冷机和-篦冷机（第四代） 德国克劳迪斯彼得斯公司后来在Mulden篦板基础上又研制了HE-模式（HE High Efficency）篦板，也有其他一些新技术，例如，用于探测与控制料层高度的雷达探测仪；用于支撑篦板、无磨损、无需专门维护的紧凑型摆动支撑系统（Compact Swing Support）。德国克劳迪斯彼得斯公司的第四代篦冷机是-篦冷机（也译为：-冷却机 或Eta-篦冷机），为组合模块式结构（制造厂预制、生产厂组

60、装） F. L. 史密斯公司的COOLAX-CFG型篦冷机（第三代）和推动棒式篦冷机（第四代）F. L. 史密斯公司的第四代篦冷机是SF（Smidth Fller）型推动棒式篦冷机。有关上述第三代、第四代篦冷机的详细介绍以及其他形式篦冷机的介绍参见教材的第2.5.3.3。 （3）篦冷机与回转窑之间的中心线错位问题回转窑在不断地旋转，其内的熟料被窑体带起重新落下时，不可能再回到原来位置，它不仅沿轴向有所位移，而且在横断面上也有位移。为了使从回转窑下落到篦冷机篦床上的熟料能均匀摊开，回转窑的中心线与篦冷机的中心线必须有一定的偏移。采用回转窑与篦冷机的错位布置方法可以在一定程度上解决熟料在篦床上的均