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1、第十一章 机械立窑 本章提要 1. 机械立窑总体设计 2. 机械立窑结构与制造 3. 水泥厂优质高产低耗总目标下设备和工 艺综合研究 第一节、机械立窑总体设计 一、水泥熟料的煅烧机理 水泥生产的主要原料是石灰石、粘土。 石灰石、粘土是如何转变成“水硬性凝胶材料”-水泥?关 键的转变过程发生在窑内。图11-1为立窑煅烧水泥热料 示意图. 经过粉磨后的原料(石灰石、铁粉、粘土、煤以及复合 矿化剂)按一定配比，加水(约12-14)并在成球盘中形 成湿料球(3-15mm为宜)由喂料装置2从窑顶加入，靠 自重下移，助燃空气由底(或侧)鼓入，向上通过料球之 间孔隙流动，与料球表面进行热交换，热源由料球内的
2、 燃料提供，加上某些反应中放出热量，使料球由表及里 预热、脱水，预分解、烧成、冷却，并通过卸料装置从 窑底部卸出。 图16-1 立窑煅烧水泥熟料示意图 1主要煅烧工艺过程及煅烧带 1.1.预热带(包括干燥、预热和分解反应) 湿料球入窑后，受自下而上的热气流加 热，水分蒸发，变成干球料。同时温度不 断升高，燃料中挥发物不断逸出，因热气 流中缺氧而不能燃烧，随废气排入大气中 。随着物料下沉，物料温度继续升高，达 到500-600时，其中高岭土脱水；温度 继续升高，碳酸盐开始分解，并有部分固 相反应。 这一带物料在窑面层，约占窑体高度的5- 10，温度范围201000。 应当注意；湿料球干燥脱水，产
3、生大量水 气，分解时又放出大量气体，一方面料球 收缩，同时使料球产生许多毛细孔，如料 球塑性差，可能使球球炸裂粉化，影响窑 内通风。因此立窑煅烧对料球可塑性、孔 隙率、强度有一定要求。 1.2.煅烧带(或称高温带、烧成带) 预热带物料随卸料运动下沉进入煅烧带，料球温度继 续升高到1000以上。料球中煤 粉大量燃烧，温度急 速升高，发生大量固相反应。反应放热使温度更快地升 高到1300以 上，出现液相，而进入烧结阶段。物料 进一步收缩，收缩程度依燃料、原料性质及生产方法而 异，一般机立窑中为12-22。烧结的液相和软化的料 球粘结，构成一层塑性高温层称底 火.当熟料中Al203 含量高(6.5)
4、时，底火软，粘性大，此时湿料层若大 ，则底火被压密， 影响通风煅烧 若熟料中Fe2O3含量高(5)时，底火较脆，并使液 相过早出现，易结大块，在卸料时,容易错断，脱节， 底火破坏，影响正常煅烧. 煅烧带在立窑内的位置和厚度，对煅烧水泥熟料影响 很大，而它的位置和厚度不仅取决于生料中煤的含量， 还决定于煤的品质，粒度和通风状况、生料的均化程度 ，卸料的快慢以及操作水平.正常煅烧时，煅烧带在窑 扩大口下部，约占窑体高度的10-15%， 1.3. 冷却带 烧成熟料自煅烧带继续下落，进入冷却带，与窑下鼓 入的冷空气进行热交换，软状熔融熟料冷固成块.空气 被预热向上进入煅烧带，熟料冷却应需要较长时间，
5、一般冷却从1300开始到100左右出窑，此带占窑 体高度的75-85.如冷却不好，既影响熟料质量又加 快卸料篦子损坏. 立窑煅烧热料过程大致可分成上述三带，但各带之 间并无明显界限，而且各带所占比例与烧成工艺和鼓 风压力关系很大，一般要求有相对稳定的底火层.底火 层的控制除可以用烧成带上下的热电偶检测外，还可 以用插钎法观察.物料在立窑内各带煅烧的主要反应机 理和温度范围见表11-1. 窑内各带 名称温度() 主 要 反 应 方 程 式吸放 热 预热带 750 干燥 100-150 (一 ) 脱水 500-600 Al2o32SiO22HtOAl2o32SiO2+2HtO (-) 碳酸盐 分
6、解 650-1000 750 MgCO3+Mg0+CO2 CaCO3Ca0+CO2,1000时反应剧烈,平衡可 逆 (一 ) (一) 煅烧带 1300- 1450- 1300 多级固 相反应 1000 CaO+ Al2O32CaO.Al2o3+Q CaO+Fe2O22CaO.Fe2o3+Q (+) 1200CaO.Al2o3+ CaO.Fe2o34CaO.Al2o3. Fe2o3+ Q CaO.Al2o3+ CaO3CaO.Al2o3. + Q CaO+ SiO22CaO. SiO2+ Q 3SOAT 2CaO. SiO2+ CaO3CaO. SiO2 (+) 冷 却 带 对 流 熟 料 冷却
7、 1250C一 100 一部分熔剂矿 物成晶体析出，另一部分来 不及析出而呈玻璃体，C3s在1250不稳定 ，易分解，低于1250C则稳 定，C,S在1000 以下缓冷易使*,-CS转变 成-cJ失去水硬 作用 -C2S14505-C2S630680 -C2S21000 立窑用煤: 3.1 要求挥发物低，以减少化学不完全燃烧的热损失： 3.2 要求热值高，可使燃烧温度提高，传热快，物料煅烧时间短 ，使窑的产量提高，热耗降低， 3.3 要求灰分少，因为煤灰分高时热值低，对操作控制不利，同 时灰分高易造成炼窑，结瘤现象，还会影响熟料质量。 除了煤的质量指标外，准确配煤和控制煤的粒度很重要.粒度过
8、细，燃烧过快，使煅烧带过短，熟料矿物来不及形成，影响质量 ，增加煤耗，粒度过粗，燃烧速度慢，高温煅烧带长，火力不集 中，高温带温度上不来，冷却带过短，也影响熟料质量。煅烧时 可采用不同的配煤煅烧方法：有白生料法、黑生料法、半黑生料 法、包壳料法、差热煅烧法、煤料分别粉磨法 ,使用最广泛的是 黑生料法.这种方法，燃煤细，燃烧速度快，煤、料混合均匀， 配煤工艺简单，热力比较集中，中部通风好，有利于正常操作. 但因料球表面的煤粉入窑后在预热带遇低温缺氧气氛生成大量 CO，热损失较大，煅烧带较薄，配煤不易准确控制。 4. 立窑内的传热 在预热带，高温气体与湿料以对流方式传热， 物料表面再以传导方式向料
9、球内部传递; 煅烧带，热源是燃料颗粒的燃烧、物料固相反应 的放热，产生高温气体，并与由下向上的气体进 行以对流和传导传热为主，辐射为次的热交换； 在冷却带，是高温物料向入窑气体传热，以对流 为主要形式。 对于同一物料球，传热由外到内进行，所以同一料 球内可能形成冷却、烧成、预热三个不同阶段(图11- 2)。图中，料球外部进入烧成阶段，次外层由于传热 的滞后，碳酸盐开始分解，中心部分则刚处于料球 的预热阶段；图中，料球次外层的碳进一步燃烧进 入烧成，中心分碳酸盐分解，而外表巳进入冷却阶 段，图c中，中心部分的料球进入烧成时，次外层物 料开始冷却。因而这样，用较小的料球可能得到较 快的传热效率。但
10、料球太小，又会使空隙较低，影 响通风、煅烧。 图l62 立窑中料球分层煅烧示意图 三、煅烧工艺要点 1.物料在预热带和烧成带，由于 水分的蒸发逸出， 分解时CO2和燃料中挥发物的排出， 烧结时液相的 形成，使得物料在煅烧过程中体积收缩。料球的收缩程 度依燃料、原料的性质及生产方法而异，单个料球的体 收缩率约为0.120.22. 2.烧成带液相形成时，料球软化粘结，构成一层所谓 “底火”，底火的位置厚度通常是反应煅烧情况优劣的标 志. 3.水泥熟料的主要矿物要在液相中才能大量形成(一 般在1450左右)，为了降低液相熔点，通常采用复合 矿化剂，为了达到较高温度，通常采用大风大火. 4烧成的熟料必
11、须急冷通过1250点，避免C3S向C2 S 的转化，并且即使在1000C以下也须急冷，若在675 以上缓慢冷却，则产生-C2S向-C2S的转变，使体积 增大，出现粉化，失去水硬性.同时， 熟料急冷： 可防止C2S晶体长成或矿物晶体化而难磨， 使MgO凝结成玻璃体或以细小晶粒析出，可减轻方 镁石晶体的缓慢水化出现的体积膨胀，不会快凝， 增加应力而易磨 ; 降低热耗. 总的说来，机立窑内物料的煅烧，既有水硬凝 胶体生成的化学反应，又有传质，传热的物理 过程.影响这种物理，化学过程的因素很多，最 主要的是风、料、煤合理统一，才能实现优质 、高产、低耗.这种工艺要求又须通过煅烧设备 实现.窑体的结构设
12、计，正是从这一工艺的基本 要求出发. 四 机械立窑结构参数确定 式中 Qy-要求的熟料年产量(t熟料年)； Gy-工厂规模(t水泥年)； d-水泥中石膏的掺入量(%)， e-水泥中混合材的掺入量(%)， p-水泥的生产损失(%)，可取为35%。 1机立窑的规格参数 1.1 根据水泥年产量要求计算熟料年产量. (17-1) 式中:n -窑的台数；窑的台数n首选1，只有当窑规格直径大于 3.3m时才取2或3 Qy-要求的熟料年产量(t/y)； Qh1-所选窑的标定台时产量(t/h)； -窑的年运转率，以小数表示。机立窑0.8-0.85； 1.3 窑规格计算： (17-2) (17-3) 式中： K
13、-窑烧成带单位截面产量，kghm2，机立窑；K1500-2400，kghm2 2、机械立窑高度 立窑高度设计应满足煅烧工艺要求：即在窑内 完成预热、烧成、冷却.设计中除用图表法外 ，还可采用下述方法； 2.1 烧成带沉料速度法 根据煅烧工艺，立窑中物料的烧成时间t30 分钟，烧成带物料沉降速度为1.22mh， 故烧成带高度h=0.6lm，若以烧成带占全窑 高度H的10计，则H=610m，这种计算比 较粗糙，但其原理却是根据煅烧工艺确定的. 2.2 高径比法 窑的高度由窑的公称直径确定，常取高径比 H/D=34.早期的窑H/D通常取4，立窑的高度随 着新的煅烧方法的发展，特别是大风大火强化煅 烧
14、以来，H/D有渐小的趋势。目前新设计的窑 H/D30.5。当HD小时，煅烧工艺上须格外 精心，谨防出红料. 由煅烧工艺过程可知：物料从预热干燥到烧成， 体积发生收缩，又由于物料间的搭接粘滞而趋中 ，会使边部空隙过大。为避免边风过大，常将窑 口扩大.理想的扩大口形式应当正好符合物料宏 观断面收缩，并使得预热、烧成二个过程均在扩 大口高度内完成.扩大口高度的确定是根据浅暗 火、深暗火操作的不同可分别取1.40.2和 1.850.15m。如上述，扩大口直径D1确定也可 有如下扩大角法和计算法二法。 3.扩大口直径 3.1 扩大角法 根据类比法或经验法选定一扩大角，则扩大口 直径 D1 D+2H1tg
15、a. (m) 式中:D1、D-为扩大口上下底面直径，m， H1-扩大口高，m。 早期使用的窑扩大角较大，约1726，近期 窑的扩大角有缩小趋势， 厂 名 窑规格 DXH 扩 大 口 D， 玎， 嘎 D截面单产 热耗 (m) (m) (m) (o)k9m.h Uhs熟 料 天津水泥厂 红旗水泥厂 顺德水泥厂 济南水泥厂 北京水泥制品 厂 滁县水泥厂 双水水泥厂 张店水泥厂 临淄水泥厂 诸城水泥厂 青岛水泥厂 镇江水泥厂 麦溪水泥厂 海口水泥厂 金洲水泥厂 甘肃洒泉水泥 厂 广东高要水泥 厂 栖霞水泥厂 望都水泥厂 北流水泥厂 零陵水泥厂 盐城水泥厂 大丰水泥厂 建湖水泥厂 秀山水泥厂 均 值 3.3510 3.0X10 3.OXl0 2.9X9 2.9X 10 2.9X10 2.8X10 2.7X10 2.7X10 2.7X9.3 2.5X10 2.5X9.5 2.5X10 2.5X10 2.5X10 2.5X10 2.5X10 2.5X10 2.58.5 2.46 2.2X7.S8 2。2X8.5 2.2X7.5 2.27 2X8 习.21 习.2 3.85 4.0 3.9 3.
