第五章硅酸盐水泥熟料的煅烧

第五章硅酸盐水泥熟料的煅烧

ThecalciningofPortlandcementclinker新型干法水泥生产(newtypedry-processcementproduction)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，掌握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。本章学习要点：

Learningpoint:预分解窑(predecomposekiln)生产流程图预分解窑工艺流程水泥的产量、质量、燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。5.1

概述：熟料的煅烧过程

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现代管理方法。新型干法水泥生产：关键技术装备旋风筒(CC)连接管道分解炉回转窑冷却机预热(Preheat)分解(decompose)烧成(burn)冷却(cooling)回转窑内物料温度与气体温度以及各带划分的情况预分解窑内物料煅烧进程

5.2生料在煅烧过程中的物理化学变化干燥（自由水蒸发）吸热100~150℃粘土质原料脱水吸热450℃碳酸盐分解强吸热900℃固相反应放热800~1200℃熟料烧结微吸热1300~1450~1300℃熟料冷却放热1300℃~Physicalchemistrychange干燥生料中都含有一定量的自由水分，随着物料温度逐渐升高，物料中的水分被蒸发，当温度升高到100～150℃时，生料中的自由水分全部被排除，这一过程称为干燥过程。

新型干法水泥生料水分小于1%，此过程在预热器内瞬间即可完成。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。粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示：

Al2O3·2SiO2·2H20

Al203·2SiO2

+2H2O↑

高岭土无水铝硅酸盐(偏高岭土)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。

脱水碳酸盐分解反应式：MgCO3MgO+CO2-QCaCO3CaO+CO2-Q

反应温度：

MgCO3

分解始于402~408℃，最高750℃。

CaCO3分解从600℃开始，900℃快速分解。碳酸盐的分解速度与反应温度和周围气体中CO2的分压有关，温度越高，速度越大；分压越大，分解速度越小。碳酸钙分解反应特点：可逆反应，强吸热反应烧失量大分解温度与CO2分压和矿物结晶程度有关影响反应速度的因素

石灰质原料的特性生料细度和颗粒级配生料悬浮分散程度温度窑系统的CO2分压生料中粘土质组分的性质①热气流向颗粒表面传进分解所需要的热量；②热量以传导方式由表面向分解面传递的过程；③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；④分解放出的CO2，穿过CaO层，向表面扩散传质；⑤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。

碳酸钙的分解过程CaCO3CO2CaO颗粒表面固相反应

SolidReaction反应特点：多级反应放热反应影响因素：生料细度及均匀程度原料性质温度矿化剂反应产物：

C2S、C3A、C4AF800～900℃

CaO+

Al2O3

CaO·Al2O3

(CA)

CaO+Fe2O3

CaO·Fe2O3

(CF)

2CaO+SiO22CaO·SiO2(C2S)开始形成900～1100℃

7(CaO·Al2O3)+5CaO12CaO·7Al2O3(C12A7)1100～1300℃

2CaO+Al2O3+Si022CaO·Al2O3·SiO2

(C2AS)形成后又分解

12CaO·7Al2O3+9CaO7(3CaO·Al2O3)

(C3A)开始形成7(2CaO·Fe2O3)+2CaO+12CaO·7Al2O37(4CaO·Al2O3·Fe2O3)

(C4AF)开始形成1100～l200℃

大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。固相反应过程熟料烧结过程

当物料温度升高到最低共熔温度（1300℃）后，C3A、C4AF、MgO、R2O等熔融成液相。C2S、CaO逐步溶解于液相中，C2S吸收CaO形成C3S。反应式：C2S+CaO→C3S

随着温度的升高和时间延长，液相量增加，液相粘度降低，C2S、CaO不断溶解、扩散，C3S晶核不断形成，并逐渐发育、长大，形成几十微米大小、发育良好的阿利特晶体。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、结构致密的熟料。C3S的形成熟料烧结熟料烧结ClinkerSinter

C3S形成条件：

温度1300~1450~1300℃

液相量

22%~26%

时间

15~25min

影响熟料烧结过程的因素最低共熔温度液相量液相粘度液相的表面张力CaO溶于液相的速率熟料烧结

ClinkerSinter冷却目的：

改善熟料质量与易磨性；降低熟料的温度，便于运输、储存和粉磨回收热量，预热二次空气，降低热耗、提高热利用率。

冷却方式：

急冷熟料冷却

clinkercooling快冷对改善熟料质量的作用：

防止或减少C3S的分解；避免β-C2S转变成γ-C2S；改善了水泥安定性；使熟料晶体减少，提高水泥抗硫酸盐性能；改善熟料易磨性；

可克服水泥瞬凝或快凝。C2S的多晶转变

α-C2Sα’-C2Sβ-C2Sγ-C2S＜500℃常温下，有水硬性，不稳定几乎无水硬性密度(g/cm3):3.282.97体积膨胀10%，熟料粉化三方或六方斜方单斜斜方热耗：烧成1㎏熟料所消耗的热量（KJ/kg）。热效率：理论热耗：1630--1800KJ/kg；实际热耗：3400--7500KJ/kg实际热耗＞理论热耗：因为有各种热损失。熟料形成热

formingthermal熟料形成热

熟料形成热：在一定生产条件下，用某一基准温度（一般为0℃或20℃）的干燥物料在没有任何物料损失和热量损失的条件下，制成1Kg同温度的熟料所需要的热量。它是熟料形成在理论上消耗的热量。熟料形成热水泥煅烧过程中的物理化学变化及热效应温度/℃阶段物理化学变化热效应100干燥物理水的蒸发225KJ/Kg-水（吸热）450预热黏土脱去结晶水922KJ/Kg-高岭土（吸热）650预热MgCO3分解1420KJ/Kg-MgCO3或2458KJ/Kg-MgO（吸热）900分解黏土中无定形物质结晶260～285KJ/Kg-高岭土（放热）900分解CaCO3分解1655KJ/Kg-CaCO3或2985KJ/Kg-CaO（吸热）900～1200固相反应固相反应生成矿物420～500KJ/Kg-熟料（放热）1250～1280固相反应生成部分液相105KJ/Kg-熟料（吸热）1300～1450液相反应液相反应C2S+CaO→C3S8.6KJ/Kg-C3S（微吸热）5.3.1悬浮预热技术及其优越性5.3.2悬浮预热器的构成及功能5.3.3旋风预热器是主要的预热设备5.3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。

5.3.1悬浮预热技术定义优越性

物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，传热、传质迅速,可大幅度提高生产效率和热效率。5.3.2悬浮预热器的构成及功能

（旋风式）旋风筒连接管道(换热管道)构成及功能构成：功能：使气、固两相能充分分散均布迅速换热高效分离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。5.3.3

旋风预热器进行热交换，约80％以上。对管道的设计十分重要管道风速太低，热交换时间延长，不仅影响传热效率，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：一般12～18m/s。连接管道作用：热交换方式：对流传热主要是气固分离，传热只占6%～12.5%。

旋风筒作用性能评价原理物料悬浮于气流中从切线进入旋风筒，产生离心力，料气特性不同，料离心碰壁下行，气不受影响向上。分离效率阻力损失分离效率愈高，生料在系统内、外循环量就愈少，收尘负荷减小，热效率提高阻力损失越小，电耗越低？一级旋风筒一般为并联的双旋风筒。必须采取的措施：锁风阀作用：下料、锁风类型:单、双翻板阀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。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。

其他措施

撒料器板式撒料器箱式撒料器作用：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。定义：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，使生料中的碳酸钙迅速分解成氧化钙的技术。5.4

预分解技术１.在悬浮预热器与回转窑之间增设一个分解炉。２.装设燃料喷入装置，喷入煅烧所需的60%左右的燃料。３.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，４.使入窑生料的分解率达到85%～95%。５.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。预分解窑特点分解炉内的气流运动基本型式：即涡旋式、喷腾式、悬浮式及流化床式。功能：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。

分解炉以SF型为代表：SF型→NSF型→旋流-喷腾式分解炉旋流式分解炉NSF型以FLS(F．L．Smidth)型为例，如图所示

喷腾式分解炉

spurtprecalciner

以MFC(MitsubishFluidizedCalciner)型为代表，沸腾式分解炉

FluidizedCalcinerMFC型分解炉适当扩大炉容，延长气流在炉内的滞留时间；改进炉的结构，延长物料在炉内滞留时间；(3)保证向炉内均匀喂料，且料入炉后，尽快地分散、均布；(4)改进燃烧器形式与结构，合理布置，使燃料尽快点燃；(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)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。分解炉的发展方向1、“喷-旋”型分解炉如RSP型新型分解炉型

newtypeCalciner“喷腾”型及“喷腾

迭加”型分解炉“喷腾迭加”型分解炉“流化－悬浮”型分解炉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。趋势和目标在线式（同线式）分解炉与窑连接方式特点：1、分解炉直接坐落在窑尾烟室之上。2、窑气进炉离线式分解炉与窑连接方式分解炉自成体系，窑尾设有两列预热器，一列通过窑气，一列通过炉气，窑气不进炉一般设有两台主排风机，一台专门抽吸窑气，一台抽吸炉气。半离线式分解炉设于窑的一侧窑气不入炉炉气出炉后可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、SLC—S等)，分解炉与窑连接方式预分解窑系统中回转窑功能:

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5.5

回转窑(Rotorykiln)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。

回转窑缺点和不足过渡带：从窑尾起至物料温度1300℃止

主要任务：物料升温、部分碳酸盐分解、固相反应。

烧成带：物料温度1300～1450～1300℃

主要任务：熟料烧成冷却带：窑头端部，1300℃

之后预分解窑工艺带的划分分解反应：反应量少，但需反应温度高。入窑料先升温，后分解。

固相反应：

烧结反应：物料在窑内的工艺反应因产量大幅提高，反应量成倍增加，需加快反应速度。熟料冷却技术

clinkercoolingtechnics目前新型干法生产中，采用第三代推动篦式冷却机及从窑罩抽取三次风，可认为最佳方案。(1)作为工艺装备，对高温熟料的骤冷。

(2)作为热工装备，对二次风、三次风的加热升温(3)作为热回收装备，对出窑熟料携出热量回收。

(4)作为熟料输送装备，输送高温熟料。

熟料冷却机的功能

thefunctionofcoolingmachine熟料冷却机作业原理在于高效、快速地实现熟料与冷却空气之间的气固换热。冷却机作业原理

thetheoryofcoolingmachine(1)热效率(ηc)高，各种冷却机热效率一般在40%～80%之间。(2)冷却效率(ηL)高，各种冷却机冷却效率一般在80～95%。(3)空气升温效率(φi)高。，本指标为篦冷机评价指标之一，一般φi<0.9。(4)进入冷却机的熟料温度与离开冷却机的入窑二次风及去分解炉的三次风温度之间的差值小。(5)离开冷却机的熟料温度低。(6)冷却机及其附属设备电耗低。(7)投资少，电耗低，磨耗小，运转率高等。冷却机性能指标类型单位篦床面积产量[t/(m2d)]单位冷却风量(Nm3/kgc1)热效率(%)第一代福勒型篦冷机25～273.4～4.0<50第二代厚料层篦冷机32～342.7～3.265～70第三代控制流篦冷机40～~551.7～2.270～75第四代推动棒式篦冷机45～551.5～2.072～76各种篦冷机有关性能指标篦冷机性能指标

(1)篦冷机入口端采用阻力篦板及充气梁结构篦床和窄宽度布置方式，增加篦板阻力在篦板加料层总阻力中的比例，力求消除预分解窑熟料颗粒变细及分布不均等因素对气流均匀分布的影响。(2)发挥脉冲高速气流对熟料料层的骤冷作用，以少量冷却风量回收炽热熟料的热量，提高二、三次风温

(3)由于脉冲供风，使细粒熟料不被高速气流携带，同时由于细粒熟料扰动，增加气料之间换热速度。

第三代篦冷机特点阶梯篦板(4)高压空气通过空气梁特别是篦冷机热端前数排空气梁向篦板下部供风，增强对熟料均布、冷却和对篦板的冷却作用，消灭“红河”，保护篦板。(5)设有对一段篦床一、二室各行篦板风量、风压及脉冲供气的自控调节系统，或各块篦板的人工调节阀门，以便根据需要进行调节。同时，一段篦速与篦下压力自动调节，保持料层设定厚度，其他段篦床与一段篦床同步调节。第三代篦冷机特点充气梁可控气流通风篦板(1)采用TC型“充气梁”技术，研发了TC型充气篦板及TC型阻力篦板。(2)采用厚料层冷却技术，中小型篦冷机设计最大料层厚600～650mm，大型篦冷机700～800mm(3)合理配风关键在于淬冷区和热回收区“充气篦床”配风适当。(4)全机篦床配置适当淬冷高温区设置固定充气篦床，高温区设置活动充气篦床，中温区设置固定篦床，低温区设置普通篦床，整机效率高，结构简化，维修方便。(5)锁风良好设置了全机自动控制和安全监测系统，保证了系统稳定安全运行。TC型第三代篦冷机充气篦板低漏料篦板5.6预分解窑技术的生产控制(1)烧成带物料温度(2)氧化氮(N0x)浓度(3)窑转动力矩(4)窑尾气体温度(5)分解炉或最低一级旋风筒出口气体温度(6)最上一级旋风筒出口气体温度(7)窑尾、分解炉出口或预热器出口气体成分(8)最上一级及最低一级旋风筒出口负压(9)最下一、二级旋风筒锥体下部负压(10)预热器主排风机出口管道负压(11)电收尘器入口气体温度(12)窑速及生料喂料量(13)窑头负压(14)篦冷机一室下压力。(15)窑筒体温度重点监控参数(1)窑头负压篦冷机余风排风机阀门开度。(2)篦冷机一室下压力篦床速度。(3)分解窑加煤量最下级旋风筒(或分解炉)出口气体温度。(4)增湿塔入口压力增湿塔出口阀板开度。(5)增湿塔出口气温增湿水泵回水阀门开度。(6)窑尾主排风机风门开度最上级旋风筒出口气体O2含量及压力。(7)电收尘器进口风压电收尘出口风机风门开度。(8)喂料秤测重负荷传感器喂料仓自动调节计量阀门开度。(9)气力提升泵下松动压力计量滑动阀门开度。(10)生料计量标准仓重量均化库出口阀板开度。(11)其他可根据需要设置自动调节回路中央控制室简介

centralcontrolling中央控制室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。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。DCS、集散控制集散控制系统具有较高的可靠性，设置了操作员CRT