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现代管理方法。
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、换热管道、分解炉、回转窑、冷却机（简称筒-管-炉-窑-机）等。这五组关键技术装备五位一体，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，分别承担着水泥熟料煅烧过程的预热、分解、烧成、冷却任务。
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
6.2.3碳酸盐分解MgC03MgO+CO2↑－(1047～1214)J/gCaC03CaO+CO2↑－1645J/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。
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。
碳酸钙在600℃时就有微弱分解发生，但快速分解温度在812～928℃之间变化
1．可逆反应；
2．强吸热反应；
每1kg纯碳酸钙在890℃时分解吸收热量为1645J/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。
6.2.3.2碳酸钙的分解过程
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。
6.2.3.3影响碳酸钙分解速度的因素
．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
1
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
～800℃CaO+Al2O3CaO·Al2O3(CA)
Ca0+Fe2O3CaO·Fe2O3(CF)
2Ca0+Si022CaO·Si02(C2S)开始形成
800～900℃7(CaO·Al2O3)+5CaO12CaO·7Al2O3(C12A7)
900～1100℃2CaO+Al2O3+Si022CaO·Al2O3·Si02
(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。
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420～500J/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
在高温液相作用下，固相硅酸二钙和氧化钙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+Ca0C3S
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。
1300～1450～1300℃称为熟料的烧结温度。在此温度范围内大致需要10～20min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
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。2
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β-C2S转变成γ-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．改善熟料易磨性
6．克服水泥瞬凝或快凝
悬浮预热技术
6.3.1悬浮预热技术
6.3.2悬浮预热技术的优越性
6.3.3悬浮预热器的构成及功能
6.3.4旋风预热器是主要的预热设备
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。
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
悬浮预热器的构成及功能
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
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，传热只占6%～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。3
系统内生料循环量等于喂料量时，废气温度将升高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80％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
可根据生料粒径、悬浮速度以及工况等因素进行理论计算。
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12～18m/s。
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。
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。
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，使生料中的碳酸钙迅速分解成氧化钙的技术。
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，
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。
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。
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。
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MFC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
物料在窑内的工艺反应
分解反应
固相反应
烧结反应
预分解窑生产中重点监控的主要工艺参数
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
(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
预分解窑工艺控制的自动调节回路
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
复习相关知识
◆水泥是一种什么材料？
无机水硬性胶凝材料
◆水泥的水化、凝结和硬化？
水泥加水拌和,发生水化反应，浆体逐渐失去流动性和可塑性。
◇首先形成粘结砂石的可塑性浆体。
◇最终形成具有机械强度的石状体。
石膏的缓凝机理
水泥中掺加适宜石膏时，Ｃ3Ａ在石膏--石灰的饱和溶液中，生成溶解度极低的三硫型水化硫铝酸钙（AFt），又称钙矾石。棱柱状的小晶体生长在水泥颗粒表面，形成覆盖层或薄膜，阻滞了水分子及离子的扩散，降低了水化速度，延长了凝结时间，防止了快凝现象发生。
由图可知，石膏掺量过多或过少都会导致不正常凝结。石膏的适宜掺量？
生料均化的意义
提高熟料的质量，稳定窑的热工制度、提高窑的运转率和产量、降低能耗。
碱、硫、氯含量的要求：
碱（R2O）主要是指K2O和Na2O的含量。采用天然原料时，碱主要来源于黏土质原料中的云母、钾长石、海绿石等矿物；硫主要来源于原料和燃料，在原料中硫主要以硫酸盐或硫化物的形态存在，在燃料中以硫化物或有机硫而存在；氯在水泥原料中含量极小。碱、硫、氯对生产的危害主要是在预热器与窑系统内的循环，而影响热工制度的稳定。
一般认为，在氧化气氛中CaSO4的分解始于750—1100℃，结束于1450℃，当有碳存在时，CaSO4于900—1000℃和碳发生反应，生成SO2进入废气中。硫化物的变化反应起始于400—600℃，结束于1000℃（有机硫的情况与硫化物的氧化类似），因此，硫化物及有机硫反应发生在预热器中，而且又是放热反应可使预热器里的物料局部过热而导致结皮的形成。废气中硫和碱蒸气有非常强的结合能力，它们首先发生化合反应，同时它也能与生料中固态碱化合形成碱金属硫酸盐，并凝聚在生料表面，除一小部分和废气排出可忽略不计外，最终都随生料进入窑内烧成带，在还原气氛中硫酸碱同样分解，但在氧化气氛中硫酸碱就比较稳定，进入烧成带内其挥发率较低，除少量再一次挥发外，大部分随熟料出窑。由于碱与硫化合以后基本不在循环，因而原料或燃料中的硫对碱循环起到了抑制作用。当硫与碱化合形成硫酸碱后乃过量时，也可与生料中的CaCO3或CaO化合形成CaSO4，这样形成的CaSO4在到达烧成带时可能在一次分解，也可能一小部分不再分解而随熟料出窑。
氯的循环作用与硫相反，它能促进碱的循环，进入烧成带的氯几乎全部挥发，只有极少数在烧成带被熟料带走。在生料和燃料中挥发出来的氯化物可以与生料中的固态碱或尚未与硫化合的碱蒸气形成氯碱化合物。挥发过程中被带到废气中的氯更易和钾反应生成KCL，只有过量的氯才与钠反应生成CaCL。这种化合物在800—900℃时蒸气压接近为零，也就是说在该温度下，几乎全部凝结在生料表面上，随着生料又返回窑内，或者凝结在相应温度下的设备内壁，造成该区域发生堵塞并形成很硬的结皮。返回窑内的生料，入窑后凝结在生料中的氯碱化合物又重新挥发，到烧成带几乎全部挥发成气体。因此当生料中的氯含量超过一定限度时，碱循环急剧增加，导致在温度处于800—1000℃区间的预热器或管道内严重结皮，危害窑系统的正常操作。同时，氯碱化合物还能与已生成的硫酸碱形成低共熔点混合物，黏附在生料表面上，降低了生料的流动性，有助于长窑皮的区势。
当原燃料中的碱与硫、氯化合后乃有剩余时，挥发出来的碱可以与生料中的CaCO3化合形成碱金属碳酸盐（K2CO3、Na2CO3），并可在生料表面形成熔融，当量较少时无大危害并随生料进入窑内。这两种物质在窑内受高温作用，又极易分解挥发，再随废气进入预热器内从而造成碱的循环、富集。由此也有部分过量的碱在烧成温度下成为熟料液相的组成部分不在挥发。当由原料、燃料带入系统的碱量等于排出系统的碱量时，循环量、残碱量和飞损逸出量之间，保持相对稳定，即达到了平衡。在平衡的情况下，当循环量不大，生料捕集碱化合物较少，即使在凝固点区域，其量乃不足以使颗粒间粘结起来，这就可维持正常操作，不会引起结皮和堵塞。相反，当循环量大，生料捕集较多的碱化合物，所形成的熔融足以使颗粒间互相粘结，并冷凝粘附在预热器壁上，形成结皮和堵塞。结皮和堵塞的部位，往往和低熔物凝固点温度有关。表8—1—5为碱化合物的熔点温度。
碱化合物 熔点温度（℃） 碱化合物 熔点温度（℃） KOH 361 NaOH 319 KCL 768 NaCL 801 K2CO3 894 Na2CO3 850 K2SO4 1074 Na2SO4 884 K2SO4.CASO4 系统的最低熔 点为867 通过上面对碱、硫及氯在窑系统内的循环分析得知：煅烧过程挥发出来的硫和碱能够首先形成硫酸盐，在窑气中硫碱比合适时，能绝大部分生成硫酸盐，形成的硫酸盐在煅烧过程中二次挥发率低，固定在熟料中排出窑外。因此在控制有害成分碱、硫、氯时，还要考虑硫碱比（我国通常以SO3/R2O表示）的影响。如果硫碱比合适，能将碱尽可能多的带出窑外，减少碱的循环及富集，从而能减轻碱的危害。
预分解窑生产中对原料中碱、硫、氯含量的控制，到目前为止被人们普遍接受的观点是：生料中Na2O+K2O≤1%，CL≤0.015%；熟料中SO3/R2O≤1，最好在0.6—0.8，且SO3≤1.5%，如超过此值就可能影响窑系统的正常操作。如碱、硫、氯超过规定值不多，可通过在操作上采取措施来消除，如设置自动清理装置，加强清堵频次和定期清堵等。如超量过多，就需要在工艺上采取相应的措施来解决。
切断或降低有害组分的循环富集主要有三种途径：热料旁路、窑灰旁路和气体旁路。热料旁路是指排掉一部分已富含可形成再循环的冷凝化合物的入窑生料，采用这种方法仅限定在氯旁路。窑灰旁路是指放掉部分或全部窑尾收尘的窑灰，这对于减弱有害组分的外循环是有效的，但在有害组分含量较高的情况下，其效果是很有限的，另外还做好处理大量窑灰的方案。气体旁路就是旁路放风，它是目前采用最多和效果最好的一种旁路途径。
8
|
|
