影响回转窑煅烧效果的因素分析
齐俊华1杨旭2丁振宇3
（1、3河南省建筑材料工业协会450014；2驻马店豫龙同力水泥有限公司）
影响回转窑煅烧效果有多种因素，其中有些是不可控因素，有些是可控因素。不可控因素是指工艺线设备的先天性因素，如窑系统各组成部分，回转窑、预热器、分解炉等的设计参数，设备性能的不可变参数等，这些参数设计是否合理，设备选型和配置是否合理，有待系统运转后加以肯定，有缺陷的参数和设备设施只有通过技术改造加以完善和改进。
本文仅就通过科学管理和精心操作可以人为加以控制、完善和改进的影响因素叙述如下：
一、时间与温度
水泥熟料煅烧是一个渐进的化学反应过程，即需要一定的温度条件，又需要一定的时间过程，温度和时间是相辅相成的伴进条件，强调、缺少和忽视其中哪一个因素都不可能烧出合格的优质熟料。
熟料煅烧主要是在回转窑内进行并完成的，而分解炉和预热器的主要任务是通过生料与高温气体在湍流、旋流和悬浮过程中完成热交换并实现CaCO3的分解。回转窑则担负熟料的煅烧与生成，为满足熟料煅烧所需要的温度与时间条件，回转窑内应设置具备不同长度的温度区域，或温度间隔。物料在回转窑（5000t/d）内的运行速度大致为每分钟2.5-3m，总的运行时间在30分钟左右，其中窑尾分解带的长度为5-6m，运行时间约2分钟，该段温度为1100-1150℃。分解带的煅烧作用，一是继续完成CaCO3的分解，第二是逐渐产生液相，促进C4AF、C3A的生成，以这两种矿物为粒核，逐渐把CaO、SiO2粘附在一起并在回转窑的不断转动中扩大到一定粒径。C4AF、C3A是融媒性矿物，它的生成数量和速度是熟料煅烧成果的前提条件，保护液相促进C4AF、C3A生成是熟料煅烧中的重要环节。窑尾温度过低，将延迟这种结粒的过程；温度过高，将使结粒干烧，使其丧失所需液相特征，使熟料结粒不好，因此液相量的生成效果除与生料率值有关系外，与温度条件更有直接的关系。从生料产生液相到熟料结粒这是一个渐进的时间过程，在生料从1100℃到1250℃的温度过程中，是从液相产生到结粒的过程，大致需要6—7分钟的时间。这一时间间隔过短将使液相生成量不足，不能达到预期的结粒效果；时间过长，说明回转窑热力强度不足，熟料的后期煅烧效果变差，其直观效果是熟料结粒小、黄心、窑头罩内飞砂大等。
结粒生料在进行到过渡带时，C2S大量生成，这一过程同样也是一个渐进过程，并非一蹉而就，这一过程进行的越充分，C2S的生成越多，就越有利于C2S向C3S的转化，这一过程也是控制游离CaO的重要阶段。
从粒状生料到C2S形成的过程时间长一些，C2S的生成就越充分，反之C2S的生成反应就越不充分，不参加熟料生成反应的CaO就越多。
过渡带与分解带的分区并不明显，从功能上看，分解带中有过渡带，过度带中有分解带。过渡带的温度应在1250-1400℃之间，其时间间隔在10分钟左右，窑长为25m，过度带与分解带的总窑长应在30m左右，这一过程为贝利特反应阶段。
这一阶段的物料可视作为初始熟料，当初始熟料前进到烧成带且自身温度达到1400-1450℃时，C2S将积极吸收吸附在粒径中剩余的CaO进行C3S的生成反应，所以C2S是C3S生成的前提，C2S生成量不足则C3S的转化量就少，反之就多。这一过程是熟料煅烧的关键时刻，C3S的生成反应时间大致为13分钟，这一温度段的窑长应为30-35m，这一过程为阿利特反应阶段。烧成带之后熟料进入冷却带，温度由1350℃下降到1200℃，窑长5-7m。该区段的作用是以较高的冷却和结晶速度，使亚稳定状态下的熟料矿物固定下来，稳定和巩固此前的化学反应成果。
回转窑的长度是在充分考虑熟料运动速度和熟料煅烧不同区段的温度所需时间需要而设计的，因此在实际生产中必须考虑上述煅烧过程所需的时间和温度要求，这是熟料煅烧过程的关键条件，操作的随意性，不合理的改变不同区段的温度，就必然同时破坏熟料煅烧所需的时间要求，其中最为关键就是要准确把握燃煤的火头位置，最常见的毛病就是火头位置在窑前28-30m处，造成过渡带和烧成带过短，总长度不超过55m，虽然物料在回转窑内通过的总时间不变，但其有效的煅烧时间几乎减少了三分之一，其熟料的煅烧效果就要大为下降。这种煅烧时间不足和熟料急烧的结果是熟料结粒不好，熟料黄心、飞砂大、质密度下降等，窑尾一把火，本已温度较高，操作人员的“煅烧时间”观念不强，仍使用大风大煤煅烧，火头靠后，是破坏熟料煅烧效果的根本原因。
对于本企业回转窑的煅烧情况，要充分利用停窑检修的间隙和机会，把回转窑内存留物料进行逐段取样，分析各段矿物的生成情况，在反复不断分析的基础上，调整、制定出一套确实可行的窑操规程。
二、原料与生料
原料的选择和生料的制备对熟料煅烧效果有着直接而密切的关系和影响，是企业管理和技术人员必须十分注意的问题。
1、原料的选择
石灰质原料从地质年代上分，大致有震旦纪、寒武纪、奥陶纪和石炭纪石灰岩及新生纪的泥灰岩、白垩土等。但对煅烧熟料质量影响较大的功能因素主要应从纯度和硬度上加以区分。一般来说，纯度高、CaO含量高、硬度低的石灰石易磨好烧；而杂质多，纯度低、硬度大、CaO含量较低的石灰石难磨难烧。其中硬度大，荷点高是其难磨难烧的主要因素，如同样的伯力休斯立磨，一企业粉磨镁含量1%的低镁石灰石，产量可以达到450t/h，最高达480t/h，使用8个月后，磨辊磨损50m；一企业粉磨镁含量3-4%左右的高镁石灰石，产量可以达到430t/h，使用8个月后，磨辊磨损100mm。粉磨低镁与高镁石灰石，磨辊的寿命相差一倍。纯度高、硬度低的石灰石荷点低，分解率高，CaO可以较大的数量参加熟料的生成反应；纯度低、杂质多、硬度大的石灰石，荷点高，分解率低，在相同的热力强度下，能以较快速度参与熟料生成反应的CaO数量相对较少，可通过对不同企业CaCO3分解率的测定加以验证，从而降低了C3A的生成数量，使熟料强度降低。
因而大力寻找震旦纪大理岩、奥陶纪、石炭纪石灰岩和新生纪泥灰岩等纯度高、低镁或硬度低的石灰质原料是十分重要的。同时尽量减少对寒武纪高镁石灰石的依赖和使用数量，或与高质量的石灰石搭配使用，努力降低、减少煅烧难度，提高熟料质量。
对纯度较高、CaO平均含量在53%以上的石灰石，可弱化均化设施，以降低基本建设投资。
在辅助原料的选择上，应注意原态与亚态物料的区别。原态是指天然状态下产出的物料，如铁矿石、黏土、硬质砂岩等。亚态是指经过煅烧和化学加工后产出的副产品，如硫酸渣和粉煤灰等。原态物料晶格完整、结构致密，荷点高，要求煅烧温度高，辅助原料中的液相产出晚，参与熟料生成反应速度慢，数量不足，将影响熟料质量的提高；经热加工和化学加工产出的副产品，晶格受到破坏，结构疏松，硬度低，荷点低，液相产出早，参与熟料生成反应的速度快，数量多。经过多家企业考察得出的结论是：亚态辅料易磨易烧，熟料强度高，而原态辅料难磨难烧，电耗高，煤耗高，熟料质量不高。当然从节煤、节电、易磨、易烧的角度看，利用纯度低的软质砂岩较纯度高、硬度大的硬质砂岩较好。
在原料配伍上，采用高镁、硬度较大的石灰石，则在辅料选择上应趋利避害，尽量采用亚态辅料；如采用低镁、纯度高、硬度低的石灰石，在缺乏亚态辅料时，也可采用原态辅料。
在原料制备上，如采用纯度低、硬度大的石灰石与呈原态辅料配料时，一定窑把握好生料细度，细度不能放的太宽，应控制在10%左右；如采用纯度高、硬度低的石灰石和亚态辅料制备生料时，细度可以适当放宽到15%，或更宽一些；如两者搭配使用，细度应控制在12—14%之间，当然这三者的电耗差别是十分显著的。
在注意到石灰石的纯度和硬度、辅料的原态与亚态的情况下，企业化验室对率值的计算都给予了十分重要的关注，甚至作为企业技术机密概不外传。这种在率值计算上的封闭行为，在市场竞争十分激烈的情况下是情有可原的，但对技术水平不高、熟料质量也不高的企业，积极研究和探索率值的正确计算是十分必要的。作者在“从窑操曲线看窑操工作效果”一文中（中国水泥06年4期）提出窑灰的损失对率值计算的影响并提出纠正建议。指出“两高一中”的率值配料是十分必要的，望参考。对用原态辅料进行配料时更应采用“两高一中”的配料方案，对于采用亚态辅料配料的企业“两高一中”的配料方案中的两高可稍有降低。配料计算中一定要克服不针对原料实际状况，刻板计算各原料成分而确定率值的做法。
众所周知，使用低碱、低氯、低硫等有害成分的原料和燃料也至关重要。
三、风量的分配与稳定
通风在回转窑熟料煅烧中主要有以下三种作用，第一是为燃煤供氧；第二是做为载热媒体与生料进行热交换；第三在分解炉和预热器中利用湍流、旋流和悬浮作用，延迟生料下降速度，以达到充分进行热交换的目的等。
窑风通过两个渠道进入窑系统，一是从回转窑进入；二是从三次风管进入，在分解炉汇合。窑内风量进入分解炉时，窑气体中的氧已基本耗尽，已不再发挥助燃作用，从三次风管进入分解炉中的气体主要发挥分解炉喷煤的助燃作用，窑头、窑尾喷煤大体为40%和60%，则在窑风风量的分配上应为4：6开，即进入回转窑系统的风量为40%，从窑头罩三次风管进入分解炉的窑风应达到60%，两种风的分配是通过窑尾斜坡的截面积和三次风管的截面积之比，即4：6开进行分风的。考虑窑尾的漏风，窑尾斜坡截面积应适当放大。回转窑风量的多少应从三个方面进行判断，第一是窑头始终保持微负压状态，第二窑尾气体中的氧含量大致在2%以下，第三喷煤咀的火焰形态良好。三次风管的风量应以CaO的分解率、C4和C5温度的高低及CO含量的多少为调整标识。CaO分解率高，说明燃煤燃烧正常，不再调风；CO含量高，说明炉内缺风，或降煤或增风。
业内人士在谈及回转窑的操作要领时，大多认为风、料、煤的稳定操作是回转窑正常工作的首要任务，但风、料、煤的稳定操作必须要强调风、料、煤的高质量，没有高质量的风、料、煤，再稳定的操作，回转窑的工作都不会处于良好的状态。原料的高质量在第二节中已有叙述，风的高质量要重视二、三次风的温度质量。二、三次风的风温主要取决于回转窑的火头位置，如火头位置靠近窑中，熟料在冷却30m以后再进入蓖冷机，则窑头罩内的风温将有较大的下降，三次风温一般在700-800℃。风温较低不利于分解炉的工作，分解率下降，影响回转窑的正常工作。二次风温不高，同样对回转窑的煅烧工作产生不利的影响。窑系统供风的关键是努力提高二、三次风的风温，三次风温应达到900左右，三次风温提高了，二次风温自然也相应提高。当然二、三次风温与蓖冷机的工作制度也有密切的关系，所以同时也要认真研究提高蓖冷机的工作效率。
同时努力减少喷煤咀的一次风量，多用温度高的二次风进行助燃是积极有利的。
窑风的稳定与否是回转窑系统正常工作的重要环节，在窑尾风机正常工作下，窑风的稳定应当不成问题，但窑尾分解炉、预热器及管道出现堵塞和不正常工作的情况，窑风的稳定操作就将成为重要问题。其中闪动阀失灵、斜槽积料、管道结皮、堵塞等是影响窑风稳定操作的主要问题。斜坡积料将使二次风量下降，三次风量增加，窑内分风失衡，回转窑火焰发暗、燃煤燃烧不充分，影响煅烧效果；管道结皮堵塞影响整个窑系统的稳定供风；闪动阀失灵，系统供风短路，破坏预热器的正常工作，C1筒气体出口温度升高，造成能源浪费；系统漏风特别是窑尾密封不好，使分解炉的温度下降，同时也使入窑生料温度下降，影响液相的形成，都将影响回转窑系统的正常工作状态和效果。
一企业为双系列窑尾预热器，工作极不正常，已不能进行正常生产，要求进行技术诊断。调研查看的结果是：（1）系统闪动阀“多数不动，少数动”，即预热器通风短路，工作失效；（2）三次风管拐弯处磨穿漏风，分解炉工作效率下降；（3）蓖冷机与回转窑联结处严重漏风，二、三次风质量下降；（4）煤质下降等共四个问题。在对上述问题改正后，生产迅速转好。在上述问题中，闪动阀问题具有历史性，闪动阀问题的发现和解决，使企业从此走上了正常的生产道路。
影响稳定供风的另一个问题是三次风管的通畅供风。一企业由于火头靠近窑中，生料中铝氧率偏低等，导致熟料结粒不好，只有黄豆粒大，飞砂严重，大量飞砂通过窑头罩、三次风管又回到分解炉，先是粗颗粒在三次风管中沉降，后由于三次风速变低，粗细颗粒飞砂等逐渐在三次风管中进一步堆积，飞砂沉积达到三次风管的半径厚，造成窑风过大，负压增高，煤粉拉到窑中燃烧，分解炉供氧不足，严重影响了窑系统的正常工作。造成三次风管积灰的另一种可能原因是窑尾斜坡截面积过大，分风不均，三次风速偏低造成的。
窑头和分解炉科学合理的分配风量，努力提高二、三次风的供风质量，防止系统漏风和短路是窑系统通风操作的关键要领。
风量应随着喷煤量的改变而进行调整，如头煤与尾煤的比例是4：6开，当头煤、尾煤喷煤量都有增加或减少时，应适时调整高温风机的风量，但不要随意调整三次风阀门，以保持窑风、尾风风量的正常比例。尾煤喷煤量应视CaCO3分解率的高低适当加以增减，如分解率已达到92-93%，尾煤喷煤量就要进行适度控制。控制分解炉的温度，就是要控制生料不要过早产生液相。C3、C4、C5级筒闪动阀失灵，斜坡积料、管道结皮堵塞等，生料过早产生液相是重要原因之一。当尾煤正常，但回转窑火头靠后，也可导致窑尾生料温度过高，过早产生液相，使斜坡积料，影响回转窑正常工作。因此，避免大煤大火，保持窑系统正常稳定运行，应当是新型干法操作的要领之一。
四、燃煤与喷煤管
多通道喷煤管的出现和窑尾分解炉技术的改进，使使用低挥发分燃煤成为可能，应该说这是新型干法技术的一次革命性进步。从理论上讲新型干法使用热值在4500千卡以上的低挥发分燃煤煅烧熟料应当说都是可行的，在实践上国内也不乏成功的实例，但有两个需要注意的问题：第一使用热值较低、灰分较高的燃煤在窑头喷煤中的窑灰有相当一部分不参加熟料生成反应，因此在率值计算时应采用高硅、高铝方案，以补偿窑灰中硅、铝成分的损失。为验证该意见的正确性，省内一企业将熟料料球锯开，按照颜色分层将外皮剥下来进行分析化验，结论是熟料球外皮主要是硅铝成分，也即燃煤沉灰粘附，而料球内部是正常的熟料矿物组分。
第二在热值等价的情况下，可购到灰分低一些的好煤，应优先考虑使用优质煤或中质以上的煤。其原因是多数劣质煤含有大量的矸石、易磨性差，立磨工作条件变坏，细度又不好控制，粉磨煤粉的数量大大增加，耗电、耗材，质量不好，同时不能做到等热值等消耗，实际燃煤热量消耗要大于等热值优质燃煤的热量消耗数量。
有一定数量的企业，在使用低热值、低挥发分燃煤时，窑灰按100%沉入计算率值，怎么也烧不出高质量或合格的熟料，甚至企业生产在一年、两年的时间内都陷于被动局面，但当改用优质煤时，这种被动局面就会立即改观，因为优质、灰分低的燃煤在回转窑内不参加熟料生成反应的窑灰损失量较小，率值稍加改动就可以满足生产需要。不能注意到窑灰的损失，是企业不能正常利用低价、低热值燃煤煅烧熟料的主要原因。
低热值煤必须设破碎机和均化堆场，同时使用低热值煤不宜使用立磨。因为这种低热值煤破碎量过大，易磨性不好，立磨吐渣量大，吐渣门不能做到常闭，漏风严重，细度变粗，易烧性不好，影响煅烧效果。为此，使用灰分大于30%的燃煤时，最好选用管磨，同时要大一号选用煤粉称，加大量程，以满足低热值煤粉量增加的需要。
在生料合格、率值计算正确、燃煤不错的情况下，多通道喷煤管就成为决定煅烧工作效果的关键设备，熟料各区段的煅烧时间和温度、二、三次风温度的高低，熟料质量的好坏均取决于喷煤管的工作状态。喷煤管的操作要领主要有：第一，喷煤管的内、外、中风是可调的，一定不要把内、外风调节阀门100%打开或接近100%，这种蛮干的作法会把火头位置全力推进到窑中，破坏了熟料煅烧所需要的各时间和温度区段，造成二、三次风温大幅度下降；第二，外风开度应不超过60%，内风开度不应超过70%，中风可在50—80%之间调整；第三，内外筒的前进和后退对火焰的形状有较大的影响，应灵活掌握；第四，火头位置要拉到窑头10m左右或以内的位置，同时又要努力把火焰拉长，加大烧成带长度，烧成带的位置应在窑头8—35m之间较为合适，火头位置前移，烧成带较长是窑操工作的首要任务和中心环节。
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