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材料科学与工程学院无机非专业主讲:陈常连2015.3窑炉工艺学(KILNTECHNOLOGY)团结严谨勤奋求实教学内容第6章:水泥熟料煅烧设备教学大纲第6章水泥熟料煅烧设备6.1分类6.2回转窑煅烧设备6.3新型干法窑系统中预烧过程和设备6.4回转窑结构及其工作原理6.5熟料的冷却及设备6.6回转窑系统的设计计算水泥的发明是一个渐进的过程。水泥生产技术随着社会生产力发展，也有一个不断进步、成熟和完善的过程。今天，人们把水泥的生产过程形象的概括为“二磨一烧”，即按一定比例配合的原料，先经粉磨制成生料，再在窑内烧成熟料，最后通过粉磨制成水泥。在这个过程中，窑是核心设备，所以人们在研究水泥技术发展史的时候，往往以窑为代表。回顾这过去的近二百年，水泥生产先后经历了仓窑、立窑、干法回转窑、湿法回转窑和新型干法回转窑等发展阶段，最终形成现代的预分解窑新型干法。仓窑1824年阿斯普丁获得波特兰水泥专利时所用的煅烧设备叫瓶窑（BottleKiln），其形状像瓶子，因此而得名。1872年强生在瓶窑的基础上，发明专门用于烧制水泥的仓窑，并获得专利。立窑1884年在德国，狄兹赫（Dietzsch）发明立窑，并取得专利权。丹麦人史柯佛（Schoefer）对立窑进行了多次改进。1913年前后，德国人在立窑上开始采用移动式炉篦子（MovableGrate）使熟料自动卸出，同时进一步改善通风。干法回转窑经过十八年来的一次次试验和一次次失败，在1895年，美国工程师亨利（Hurry）和化验师西蒙（Seaman）进行回转窑煅烧波特兰水泥的试验，终于获得成功，并在英国取得第23145号专利证。1897年德国贝赫门（I.A.Bachman）博士发明余热锅炉窑。1928年，立雷帕博士与德国水泥机械公司伯力鸠斯（Polysius）合作，制造出窑尾带回转篦式加热机的干法回转窑。湿法回转窑1912年前后，丹麦史密斯（F.L.Smith）水泥机械公司用白垩土和其他辅助原料制成水泥生料浆，在回转窑上用它取代干生料粉进行煅烧试验，取得成功，从而开创出湿法回转窑生产水泥的新方法。新型干法回转窑曾在丹麦史密斯水泥机械公司工作过的工程师伏杰尔－彦琴森（M.Vogel-Jorgensen）于1932年6月1日向捷克斯洛伐克共和国专利办公室（PatentOffice）首次提出四级旋风筒悬浮预热器的专利申请。专利于1934年7月25日被批准并公布，编号为48169。1951年德国工程师密勒（F.Muller）对专利内容作了多处改进，在此基础上洪堡公司制造出世界上第一台四级旋风悬浮预热器。悬浮预热器简称SP，这是SuspensionPreheater的缩写。1971年，日本石川岛播磨重工业公司在洪堡窑的基础上首创水泥预分解窑。预分解窑简称NSP窑，NSP是NewSuspensionPreheater的缩写，即新型悬浮预热器的缩写。一立窑立窑是一种竖式固定床熟料煅烧设备：含煤生料球从窑顶喂入窑内，料球自上而下运动，空气自下而上运动。其物理化学变化与回转窑大致相同，将立窑自上而下分为三带：预热带、高温烧成带和冷却带。6.1分类1.立窑形状窑体形状对物料在窑内的运动和气流在窑内的分布具有重要意义。常见有四种：直筒形立窑，喇叭形立窑（图7.3），哑铃形立窑，矩形截面立窑。图7.3机械化水泥立窑系统1.烟囱；2.撒料溜子；3.窑体；4.耐火砖；5.腰风管；6.底风管；7.传送装置；8.电动机；9.密封卸料.6.1分类2.内径与高度窑的内径由煅烧产物性质，温度，操作灵活程度等因素来确定。一般对煅烧白云石的立窑内径在1.6-2.5m，石灰石的立窑2.4-4.0m，水泥立窑2.5m。立窑高度决定于物料在窑内预热、煅烧和冷却时间。以立窑的高径比KL=H/D来表征。水泥窑高径比3-4，对于温度高(1650℃)煅烧的白云石高径比6-7.6，立窑高径比在10以上。6.1分类3.立窑内衬立窑内衬材料的要求耐高温，散热少，具有一定强度。如图7.3，立窑内衬分三层，最里层为工作层，中间为永久层，次外层为隔热层，最外层为壳体钢板。预热带和冷却带要求工作层耐磨损和耐热冲击，而煅烧带还要求抗高温的气体腐蚀作用。6.1分类4.布料装置基本要求：均衡窑内通风阻力，尽可能消除或减少靠近窑壁孔处孔隙率过大的现象。合理布料的方法是大块布料于窑的中心，中小块于四周，以使风量沿截面保持均匀。5.出料装置要求保证出料时窑内物料均匀下降。窑内三带相对位置不被破坏。常用的三种出料装置为：拖板出料机，圆盘出料机以及摆动齿辊出料机6.1分类6.通风装置由于立窑中燃烧需要大量空气，所产生的烟气也需要及时排出。因此必须设置鼓风和排风装置。根据风管插入窑体的位置分为底部鼓风（中心鼓风）和腰部鼓风（周边鼓风）两种方式。立窑的排气装置主要由窑罩和烟囱组成（自然排风），或机械排烟。7.密封装置加大窑内鼓风量对立窑生产有利，加强窑的密封性也是十分关键。常用的密封装置有三道闸门和料封管。6.1分类6.1分类供煅烧用生料的制备方法有：干法（制备粉料）、湿法（制备成料浆）、半干法（制备成料球）。立窑：只能煅烧料球，故只能采用半干法制备生料的流程。优点：是填充床式的反应器。①设备简单，钢材耗用量少，投资少；②单位容积产量高；③热耗低，建设周期短。第6章水泥熟料煅烧设备6.1分类缺点：①单机产量低（目前一般规格立窑日产量仅250-333t/台）；②熟料质量不够均匀（粉料之间、料球之间相对运动少，缺少炉内均化作用）；③劳动生产率低，通风劳动力消耗高。第6章水泥熟料煅烧设备可以适应各种状态的生料，故又分为干法窑、半干法窑和湿法窑。特点：1、生产能力适应性大（从日产50t至日产10，000t）；2、操作比较简单；3、熟料质量好；4、劳动生产率高；5、投资大，钢材消耗多，建设周期长。第6章水泥熟料煅烧设备6.1分类二回转窑：6.2回转窑煅烧设备目前世界上优质水泥熟料，绝大部分都是回转窑烧制而成的。一、回转窑煅烧系统的流程特点概述1、回转窑煅烧系统的基本流程：由回转窑、冷却机、喷煤管、驱动气体流动的风机和烟囱所组成。第6章水泥熟料煅烧设备6.2回转窑煅烧设备1、回转窑煅烧系统的基本流程：由回转窑、冷却机、喷煤管、驱动气体流动的风机和烟囱所组成。第6章水泥熟料煅烧设备一次空气喷入窑内，形成喷射流股，煤粉一面燃烧，一面随流股运动，而二次风入窑后扩散包围在流股周围，逐步进入流股中，参与燃烧，形成火焰。在冷却机中被熟料预热的空气分成两路引向窑后。一路入窑作为二次风供窑内燃料燃烧。另一路作为三次风经三次风管在分解炉底部与窑气混合，进入炉内供燃料燃烧。6.2回转窑煅烧设备2、湿法窑煅烧系统特点：自冷端加入的是生料浆（含水在30-35%左右）。按物料在窑内的历程，沿窑长可分为：干燥带、预热带、煅烧带（或称预烧带，包括生料分解带和固相反应带）、烧成带和冷却带。第6章水泥熟料煅烧设备Φ5/4.5×135m湿法回转窑熟料煅烧过程（1）干燥带：温度150℃左右，自由水的蒸发过程；（2）预热带：温度150～750℃，发生粘土矿物脱水与碳酸镁开始分解；（3）碳酸盐分解带：温度750～800℃，烧蚀量明显减少，碳酸盐分解与固相反应，由于吸热反应，故升温速率缓慢。当温度升到1100℃，分解速率迅速增加。游离氧化钙达到最大值。（4）放热反应带：固相反应释放大量热量，物料上升了300℃，在1250～1300℃，氧化钙射出光辉，使得分解带物料黑暗，又称“黑影”。（5）烧成带：温度1250~1450~1250℃。在1250～1280℃开始出现液相，在1450℃，液相量增加，游离氧化钙吸收，水泥熟料化合物形成。（6）冷却带：熟料继续向前运动，与温度较低的二次空气相遇，熟料温度下降。6.2回转窑煅烧设备湿法窑各带的相对长度及物料温度范围第6章水泥熟料煅烧设备干燥带预热带分解带固相反应带+烧成带冷却带各带占窑长（%）27—321520—2520—254—6各带物料温度范围（℃）—100100—600600—900900—14501450—13006.2回转窑煅烧设备为了强化传热，湿法窑冷端往往加装链条和料浆预热器。（1）链条：有助于传热、蒸发水分，输送原料和防止结泥巴圈等作用，有两钟挂法，垂挂链幕和花环挂链幕。如下图所示：第6章水泥熟料煅烧设备6.2回转窑煅烧设备①垂挂链幕的链条只有一端挂在窑体上。长度约为回转窑内径的0.7。沿窑体圆周悬挂链条的间距为30cm。花环挂链幕的链条最低点应距窑衬0.4D处，两端悬挂与窑的纵轴线成450-600角。直径大的窑（D大于4m），此值偏高取。第6章水泥熟料煅烧设备6.2回转窑煅烧设备②花环链输送物料能力比自由垂挂链强，但垂挂链幕比花环链容易。且流体阻力略小。料浆出链条时应含有8-10%的水分，以免引起粉尘扬起过多。第6章水泥熟料煅烧设备6.2回转窑煅烧设备（2）料浆预热器（安装在窑内链条带之间，近冷端）可使生料浆从10-15℃左右被预热到55-65℃，同时还能起到粉尘捕及的作用。第6章水泥熟料煅烧设备Ф5.4/5.0/5.4×196m湿法长窑气体与物料温度沿窑长变化情况6.2回转窑煅烧设备3、带炉篦子加热机的回转窑（又称立波尔Lepol）系统立波尔窑是1928年发明的，Lepol一词是由发明人OHOLellep和制造公司Polysius字首组合而成，它是在回转窑尾部连接一台回转式炉篦子加热机。第6章水泥熟料煅烧设备6.2回转窑煅烧设备（1）一次通过立波尔加热机：为了适当分配窑尾废气热量，加热机上部空间被隔成干燥室与预热室。高温气体在排风机抽吸下，一部分在预热室中从上向下穿过料层，并由下部排出；另一部分热气体经支烟道并与冷空气混合后进入干燥室。冷空气的加入是为了调节干燥室温度（250-300℃），以防料球炸裂，影响通风。经过干燥室的低温热气体也是从上向下穿过料层排出。经排风机排入大气。这种立波尔窑烟气并联通过两个室，称为一次通过（指气体一次穿过料层）立波尔窑。第6章水泥熟料煅烧设备6.2回转窑煅烧设备（1）一次通过立波尔加热机流程第6章水泥熟料煅烧设备１.辅助烟囱２.冷风烟囱３.斜烟道４.干燥室和预热室的隔墙５.主动轮６.炉箅子７.控制闸板８.金属外壳９.回转窑１０.干燥室１１.预热室6.2回转窑煅烧设备（2）二次通过立波尔加热机：为了更充分地利用窑尾废气热量，又设计了气体两次通过料层的流程，如下图：特点是出窑烟气全部通过预热室的料层，经换热降温后再全部通过干燥室料层。因此可以减少乃至不用外掺冷风，降低废气量，烟气余热可以得到充分利用，热效率进一步提高。第6章水泥熟料煅烧设备6.2回转窑煅烧设备第6章水泥熟料煅烧设备（2）二次通过立波尔加热机流程１.回转窑２.炉箅子３.辅助烟囱４.烟囱５.排风机６.耐热风机７.干燥室８.预热室９.隔墙１０.成球机6.2回转窑煅烧设备第6章水泥熟料煅烧设备①二次通过流程，要求两室完全隔开，而且要增加一些设备，如通过预热室的烟气，温度在400℃左右，要经过旋风筒中间除尘，然后才能用耐热风机鼓入干燥室。操作维修也增加了难度；②系统负压低，漏风少；③中间除尘可除部分含碱高的粉尘，有利于改善水泥质量。所以二次通过已逐步取代一次通过流程。6.2回转窑煅烧设备第6章水泥熟料煅烧设备立波尔窑优点：①入窑生料已经过相当程度的预热和部分分解，大大减轻了回转窑的负担；②显著降低了热耗，大幅度提高了单位容积产量（单机日产量达到了3000t）。是一种非常重要的回转窑类型。6.2回转窑煅烧设备第6章水泥熟料煅烧设备缺点：加热机的结构和操作较复杂，维修工作量也大；熟料质量比较差，因热烟气从上向下穿过加热机上料层时，沿程换热使上层和下层物料的温差大，甚至达400-600℃，因此物料预热不均匀，影响熟料质量；要预先成球，增加了工序，且对原料塑性有一定要求。进一步大型化存在一定困难。6.2回转窑煅烧设备第6章水泥熟料煅烧设备一次通过、二次通过立波尔窑操作数据比较气体流程参数值排出废气温（℃）排风量（Nm3/kg燃料）热耗（kJ/kg熟料）飞扬损失占生料（%）一次通过1303