水泥工业窑

第七章水泥工业窑徐利华第七章水泥工业窑本章要点：硅酸盐工业中的各种原料，如白云石，铝矾土，粘土以及冶金石灰石的煅烧，主要在立（竖）窑和回转窑中进行。本章学习目的在于了解硅酸盐水泥生产的工业窑炉基本结构、过程特点和工作原理，为进一步对水泥传统工业窑炉进行技术改造（节能降耗，生态环保）奠定的基础。第一节概述硅酸盐工业中的各种原料，如白云石，铝矾土，粘土以及冶金石灰石的煅烧，主要在立（竖）窑和回转窑中进行。本书主要叙述硅酸盐水泥生产所用的窑炉以及基本原理。一.分类1.按水泥煅烧熟料窑的结构分类：（1）立窑，普通立窑和机械立窑；（2）回转窑，湿法、干法和半干法回转窑。2.按水泥生料的制备方法分类：（1）湿法：原料加水粉磨成生料浆（含水33－40%）后喂入湿法回转窑煅烧成熟料（2）干法：原料烘干、粉磨，喂入干法窑内煅烧成熟料（或生料粉加入适量水分，喂入窑中称为半干法）二.生产方法的特点1.立窑优点：（1）基本建设投资小、投入生产快；（2）立窑内填充系数高，单位体积产量高；（3）就地取材，充分利用当地资源，一些工业废渣可作原燃料；（4）传热效率高，散热损失小，约占总热耗3%（回转窑15%）它的缺点在于生产规模小，劳动生产率低、强度大；单机产量低，质量（熟料）低。2.回转窑特点：热耗较高，生料易于均化，成分均匀，熟料质量较高，并且输送方便，粉尘少。我国确定南方以湿法生产为主，北方以干法为主。目前作为新型技术，悬浮预热器和窑外分解是我国竞相发展的窑型。第二节回转窑回转窑属于可以旋转的窑炉，最早用于煅烧水泥熟料，目前也用于耐火材料及其冶金工业，如图7.1所示。图7.1ф2×30m回转窑系统1.回转窑窑体；2.窑头小车；3.热烟室；4.冷却筒；5.窑头鼓风机；6.集尘室；7.烟囱；8.进料对硅酸盐水泥的湿法回转窑而言，生料在回转窑中经高温煅烧发生一系列物理的、化学的和物理化学的变化，最后形成熟料。湿法回转窑主要用于煅烧含水30～40%的料浆。图7.2表示一台Φ5/4.5×135m湿法回转窑熟料煅烧过程。湿法回转窑分为如下六个带：图7.2回转窑水泥生产工艺（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。第三节立窑一.概述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。二.立窑结构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.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。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。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.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。第四节能量回收利用——水泥窑在具有强烈热效应如波特兰水泥的生产过程中进行能量回收利用，尤有价值（见图）。由于水泥窑燃烧的特殊性，并可允许燃烧危险废弃物较大数量，可以利用水泥窑来回收利用能量。1、可利用废弃物许多废弃物都可采用此法进行回收利用，这主要取决于热值、物理性能以及化学成分。2、优点在水泥工业中，使用危险废弃物燃料通常要比煤更清洁，且放出的氮氧化物与硫氧化物量较少。当使用少量可燃危险废弃物时，也能加强对水泥窑热工控制。从经济学观点来看，使用危险废弃物作燃料，给废物处理者与窑炉操作工都带来益处。第五节水泥原料在水泥生产中，无机废弃物原料的利用是从低浓度污染物含量的固态材料中回收无机物的一种热学方法。在该工艺中，废弃物替代一些原料例如石灰石、泥板岩、粘土或沙子加入水泥窑中。水泥窑里，原材料替代物在温度逐渐升到1480℃的条件下发生化学和物理反应形成水泥熟料（见图）。图3-32水泥窑操作实例1、可利用废弃物描述主要的原材料有硅、钙、铝、铁。好的原料应包含95％以上的这些成分。例如：陶瓷和耐火材料、煤灰、气体和水蒸气吸附剂等等。2、优缺点水泥窑能提供很高的操作温度并且长时间的保温时间使尽可能多的金属污染物保持稳定的水泥矿物结构。但是在水泥熟料形成过程中，用于加热原料的燃烧工艺和形成水泥熟料的分解反应都会产生大量废气，必须对其进行控制和净化。第六节回收废弃ABM制成硅酸盐水泥含有铁或铝的硅酸盐材料作为水泥原材料很被看好。加利福尼亚某地区的港口海军机械设备服务中心和西南硅酸盐水泥公司、海岛海军造船厂、弧度公司正研究废弃ABM或沙选后的砾石制造作为建筑用1类波特兰水泥。ABM是含有一定量铁的硅酸盐矿渣，被用作水泥制造中铁矿石的替代品。ABM中的二氧化硅和氧化铝也是水泥制造中的有用成分。研磨剂材料和水泥的制作过程该技术的优点本技术通过把ABM加入到波特兰水泥中来对ABM进行有效利用，并导致金属含量降低，这些金属以物理或化学固化的方式进入到水泥基质中。局限性可用于波特兰水泥的再利用，只适用于某些特定类型的废料，这些废料基于以下的化学成分、污染水平及其他条件的考虑：(1)Al、Fe，有时也包括SiO2，是水泥生产者需获得的主要成分，矿石中这些成分含量约有40～50％。(2)形成水泥熟料时的原料加热和分解反应产生大量的气体，这些气体必须进行控制与净化。(3)挥发物，如Na、K、S、Cl、Mg、Ba的浓度提高对水泥是不利的。(4)回收操作不能在熟料中或废气中造成明显的金属浓度提高。回收废料中的总金属含量必须小于1％，并且必须检测熟料，确保金属没有很高的渗透性。