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                水泥窯的穩定,離不開耐火材料的保護

                發布時間:2021/03/21 行業新聞 標簽:耐火磚瀏覽次數:125

                  水泥窯的運轉率是水泥企業的工作重心,是企業效益的重要來源,而造成預分解水泥窯運轉率低的原因除了設備故障因素外,預分解水泥窯各部位的耐火材料不能滿足使用要求,導致經常停窯來進行更換和維修。以及水泥制造本身都可能是問題原因。

                  耐火材料是高溫工業窯爐的建筑材料和結構材料。由于水泥窯各部位物料的理化性能、氣體溫度、所處環境的不同,對耐火材料的性能、成分、鑲砌位里、砌筑方法也不同。為了更好選擇和使用耐火材料,耐火材料供應商也需要深入地了解水泥的生產條件。本文對決定水泥生產中的熟料形成、燃料、燃燒、傳熱等進行介紹。

                  一、水泥熟料的形成

                  水泥熟料以石灰石和粘土、鐵質原料為主要原料,按適當比例配制成生料,燒至部分或全部熔融,并經冷卻而獲得的半成品。在水泥工業中,最常用的硅酸鹽水泥熟料主要化學成分為氧化鈣、二氧化硅和少量的氧化鋁和氧化鐵。主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。硅酸鹽水泥熟料加適量石膏共同磨細后,即成硅酸鹽水泥。

                  水泥生產可概括為“兩磨一燒”。其中,粉磨原料的主要作用之一是提高生料的比表面積,以提高高溫反應的效率。燒成主要是借助高溫改變原料的形態,使之從自然界中穩定的物質轉變為不穩定的或可水化的物質。粉磨熟料的主要作用之一是提高熟料的比表面積,加快水泥的水化反應。水泥熟料的形成主要分為以下幾步。

                  1、水分蒸發: 自由水分隨物料溫度而逐漸蒸發,當溫度升高至100~150℃時,生料中自由水分全部被排除。 濕法生產中,料漿可達32~40%,故此干燥過程對產量、質量及熱耗影響極大。

                  2、粘土質原料脫水: 生料溫度升至450℃時,高嶺土脫去化學結合水。 在900°~950℃時,無定形物質又轉變為晶體,同時放出熱量。

                  3、碳酸鹽分解: 碳酸鈣與碳酸鎂在600℃都開始分解,碳酸鎂在750℃時分解即劇烈進行,而碳酸鈣約在900℃時才快速分解。 MgCO3=MgO+CO2 CaCO3=CaO+CO24、固相反應: 水泥熟料中的主要礦物在800~1300℃時可以由固相物質相互反應而生成。 800~900℃時,CaO與Al2O3、Fe2O3反應,生成CA、CF; 900~1100℃時, 生成C12A7、C2F、C2S; 1100~1300℃時, 生成C3A、C4AF。 以上反應進行時放出一定熱量,物料本身溫度上升很快。

                  5、硅酸三鈣(C3S)的形成和燒成反應: 硅酸三鈣要在液相中才能大量形成。當溫度升高到近1300℃時,C3A、C4AF、R2O等熔劑礦物變成液相,C2S與CaO溶解在高溫液相中,互相反應生成C3S;C3S的生成速度與燒成溫度和反應時間有關。其生成溫度范圍一般為1300~1450~1300℃。 熟料燒成后,溫度開始下降,C3S形成速度減慢直至液相凝固。

                  6、熟料的冷卻過程: 在冷卻過程中,將有部分熔劑礦物形成晶體析出,另一部分來不及析晶而呈玻璃態存在。 C3S在1250℃時容易分解,所以要求在1300℃以下熟料要快冷,使C3S來不及分解,越過1250℃以后,C3S就比較穩定了。 C2S在<500℃時,由β-C2S轉變為γ-C2S,密度減少而使體積增大10%左右,從而使熟料塊變成粉末狀。粉化后的γ-C2S與水反應時,幾乎沒有水硬性,因此在<500℃溫度段時應急冷,使其來不及轉化。

                  二、生料的細度和熟料的成分

                  生料當中顆粒的粒徑大小對生料的易燒性有著一定的影響,尤其當顆粒直徑大于200um的時候,就會對生料的易燒性能產生很大的影響作用。生料細度過于粗大就會產生巖相結構的差異,此時就能夠在表面觀察到在A況周邊還沒被吸收的游離氧化鈣,還有一部分的沒有進行化學作用的游離氧化鈣被A礦包裹著,進而對熟料的質量產生直接的影響,另外,會對熟料燒結帶來一定的困難,拖后礦物反應形成的時間,有時還必須要通過提高煅燒的溫度才能夠完成熟料的燒結過程,導致熟料當中的游離氧化鈣增高,降低了窯的產量,導致了能耗的增加,進而增加了生產成本,降低了企業的經濟效益。

                  如果生料過于細小的話,其實也并不都是好事,會使磨機設備的產量降低,提高了磨制生料粉時的電能損耗。所以說生料的過細和過粗對水泥生產企業來說都是不夠科學的。

                  水泥的易燒性和耐火材料的壽命有很大關系。如果水泥好燒,窯皮好掛,耐火材料的壽命就長;反之,水泥窯耐火材料的壽命就短。一方面,各水泥廠家的工藝、原料、設備情況千差萬別;另一方面,水泥生產條件和所用耐火材料也要互相適應。由此,才能取得良好的使用效果。

                  通常,水泥廠采用石灰石、黏土、鐵粉三種原料,只有兩個配料自由度。但是,熟料有三個率值。因此,用兩個配料自由度去精確控制三個率值是不可能的。很多情況下,水泥廠只好采用“最小二乘法”或“湊和法”設法使熟料具有 最接近理想條件的率值。常常,熟料的硅率和鋁率彼此正相關,一升俱升、一降俱降。所以,必要時水泥企業還需使用硅質或鋁質校正原料。

                  最早,水泥回轉窯采用低硅高鐵配方,這和使用黏土磚、三級高鋁磚作為窯襯是互相適應的。后來,采用磷酸鹽磚作為窯襯時,在很多水泥企業出現了掛不上窯皮的情況。經過分析,原中國建筑材料科學研究院的專家發現原因在于隨著 耐火材料性能的提髙,耐火材料的“發汗溫度”也隨之增加,因而產生掛不上窯皮的問題。于是在制造時摻加了黏土,降低了磷酸鹽磚的“發汗溫度”,解決了掛不上窯皮的問題。

                  在磷酸鹽磚改用鎂質耐火材料時,又有很多的企業出現掛不上窯皮的問題。 經過分析,原中國建筑材料科學研究院的專家發現其原因還是由于隨著耐火材料性能的提高,耐火材料的“發汗溫度”增高而引起的。由于耐火材料的“發汗溫度”高于窯皮的“燒流溫度”,因而產生掛不上窯皮的問題。于是通過改變水泥熟料的配方,提高鋁率和硅率,又解決了掛不上窯皮的問題。

                  目前,我國的水泥工業已比過去強大許多,生產設備也非常先進,還有很多前所未有的新型耐火材料。但是,依然面臨不少困難。科瑞耐材根據不同行業使用耐材的特點來設計配置,保證產品質量標準,緊跟時代潮流,以更新的產品,更好的服務,為客戶解決問題。

                  三、燃料和燃燒

                  1.燃料

                  水泥生產采用煤作為燃料。原煤由可燃質灰分和水分組成。可燃質又分為揮發分和固定碳。煤可分為無煙煤、貧煤、煙煤和褐煤幾種。

                  ① 在無煙煤的可燃質中,固定碳含93%?98%,揮發分小于10%。無煙煤屬于低反應能力燃料,著火困難,燃燒不盡。揮發分<5%的無煙煤燃燒更加困難。

                  ② 貧煤的揮發分在10%?20%之間。貧煤比無煙煤活性要高,但仍屬于難反應的煤種。有一部分水泥廠使用貧煤。

                  ③ 煙煤的揮發分含量>14%,反應性較強,是水泥廠最常用的燃料。如揮發分含量>40%時,煙煤具有易于自燃和爆炸的特點,要注意防止事故。隨著灰分的增加,煙煤的熱值降低,反應活性變小。

                  ④ 褐煤是碳化程度較低的煤,具有髙揮發分、高水分、低熱值的特點。燃燒時,褐煤形成的燃燒溫度較低。

                  一般情況下,新型干法窯要求煤的水分<2%,灰分<30%,揮發分18%? 30%,干燥基低熱值21000kJ/kg,細度0.088mm方孔篩篩余約10%。

                  灰分過高,會使煤的燃燒特性變差。灰分過高的煤不易著火,燃燒穩定性和燃凈性能都不好。此外,灰分過高還會影響熟料的配比,引起結圈、結皮等問題。水分過髙,煤粉著火時首先要蒸發和吸熱,蒸發后會稀釋氧氣濃度。所以-也不利于著火和燃燒。

                  揮發分是影響煤粉著火的重要因素之一。揮發分含量增加,著火溫度降低,火焰傳播速度加快,不完全燃燒損失減小。當使用揮發分含量低、反應能力弱的煤種時,要將煤粉磨得更細一些。

                  細度也是影響煤粉著火的重要因素之一。煤粉磨得細,比表面積大,和空氣接觸機會多,燃燒速度快,燃燒程度完全,在單位時間放出的溫度高,就能提高窯內的火焰溫度。粗粒煤粉燃燒溫度低,不易燃燒完全,還會引起窯內產生還原氣氛。

                  2.燃燒

                  一般情況下,煤粉的燃燒分為以下幾個階段:

                  ① 煤粉與助燃空氣的混合;

                  ② 被加熱后,煤粉釋放出揮發分;

                  ③ 揮發分著火,放出熱量,創造了進一步燃燒的條件;④ 固定碳著火燃燒,直至燃燼。

                  一般情況下,燃燒的空氣過剩系數控制在1.05~1.15之間。確定總的空氣 量后,再考慮一次、二次空氣量的比例。燃燒的初期,煤粉的燃燒速度受化學反應速率的限制,簡稱“化學控制”;燃燒的中后期,受向邊界層輸送氧氣,移出反應產物的限制,簡稱“擴散控制”。圖3顯示了炭粒的燃燒過程。

                  早期,水泥窯噴煤嘴采用單通道結構。一次風量占總燃燒風量的20%?30%。一次風的主要作用是輸送煤粉和提供揮發分燃 燒需要的空氣。二次風的主要作用是供固定碳燃燒之用。由于二次風不與燃料混合,故可以在冷卻機中被出窯熟料預熱至較高的溫度,以加快燃燒和節省能耗。二次風溫度的高低與冷卻機的換熱效率有關。

                  水泥窯的燒成帶長度和火焰長度有關。使用單通道煤嘴時,燒成帶長度大致為火焰長度的0.6倍。一般情況下,煤粉燃燒時間越長,火焰也越長。如果煤粉較細、煤粉與空氣混合較好,提高一次風的比例,會提髙燃燒速度,縮短火焰。 如果混合不好,提高一次風的比例,會增加煤粉射程,使火焰加長。圖4顯示了煤粉著火燃燒的情況。

                  單通道煤嘴的主要缺點是一次風對 煤風混合、二次風抽吸的作用甚小,不便調節火焰。所以,開發出的多通道煤嘴具有以下優點:一是降低一次風的用量,增加二次風的利用,提高 熱效率;二是增加煤粉的混合,提高燃燒速度;三是加強對二次風的攜帶,提高火焰溫度;四是增加對 各通道風量、風速的調節手段,靈活控制火焰形狀和長度;五是有利 于利用低揮發分、低活性燃料;六是提高水泥產量,改善質量,減少能耗和降低NOi排放。

                  采用PYROJet燃燒器后,一次空氣量從12%~16%降低至6%~9%,可 節省6%~8%的燃料,可降低NOj排放,還可很好地燃燒煤、油、氣和石油焦等多種燃料。

                  四、窯料的運動和傳熱

                  1.窯料的運動

                  當物料喂人回轉窯后,由于窯體有一定的斜度,又以一定速度旋轉,就會帶動窯料從位置較高的窯尾向位置較低的窯頭運動。

                  對于一定的窯,窯徑和斜度是固定的,只有轉速可以最為有效地調控窯料的運動速度。當加快轉速時,窯料的運動速度加快。如果喂料量不變,窯內料層就會減薄。當降低轉速時,窯料的運動速度減慢。如果喂料量不變,窯內料層就會增厚。

                  當實施薄料時,窯料與窯氣熱交換好,窯料溫度均勻,窯內積料少,有利于防止硫堿大塊、硫堿圈的形成。如果具有旁路系統,采用薄料快轉工藝有利于硫堿的揮發,因而有利于排出有害組分。

                  2.窯內的傳熱

                  回轉窯內的傳熱過程十分復雜,不僅傳導、對流及輻射3中熱交換方式同時存在,而且還發生物料的輸送、物料揮發分析出、揮發分燃燒等多種物理化學反應。

                  回轉窯內傳熱過程主要包括氣相、物料與窯內壁之間的對流、輻射換熱過程及窯內發生化學反應引起的吸熱或放熱過程。對物料而言,起得到的熱烈主要有:窯內氣相和窯內壁與料層表面的輻射和對流換熱;料層與被覆蓋的窯內壁間的傳熱;窯內發生化學反應所引起的吸熱或放熱。

                  【水泥回轉窯中傳遞的熱量(Q)分為火焰(f)、通過輻射(R)和對流(C)、對窯料(m)的直接傳熱、火焰對窯襯(e)的傳熱、窯襯通過傳導(Cd)和輻射對窯料的間接傳熱以及散失的熱量。

                  火焰通過輻射和對流將熱量傳給襯體和窯料。隨著窯體的轉動,窯料在窯內翻滾,窯襯表面周而復始地一會暴露窯氣中,一會又被窯料埋住。當暴露于窯氣中時,窯襯接受來自火焰的傳熱。當被窯料埋住時,窯襯就把吸收的熱量傳給窯料。窯料的上部接受火焰的傳熱,下部接受來自襯體的傳熱。

                  窯料上下表面的溫度較高,中間的溫度較低。但是,窯料中存在熱傳導,隨著窯的轉動和窯料的翻滾,表面的窯料會不斷裹進料層內部,致使窯料內部溫度提高。

                  回轉窯的熱負荷

                  水泥窯的熱負荷用燃燒帶容積熱力強度qv、燃燒帶表面熱力強度qF以及燃燒帶截面熱力強度qA表示。

                  式中,燃燒帶容積熱力強度是一個表示回轉窯熱力強度的粗糙方法,不便應用。燃燒帶表面熱力強度qF表示了單位面積窯襯單位時間內承受的熱負荷,是一個比較合理的指標。但是,計算qF還需假定燃燒帶長度L。所以,常常用燃燒帶截面熱力強度qA來表示回轉窖的熱負荷。

                  提高回轉窯窯頭的用煤量,可潛在挖掘回轉窯的生產能力,進而提升整條水泥生產的產量,在特定原料下,熟料的煅燒溫度與時間一定,而截面熱負荷和風速又相關聯,因此,生產線的產量提高與截面熱負荷息息相關。

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