水泥窯的運轉(zhuǎn)率是水泥企業(yè)的工作重心，是企業(yè)效益的重要來源，而造成預(yù)分解水泥窯運轉(zhuǎn)率低的原因除了設(shè)備故障因素外，預(yù)分解水泥窯各部位的耐火材料不能滿足使用要求，導(dǎo)致經(jīng)常停窯來進(jìn)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(yè)窯爐的建筑材料和結(jié)構(gòu)材料。由于水泥窯各部位物料的理化性能、氣體溫度、所處環(huán)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(yīng)商也需要深入地了解水泥的生產(chǎn)條件。本文對決定水泥生產(chǎn)中的熟料形成、燃料、燃燒、傳熱等進(jìn)行介紹。

　　一、水泥熟料的形成

　　水泥熟料以石灰石和粘土、鐵質(zhì)原料為主要原料，按適當(dāng)比例配制成生料，燒至部分或全部熔融，并經(jīng)冷卻而獲得的半成品。在水泥工業(yè)中，最常用的硅酸鹽水泥熟料主要化學(xué)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(xì)后，即成硅酸鹽水泥。

　　水泥生產(chǎn)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(yīng)的效率。燒成主要是借助高溫改變原料的形態(tài)，使之從自然界中穩(wěn)定的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的或可水化的物質(zhì)。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(yīng)。水泥熟料的形成主要分為以下幾步。

　　1、水分蒸發(fā)： 自由水分隨物料溫度而逐漸蒸發(fā)，當(dāng)溫度升高至100～150℃時，生料中自由水分全部被排除。 濕法生產(chǎn)中，料漿可達(dá)32～40%，故此干燥過程對產(chǎn)量、質(zhì)量及熱耗影響極大。

　　2、粘土質(zhì)原料脫水： 生料溫度升至450℃時，高嶺土脫去化學(xué)結(jié)合水。 在900°～950℃時，無定形物質(zhì)又轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，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(jìn)行，而碳酸鈣約在900℃時才快速分解。 MgCO3＝MgO+CO2 CaCO3＝CaO+CO24、固相反應(yīng)： 水泥熟料中的主要礦物在800～1300℃時可以由固相物質(zhì)相互反應(yīng)而生成。 800～900℃時,CaO與Al2O3、Fe2O3反應(yīng)，生成CA、CF； 900～1100℃時, 生成C12A7、C2F、C2S； 1100～1300℃時, 生成C3A、C4AF。 以上反應(yīng)進(jìn)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(yīng)： 硅酸三鈣要在液相中才能大量形成。當(dāng)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(yīng)生成C3S；C3S的生成速度與燒成溫度和反應(yīng)時間有關(guān)。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(tài)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(wěn)定了。 C2S在<500℃時，由β－C2S轉(zhuǎn)變?yōu)?gamma;－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(yīng)時，幾乎沒有水硬性，因此在<500℃溫度段時應(yīng)急冷，使其來不及轉(zhuǎn)化。

　　二、生料的細(xì)度和熟料的成分

　　生料當(dāng)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(dāng)顆粒直徑大于200um的時候，就會對生料的易燒性能產(chǎn)生很大的影響作用。生料細(xì)度過于粗大就會產(chǎn)生巖相結(jié)構(gòu)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(jìn)行化學(xué)作用的游離氧化鈣被A礦包裹著，進(jìn)而對熟料的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，另外，會對熟料燒結(jié)帶來一定的困難，拖后礦物反應(yīng)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(jié)過程，導(dǎo)致熟料當(dāng)中的游離氧化鈣增高，降低了窯的產(chǎn)量，導(dǎo)致了能耗的增加，進(jìn)而增加了生產(chǎn)成本，降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

　　如果生料過于細(xì)小的話，其實也并不都是好事，會使磨機(jī)設(shè)備的產(chǎn)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(xì)和過粗對水泥生產(chǎn)企業(yè)來說都是不夠科學(xué)的。

　　水泥的易燒性和耐火材料的壽命有很大關(guān)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(shè)備情況千差萬別;另一方面，水泥生產(chǎn)條件和所用耐火材料也要互相適應(yīng)。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(shè)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(guān)，一升俱升、一降俱降。所以，必要時水泥企業(yè)還需使用硅質(zhì)或鋁質(zhì)校正原料。

　　最早，水泥回轉(zhuǎn)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(yīng)的。后來，采用磷酸鹽磚作為窯襯時，在很多水泥企業(yè)出現(xiàn)了掛不上窯皮的情況。經(jīng)過分析，原中國建筑材料科學(xué)研究院的專家發(fā)現(xiàn)原因在于隨著 耐火材料性能的提髙，耐火材料的“發(fā)汗溫度”也隨之增加，因而產(chǎn)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(fā)汗溫度”，解決了掛不上窯皮的問題。

　　在磷酸鹽磚改用鎂質(zhì)耐火材料時，又有很多的企業(yè)出現(xiàn)掛不上窯皮的問題。 經(jīng)過分析，原中國建筑材料科學(xué)研究院的專家發(fā)現(xiàn)其原因還是由于隨著耐火材料性能的提高，耐火材料的“發(fā)汗溫度”增高而引起的。由于耐火材料的“發(fā)汗溫度”高于窯皮的“燒流溫度”，因而產(chǎn)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(yè)已比過去強(qiáng)大許多，生產(chǎn)設(shè)備也非常先進(jìn)，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?？迫鹉筒母鶕?jù)不同行業(yè)使用耐材的特點來設(shè)計配置，保證產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，緊跟時代潮流，以更新的產(chǎn)品，更好的服務(wù)，為客戶解決問題。

　　三、燃料和燃燒

　　1.燃料

　　水泥生產(chǎn)采用煤作為燃料。原煤由可燃質(zhì)灰分和水分組成?？扇假|(zhì)又分為揮發(fā)分和固定碳。煤可分為無煙煤、貧煤、煙煤和褐煤幾種。

　?、?在無煙煤的可燃質(zhì)中，固定碳含93%?98%，揮發(fā)分小于10%。無煙煤屬于低反應(yīng)能力燃料，著火困難，燃燒不盡。揮發(fā)分<5%的無煙煤燃燒更加困難。

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

　?、?煙煤的揮發(fā)分含量>14%，反應(yīng)性較強(qiáng)，是水泥廠最常用的燃料。如揮發(fā)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(yīng)活性變小。

　?、?褐煤是碳化程度較低的煤，具有髙揮發(fā)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(fā)分18%? 30%，干燥基低熱值21000kJ/kg，細(xì)度0.088mm方孔篩篩余約10%。

　　灰分過高，會使煤的燃燒特性變差?；曳诌^高的煤不易著火，燃燒穩(wěn)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(jié)圈、結(jié)皮等問題。水分過髙，煤粉著火時首先要蒸發(fā)和吸熱，蒸發(fā)后會稀釋氧氣濃度。所以-也不利于著火和燃燒。

　　揮發(fā)分是影響煤粉著火的重要因素之一。揮發(fā)分含量增加，著火溫度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，不完全燃燒損失減小。當(dāng)使用揮發(fā)分含量低、反應(yīng)能力弱的煤種時，要將煤粉磨得更細(xì)一些。

　　細(xì)度也是影響煤粉著火的重要因素之一。煤粉磨得細(xì)，比表面積大，和空氣接觸機(jī)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(nèi)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(nèi)產(chǎn)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;

　?、?被加熱后，煤粉釋放出揮發(fā)分;

　?、?揮發(fā)分著火，放出熱量，創(chuàng)造了進(jìn)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(shù)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(xué)反應(yīng)速率的限制，簡稱“化學(xué)控制”;燃燒的中后期，受向邊界層輸送氧氣，移出反應(yīng)產(chǎn)物的限制，簡稱“擴(kuò)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(jié)構(gòu)。一次風(fēng)量占總?cè)紵L(fēng)量的20%?30%。一次風(fēng)的主要作用是輸送煤粉和提供揮發(fā)分燃 燒需要的空氣。二次風(fēng)的主要作用是供固定碳燃燒之用。由于二次風(fēng)不與燃料混合，故可以在冷卻機(jī)中被出窯熟料預(yù)熱至較高的溫度，以加快燃燒和節(jié)省能耗。二次風(fēng)溫度的高低與冷卻機(jī)的換熱效率有關(guān)。

　　水泥窯的燒成帶長度和火焰長度有關(guān)。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(xì)、煤粉與空氣混合較好，提高一次風(fēng)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(fēng)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(fēng)對 煤風(fēng)混合、二次風(fēng)抽吸的作用甚小，不便調(diào)節(jié)火焰。所以，開發(fā)出的多通道煤嘴具有以下優(yōu)點：一是降低一次風(fēng)的用量，增加二次風(fēng)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(qiáng)對二次風(fēng)的攜帶，提高火焰溫度;四是增加對 各通道風(fēng)量、風(fēng)速的調(diào)節(jié)手段，靈活控制火焰形狀和長度;五是有利 于利用低揮發(fā)分、低活性燃料；六是提高水泥產(chǎn)量，改善質(zhì)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(jié)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(dāng)物料喂人回轉(zhuǎn)窯后，由于窯體有一定的斜度，又以一定速度旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速可以最為有效地調(diào)控窯料的運動速度。當(dāng)加快轉(zhuǎn)速時，窯料的運動速度加快。如果喂料量不變，窯內(nèi)料層就會減薄。當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時，窯料的運動速度減慢。如果喂料量不變，窯內(nèi)料層就會增厚。

　　當(dāng)實施薄料時，窯料與窯氣熱交換好，窯料溫度均勻，窯內(nèi)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(tǒng)，采用薄料快轉(zhuǎn)工藝有利于硫堿的揮發(fā)，因而有利于排出有害組分。

　　2.窯內(nèi)的傳熱

　　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的傳熱過程十分復(fù)雜，不僅傳導(dǎo)、對流及輻射3中熱交換方式同時存在，而且還發(fā)生物料的輸送、物料揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒等多種物理化學(xué)反應(yīng)。

　　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)傳熱過程主要包括氣相、物料與窯內(nèi)壁之間的對流、輻射換熱過程及窯內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(nèi)氣相和窯內(nèi)壁與料層表面的輻射和對流換熱；料層與被覆蓋的窯內(nèi)壁間的傳熱；窯內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的吸熱或放熱。

　　【水泥回轉(zhuǎn)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(dǎo)(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(zhuǎn)動，窯料在窯內(nèi)翻滾，窯襯表面周而復(fù)始地一會暴露窯氣中，一會又被窯料埋住。當(dāng)暴露于窯氣中時，窯襯接受來自火焰的傳熱。當(dāng)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(dǎo)，隨著窯的轉(zhuǎn)動和窯料的翻滾，表面的窯料會不斷裹進(jìn)料層內(nèi)部，致使窯料內(nèi)部溫度提高。

　　回轉(zhuǎn)窯的熱負(fù)荷

　　水泥窯的熱負(fù)荷用燃燒帶容積熱力強(qiáng)度qv、燃燒帶表面熱力強(qiáng)度qF以及燃燒帶截面熱力強(qiáng)度qA表示。

　　式中，燃燒帶容積熱力強(qiáng)度是一個表示回轉(zhuǎn)窯熱力強(qiáng)度的粗糙方法，不便應(yīng)用。燃燒帶表面熱力強(qiáng)度qF表示了單位面積窯襯單位時間內(nèi)承受的熱負(fù)荷，是一個比較合理的指標(biāo)。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(qiáng)度qA來表示回轉(zhuǎn)窖的熱負(fù)荷。

　　提高回轉(zhuǎn)窯窯頭的用煤量，可潛在挖掘回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)能力，進(jìn)而提升整條水泥生產(chǎn)的產(chǎn)量，在特定原料下，熟料的煅燒溫度與時間一定，而截面熱負(fù)荷和風(fēng)速又相關(guān)聯(lián)，因此，生產(chǎn)線的產(chǎn)量提高與截面熱負(fù)荷息息相關(guān)。