新型干法窑的目标产量推导及其工程实践

关于新型干法水泥回转窑的产量，不同的科研机构和学者有着不同的看法，也先后归纳出的多种不同的计算公式，在不同的历史时期，对新型干法回转窑生产线的设计和生产起到了重要的指导作用。 

新型干法水泥生产技术不是狭义上的窑外分解技术，其技术的发展不仅与预热分解系统不断优化密切相关，还与回转窑、燃烧器、冷却机、高温风机、窑的密封装置、烧成系统锁风阀等生产装备的改进，与耐温、隔热、耐磨、耐腐等新型材料的不断开发研制，与原料预均化技术、生料均化技术、高效破碎与粉磨技术、电子计量及控制技术、X荧光分析在线检测技术、电子计算机和自动化控制仪表等技术的发展密切相关。因此随着新型干法水泥生产技术的不断提高，早期提出的那些经典公式与当前国内外的先进生产水平相比，存在了较大的偏差。 

当代的科研机构和学者，如南京工业大学李昌勇和武汉理工大学李建锡等，在提高新型干法窑产量方面作了重要研究工作。笔者在前人的研究工作基础上，在挖掘回转窑系统的生产潜力、大幅度提高新型干法回转窑的产量方面作了进一步实践工作，并已经取得较好的实践效果。根据实践中总结出的经验，笔者深刻地感到新型干法技术是一项综合的系统工程，无论在哪一个环节出现“瓶颈”都会影响产量的提高，只有在同时发挥回转窑系统和预热分解系统功效时（相应的其它配套技术发展也应跟上），系统才可望达到更高的理想产量。 

关于新型干法窑的产量，笔者提出的两个目标产量见表1，其设计思想、推导过程、实践经验简单介绍如下。   
 

表1      新型干法回转窑的目标产量

1  实现目标产量的设计思想 

回转窑目标产量提出的理论依据是：提高熟料产量的前提是要提高烧成系统的总的燃料燃烧能力，即回转窑和分解炉的燃料燃烧能力。 

1.1  达到“产量一”的设计思想 

回转窑的实际生产能力主要受截面热负荷、截面风速、工作温度这几个参数的影响。特定原料和特定率值下熟料的烧成温度是一定的，而截面热负荷与截面风速又是相互关联的一对参数，所以在截面风速不超标时，计算回转窑产量时可采用截面热负荷这一参数作为基本计算依据。事实上，目前正在生产的传统预分解窑和部分经改造后的预分解窑，其截面热负荷与湿法窑、余热发电窑、预热器窑等烧成带的截面热负荷相比，反倒是偏小的，这也就为提高预分解窑的截面热负荷，大幅度提高传统预分解窑的产量带来了空间和可能。改造后达到“产量一”的设计方案是以其它窑型已经实现的烧成带截面热负荷为依据，在原有基础上提高窑头的用煤量，挖掘回转窑的生产能力，并根据按常规设计的窑头与窑尾用煤比例关系，通过对预热器、分解炉的技术改造，使其结构、炉容等能够适应窑尾用煤量的提高，满足提产后的要求，大幅度提高熟料产量。在原燃材料条件较好，系统配套完善时，能够达到“产量一”的目标值。目前该种技术改造方案已在某些规格的窑型上（如我们设计的吉林四平石岭监狱水泥厂）得以应用，产量已经实现上述指标。 

1.2 “产量二”的主要设计思想 

该目标产量的设计思想是在提高分解炉的烧煤量方面进一步开拓思路，以充分发挥预热分解系统的功效。目前分解炉的设计，大都还局限于分解炉用煤量在50～60%左右的设计思路，生料入窑的温度大都控制在870℃以下。由于生料在1 100℃之前是大量的吸热过程，需要吸收大量的热量，而在1 100℃以后大量的固相放热反应开始占主导，总的吸热量很少，所以虽然目前的新型干法窑的入窑表现分解率最高达到了95%以上，但由于入窑生料温度低，回转窑仍承担1 100℃以下相当一部分吸热过程，回转窑热负荷占烧成系统热负荷的比例仍然较大，有减轻的余地。达到产量二的技改措施是，窑头喷煤绝对数量在“产量一”的情况下不变（截面热负荷在“产量一”的基础上不再提高），继续增大分解炉内的喷煤量（例如达到总用煤量的75%左右甚至更高），提高生料的入窑温度（例如达到1 000℃甚至更高），使原本在窑内进行的吸热过程，再部分地移到分解炉内进行，大幅度地减轻窑内的负担，从而大幅度地提高回转窑的熟料产量。“达到产量二”的技术指标笔者正在由理论研究转入生产实践当中。 

在设计和生产实践当中需要注意解决的几个问题是：分解炉结构形式的设计，炉容的确定，耐火、隔热材料的配套，结皮堵塞问题的处理，配套设备的选型及回转窑的密封装置、转速、填充率、长径比等，此外由于入窑分解率达到100%后，生料的温升速度加快，对原燃料的均化效果和生产自动化水平及操作经验也应引起足够的重视。 “产量二”是以某企业的基础数据，通过在生料入窑温度平均为1025℃时所作的热量平衡计算，并近似地类推到其它规格回转窑取得的结果。 

2 目标产量的计算推导 

2.1   产量一的推导 
是根据同规格的其它窑型已经实现的烧成带截面热负荷数值作为新型干法窑的计算依据，并根据熟料烧成热耗和窑头、尾燃料比等基础数据计算得来，计算公式如下： 

熟料产量一（t/d）=24×（单位小时烧成带截面热负荷×烧成带有效截面积）/（熟料热耗×窑头燃料比例）。 
产量一对应的生料入窑温度是870℃。 

2.2       产量二的推导 
由于产量一是现阶段最大限度地挖掘了窑头的烧煤能力，所以产量二的计算是在产量一的基础上不再增加窑头的用煤绝对数量，而是继续提高分解炉的用煤绝对数量（相当于降低了窑头用煤的比例），提高生料的入窑温度，大幅度提高熟料产量。产量二的推导方法是：计算出在产量一（生料入窑温度为870℃）时烧成窑头的用煤比例，再计算出产量二（生料入窑温度为1 025℃）时烧成窑头的用煤比例，根据产量与全系统用煤量呈正比的关系，就可以算出产量二在产量一基础上的提产倍数。考虑各种影响因素，我们在理论提产倍数的基础上乘以90%，作为推导出的实际提产倍数，计算公式如下： 
熟料产量二（t/d）=（870℃生料入窑时窑头用煤比例/1 025℃生料入窑时窑头用煤比例）×产量一×90% 

需说明的是，各种规格的窑径，热平衡计算得到的提产倍数应该是略有差异的，但因掌握的数据有限，不能将表中16种规格的窑径都作详细计算，况且即使对于同一规格的窑径，不同工厂的原燃材料不同、预分解形式不同，计算结果也不同。表中计算结果是按某2 500t/d生产线的基础数据计算得来，并近似地类推到其它规格窑型上，用于说明未来窑产量的发展趋势。推导过程如下： 
2.2.1  计算基础数据 
2.2.1.1  设窑头用煤量占总用煤量的比例为：X 
2.2.1.2  煤的低位热值：23 019 kJ/kg煤 
2.2.1.3  生料、熟料化学成分 

 

表2    生、熟料化学成份             

2.2.1.4  熟料率值及矿物组成等

表3   熟料率值及矿物组成 （扣除f-CaO）      

2.2.1.5  产量一熟料热耗：3093 kJ/kg熟料，产量二的熟料热耗：3 080 kJ/kg熟料 
2.2.1.6  入窑风比例：一次风/二次风/漏风(复合式密封)=10/88/2 
2.2.1.7   一次空气（含漏风）风温：30℃  二次风温：1 050℃ 
2.2.1.8  煤粉温度：60℃ 
2.2.1.9  窑内过剩空气系数：1.10 
2.2.1.10  熟料烧成温度：1 450℃，出窑熟料温度：1 360℃ 
2.2.1.11  窑尾废气温度：“产量一”1 100℃，“产量二”1 150℃ 
2.2.1.12  生料入窑操作温度：产量一840℃～900℃，平均870℃ 
                            产量二1 000℃～1 050℃，平均1 025℃ 
2.2.1.13  生料入窑分解率：产量一95%，产量二100% 
2.2.1.14  回转窑筒体散热：产量一165kJ/kg熟料，产量二118 kJ/kg熟料 
2.2.1.15  窑尾飞灰量与入窑量相比很小，且大多经由分解炉、C5级预热器回收入窑，故窑尾飞灰带走热忽略不计 
2.2.1.16  窑头操作应为负压，理论上无飞灰，实际上窑头有时有飞灰，但量很小，飞灰带走热不计 
2.2.1.17  空气湿度、高岭土脱水对热平衡和气体量的影响忽略不计 
2.2.2   产量一的热平衡计算 
2.2.2.1  各种物料量的计算 
（1）燃料总消耗量：MR=0.134 4 kg煤/kg熟料 
       其中：窑头燃煤量0.134 4X 
（2）干生料理论消耗量：MGSL=1.517 kg/kg熟料 
（3）入窑系统空气量 
a、燃料燃烧理论空气量：VLK=6.059 Nm3/ kg煤 
b、入窑实际干空气量：VYK=0.895 8X Nm3/ kg熟料 
c、入窑二次空气量：VYK2=0.788 3X Nm3/ kg熟料 
d、入窑一次空气量（含漏风）：VYK1=0.107 5X Nm3/ kg熟料 
2.2.2.2  回转窑热平衡计算 
（1）收入项目 
a、燃料燃烧生成热：QRR=3 093X 
b、生料带入热量：按入窑CaCO3分解率95%，计算在870℃时每公斤熟料中的入窑生料量和比热（MgCO3已完全分解）  
  

                       表4    870℃入窑生料组分重量和比热

计算得：总重量0.988 kg/kg熟料，加权平均比热0.963 kJ/kg℃ 
QSL=827.76 kJ/kg熟料 
c、二次空气带入热量：QYK2=1 172.04X kJ/kg熟料 
d、一次空气（及漏风）带入的显热：QYK1=4.19X kJ/kg熟料 
e、燃料带入显热：QR=9.31X kJ/kg熟料 
（2）支出项目 
a、窑内熟料形成热（生料由870℃入窑至烧成出窑） 
①碳酸盐分解吸热：QFJ=95.90 kJ/kg熟料（煤灰带入微量，不计） 
②生料烧成至熟料，料温升高的吸热：QSW=577.06 kJ/kg熟料 
③生成液相吸热：QYX=105 kJ/kg熟料 
④C2S生成C3S吸热：QC3S=4.61 kJ/kg熟料 
⑤粘土质原料中无定型物质转变成晶体放热：QGT=26.98 kJ/kg熟料 
⑥固相反应生成矿物的放热量：QKW=405.13 kJ/kg熟料 
⑦熟料由1450℃降至1360℃放热：QLQ=92.97 kJ/kg熟料 
合计后，得到回转窑内熟料形成所需热量：QYN=257.49 kJ/kg熟料 
b、窑尾废气带走热 
①理论烟气量：VYQ=6.549 Nm3/ kg煤 
②总废气量：VFQ=（0.961X+0.014）Nm3/ kg熟料 
③废气带走热：QFQ=（1 676.56X+34.76）kJ/kg熟料 
ｃ、出窑熟料带走热：QSL=1 466.08kJ/kg熟料 
d、窑筒体散热量：QYT=165kJ/kg熟料 
（3）平衡计算：收入热量=支出热量 
建立平衡式：3 093X+827.76+1 172.04X+4.19X+9.31X=257.49+1 676.56X+34.76+1 466.08+165     
解得：X=42.10% 
即在产量一的情况下，窑头用煤量占总用煤量的比例为42.10%。 
2.2.3  产量二的热平衡计算 
2.2.3.1  各种物料量的计算 
(1) 燃料总消耗量：MR=0.134 4 kg煤/kg熟料 
     其中：窑头燃煤量0.134 4X 
(2) 干生料理论消耗量：MGSL=1.517 kg/kg熟料 
(3) 入窑系统空气量 
a、燃料燃烧理论空气量：VLK=6.059 Nm3/ kg煤 
b、入窑实际干空气量：VYK=0.895 8X Nm3/ kg熟料 
c、入窑二次空气量：VYK2=0.788 3X Nm3/ kg熟料 
d、入窑一次空气量（含漏风）：VYK1=0.107 5X Nm3/ kg熟料 
2.2.3.2  回转窑热平衡计算 
（1）收入项目 
a、燃料燃烧生成热：QRR=3 080X 
b、生料带入热量：按入窑CaCO3分解率100%，计算在1 025℃时每公斤熟料中的入窑生料量和比热  
    

表5    870℃入窑生料组分重量和比热

                         
计算得：总重量0.963 kg/kg熟料，加权平均比热0.961 kJ/kg℃ 
QSL=948.58 kJ/kg熟料 
c、二次空气带入热量：QYK2=1 172.04X kJ/kg熟料 
d、一次空气（及漏风）带入的显热：QYK1=4.19X kJ/kg熟料 
e、燃料带入显热：QR=9.31X kJ/kg熟料 
（2） 支出项目 
a、窑内熟料形成热（生料由1 025℃入窑至烧成出窑） 
①碳酸盐分解吸热：QFJ=0kJ/kg熟料（煤灰带入微量，不计） 
②生料烧成至熟料，料温升高的吸热：QSW=422.84 kJ/kg熟料 
③生成液相吸热：QYX=105 kJ/kg熟料 
④C2S生成C3S吸热：QC3S=4.61 kJ/kg熟料 
⑤粘土质原料中无定型物质转变成晶体放热：QGL=0 kJ/kg熟料（已在炉区及预热器内完成） 
⑥固相反应生成矿物的放热量：QKW=405.13 kJ/kg熟料 
⑦熟料由1 450℃降至1 360℃放热：QLQ=92.97 kJ/kg熟料 
合计后，得到回转窑内熟料形成所需热量：QYN=34.35 kJ/kg熟料 
b、窑尾废气带走热 
①理论烟气量：VYQ=6.549 Nm3/ kg煤 
②总废气量：VFQ=0.961XNm3/ kg熟料 
③废气带走热：QFQ=1 767.13XkJ/kg熟料 
ｃ、出窑熟料带走热：QSL=1 466.08kJ/kg熟料 
d、窑筒体散热量：QYT=118kJ/kg熟料 
（3） 平衡计算：收入热量=支出热量 
建立平衡式：3 080X+948.58+1 172.04X+4.19X+9.31X=34.35+1 767.13X+1 466.08+118     
解得：X=26.81% 
即在产量一的情况下，窑头用煤量占总用煤量的比例为26.81%。 
2.2.4  “产量二”在“产量一”基础上的提产倍数 
由于“产量二”窑头喷入煤粉绝对数量与“产量一”窑头喷入煤粉绝对数量相等，根据产量与全系统用煤量成正比的关系，产量二/产量一=42.10/26.81=1.570（倍）。 
考虑各种可能的影响因素，取理论增产倍数的90%，作为产量二的目标值，即可在产量一的基础上再提高1.413倍。 
3  设计及生产实践案例 
应用上述设计思想，我公司在吉林四平石岭监狱水泥厂的技术改造中，通过合理的优化设计，并通过生产实践中不断的总结提高，在条件较完备时，已经能够达到产量一的指标，Φ3m×48m回转窑最高日产量已经达到1 500t/d以上。 
3.1  改造前存在的问题 
SL水泥有限责任公司700t/d生产线（2号线）始建于20世纪80年代，当时是国内最先进的700t/d生产线。随着现代新型干法生产技术的不断发展和完善，相比之下该厂原有的700t/d预分解系统在技术和工艺方面的落后和不足就全面暴露出来，如：能耗较高、质量较差、生产工艺不稳定、运转率较低、预热器系统压损大、产量偏低等，使产品的成本较高、市场竞争力不强。 
3.1.1  改造前存在的问题 
（1）产量低：窑的产量平均在29~31.5t/h左右，其设计能力和运转率不理想； 
（2）分解炉运行不稳定且炉容偏小：由于分解炉是MFC型分解炉，受当时技术的局限，在生产运行中经常压炉，而每次停炉处理都在两小时左右，对整个系统影响很大； 
（3）三次风管是V型布置，风阻大，入炉三次风温＜600℃，不能很好满足分解炉的工艺要求； 
（4）三次风管沉降室锁风阀锁风不严，漏风积灰严重，影响工艺的稳定操作； 
（5）单冷机耐火砖寿命短，扬料勺易变形脱落； 
（6）窑头罩正压，窑内通风不畅，看火不清；漏灰漏风严重，工人的劳动环境差； 
（7）预热器系统风压损失大，通风量小，电耗增加，影响通风和预热效果。 
3.1.2  技改措施 
    针对上述问题，我公司对改造方案进行系统核算和论证，最后确定改造方案，并拟订改造后设计产量为1 200t/d。具体措施是： 
（1）扩大窑头罩，解决窑头正压及看火不清等问题； 
（2）将原带沉降室的V型三次风管取消，改为水平“一字型”的三次风管； 
（3）改造原MFC分解炉，只保留部分筒体，更换MFC炉的流化床，增大炉容，增加鹅颈管，重新配置流化床风帽和风机； 
（4）拆除压力损失大的预热器，利用原预热器框架及各级旋风筒原锥体，重新设计各级预热器旋风筒及上升管道，采用270°大包角、五边形进风口，并合理设计各级内筒的插入深度，确保收尘效率并大幅度降低阻力损失。对C1级筒进行独特设计，降低C1级筒出口粉尘浓度，减轻废气处理时电收尘器的负荷； 
（5）改造原套筒型的增湿塔，拆除原增湿塔里层，增高原外层筒体，并重新配置喷水系统，确保增湿效果； 
（6）高温风机由原风机制造厂进行改造，满足所需风量和风压的要求； 
（7）虽然产量大幅度提高，由于预热器采用低压损和高分离效率设计，原70m2电收尘系统及烟囱虽未做改动仍能满足系统废气处理要求； 
（8）在满足土建荷载变化要求的情况下，经结构验算并实施加固方案。窑尾主框架未做改动，去除了改造时干涉的小梁，同时增加部分钢结构梁支撑； 
（9）采用我公司专利产品复合式冷却技术改造单筒冷却机，具体方案是： 
a、拆除原窑下料溜子，单冷机截去1m，在窑头罩下安装一段专利充气梁篦床，即改造后的复合式冷却机由篦冷机段和单冷机段两部分组成。改造后实现了对熟料的急冷，改善了易磨性，提高了熟料的早期强度；    
b、从窑头罩上抽取三次风，提高了三次风温； 
    c、从篦冷机段侧面抽取余风并收尘，一部分进煤磨，一部分余热利用或排出； 
    d、篦冷机段与单冷机之间采用复合式密封技术进行密封连接； 
（10）采用我公司专利复合式密封技术更换原有的窑头及窑尾密封； 
（11）窑尾生料入窑为机械提升工艺，将电耗高的气力提升泵改为省电可靠的椿本板链提升机。 
3.1.3  改造前后烧成系统对比 

 

表6    改造前后烧成系统对比

4 结语 
通过理论研究推导得到的新型干法窑的目标“产量一”，可以在传统的预分解窑熟料产量基础上增加50%～100%，已在某些规格的预分解窑上得到了实践验证；目标“产量二”在产量一的基础上还可以再提高40%以上，并正在我们进行的工程设计中逐步实践。在实践当中，还会遇到各种需要解决的问题，但我们认为上述问题的解决不用依赖于相关技术的突破性发展，相信通过参与水泥工厂建设和技术改造的各方同仁以及我们的共同努力，一定会克服可能遇到的困难，在不久的将来达到“产量二”的目标。