还原熟料形成机理
1 前言
在水泥生产中正常熟料是在窑内空气略有过剩的情况下烧成的,即有足够的氧使燃料中的碳完全燃烧成CO2,放出热量。如窑内氧气不足,燃料燃烧不完全,产生CO时,就形成还原气氛,其反应式为:C+O2→CO2+408630J/molC+12O2→CO+123053J/mol
在还原气氛条件下生产出来的熟料,我们称之为“还原熟料”。在还原气氛下烧成时,窑内热力强度低,高价的过渡型的元素氧化物被还原成低价的,产生各种异常颜色的熟料。据此特点,一般把还原料分为黄心料、绿心料、析铁料三种。
还原熟料常见的为黄心料,在熟料中所占比例也较大。而绿心料、析铁料较少出现,即使存在,量也不多。还原熟料的危害很多,影响窑的产量、质量、煤耗、热工制度的稳定;影响熟料、水泥的质量外观颜色等。特别是熟料、水泥的外观上,还原料较多时,不仅熟料颜色难看,就连磨制出的水泥颜色也发黄,水泥用户极易把此熟料水泥比作立窑的废品熟料黄料球来看待,使用户购买使用都不放心,影响企业的声誉,因此,必须采取措施进行解决。
1.1 黄心料
窑外分解窑产生的黄心料,可分为:疏松性黄心料和致密性黄心料,疏松性黄心料结构疏松,熟料烧失量高, fCaO也高,后期强度
明显降低,它是在窑头温度低,窑尾存在还原气氛下产生的。而致密性黄心料外壳的颜色与正常熟料相似,结粒较大,砸开熟料球,核
心呈大小不等的黄心,它是在还原气氛或煤粉直接还原作用下,氧化铁还原致使熟料颜色发黄,当冷却时,表层熟料因再氧化而呈黑
色。黄心料其化学成分上最突出的变化就是随黄心程度的增加其中FeO含量也增加,而总的铁含量却没有明显变化;而有些黄心料
中SiO2和Al2O3的含量较高,这主要是煤灰掺入造成的。
致密性黄心料在岩相结构上有两个特征:其一,B矿呈手指状、树叶状,这种B矿的产生与还原气氛下C2S和CFS固溶体的分离有关。其二,A矿数量少,发育差。这与煤灰的掺入有关,由于掺入煤灰物料,使SiO2和Al2O3成分增加,局部(黄心部分)的KH值下降,再加上煤燃烧形成CO放出的热量少,至使烧成温度较低,给A矿形成造成困难,所以A矿数量少。此外,由于Fe3+被还原成Fe2+, Fe2+大量进入B矿及玻璃体,所以C4AF的量极少,中间体数量也相对减少。
1.2 绿心料
有时遇到外观与普通熟料相同,但中间呈嫩绿色的熟料,化学分析表明,此种熟料中含较多Cr2O3、MnO。岩相分析表明含Cr2O3的熟料中A矿颜色变绿,此种A矿称为铬阿利特。Cr2O3主要来自窑中的铬质耐火材料,含MnO的熟料呈绿色的主要原因是β-C2S和MnO形成固溶体,在C2S-Mn2S系统中形成绿色橄榄石(CaO·MnO·SiO2),温度较高时, C2S和CMnS的固溶体也可分解桃红色含锰的B矿。MnO主要来自铁质原料和耐火材料杂质。
绿心料的水硬性差,强度下降。由于Cr3+和低价锰都只有在还原气氛下出现,故绿心料是还原气氛的产物,属还原料。
1.3 析铁料
当窑内通风不良,燃料在缺氧条件下燃烧,则出现强烈的还原气氛,这时熟料中的高价铁化合物被还原成低价铁化合物,甚至金
属铁,其反应过程为:2C4AF→C6A2F+C2F C6A2F+CO→2C3A+2FeO+CO2↑ FeO+CO→Fe+CO2
金属铁在高温下为液相,由于表面张力而呈球形圆粒,冷却后保留下来,因为它的折射率比硅酸盐矿物高得多,所以在岩相显微镜下呈很亮的小圆粒。
析铁熟料除金属铁外,主要矿物还有C2S固溶体和C3A、C12A7,熟料强度显著降低,有时凝结较快,它是窑内热工制度不正常的一种标志。
2 还原料产生的具体原因
2.1 从煅烧的角度进行分析
2.1.1 风、煤、料配合不好
风、煤、料配合不好,是产生黄心料的根本原因。多数情况是窑系统排风不够或喂料太多。窑头喂煤过多,在一、二次风量不变的情况下,窑内氧含量明显不足,导致煤粉燃烧不完全,而产生还原气氛,易出现黄心料;窑尾分解炉喂煤过多,将导致预热器框架内温度升高,因而易在缩口、斜坡等部位产生结皮,影响了窑内通风,同样易使窑内氧含量不足,产生还原气氛,导致出现黄心料;窑系统
出现工艺故障,如窑内结大球、结圈或长厚窑皮、窑尾下料斜坡积灰等均可影响窑内通风,造成煤粉不完全燃烧。这些因素的产生,是形成还原料的主要原因,因此在实际生产中要注意风、煤、料三者的合理匹配。
2.1.2 燃烧器断面位置调整不当
燃烧器在窑断面位置不合理。二次风不足,内风和外风的风量、风速比例不合理,风煤混合不好,这些问题的存在也极易产生还
原料。如燃烧器喷嘴愈接近料层,还原料生成愈多,以水平方向靠近料层尤甚。喷嘴靠近料层,火焰铺在物料表面上,火焰中的炭粒
紧贴物料向前运行,由于火焰与物料表面间隙变小,氧气含量不足,因而在物料表面产生严重的还原气氛;未燃或正在燃烧的炭粒又
容易落入熟料中,落入到熟料中的碳粒减少了与氧气接触的机会,因而产生还原气氛特别是当煤粉细度过粗或使用低挥发份煤时,情况更严重。
2.1.3 煤的燃烧性能差
影响煤的燃烧性能主要有原煤的质量、煤粉质量、二、三次风温、燃烧器性能等。原煤质量差主要指:煤的灰分大、发热量低、挥发份低等;煤粉质量差主要是指细度大、水份大等;二、三次风温低,主要是影响窑头温度,至使黑火头变长;燃烧器性能影响也很大,好的燃烧器能使煤风混合充分而均匀,加速燃烧,改变煤的燃烧性能。由试验及实践发现,当煤的燃烧性能变差,还原料生成量增高煤粉的燃烧性能差,一方面燃烧速度慢,未燃尽煤粒便可能落在物料之上(指出现液相后的物料),形成还原气氛;另一方面,加大了煤粉分布的不均匀性,使火焰局部由于煤粉浓度高产生还原气氛,甚至沉落于烧成带的物料上,明显地增大黄心熟料的生成,严重时还会产生过多低熔FeO而引起回转窑的结圈。
2.1.4 工艺设备上存在一些问题如:窑尾系统漏风、篦冷机锁风阀的失控漏风、三次风阀损坏,三次风量变大等,将直
接导致窑内通风量减少,易使窑内产生还原气氛;燃烧器喷嘴的严重变形,影响风煤的混合和火焰形状,使火焰局部产生还原气氛;临
时止料停窑次数多,有的停窑时间长,中间喷煤补火,造成煤粉大量落在物料上不完全燃,产生还原气氛等,这些都将导致还原料的生。
2.1.5 入窑生料质量的波动
入窑生料成份变化大,尤其是熟料中Fe2O3含量的变化, Fe2O3含量大的熟料,燃烧过程中对还原气氛更加敏感,黄心率大大
增加,这主要是由于Fe2O3含量较大,当有还原气氛时,增加了Fe3+还原成Fe2+的机会和数量,导致黄心率增加。另外,在熟料Fe2O3含量正常情况下,随着CaO含量的增加,还原料量增加,主要是由于熟料中CaO含量增加,熟料的易烧性下降,相应地要提高烧成温度,从而增加了窑内的用煤量,当风煤配合不合理时,就产生还原气氛,从而增大了还原熟料的生成。
2.1.6 原料中有害成分
原料中有害成分含量过高,尤其是硫碱比越高,越容易结皮,造成通风不良,加之碱、硫、氯的富集循环与二次扬尘形成的低共熔
物造成长厚窑皮及结圈、结球,出现大料团等现象,尤其在长时间停窑保温时更为明显。
2. 2 从系统工艺参数的操作情况来分析
窑外分解窑熟料的生产都是通过控制系统的工艺参数来实现的,系统工艺参数控制得不合理,也容易产生还原料。
2.2.1 生料喂料量和喂煤量大
生料喂料量大,烧成所需热量多,为保证预热器框架温度及烧成温度,势必要加大喂煤量,因喂煤量大,空气相对不足,煤粉不完
全燃烧,产生还原气氛,为产生还原料创造了条件,在实际操作中,如不恰当增大窑头喂煤量,将不可避免产生还原料。
2.2.2 系统压力工艺参数控制不合理特别是窑尾压力,还有三次风压力等。
当窑尾负压绝对值低于正常的工艺控制参数时,则窑内通风量减少,可导致窑内煤粉的不完全燃烧,产生还原气氛。在各风道和窑内通风畅通的情况下,三次风压力一般在-300Pa~-600Pa,三次风压力大,比如为-750Pa时,则从窑头抽风多,影响入窑的二次
风量,造成窑内空气不足,同样会导致燃料不完全燃烧,形成还原气氛。
2.2.3 系统温度工艺参数控制不合理
窑尾温度:窑尾温度一般在950℃~1050℃。当窑尾温度高时,分解炉缩口易结皮,影响窑内通风,为产生还原料创造条件当温度过高时,液相在窑尾过早生成,熟料易结大块。当窑尾温度低时,烧出的熟料fCaO偏高。温度过低,则易跑生料。
窑前(指烧成带)温度:当窑前温度高时,火焰发亮。如因生料KH值高、喂煤量大、内风过大、短火急烧,可产生致密性黄心料;如因生料KH低,温度过高,可在窑口下料口篦冷机机堆“雪人”。窑前温度低时,出现黑火头,烧出的熟料中fCaO偏高,由于燃料的燃烧条件变差,也易出现燃料不完全燃烧。
2.2.4 篦冷机及窑内料层厚度的影响
当篦冷机篦速快时,熟料料层簿,使二次风温下降,从而影响窑前温度,使燃料燃烧条件变差,也易出现燃料不完全燃烧,为产生还原料创造了条件。另外,当回转窑的窑速慢时,回转窑内物料多,填充系数大,一方面减少了窑内通风面积,造成通风不良,不利于热传导;另一方面燃烧器的喷嘴的位置与窑内物料的填充系数关系非常大,当填充系数发生变化时,相对来讲喷嘴接近了料层表面,燃烧器位置不合理,从也为产生还原料产生了条件。
3 解决还原料的技术措施
前面对在实际生产中产生还原料的原因及可能进行了分析,下面针对产生还原料的可能,采取以下技术措施来解决。
(1)解决工艺设备中存在的问题,缓解窑尾预热器系统结皮和窑内结大球现象,为防止窑风和窑尾系统通风不畅创造条件,对
于窑尾斜坡或缩口,还要定期清理或设置清结皮装置定期清潮,以保障窑内通风。为了更好反映窑内烧成气氛状况,有条件的企业
还可在窑尾设置CO分析仪,使窑内烧成气氛有一个量的指标,更有利于减少还原料的生。
(2)调整合理的熟料三率值,加强原燃材料的预均化,提高出磨和入窑生料均匀性和合格率,特别是提高进厂原煤的质量,加强
用煤均化管理和控制煤粉质量,从工艺上为防止还原料的产生创造条件。
(3)合理调整燃烧器的位置和内外风的比例。适当的火焰长度、形状和位置,对保护窑皮对防止产生还原料是非常重要的。生产实践告诉我们三风道燃烧器喷嘴的位置和火焰高低,对窑皮的厚薄和长短影响很大。离料近,窑皮厚,影响窑内通风,窑皮厚度一般
20~25cm为好;离料远,窑皮薄,影响耐火砖的使用寿命。火焰高,窑皮短,容易造成窑皮厚,且对后部的耐火砖有影响;火焰低,窑皮
长,增加窑内填充系数。因此三通道喷煤管必须有一个适当的位置。实践证明,燃烧器以稍偏于物料表面为宜(如图),图中0点为窑口截面中心,A点为燃烧器中心线通过窑口截面所处的位置,其坐标可通过计算再结合实际经验大致确定。简化后的公式为:
a=0·04D0COSθ
式中: a—燃烧器中心在窑口截面上的位置A点到窑口截面中心0点的距离;
D0—回转窑烧在带有效平均内径;
θ—对应于烧成带内物料弓形断面圆心角之半。
至于燃烧器喷嘴到窑口的距离,要结合窑皮的长度、形状可在生产中进行调整移动。
合理调整三风道燃烧器内外风的间隙和比例,增强风煤配合,并适当加大一次风量,可提高煤粉燃烧速度,使火焰发散,缩短黑火
头,防止煤粉不完全燃烧,避免还原气氛的出现,从本质上防止还原料的产生。
(4)提高窑前温度,控制窑尾温度,稳住窑两端及分解炉内温度,调节好通风,加煤和喂料,控制熟料适当的升重及结粒,实现窑炉
协调,使还原料失去生产的环境。
①提高窑前温度
提高窑前温度的方法有:加大三通道燃烧器的内流内,增强风煤混合,提高煤粉燃速度;保证篦冷机篦床料层厚度在50cm~
60cm,以提高二、三次风温;窑头控制适当的微负压,不仅有利于生产环境的改善,还能减少篦冷机的排风量,增大窑内的通风量;降低窑速,适当减少喂料量和加大喂煤量等。
②控制窑尾温度及分解炉温度
控制窑尾温度及分解炉温度,在设计要求范围内,温度过低则造成入窑分解率低,同时使烧成温度降低,不能达到烧结优质熟料
所需的温度,烧出的熟料质量差;温度过高,则容易导致窑尾缩口的物料结皮、旋风筒的堵塞等影响窑内通风,甚至发生工艺故障。
③加强风、煤、料的对口调节
根据中控系统工艺参数操作,及时正确调整用煤量和通风量,窑头喂煤量和窑尾分解炉喂煤量比例为40%和60%,保护炉中及
出口气体温度的稳定,操作中应严格掌握系统内温度和压力的变化,保持系统内通风良好,防止温度过高或过低,做到:稳定操作、稳
定热工制度、稳定下料量,确保分解炉安全稳定运行。
④控制适当的熟料结粒及升重
熟料结粒大小及容重,虽不是造成还原料形成的原因,但它是还原料产生时的现象之一,因为大粒熟料的产生原因,一是熟料煅
烧中液相主要成分Al2O3、Fe2O3,尤其是Fe2O3含量高时容易产生;二是成分正常,但烧成温度高,或二者都存在;
三是窑料层厚、翻流滚慢,易产生大粒熟料。
以上三条产生大粒熟料的原因都可能产生还原气氛,从而产生还原料,因此要控制好熟料结粒,以预防还原料的产生。至于升重,前面已说过,还原料中出现了低溶液相,内部结构致密,导致升重升高。另外,由于升重也反映了烧成温度的高低,也反映了火焰所达到的最高温度,容重高,煅烧火焰温度要高,用煤量相对要增大,如风煤匹配不合理,易产生还原气氛而使还原料增加,因此升重要控制在适当的范围,《水泥企业管理规程》规定升重波动范围在±75g。
综合以上所述,只有通过严格规范操作才能有效地避免或缓解还原料的出现,生产出优质低耗熟料。
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