与水泥回转窑的烧成带温度相关的几个因素

  0  引 言

  众所周知，水泥生产是一个合成以阿里特为主要矿物的高温化学反应过程。根据熵增原理和过渡状态理论，水泥工业的固相反应都存在反应势垒，因此须有温度、压力、催化剂等外界条件降低活化能。在水泥工业中，熟料的生成是液相烧结。依据化学反应的观点，在其它条件都相同时，越高的反应温度和反应时间，就能得到较高的合成率；同理相同的合成率，温度越高，反应时间越短。同时根据菲克定律，高温对固相反应的扩散也有很大影响。现代新型干法水泥生产追求的是优质、高产、低消耗，即较高的反应程度，最低的时间消耗，得到最高的产量，因此在相同f-CaO含量时，更少的反应时间就需要有较高的反应温度。

  烧成带温度的提高能够提高熟料质量，因为在烧成带温度较高时，阿里特晶型由MⅠ向MⅢ型转变，MⅢ型早期水化较慢，3d以后浆体致密，强度提高很快，贝利特在高温缎烧及快速冷却使B矿保留活性较高的а‘型，锻烧温度提高使液相粘度降低，有利于Al₂O₃ 溶进铁相 ，形成C6A2F，这样铁相就增加，而剩余下来生成含铝相的Al₂O₃ 就减少了。锻烧温度提高也使A 矿中固溶的Al₂O₃ 增加，从而减少含铝相含。这些都已经得到了国内外研究人员和实际生产的证实。

  烧成带是水泥熟料矿物形成，窑用耐火材料经受温度最高，窑内液固两相出现交错反应，是窑皮形成的地方。烧成带温度是影响水泥熟料质量产量的关键因素，而影响烧成带温度的因素很多，例如窑尾温度、喂煤量、煤的热值、一次风量、三次风温、胴体表面散热、出窑熟料温度、熟料产量、入窑物料温度等等。因此如何控制、监测、比较烧成带温度是水泥生产必须考虑的问题。

  1 分段燃烧计算

  1.1  模型特征

  影响烧成带温度的因素众多，相互之间耦合性很强，因此单独分析某一因素的影响十分困难，然而如果根据实际窑况进行测量，既不具有对窑型、原材料、生产状况等等的代表性，也无法形成相互之间的可比性，因此烧成带温度的研究，既需要深入了解各个参数的现实含义，也要包括相互之间的隐含数值；既要有测量参数的支撑，又要有正常窑况的分析。

  笔者通过设置整个生产系统的热平衡，分四个阶段完成对烧成带温度的建模。第一步，建立整个系统的热平衡和物料平衡，完成生产1吨熟料所需要的燃料消耗量，即收入的热量等于支出热量，收入热量包括燃料带入热量、燃烧放出热量、气体带入热量等，支出热量包括熟料形成热量，气体带走热量等；第二步，根据燃烧理论，得到在受限射流状态下，燃料燃烧所产最高燃烧温度，即

  第三步，根据过渡带温度的热平衡，得出由过渡带进入烧成带气体的温度，即进入过渡带热量=离开过渡带热量+胴体散热；第四步，根据烧成带窑段的热平衡，得出烧成带的物料温度，即进入烧成带热量=离开烧成带热量+胴体散热。由上述四个阶段，实现对已有测量参数的深度细化，同时对隐参数实现显化。

  为了改变过去研究建模的粗糙和不科学，本模型既注重对系统热平衡、物料平衡的研究，实现已有真实研究成果的继承，从而为本模型的普适性创造条件，又在原有热平衡的基础上，注重对窑的分段计算，实现热平衡的深入和细化。为了更准确的反应物料、气体的热容，研究中根据物料气体的热容随着温度的变化而变化的特点，根据已有的物料、气体等的测量资料，回归出物料气体热容的线性方程，从而避免了原有热平衡计算的静态性，同时把可以测量的运行参数做成界面，这样既可以实现对单个参数的研究，又可以与已有生产线的DCS系统联网测量、监控、表征烧成带温度。图1即是分段燃烧计算的示意图，根据已有的窑外分解窑温度带划分理论，示意图中把窑分为三段，以有窑皮的划分为两段，分别为冷却带和烧成带；把没有窑皮的划分为一段，即过渡带。笔者以生产中应用较多的5000T/D生产线为基础，窑型为Ф4.8×74m为对象建立模型。由于胴体温度受外界风速影响较大，对流换热系数和其它换热系数计算困难，本文对它们进行了修正。

  为了便于和现实生产衔接，笔者编写了Visual Basic 程序，其部分界面如图2所示，所有可以调整的参数都可以显示在界面上，以便于计算比较。

  图2   Visual Basic程序部分界面

  1.2  运算结果

  利用该程序模拟四川某企业五条5000T/D的新型干法水泥窑得出的结果如图4所示，从结果中可以看出，烧成带物料温度为1455℃，最高气体温度出现在10～20m之间约2000℃，从工业电视中可以看到整个视野明亮发白，火焰活泼有力。此时测得的熟料F-CaO含量为0.8%，立升重为1350g/L，3d强度35.2MPa，28d强度60MPa，由此可知熟料反应的温度较高，资料显示熟料的较好反应温度为1300℃以上，与计算结果相差0.3%，对比过去国内外的研究资料（见图3）与计算的图4发现，该模型明显符合生产实际状况。再次模拟蜀地某企业 3200T/D新型干法水泥生产线，亦有上述结论。

  图3  预分解窑和预热器窑气体和物料温度沿窑厂分布规律

  图4   根据模型得出的物料温度与气体温度

  为了便于分析问题，以下讨论都是依据上述计算机程序，通过精心修整生产中的谬误、偏差参数，确定合理的生产工艺参数，具体参数见表1-表3。假定其他条件相同，变化的只有单一因素。

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  2  烧成带温度因素分析

  2.1  窑尾烟气温度

  窑尾烟气温度是烧成带温度向外输出的重要表征，也是分解炉内碳酸盐分解的重要热源。图5是烧成带温度与窑尾烟气温度的关系图。

  由上图可知，烧成带温度随窑尾温度的升高而降低，其原因在于假定其他的条件不变，即总热量一定，出窑尾废气的温度越高，带走的热量就越多，烧成带温度也会随之降低。但实际生产并非其他条件不变，例如随着窑尾温度的升高，分解炉内生料的分解率可能会提高，这时入窑物料的的温度有可能增加，此时烧成带温度会出现如图6所示的变化。由图可知，当入窑物料温度的升高时，烧成带温度有明显的上升。把图6中1100℃处的烧成带温度代入到图5中得到图7。从图7可以看出，直线在1100℃时发生了改变——开始向上隆起，说明入窑物料温度的升高抑制了烧成带温度的降低，因此尽量提高入窑生料分解率可以减轻窑内的热负荷又能尽快升高物料温度，在回转窑内大部分的热量都应用于物料升温，而不是碳酸盐分解，分解率的提高既可以缩短窑的长度尤其是碳酸盐分解带的长度，又可以提高烧成带温度，减小窑头喂煤量。根据测算窑尾物料温度每提高10℃，就可以减少窑头喂煤量1%，但是实践表明只要碳酸盐没有完全分解，物料温度就不会一直升高，且在分解温度以下，也是就是说物料升高的温度是有限的，因此提高入窑生料分解率对水泥回转窑的优质、高产、低消耗有至关重要。

  为了使保证入分解炉的温度大于出分解炉温度，在不引起烟道系统结皮、堵塞的情况下，适当提高窑尾烟气温度是可以的，根据实际生产状况，一般生料的分解率不会是100%，当入窑生料温度在870℃时，窑尾温度控制在1100℃比较合适。

  2.2 窑头喂煤量

  窑头的喂煤量是提供窑内热源的主要方式，窑头喂煤量的多少直接影响窑内烧成带温度，但是有时增加喂煤量，烧成带温度并不一定增加，原因是煤粉是否完全燃烧，窑内通风是否变大等都会抵消增加喂煤量的效果。在合适的通风条件下，整个窑系统用煤量是一定的，只是窑头与分解炉的分配比例有所不同。图8是窑尾温度为1050℃，入窑生料温度为850℃时，窑头喂煤所占比例分别为40%，50%，45%，55%，60%，30%时，烧成带温度的计算结果。

  从图中可以看出窑头喂煤所占比例越大烧成带温度越高，这是缘于我们假定其他的条件都相同，但是实际生产中，随着窑头喂煤量的增加窑尾温度会随着增加，尤其是调节窑内用风量时。图9表明同样是窑头喂煤量占40%时，窑尾温度增加对烧成带温度的影响。

  从图中可以看出，随着窑尾温度的升高，窑头喂煤量的效果逐渐在削弱。现在运转的多数预分解窑的操作都是基本固定风量，随温度和喂料量的变化增减用煤量。由上述分析可知，这种操作十分有害，甚至起到适得其反的作用，增加窑头用煤量，如果没有恰当的风量，要么会造成窑尾气体温度升高，或者造成燃料的不完全燃烧，不会增加烧成带温度，因此在增加窑头喂煤量以提高烧成带温度时，应注意窑尾温度的升高和监控烟气中CO的含量。

  2.3  窑头温度

  窑头温度包括四部分：a出窑熟料温度；b二次风温；c三次风温d一次风温；四者对烧成带的温度影响各有不同。出窑熟料温度是熟料带走热量多少的表征，二次风温和三次风温是冷却熟料时的风温。两者之间存在相关性，随着出窑熟料温度的增加，二次风温和三次风温可能会升高，假定二次风温和三次风温恒定。图9是出窑熟料温度与烧成带温度之间的关系图。

  由图可知，随着烧成带温度的增加，出窑熟料温度随着增加，两者之间有近似直线关系，但是增加的幅度很小，说明出窑熟料温度受到烧成带温度影响很小。实际生产过程中，正常运转的窑系统，出窑熟料温度基本恒定在1300℃，但是二次风温与三次风温却是经常受熟料粒度、冷却风量的变化而变化，而且二次风与三次风有一个风量分配的问题。二次风与三次风既可同时升温，又可以只有一个升高，在二次风量较大时，窑尾温度也会增加，因此假定窑尾温度不变，二次风温与烧成带温度关系如图10所示。

  从图中可以看出随着二次风温的增加，熟料烧成带温度呈明显的增加趋势，说明二次风温度对烧成带温度影响明显。实际上，二次风不仅提供了窑内煤粉燃烧的一个热源，而且提供了煤粉燃烧所需要的氧气。根据二次风温，我们可以了解熟料的煅烧状况，而且提高二次风温度，可以明显减少窑头喂煤量，计算结果表明，二次风温在1200℃时比在1100℃时，可节约4%的燃料消耗。因此较高的二次风温度对提高烧成带温度是有益的，与二次风温相反，三次风温越高，意味着有较多的热量被转移到了分解炉，这时进入窑内的热量相应减少，烧成带温度变低，图11印证了这一点。

  随着三次风温的升高，烧成带温度在下降，但是在实际生产过程中，三次风除了提供分解炉内热量，还有提供分解炉内煤粉燃烧需要的氧气，因此从综合的观点看，三次风温不宜过低，至少应该高于分解炉出口温度，否则通过分解炉后会吸收一部分热量。

  一次风温与二次风和三次风不同，一次风温度较低，它的主要目的是输送煤粉。假定二次风温为1100℃，三次风温为900℃，这时一次风温与与烧成带温度之间，呈现较弱的线性相关，其相关系数仅为0.8929。当一次风温升高时，烧成带温度并没有明显提高，而且随着实际生产中多通道燃烧器的使用，一次风量在逐渐的减少，因此，尽管一次风温度最低，但是对烧成带温度的影响却是微乎其微。故，不必刻意提高一次风温，较高的一次风温对煤粉的输送也十分不利。值得注意的是，由于系统漏风，造成一次空量明显增大。因此强化窑头窑尾以及篦冷机的漏风管理尤为重要。

  2.4 胴体表面温度

  窑的胴体温度是指示窑内烧成带温度的较好指标，但它又受到耐火材料厚度，窑皮厚度，熟料温度，窑的转速等等影响，从热平衡的观点来看，窑外散失热量越多，烧成带温度越低。由于窑皮的不断脱落与粘附，表面温度也会有所变化，同时熟料成分的变化导致液相粘度的变化，进而有窑皮也有厚薄的变化，但从一段时间来看，窑内还是一个热平衡的温度场，窑皮基本保持在恒定的位置。图13即表明窑胴体温度与烧成带温度间的关系，可以发现随着窑筒体温度的升高烧成带温度有明显的下降，这说明窑胴体温度对烧成带温度影响较大，因此保证较低的窑筒体温度对烧成带温度非常有利，这可以通过增加窑皮厚度，较少耐火材料磨损，及时更换耐火砖，增加一定的生料喂料量等措施解决。据统计胴体温度每降低1℃约减少热耗5.4J/Kg-cl，因此采用新型隔热材料是降低胴体温度的有效途径。

  增加生料喂料量对烧成带温度的影响较小，原因是物料在进入烧成带后是一个微吸热的过程，火焰对熟料的辐射成为换热的一个主要方式。现代新型干法水泥生产主要是薄料快烧，目的是强化火焰对熟料的传热效率，实际上窑转速的加快，对于保护厚窑皮有利，从而提高了烧成带温度，但是过厚的窑皮，对窑内通风等也会造成不利影响，因此要有适宜的窑皮厚度。过去的湿法窑和悬浮预热器窑，由于窑体过渡带较长，窑的转速较慢，出烧成带的高温气体，通过没有窑皮的耐火材料时，大量的热量都散失于空气中，新型干法水泥窑由于分解率的提高，过渡带较短，散失热量较少，因此提高了回转窑的热效率，计算表明Ф4×60m和Ф4×43m可以节约5%的燃料消耗。

  3  结 论

  建立适应新型干水泥回转窑烧成带温度的检测系统，实现烧成带温度的数字化，对水泥回转窑的产量与质量都十分有益，但是烧成带温度作为反映熟料产质量的重要指标，受到很多因素的影响，更重要的是，烧成带是一个非稳定温度场，它是随着时间的变化而变化的，因此研究起来十分困难。上述模型中，假定烧成带是一个稳定温度场，研究动态平衡下的烧成带温度，因此还有很多的细节需要完善，但是它能提供我们生产中很多重要的启示，也为未来的研究指明了方向。

  因此，通过计算机系统将大量正常生状态下有关因素数据输入，建立可靠、准确、适宜的数据库，回归出各因素与烧成带温度之间的联系，从而建立良好的数学模型，在数据模型的基础上，编制专家系统软件程序，通过专家系统的智能控制，得出正常状态下烧成带温度的可靠检测结果，对比正常状态的数据，就可以诊断出不正常窑况的缘由，从而为根本上监测控制烧成带温度提供依据，为水泥生产的优质、高产、低消耗打下良好基础。