□□封培然

淺議水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度

The Discussion of Burning Zone Temperature in Cement Rotary Kiln

□□封培然

1 引言

在水泥工業(yè)中，熟料的生成是液相燒結(jié)。以化學(xué)反應(yīng)的觀點(diǎn)看，在其他條件都相同時(shí)，越高的反應(yīng)溫度和越長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，就能得到較高的生成率；同理相同的合成率，溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越短。需要說明的是根據(jù)菲克定律，高溫對(duì)固相反應(yīng)的擴(kuò)散也有很大影響?，F(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)追求的是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，即較高的反應(yīng)程度，最低的時(shí)間消耗，從而有最高的產(chǎn)量，因此在得到相同fCaO含量時(shí)，追求更少的反應(yīng)時(shí)間成為必然，這就需要有較高的反應(yīng)溫度。

燒成帶溫度是影響水泥熟料質(zhì)量產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，而影響燒成帶溫度的因素很多，例如窯尾溫度、喂煤量、煤的熱值、窯頭溫度、一次風(fēng)量、三次風(fēng)溫、筒體表面散熱、出窯熟料溫度、生料喂料量、入窯物料溫度等等。因此如何控制燒成帶溫度、比較燒成帶溫度、監(jiān)測(cè)燒成帶溫度是水泥生產(chǎn)必須考慮的問題。

2 燒成帶溫度因素分析

2.1 窯尾煙氣溫度

影響燒成帶溫度的因素很多，相互之間耦合性很強(qiáng)，因此單獨(dú)分析某一因素的影響十分困難，以下討論都是假定其他條件相同，變化的只有單一因素。窯尾煙氣溫度是燒成帶溫度向外輸出的重要表征，也是分解爐內(nèi)碳酸鹽分解的重要熱源。圖1是燒成帶溫度與窯尾煙氣溫度的關(guān)系圖。

由圖1可知，燒成帶溫度隨窯尾溫度的升高而降低，其原因在于假定其他條件不變，即總熱量一定，出窯尾廢氣的溫度越高，帶走的熱量就越多，燒成帶溫度也會(huì)隨之降低。但實(shí)際生產(chǎn)并非其他條件不變，例如隨著窯尾溫度的升高，分解爐內(nèi)生料的分解率可能會(huì)提高，這時(shí)入窯物料的的溫度有可能增加，此時(shí)燒成帶溫度會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的變化。由圖可知，當(dāng)入窯物料溫度升高時(shí)，燒成帶溫度有明顯的上升。把圖2中1100℃處的燒成帶溫度代入到圖1中得到圖3。從圖3可以看出，直線在1100℃時(shí)發(fā)生了改變——開始向上隆起，說明入窯物料溫度的升高抑制燒成帶溫度的降低，因此在雙因素作用下，無法準(zhǔn)確判斷燒成帶溫度是升高還是降低，因?yàn)檫@還與物料升溫程度有關(guān)。實(shí)踐表明只要碳酸鹽沒有完全分解，物料溫度就不會(huì)一直升高，且在分解溫度以下，也就是說物料升高的溫度是有限的。

為了保證入分解爐的溫度大于出分解爐溫度，在不引起煙道系統(tǒng)結(jié)皮、堵塞的情況下，適當(dāng)提高窯尾煙氣溫度是可以的，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況，一般生料的分解率不會(huì)是100%，當(dāng)入窯生料溫度在870℃時(shí)，窯尾溫度控制在1100℃比較合適。

2.2 窯頭喂煤量

窯頭的喂煤量是提供窯內(nèi)熱源的主要方式，窯頭喂煤量的多少直接影響窯內(nèi)燒成帶溫度，但是有時(shí)增加喂煤量，燒成帶溫度并不一定增加，原因是煤粉是否完全燃燒，窯內(nèi)通風(fēng)是否變大等都會(huì)抵消增加喂煤量的效果。在合適的通風(fēng)條件下，整個(gè)窯系統(tǒng)用煤量是一定的，只是窯頭與分解爐的分配比例有所不同。圖4是窯尾溫度為1050℃，入窯生料溫度為850℃時(shí)，窯頭喂煤所占比例分別為40%、50%、45%、55%、60%、30%時(shí)，燒成帶溫度的測(cè)量結(jié)果。

從圖4中可以看出，窯頭喂煤所占比例越大燒成帶溫度越高，這是緣于我們假定其他條件都相同，但實(shí)際生產(chǎn)中，隨著窯頭喂煤量的增加窯尾溫度會(huì)隨著增加，尤其是調(diào)節(jié)窯內(nèi)用風(fēng)量時(shí)。圖5表明同樣是窯頭喂煤量占40%時(shí)，窯尾溫度增加對(duì)燒成帶溫度的影響。

從圖5中可以看出，隨著窯尾溫度的升高，窯頭喂煤量的效果逐漸在削弱。因此在增加窯頭喂煤量以提高燒成帶溫度時(shí)，應(yīng)注意窯尾溫度的升高和監(jiān)控?zé)煔庵蠧O的含量。

2.3 煤的熱值

煤的發(fā)熱量是過程控制的重要內(nèi)容，其在進(jìn)廠時(shí)就開始監(jiān)控，因此對(duì)煤的發(fā)熱量應(yīng)該有較好的控制，但是隨著能源價(jià)格的不斷上漲，煤的品質(zhì)難免出現(xiàn)波動(dòng)，尤其是煤的水分。因此做好原煤的均化，可以避免操作中的不可預(yù)測(cè)性，煤粉熱值的大起大落不僅對(duì)于燒成帶溫度有重要的影響，而且會(huì)伴隨熟料質(zhì)量的波動(dòng)。此外揮發(fā)分含量的變化值得注意，揮發(fā)分的變化可能不會(huì)影響熱值，但是由于火焰長(zhǎng)度的變化，造成火焰溫度的不集中，從而造成燒成帶溫度的下降。因此均化除了對(duì)原煤熱值有利外，對(duì)煤粉的揮發(fā)分穩(wěn)定也十分有利。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于計(jì)量秤的誤差、煤粉細(xì)度、水分的變化都會(huì)造成化學(xué)不完全燃燒和機(jī)械不完全燃燒，根據(jù)熱工測(cè)定統(tǒng)計(jì)，我國(guó)回轉(zhuǎn)窯的不完全燃燒損失平均為251kJ/kg熟料，約占熟料熱耗的4%左右[1]。因此精確計(jì)量，控制好煤粉細(xì)度、水分與控制煤的熱值一樣重要。

2.4 窯頭溫度

窯頭溫度包括四部分：a出窯熟料溫度；b二次風(fēng)溫；c三次風(fēng)溫；d一次風(fēng)溫。四者對(duì)燒成帶的溫度影響各有不同。出窯熟料溫度是熟料帶走熱量多少的表征，二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫是冷卻熟料時(shí)的風(fēng)溫，兩者之間存在相關(guān)性。隨著出窯熟料溫度的增加，二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫可能會(huì)升高，假定二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫恒定。圖6是出窯熟料溫度與燒成帶溫度之間的關(guān)系圖。

由圖6可知，隨著燒成帶溫度的增加，出窯熟料溫度隨之增加，兩者之間有近似直線關(guān)系，但是增加的幅度很小，說明出窯熟料溫度受到燒成帶溫度影響很小。實(shí)際生產(chǎn)過程中，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的窯系統(tǒng)，出窯熟料溫度基本恒定在1300℃，但是二次風(fēng)溫與三次風(fēng)溫卻經(jīng)常隨熟料粒度、冷卻風(fēng)量的變化而變化，而且二次風(fēng)與三次風(fēng)有一個(gè)風(fēng)量分配的問題。二次風(fēng)與三次風(fēng)既可同時(shí)升溫，又可以只有一個(gè)升高，在二次風(fēng)量較大時(shí)，窯尾溫度也會(huì)增加，因此假定窯尾溫度不變，二次風(fēng)溫與燒成帶溫度關(guān)系如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著二次風(fēng)溫的增加，熟料燒成帶溫度呈明顯增加趨勢(shì)，說明二次風(fēng)溫度對(duì)燒成帶溫度影響明顯。實(shí)際上，二次風(fēng)不僅提供了窯內(nèi)煤粉燃燒的一個(gè)熱源，而且提供了煤粉燃燒所需要的氧氣。根據(jù)二次風(fēng)溫，我們可以了解熟料的煅燒狀況，而且提高二次風(fēng)溫度，可以明顯減少窯頭喂煤量，計(jì)算結(jié)果表明，二次風(fēng)溫在1200℃時(shí)比在1100℃時(shí)，可節(jié)約4%的燃料消耗。因此較高的二次風(fēng)溫度對(duì)提高燒成帶溫度是有益的[2]，與二次風(fēng)溫相反，三次風(fēng)溫越高，意味著有較多的熱量被轉(zhuǎn)移到了分解爐，這時(shí)進(jìn)入窯內(nèi)的熱量相應(yīng)減少，燒成帶溫度變低，圖8印證了這一點(diǎn)。

隨著三次風(fēng)溫的升高，燒成帶溫度在下降，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，三次風(fēng)除了提供分解爐內(nèi)熱量，還提供分解爐內(nèi)煤粉燃燒需要的氧氣，因此從綜合的觀點(diǎn)看，三次風(fēng)溫不宜過低，至少應(yīng)該高于分解爐出口溫度，否則通過分解爐后會(huì)吸收一部分熱量。

一次風(fēng)溫與二次風(fēng)和三次風(fēng)不同，一次風(fēng)溫度較低，它的主要目的是輸送煤粉。假定二次風(fēng)溫為1100℃，三次風(fēng)溫為900℃，這時(shí)一次風(fēng)溫與與燒成帶溫度之間，呈現(xiàn)較弱的線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)僅為0.8929。當(dāng)一次風(fēng)溫升高時(shí)，燒成帶溫度并沒有明顯提高，而且隨著實(shí)際生產(chǎn)中多通道燃燒器的使用，一次風(fēng)量在逐漸減少，因此，盡管一次風(fēng)溫度最低，但是對(duì)燒成帶溫度的影響卻是微乎其微，故不必刻意提高一次風(fēng)溫，較高的一次風(fēng)溫對(duì)煤粉的輸送也十分不利。值得注意的是，由于系統(tǒng)漏風(fēng)，造成一次空氣量明顯增大。因此強(qiáng)化窯頭窯尾以及篦冷機(jī)的漏風(fēng)管理尤為重要。

2.5 筒體表面溫度

窯的筒體溫度是指示窯內(nèi)燒成帶溫度的較好指標(biāo)，但它又受到耐火材料厚度、窯皮厚度、熟料溫度、窯的轉(zhuǎn)速等影響，從熱平衡的觀點(diǎn)來看，窯外散失熱量越多，燒成帶溫度越低。由于窯皮的不斷脫落與粘附，表面溫度也會(huì)有所變化，同時(shí)熟料成分的變化導(dǎo)致液相粘度的變化，進(jìn)而窯皮厚薄也發(fā)生變化。但從一段時(shí)間來看，窯內(nèi)還是一個(gè)熱平衡的溫度場(chǎng)，窯皮基本保持在恒定的位置。由圖10可見，隨著窯筒體溫度的升高燒成帶溫度有明顯下降，這說明窯筒體溫度對(duì)燒成帶溫度影響較大，因此保證較低的窯筒體溫度對(duì)燒成帶溫度非常有利，這可以通過增加窯皮厚度，減少耐火材料磨損，及時(shí)更換耐火磚，增加一定的生料喂料量等措施解決。據(jù)統(tǒng)計(jì)筒體溫度每降低1℃約減少熱耗5.4J/kg熟料,因此采用新型隔熱材料是降低筒體溫度的有效途徑。

增加生料喂料量對(duì)燒成帶溫度的影響較小，原因是物料在進(jìn)入燒成帶后是一個(gè)微吸熱的過程，火焰對(duì)熟料的輻射成為換熱的一個(gè)主要方式。現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)主要是薄料快燒，目的是強(qiáng)化火焰對(duì)熟料的傳熱效率，實(shí)際上窯轉(zhuǎn)速的加快，對(duì)于保護(hù)厚窯皮有利，從而提高了燒成帶溫度，但是窯皮過厚，對(duì)窯內(nèi)通風(fēng)等也會(huì)造成不利影響，因此要有適宜的窯皮厚度。過去的濕法窯和懸浮預(yù)熱器窯，由于窯體過渡帶較長(zhǎng)，窯的轉(zhuǎn)速較慢，出燒成帶的高溫氣體，通過沒有窯皮的耐火材料時(shí)，大量的熱量都散失于空氣中；新型干法水泥窯由于分解率的提高，過渡帶較短，散失熱量較少，因此提高了回轉(zhuǎn)窯的熱效率。

3 燒成帶溫度監(jiān)測(cè)

現(xiàn)有的燒成帶溫度監(jiān)測(cè)，主要有兩類：一類是直接檢測(cè)，如高溫比色計(jì)等；一類是間接檢測(cè)，如紅外筒體掃描儀等。

直接測(cè)量法無論采用哪種測(cè)量?jī)x器，都會(huì)受到窯內(nèi)高濃度粉塵的影響，尤其是當(dāng)飛砂料嚴(yán)重時(shí)。對(duì)于儀器測(cè)量的對(duì)象，只能是窯皮的某個(gè)位置，既不會(huì)代表整個(gè)燒成帶溫度，也不能反映燒成帶的最高溫度，因此儀器的直接測(cè)量受到多種因素的制約。現(xiàn)在對(duì)燒成帶溫度的研究主要集中在比色高溫計(jì)圖像處理的數(shù)字量化方面。如何避免粉塵對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響以及確定測(cè)量點(diǎn)位置與燒成帶溫度等代表性的問題依然值得探討。

間接測(cè)量法是通過外部特征與燒成帶溫度之間的聯(lián)系來表征的，例如燒成帶溫度與NOX濃度間的關(guān)系；燒成帶溫度與物料被窯皮帶起之間的關(guān)系，進(jìn)而有燒成帶溫度與窯主電機(jī)電流之間的聯(lián)系；窯皮厚度一定時(shí)，燒成帶溫度越高，筒體溫度越高，兩者之間也有比較好的聯(lián)系等等。但是無論哪一種聯(lián)系，都會(huì)受到條件的制約，例如氮氧化物濃度與燒成帶溫度之間的聯(lián)系，一方面氮氧化物濃度較低，測(cè)量誤差較大，氮氧化物的生成不僅與燒成溫度有關(guān)，還與燒成帶的氧氣濃度有關(guān)，所以氮氧化物濃度受到氧氣濃度、停留時(shí)間的影響。另一方面，窯內(nèi)的還原氣氛或者分解爐內(nèi)的還原氣氛都會(huì)降低氮氧化物的濃度，因此燒成帶溫度與氮氧化物濃度的聯(lián)系就會(huì)變得不明顯。

通過上述兩種方式的比較我們可以發(fā)現(xiàn)，無論哪種測(cè)量方式都不能有效直接地反映燒成帶溫度，而要通過一定的生產(chǎn)狀況，進(jìn)行多種情況的綜合判斷，這種綜合判斷無法得出一個(gè)準(zhǔn)確的燒成帶溫度數(shù)值，只有定性地說明燒成帶溫度是高還是低。

4 結(jié)語

建立適應(yīng)新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燒成帶溫度的數(shù)字化，對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)量與質(zhì)量都十分有益。

因此，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將大量正常狀態(tài)下有關(guān)因素?cái)?shù)據(jù)輸入，建立可靠、準(zhǔn)確、適宜的數(shù)據(jù)庫，回歸出各因素與燒成帶溫度之間的聯(lián)系，從而建立良好的數(shù)學(xué)模型。在數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，編制專家系統(tǒng)軟件程序，通過專家系統(tǒng)的智能控制，得出正常狀態(tài)下燒成帶溫度的可靠檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)，就可以診斷出不正常窯況的緣由，為根本上監(jiān)測(cè)控制燒成帶溫度提供依據(jù)，為水泥生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗打下良好基礎(chǔ)。

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TQ172.622.29

A

1001-6171（2010）05-0023-04

2010-04-10；編輯：趙 蓮

國(guó)家937項(xiàng)目“水泥低能耗制備與高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”，基金編號(hào)2009CB623102