水泥窯熟料煅燒工藝計算及有關(guān)數(shù)據(jù)

1 水泥窯內(nèi)熟料煅燒工藝計算

1.1 水泥化合物和率值

C3S=4.071Ca-7.600Si-6.718Al-1.430Fe-2.852S

C2S=2.867Si-0.754C3S

C3A=2.650Al-1.692Fe

C4AF=3.043Fe

LSF=（Ca+0.75Mg*）/（2.85Si+1.18Al+0.65Fe）

硅酸率S/R=Si/（Al+Fe）

鋁氧率A/F=Al/Fe

堿當(dāng)量=Na+0.658K

熔體量（液相量）%1 450℃=3.0Al+2.25Fe+Mg+K+Na

注：Ca、Si等均代表CaO、SiO2等。

*若MgO含量超過2%，則乘以1.5。

1.2 窯皮指數(shù)

窯皮指數(shù)=C3A+C4AF+0.2C2S+2Fe

注：當(dāng)窯皮指數(shù)＜28，窯皮薄，容重輕，一般稱輕窯皮。當(dāng)窯皮指數(shù)＞33，窯皮厚，不穩(wěn)定，易結(jié)圈和結(jié)“雪人”（數(shù)據(jù)來自雷法美洲熟料參數(shù)數(shù)據(jù)表）。

1.3 易燒性系（指）數(shù)

易燒性系（指）數(shù)提出已多年，最初為簡單的庫爾（Kuehl）公式，用C3S/C3A+C4AF來表達(dá)。后通過大量的實(shí)驗室試驗，才形成復(fù)雜的方程式，其中用得最多的為米勒氏（Miller's）提出的熟料煅燒溫度1 400℃的經(jīng)驗方程式。

%fCaO 1 400℃ =0.31（%LSF-100）+2.18（S/R-1.8）+0.73Q+0.33C+0.34A式中：

Q——20%HCl酸洗后，顯微鏡確定的＞45μm的石英（SiO2）顆粒

C——溶于酸內(nèi)的＞125μm的粗顆粒石灰石（CaCO3）

A——酸洗后，顯微鏡確定的＞45μm的非石英的酸性不溶物

Q、C、A——總的原料樣品量，%（資料來源自Dutoit 1997）

1.4 熟料煅燒溫度

熟料煅燒溫度（℃）

=1 300+4.51C3S-3.74C3A-12.64C4AF

1.5 熟料形成理論熱（表1）

1.6 窯系統(tǒng)各部位煙氣速率

上限值

冷卻機(jī)篦板透風(fēng)風(fēng)速 5Am/s

窯門 6

冷卻機(jī)進(jìn)口彎曲部位下部 15

燒成帶（1 450℃） 9.5

過渡帶和窯尾進(jìn)料口（1 000℃） 13

上升管道 24

預(yù)熱器煙氣管道 （1號 頂部） 8～10（4號、5號 下部）13～16

下限值

三次風(fēng)管 25Am/s

煤粉輸送速率 20

注：Am/s——工米/秒

煙氣內(nèi)所含粉塵量隨煙氣速率增加的三次方增多。

表1 熟料形成的理論熱，kJ/kg

1.7 窯熱平衡（表2）

（1）全部重量和容積均以1kg熟料為基準(zhǔn)。

（2）強(qiáng)度以環(huán)境溫度20℃為基準(zhǔn)。

（3）窯料、窯粉塵和熟料所用的單位熱焓，可通過料的成分和溫度及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值來計算，但較復(fù)雜。經(jīng)驗證實(shí)，采用有代表性的經(jīng)驗值進(jìn)行計算較簡便（見表3）。

（4）燃料可采用干燥基，其重量和kJ/kg應(yīng)一致，通常使用低位熱值。

（5）熟料冷卻空氣+一次空氣+漏風(fēng)+凈燃燒煙氣+分解生成的CO2+水分=窯廢氣+冷卻機(jī)廢氣。

（6）揮發(fā)熱值計算為：窯料×%水分×顯熱，若煤直接燃燒，其水分在計算時必須考慮。

（7）廢氣容重（D）和熱焓（SH），可通過其成分（表4）計算。為簡化計算，可采用表5上常用的煙氣成分在不同溫度的熱焓變化值來進(jìn)行計算。

表2 窯熱平衡（有代表性）*，kJ/kg熟料

表3 單位熱焓經(jīng)驗值，kJ/kg/℃

表4 煙氣性能

表5 不同溫度煙氣熱焓，kJ/kg/℃

（8）旁路放風(fēng)熱值可通過煙氣和粉塵的成分分析值來進(jìn)行計算，也可采用估算的煙氣容重和熱焓數(shù)值來計算。

（9）輻射熱可以通過測試筒體表面溫度、環(huán)境溫度、散熱面積來計算，也可選用熱焓數(shù)值來進(jìn)行計算。

1.8 窯截面單位熱負(fù)荷

窯截面單位熱負(fù)荷

式中：

F——入窯燃燒燃料量

GCV——燃料高位熱值

D——窯有效內(nèi)徑

熱負(fù)荷計算需要提供燃料高位熱值，而上升管道分解爐內(nèi)燃燒的燃料除外。

標(biāo)準(zhǔn)的容積熱負(fù)荷值見表6。

1.9 窯內(nèi)物料停留時間

按照美國礦物局公式，窯內(nèi)物料停留時間計算公式如下：

t=11.2L/rDS

表6 各種窯型的容積負(fù)荷值

t——停留時間，min

L——窯長度，m

r——窯速，r/min

D——窯有效直徑，m

S——斜度

窯內(nèi)物料停留時間還與物料的性能有關(guān)，上述計算僅為大致估算時間。

預(yù)熱器窯斜度一般為3%～3.5%，而預(yù)分解窯斜度通常為4%。表7為斜度與百分?jǐn)?shù)%的關(guān)系值。

1.10 窯內(nèi)物料容積負(fù)荷

窯內(nèi)物料容積負(fù)荷值僅僅是一個趨勢，而不是精確值，這取決于物料在窯內(nèi)停留時間和容重。

物料負(fù)荷（%）=1.67×FR×W×t/L×A式中：

FR——喂料率（轉(zhuǎn)換成1kg熟料的入窯物料量）

W——熟料產(chǎn)量，t/h

A——有效橫截面，m2

此外，單位容積窯產(chǎn)量可用每立方米、每小時的產(chǎn)量來表達(dá)。各種窯型的范圍值大致如下：

預(yù)熱器窯 80～90kg/m3/h

管路分解窯 100～130kg/m3/h

預(yù)分解窯 120～150kg/m3/h

大型預(yù)分解窯 ＞180kg/m3/h

1.11 窯的產(chǎn)量與直徑的關(guān)系

假設(shè)：預(yù)熱器窯熱負(fù)荷=2t/d/m3

預(yù)分解窯熱負(fù)荷=4.5t/d/m3

燃料按50：50，窯內(nèi)耐火磚厚度按200mm進(jìn)行計算，則窯的單位容積熱負(fù)荷及其日產(chǎn)量（t/d）見表8。

1.12 窯的傳動功率

功率（kW）=πL（D/2）2/4.7

式中：

L——窯長，m

D——窯徑，m窯正常操作時的功率約為裝機(jī)功率的一半。

1.13 冷卻機(jī)效率

E（%）=[C1-（V+C2+R）]/C1

式中：

C1——出窯熟料含熱量

C2——出冷卻機(jī)熟料含熱量

V——入冷卻機(jī)空氣含熱量

R——冷卻機(jī)表面散熱量

冷卻機(jī)熱回收效率大致如下：第二代篦式冷卻機(jī)為60%～70%，第三代空氣梁篦冷機(jī)為70%～75%，第四代往復(fù)式冷卻機(jī)為75%～78%。

1.14 窯煙氣（煤）

煤分析成分的重量百分比（%）

表7 窯的斜度與百分?jǐn)?shù)的關(guān)系值

表8 窯的日產(chǎn)量

C 75.0%

H 5.0%

S 1.0%

O 9.0%

N 1.0%

煤灰 8.0%

低位熱值 7 100×4.18kJ/kg

水分 10.0%

按間接燃燒和熱耗為800×4.18kJ/kg熟料計算，則煤耗為0.112 7kg/kg熟料，燃燒所產(chǎn)生的煙氣為：

C=0.80×113→84.75g×22.4/12=158LCO2=226gO2

H=0.05×113→5.65g×22.4/2=63LH2O =45

S=0.01×113→1.13g×22.4/32=0.8LSO2=1

N=0.01×113→1.13g×22.4/14=1.8LNO2=3

O=0.09×113→10.17g

總計O2323gO2

式中L為升。

然后，加上用于燃燒的O2=（275-10）g=265g=186L或0.186m3（標(biāo)），相當(dāng)于空氣中的N2=185L×79/21=695L或0.695m3（標(biāo)）。

原料分解產(chǎn)生的CO2按1kg熟料量計算（假定入窯生料燒失量為0.35%），則：

[（1 000/0.65）-1 000]g=538g=274L或0.274m3（標(biāo)）

則廢氣中總的CO2量=274L+190L=464L或0.464m3（標(biāo)）。

入窯生料水分（假定1kg熟料的生料為1.65kg，含水量為0.5%）：

1kg×1.65×0.005=8.25g=10L或0.01m3（標(biāo)）

則總的H2O廢氣量為=10L+63L=73L或0.073m3（標(biāo)）

則廢氣量（無過?？諝猓椋?/p>

CO20.432m3（標(biāo)）=36.0%

H2O0.073m3（標(biāo)）=6.1%

SO20.001m3（標(biāo)）=0.1%（830ppm）

N20.695m3（標(biāo)）=57.8%

合計1.201m3（標(biāo)）

估計，煅燒kg熟料產(chǎn)生的凈煙氣量（過剩空氣為0）=（kJ/kg/4.18×0.001 15）+0.284

估計，煅燒kg熟料產(chǎn)生的煙氣量為（過剩空氣為n）=凈m3（標(biāo)）/kg×[1+n/（21-n）]

不同過?？諝饬康臒煔馕锢硇阅芤姳?。

表9 煙氣物理性能

燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣（無過?？諝猓c單位熱耗和燃料品種有關(guān)，不同種類燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣大致如下：

m3（標(biāo)）/kg熟料煤=kJ/kg/4.18×0.001 15

油=kJ/kg/4.18×0.001 19

天然氣=kJ/kg/4.18×0.001 32

上述數(shù)據(jù)加上0.284m3（標(biāo)）/kg熟料，該值為CaCO3分解和水蒸發(fā)所消耗的熱量所產(chǎn)生的煙氣量，則為總煙氣量。

1.15 揮發(fā)成分循環(huán)

熟料煅燒過程中，燒成帶內(nèi)K、Na、S和Cl等化合物產(chǎn)生局部揮發(fā)。熔融溫度和揮發(fā)溫度見表10。

共熔化合物將降低熔融點(diǎn)溫度。

燒成帶內(nèi)窯料揮發(fā)，隨煙氣后逸冷卻，在預(yù)熱器內(nèi)熔融，工藝流程見圖1（Norbom 1973）。

表10 化合物的熔融溫度和揮發(fā)溫度

表11 預(yù)熱器（無旁路放風(fēng)）確定循環(huán)常用系數(shù)和典型值

圖1 窯系統(tǒng)揮發(fā)循環(huán)

外循環(huán)的粉塵通過收塵裝置收集后，隨生料再次入窯，在此處不再考慮。若粉塵不用水洗，粉塵e將完全入窯。

表11為預(yù)熱器（無旁路放風(fēng)）確定循環(huán)常用系數(shù)和典型值。一次揮發(fā)適用于原料，而二次揮發(fā)用于循環(huán)物料。當(dāng)SO3的化學(xué)當(dāng)量超過堿，則產(chǎn)生揮發(fā)。更為復(fù)雜的討論見原文。此外，還應(yīng)考慮煙氣中存在CO還原氣氛時，CaSO4分解產(chǎn)生的SO2循環(huán)。

1.16 窯氣旁路放風(fēng)估計值（表12、13）

1.17 其他窯型

其他種類窯型有：濕法長窯、干法長窯、立波爾窯、立窯、流態(tài)化窯和小型窯等，有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表14。

不同窯型生產(chǎn)的熟料易磨性能是變化的，通常立波爾窯生產(chǎn)的熟料較易磨（假定為100），最難磨的為干法長窯，為117。

不同窯型的性能見表15。

煙氣量指實(shí)際值，未采用標(biāo)準(zhǔn)的排放指數(shù)（在10%O2干煙氣）來校正。

SFC為單位燃料消耗（單位熟料熱耗）SPC為單位動力消耗（單位熟料電耗）資料來源：Manias in Bhatty 2004。

2 燃料

下述數(shù)據(jù)用于固體、液體和氣體燃料。資料來源于Jenkins“水泥制造燃料變化的市場”。

世界各地的燃料資源敘述源自www.BP.com。

表12 揮發(fā)系數(shù)

表13 旁路放風(fēng)效率

2.1 固體燃料常用的有代表性的數(shù)據(jù)

表16為固體燃料常用的有代表性的數(shù)據(jù)。

工業(yè)分析：水+揮發(fā)物+固定碳（C）+煤灰=100%

元素分析：C+H+N+S+O+煤灰=100%

高位熱值：kJ/kg/4.18=80.8C+22.45S+339.4H-35.9O

低位熱值：kJ/kg/4.18=80.8C+22.45S+287（H-O/8）-6W（W指水含量）。

高位熱值-低位熱值=51.5H

H指總的H2，包括H2O。

高位熱值是指燃燒產(chǎn)生的理論熱，假定水是冷凝的，實(shí)際上水是水蒸氣冷凝的，只是在低位熱值回收。

2.2 液態(tài)燃料常用數(shù)據(jù)

表14 不同窯型的產(chǎn)能、熱耗、長徑比

表15 不同窯型關(guān)鍵數(shù)據(jù)摘要

表16 固體燃料常用的有代表性的數(shù)據(jù)*

表17 液態(tài)燃料常用數(shù)據(jù)

表18 氣相燃料常用數(shù)據(jù)

表17是液態(tài)燃料常用數(shù)據(jù)。

重柴油重度=141.5/容重-131.5

一桶油=42加侖（美）

2.3 氣相燃料常用數(shù)據(jù)

表18為氣相燃料常用數(shù)據(jù)。

高位熱值kJ/m3/4.18=90.3CH4+159.2C2H6+229C3H8+301.9C4H10+373.8C5H12+57.6H2S

大多數(shù)使用的天然氣內(nèi)不含硫，原因是天然氣中含的硫在交貨前均已清除。

燃?xì)庖夯w積相當(dāng)于不同燃?xì)獾臍怏w量如下：

1L燃?xì)庖夯w積相當(dāng)于：甲烷→600L氣體

丙烷→139L氣體

丁烷→119L氣體

3 物料

3.1 筒倉儲存物料的堆積密度（表19）休止角

圖2 不同形式的硫酸鈣溶解度

圖3 溫度對各種形式硫酸鹽溶解度的影響

表19 筒倉儲存物料的堆積密度，kg/m3

表20 密度和易磨性

熟料和干燥石灰石 30°～35°

水泥 20°

石膏 30°

鋁礬土 30°

表21 硫酸鹽的溶解度，g/L

3.2 密度和易磨性（表20）

3.3 硫酸鹽的溶解度（表21）

3.4 不同形式的硫酸鈣溶解度（圖2）

3.5 溫度對各種形式硫酸鹽溶解度的影響（圖3）

3.6 材料的線性熱膨脹系數(shù)

材料名稱 單位，μm/m/℃

鋁

22.7

磚

6.4

混凝土 14.6

銅

16.5

鋼鐵 11.6

陳友德 編譯自

《The Plant Operations Handbook》

第六版P247～263

作者：Philip A.Alsop,PbD

出版單位：International Cement Review