水泥生產(chǎn)工藝及水泥熟料的形成

水泥生產(chǎn)工藝及水泥熟料的形成水泥生料經(jīng)過連續(xù)升溫，達到相應的溫度時，其煅燒會發(fā)生一系列物理化學變化，最后形成熟料。硅酸鹽水泥熟料主要由硅酸三鈣（C3S）、硅酸鹽二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）等礦物所組成。硅酸鹽水泥生料通常是用石灰石、黏土及少量鐵礦石等按適當?shù)谋壤渲贫?。石灰石的主要組成是碳酸鈣（CaCO3）和少量的碳酸鎂（MgCO3），黏土的主要礦物是高嶺石（2SiO2A12O32H2O）及蒙脫石（4SiO2A12O39H2O）等，鐵礦石的主要組成是氧化鐵（Fe2O3）。硅酸鹽水泥熟料形成的過程，實際上是石灰石、黏土、鐵礦石等主要原料經(jīng)過加熱，發(fā)生一系列物理化學變化形成C3A.C4AF.C2S和C3S等礦物的過程，不論窯型的變化如何，其過程是不變的。一、煅燒過程物理化學變化水泥生料在加熱煅燒過程中所發(fā)生的|（一）自由水的蒸發(fā)（二）黏土質(zhì)原料脫水和分解（三）石灰石的分解（四）固相反應（五）熟料燒成（六）熟料的冷卻（一）自由水的蒸發(fā)無論是干法生產(chǎn)還是濕法生產(chǎn)，入窯生料都帶有一定量的自由水分，由于加熱，物料溫度逐漸升高，物料中的水分首先蒸發(fā)，物料逐漸被烘干，其溫度逐漸上升，溫度升到100~150°C時，生料自由水分全部被排除，這一過程也稱為干燥過程。（二）黏土質(zhì)原料脫水和分解黏土主要由含水硅酸鋁所組成，其中二氧化硅和氧化鋁的比例波動于1~4:1之間。當生料烘干后，被繼續(xù)加熱，溫度上升較快，當溫度升到450C時，黏土中的主要組成高嶺土（AI2O3?2SiO2-2H2O）失去結(jié)構(gòu)水，變?yōu)槠邘X石（2SiO2?AI2O3）。高嶺土進行脫水分解反應時，在失去化學結(jié)合水的同時，本身結(jié)構(gòu)也受到破壞，變成游離的無定形的三氧化二鋁和二氧化硅，其具有較高的化學活性，為下一步與氧化鈣反應創(chuàng)造了有利條件。在900-950C,由無定形物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，同時放出熱量。（三）石灰石的分解脫水后的物料，溫度繼續(xù)升至6001以上時，生料中的碳酸鹽開始分解，主要是石灰石中的碳酸鈣和原料中夾雜的碳酸鎂進行分解，并放出二氧化碳，其反應式如下：實驗表明：碳酸鈣和碳酸鎂的分解速度隨溫度升高而加快，在600~700°C時碳酸鎂已開始分解，加熱到750C分解劇烈進行。碳酸鈣分解溫度較高，在900C時才快速分解。碳酸鈣（CaCO3）是生料中的主要成分，分解時需要吸收大量的熱，其分解過程中消耗的熱量約占干法窯熱耗的一半以上，其分解時間和分解率都將影響熟料的燒成。因此，碳酸鈣的分解是水泥熟料生產(chǎn)中重要的一環(huán)。碳酸鈣的分解具有可逆的性質(zhì)，如果反應在密閉容器中一定的溫度下進行，則隨著碳酸鈣的分解，氣體CO2的總量的增加，其分解速度就要逐漸減慢甚至為零。因此，在煅燒窯內(nèi)或分解爐內(nèi)加強通風，及時將CO2氣體排出則是有利于碳酸鈣的分解，窯系統(tǒng)內(nèi)CO2來自碳酸鹽的分解和燃料的燃燒，廢氣中CO2含量每減少2%，約可使分解時間縮短10%。當窯系統(tǒng)內(nèi)通風不暢時，CO2不能及時被排出，廢氣中CO2含量的增加，會影響燃料燃燒，使窯溫降低，廢氣中CO2含量的增加和溫度降低都要延長碳酸鈣的分解時間。由此可見，窯內(nèi)通風對碳酸鈣的分解起著重要的作用。（四）固相反應黏土和石灰石分解以后分別形成了CaO、MgO、SiO2、A12O3等氧化物，這時物料中便出現(xiàn)了性質(zhì)活潑的游離氧化鈣，它與生料中的二氧化硅、三氧化二鐵和三氧化二鋁等氧化物進行固相反應，其反應速度隨溫度升高而加快。水泥熟料中各種礦物并不是經(jīng)過一級固相反應就形成的，而是經(jīng)過多級固相反應的結(jié)果，反應過程比較復雜，其形成過程大致如下：應該指出，影響上述化學反應的因素很多，它與原料的性質(zhì)、粉磨的細度及加熱條件等因素有關(guān)。如生料磨得愈細，混合得愈均勻，就增加了各組分之間的接觸面積，有利于固相反應的進行。如從原料的物理化學性質(zhì)來看，黏土中的二氧化硅若是以結(jié)晶狀態(tài)的石英砂存在，就很難與氧化鈣反應，若是由高嶺土脫水分解而來的無定形二氧化硅，沒有一定晶格或晶格有缺陷，則易與氧化鈣進行反應。從以上化學反應的溫度不難發(fā)現(xiàn)，這些反應溫度都小于反應物和生成物的熔點（如CaO、SiO2與2CaO?SiO2的熔點分別為2570°C、1713°C與2130。0，就是說物料在以上這些反應過程中都沒有熔融狀態(tài)物出現(xiàn)，反應是在固體狀態(tài)下進行的。因此叫固相反應，又由于以上反應在進行時放出一定的熱量，因此，這些反應又統(tǒng)稱為"放熱反應”。熟料燒成由于固相反應，生成了水泥熟料中C4AF、C3A、C2S等礦物，但是水泥熟料的主要礦物C3S要在液相中才能大量形成。當物料溫度升高到近13001時，會出現(xiàn)液相，形成液相的主要礦物為C3A、C4AF、R2O等熔劑礦物，但此時，大部分C2S和CaO仍為固相，但它們易被高溫的熔融液相所溶解，這種溶解于液相中的C2S和CaO很容易起反應，而生成硅酸三鈣：2CaO?SiO2+CaO-3CaO?SiO2(C3S)這個過程也稱石灰吸收過程。當然，C3S也可以通過固相反應來形成，但是煅燒過程需要更高的溫度和更長的時間，這種辦法在工業(yè)上至少在目前還沒有什么實用價值。大量C3S的生成是在液相出現(xiàn)之后，普通硅酸鹽水泥熟料組成一般在1300^左右時就開始出現(xiàn)液相，而C3S形成最低溫度約在1350°C，在1450°C下C3S絕大部分生成，所以熟料燒成溫度可寫成1350~1450C，它是決定熟料質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，若此溫度有保證則生成的C3S較多，熟料質(zhì)量較好；反之，生成C3S較少，熟料質(zhì)量較差。不僅如此，此溫度還影響著C3S的生成速度，隨著溫度的長高，C3S生成的速度也就加快，在1450C時，反應進行非常迅速，此溫度稱為熟料燒成的最高溫度，所以水泥熟料煅燒設(shè)備，必須能夠使物料達到如此高的溫度。否則，燒成的熟料質(zhì)量將受影響。任何反應過程都需要有一定的時間，C3S的形成也一樣，它的形成不僅需要有溫度的保證，而且需要在該溫度下停留一定的時間，使之能反應充分。煅燒較均勻的回轉(zhuǎn)窯所需時間可短些，時間過長易使C3S生成粗而圓的晶體，使其強度發(fā)揮慢而低，一般需要在高溫下煅燒20-30min。C3S是水泥熟料的主要礦物，影響C3S的生成因素如下：1、生料的組分數(shù)對液相生成的影響組分數(shù)增加，最低共熔點降低，尤其是組分中增加熔點低的物質(zhì)時，液相出現(xiàn)的溫度更要降低。硅酸鹽水泥熟料中一般都有少量鎂、堿、硫等其他組分，其最低共熔溫度約為1250-1280°C，雖然這些次要組分能使液相提早生成，但它們是有害組分，對其含量都有一定的限制。2、化學成分的影響—般鋁酸三鈣（C3A）和鐵鋁酸四鈣（C4AF）在13001左右時，都能熔成液相，所以稱C3A和C4AF為熔劑性礦物。液相量是隨著AI2O3和Fe2O3的增加而增加，熟料中MgO、R2O等成分也能增加液相量。一般硅酸鹽水泥熟料成分生成的液相量可近似用下式進行計算:C3A和C4AF都是熔劑性礦物，但它們生成液相的黏度是不同的，C3A形成的液相黏度大，C4AF形成的液相黏度小。因此，當熟料中C3A和Al2O3含量增加，C4AF或Fe2O3含量減少時，即熟料的鋁率增加時，生成液相黏度增加，反之則液相黏度減小。因此，液相量的多少和黏度的大小，對C3S的生成會有很大影響，如果液相量多、黏度小，有利于C3S的生成，因為液相量多時，CaO和C2S在其中的溶解量也多；黏度小時，液相中CaO和C2S分子擴散速度大，相互接觸的機會多，故反應進行得充分。但應注意，如果液相量過多，黏度過小，則會給煅燒操作帶來困難，如易結(jié)圈、燒流等；同時，因為硅酸鹽礦物的減少將會影響熟料質(zhì)量。3、煅燒溫度的影響提高煅燒溫度可降低液相黏度，由式（1-1）、式（1-2）可看出，煅燒溫度的提高也使液相的百分含量增多。但煅燒溫度不宜過高，煅燒溫度過高了在窯內(nèi)易結(jié)大塊、結(jié)圈等弊??；而且煅燒溫度過高還易使C3S生成大而圓的晶體，這個大而圓的晶體很致密，與水作用速度很慢，使強度發(fā)揮慢，故最高燒成溫度應控制在1450。。（六）熟料的冷卻當熟料燒成后，溫度開始下降，同時C3S的生成速度也不斷減慢，溫度降到1300°C以下時，液相開始凝固，C3S的生成反應完結(jié)。此時凝固體中含有少量的未化合的CaO，則稱為游離氧化鈣，溫度繼續(xù)下降便進入熟料的冷卻階段。熟料燒成后要進行冷卻，其目的在于改進熟料質(zhì)量，提高熟料的易磨性；回收熟料余熱，降低熱耗，提高熱的效率；降低熟料溫度，便于熟料的運輸、儲存和粉磨。熟料冷卻的好壞及冷卻速度，對熟料質(zhì)量影響較大，因為部分熔融的熟料，其液相在冷卻時，往往還和固相進行反應。熟料中礦物的結(jié)構(gòu)取決于冷卻速度、固液相中的質(zhì)點擴散速度、固液相的反應速度等。如果冷卻很慢，使固液相中的離子擴散足以保證固液相間的反應充分進行，就稱為平衡冷卻。如果冷卻速度中等，使液相能夠析出結(jié)晶，由于固相中質(zhì)點擴散很慢，不能保證固液相間反應充分進行，就稱為獨立結(jié)晶。如果冷卻很快，使液相不能析出晶體成為玻璃體，就稱為淬冷。現(xiàn)以C3S-C2S-C3A組成的系統(tǒng)為例來看冷卻速度不同，最后所得礦物組成是不同的。表1C3S-C2S-C3A系統(tǒng)熟料礦物組成在熟料的冷卻過程中，將有一部分熔劑礦物（C3A和C4AF）形成結(jié)晶析出，另一部分熔劑礦物則因冷卻速度較快來不及析晶而呈玻璃態(tài)存在。C3S在高溫下是一種不穩(wěn)定的化合物，在1250°C時，容易分解，所以要求熟悉產(chǎn)自1300C以下要進行快冷，使C3S來不及分解，越過1250C以后C3S就比較穩(wěn)定了。對于1000°C以下的冷卻，也是以快速冷卻為好，這是因為熟料中C2S有a’aBY四種結(jié)晶形態(tài)，溫度及冷卻速度對C2S的晶型轉(zhuǎn)化有很大影響，這可以從C2S的多晶轉(zhuǎn)化式中看出來。將高溫下a-C2S緩慢冷卻時：由上式看出：在高溫熟料中，只存在a-C2S;若冷卻速度緩慢，則發(fā)生一系列的晶型轉(zhuǎn)化，最后變?yōu)閅-C2S，在這一轉(zhuǎn)化過程中由于密度的減小，使體積增大10%左右，從而導致熟料塊的體積膨脹，變成粉未狀，在生產(chǎn)中叫做"粉化”現(xiàn)象。Y-C2S與水不起水化作用，幾乎沒有水硬性，因而會使水泥熟料的強度大為降低。為了防止這種有害的晶型轉(zhuǎn)化，要求熟料快速冷卻。熟料快速冷卻還有下列許多好處：可防止C3S晶體長大或熟料完全就成晶體。有關(guān)資料表明：晶體粗大的C3S會使熟料強度降低，若熟料中的礦物完全變成晶體，就難于粉磨。快冷時，MgO凝結(jié)于玻璃體中，或以細小的晶體析出，可以減輕水泥凝結(jié)硬化后方鎂石晶體緩慢水化出現(xiàn)體積膨脹，使安定性不良。快冷時，熟料中的C3A的晶體較少，水泥不會出現(xiàn)快凝現(xiàn)象，并有利于抗硫酸鹽性能的提高。快冷可使水泥熟料中產(chǎn)生應力，從而增大了熟料的易磨性。此外熟料的冷卻，還可以部分地回收熟料出窯帶走的熱量，即可降低熟料的總熱耗，從而提高熱的利用率。熟料的冷卻對熟料質(zhì)量和節(jié)約能源都有著重要的意義，因此回轉(zhuǎn)窯要選用高效率的冷卻機，并減少冷卻機各處的漏風，在提高其冷卻效率的同時回收熟料的顯熱，提高窯的熱效率。二、熟料形成熱由熟料的形成過程可以看出，水泥生料加熱過程中發(fā)生的一系列物理化學變化有些是吸熱反應，有些是放熱反應。表中所列為水泥煅燒過程中各反應溫度和熱效應。表2水泥熟料的反應制度和熱效應各水泥熟料礦物凡是固體狀態(tài)生成的均為放熱反應，只有C3S是在液相中形成，一般認為是微吸熱反應。各反應生成物及熱效應數(shù)值如下：表3反應生成物及熱效應數(shù)值由以上討論，可得到這樣的結(jié)論：熟料煅燒的全過程，在1000°C以下主要是吸熱反應，而在1000C以上主要是放熱反應。那么什么叫熟料形成熱呢？所謂熟料形成熱是指在一定生產(chǎn)條件下，制成1kg同溫度的熟料所需要的熱量。因而根據(jù)物料在反應過程中的化學反應熱和物理熱，可計算出生成1kg普通硅酸鹽水泥熟料的理論熱耗：熟料形成熱與所采用的原料有很大的關(guān)系，熟料形成熱的波動范圍一般在1650~1800kJ/kg-cl之間，水泥熟料形成各階段中，以碳酸鈣分解吸收熱量最多，約占總吸收熱量的一半左右，該階段是水泥熟料生產(chǎn)熱耗量最大的環(huán)節(jié)。煅燒1kg熟料，在理論上要消耗1650~1800kJ/kg的熱量，這就需要有專門的設(shè)備供給這些熱量，才能生產(chǎn)熟料。但在實際生產(chǎn)中形成的熟料和廢氣不可能冷卻到0°C,因而必然帶走一部分熱量；生產(chǎn)過程不可能沒有物料損失及物料循環(huán)的存在，其煅燒設(shè)備還要向外散失熱量，因此，實際生產(chǎn)每1kg熟料消耗的熱量，必然比熟料形成熱要大得多，根據(jù)生產(chǎn)方法和使用的設(shè)備不同，一般在3400~7500kJ/kg范圍內(nèi)，這就是熟料的單位熱耗。熟料的單位熱耗越接近熟料形成熱，煅燒設(shè)備的熱效率越高。熟料單位熱耗的高低，與所采用的生產(chǎn)方法和所使用的煅燒設(shè)備有關(guān)，水泥熟料的煅燒設(shè)備目前常用的有立窯和回轉(zhuǎn)窯。三、熟料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒（一）回轉(zhuǎn)窯的作用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥熟料，可分為濕法、半干法、干法、新型干法等幾種回轉(zhuǎn)窯類型，本書重點介紹新型干法中預分解窯水泥熟料的煅燒。雖然水泥熟料生產(chǎn)的窯有兩大類，很多種類型，但是水泥熟料煅燒的基本過程是一樣的，就是說水泥熟料形成物理、化學反應所需的條件是相同的，只不過所采用的生產(chǎn)方式不同?；剞D(zhuǎn)窯煅燒水泥熟料，是利用一個傾斜的回轉(zhuǎn)圓筒（斜度一般在3%-5%），生料由圓筒的高端加入（即窯尾），由于圓筒具有一定的斜度且不斷回轉(zhuǎn)運動，物料就會從高端向低端（即窯頭）逐漸運動，因此，回轉(zhuǎn)窯首先是一個物料輸送設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯又是燃燒設(shè)備，可使用固體（粉狀）、液體、氣體三種不同類型的燃料，我國水泥廠主要以煤粉作燃料，先將煤破碎、烘干，再經(jīng)細磨制成粉狀，用鼓風機由窯頭向窯內(nèi)噴入。燃燒用的空氣由兩部分組成，一部分預先和煤粉混合并起輸送作用，完成煤粉向窯內(nèi)噴射的過程，該空氣載體叫做"一次空氣”，一般占總?cè)敫G空氣量的8%-30%左右；大部分入窯空氣經(jīng)過熟料冷卻時被加熱到一定溫度（一般600OC以上）進入窯內(nèi)的，該部分空氣叫做"二次空氣”。煤粉在窯內(nèi)燃燒后，形成高溫火焰（一般可達1600-1700C），放出大量熱，高溫氣體在高溫風機的抽引下，沿著回轉(zhuǎn)筒體向窯尾方向流動，它和煅燒熟料產(chǎn)生的廢氣一起經(jīng)過預分解系統(tǒng)，再經(jīng)過降溫、收塵凈化后排至大氣中?？梢姡邷貧怏w和高溫火焰?zhèn)鹘o的熱量，物料經(jīng)過不同的溫度區(qū)域或溫度場，發(fā)生一系列的物理化學變化后，而被煅燒成熟料，其后進入冷卻機，與冷空氣進行熱交換，本身被冷卻，冷空氣預熱后作為二、三次空氣進入窯內(nèi)和分解系統(tǒng)內(nèi)，因此，回轉(zhuǎn)窯又是一個傳熱設(shè)備。（二）煤粉在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒過程1、著火與著火溫度任何燃料的燃燒過程都有著火及燃燒兩個階段，由緩慢的氧化反應轉(zhuǎn)變?yōu)閯×业难趸磻慈紵┑乃查g叫著火，轉(zhuǎn)變時的最低溫度叫著火溫度，在大氣壓下各燃料在空氣中的著火溫度大致范圍列入表中。表4在大氣壓下燃料在空氣中著火溫度范圍2、燃燒過程煤粉在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒的比較復雜，煤粉在燃燒的同時還要向窯尾方向運動，并且在燃燒過程中還要進行傳熱，這幾方面又相互影響著，現(xiàn)分述如下：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煤粉是以分解狀態(tài)噴入高溫帶處，正常生產(chǎn)時高溫帶溫度很高，煤粉易著火燃燒；當開窯點火時，窯內(nèi)無熱源，必須在距窯口3-5m處放置木柴、廢油、棉紗等，將易燃物點燃燒，使該處溫度上升到煤粉的著火溫度，然后再噴進煤粉進行燃燒。煤粉受熱后先是被干燥，將煤中所含1%-2%的水分排出，溫度升到450-500°C時，煤粉里的揮發(fā)分開始逸出，在700-800°C時將全部逸出（煤粉中水發(fā)和揮發(fā)分逸出后剩下的是固定炭粒和灰分），當揮發(fā)分遇到熾熱的空氣時便著火燃燒，生成氣態(tài)的CO2和H2O，它們包圍在剩下的固定炭粒周圍，固定炭粒的燃燒，除了要有足夠的溫度外，還必須待空氣中的氧通過擴散透過包圍在固定炭粒周圍的氣膜，與固定炭粒接觸后才能進行燃燒，顯然固定炭粒的燃燒是很緩慢的，它的燃燒速度與氣體擴散速度（包括燃燒產(chǎn)物擴散離開炭粒表面和氧氣擴散到固定炭粒子表面）有很大關(guān)系。所以，加強氣流擾動，以增加氣體擴散速度，將大大加速固定炭粒的燃燒。煤粉噴出有一定距離，噴煤管噴出的煤粉首先是預熱干燥，不可能立即燃燒，隨著煤粉噴出距離的增加，溫度的長高，揮發(fā)分逐步逸出并燃燒，發(fā)出熱量，隨即固定炭粒開始燃燒。煤粉由噴嘴噴出，經(jīng)過一段距離后才能燃燒，煤粉自噴嘴噴出至開始燃燒的這段距離稱為黑火頭。煤粉燃燒后形成的焰面，產(chǎn)生熱量，使溫度升高，熱量從高溫向低溫傳遞，由于焰面后面未燃燒的煤粉比焰面溫度低，因此焰面不斷向焰面后未燃燒的煤粉傳熱，使其達到著火溫度而燃燒，形成新的焰面，這種焰面不斷向未燃物方向移動的現(xiàn)象叫火焰的傳播（或擴散），傳播的速度稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣取５⒁獾氖钦麄€煤粉是以一定速度噴入窯內(nèi)的，所以火焰既有一個向窯尾方向運動的速度，又有向后傳播的速度，當噴出速度過大，火焰來不及向后傳播時，燃燒將中斷，火焰熄滅；當噴出速度過小，火焰不斷向后傳播，直至傳入噴煤管內(nèi)，這稱為"回火”，若發(fā)生"回火”將會引起爆炸的危險，所以噴出速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣纫浜虾谩；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扰c煤粉的揮發(fā)分、水分、細度、風煤混合程度等因素有關(guān)，當煤粉揮發(fā)分大、水分少、細度細，風煤混合均勻，火焰?zhèn)鞑ニ俣染涂?，否則相反。3、一次風的作用煤粉借助一次風的風力自窯噴煤管噴入窯內(nèi)，一次風不但對煤粉起輸送作用，同時還供給煤的揮發(fā)分燃燒所需的氧氣。一次風量占總空氣量的比例不宜過多，因為一次風量的增加相應地就會使二次風比例降低（總用風不變的情況），二次風的減少會影響到熟料冷卻，使熟料帶走的熱損失增加。另外，一次風溫度比二次風溫度要低（為使煤粉不致爆炸，一次風溫度不能高于120。0，這樣燃燒溫度也要降低。4、二次風的作用二次風先經(jīng)過冷卻機與熟料進行換熱，熟料被冷卻的同時，二次風被預熱到400-800。（目前國內(nèi)只能達600。左右），再入窯供燃料燃燒。由于二次風比一次風能預熱到較高的溫度，因此可得到較高的燃燒溫度。由于一、二次風分別入窯，二次風對氣流能產(chǎn)生強烈的擾動作用，有利于固定炭的燃燒，但另一方面，也要注意到二次風與煤粉顆粒的接觸，總是從火焰表面開始的，逐漸深入到火焰的中心，在同一截面上，火焰外圍與中心燃燒程度有關(guān)別，有可能在火焰中心容易引起不完全燃燒，因此，有人建議采用三次風的設(shè)想。（三）窯外分解技術(shù)水泥熟料煅燒窯外分解技術(shù)，是20世紀70年代發(fā)展起來的新技術(shù)，它是帶懸浮預熱器回轉(zhuǎn)窯的進一步發(fā)展，即在懸浮預熱器和回轉(zhuǎn)窯之間增設(shè)一個分解爐，生料經(jīng)預熱器后進入分解爐中進行碳酸鹽分解反應，使入窯生料碳酸鈣分解率達到85%-95%，由此大大減輕了回轉(zhuǎn)窯的熱負荷，窯的產(chǎn)量可比懸浮預熱器窯提高1-2倍，同時延長了耐火材料的使用壽命，提高了窯的運轉(zhuǎn)率。當今的水泥熟料生產(chǎn)多數(shù)采用窯外分解技術(shù)，其發(fā)展趨勢是大型化、高產(chǎn)量，單位熱耗大幅下降。由水泥熟料的形成過程可知，在干法窯中，熟料的煅燒過程大致可分為預熱、分解和燒成三個主要過程。這三個過程各有不同的特點，預熱與分解過程，溫度不需要很高（900°C以下），但所需的熱量卻很多，尤其是分解過程更為突出，所需的熱量大約占總熱耗50%左右，而燒成過程則需要較高的溫度（1450C左右）和足夠的反應時間，而需要的熱量很少。若用普通回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥熟料，這三個過程都在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成或進行，通過生產(chǎn)實踐證明，回轉(zhuǎn)窯作為燒成設(shè)備尚能滿足要求，能達到足夠的燒成溫度和保證物料在高溫下的停留時間，但作為傳熱設(shè)備則不夠理想，對需要熱量較大的兩個過程就不太適合。為了增加傳熱能力，只得把回轉(zhuǎn)窯筒體做的又大又長，但預熱、分解過程就占去了窯容積的一大半，且產(chǎn)量低、熱耗又大，同時由于設(shè)備尺寸增大給加工、運輸、安裝等都帶來很大的困難。20世紀30年代出現(xiàn)的立波爾窯和50年代出現(xiàn)的帶懸浮預熱的回轉(zhuǎn)窯，不但提高了預熱帶的傳熱效果，同時還使部分碳酸鹽在窯外進行分解。理論與實踐證明，隨著入窯碳酸鈣分解率的提高，生料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)需要的熱量會進一步減少，這樣在窯規(guī)格相同的條件下可以提高產(chǎn)量，在相同的產(chǎn)量情況下可以縮小窯筒體尺寸。那么，在懸浮預熱器內(nèi)能不能再進一步提高碳酸鈣分解率呢？經(jīng)過計算證明，由于CaCO3分解消耗熱量很多，窯尾煙氣所含熱量不足，不可能再進—步提高分解率，如果通過提高廢氣溫度來滿足熱量需要，則廢氣溫度要提高到1600-1700°C，而回轉(zhuǎn)窯燃料燃燒熱負荷和出窯廢氣溫度的提高均受到限制。所以懸浮預熱器（廢氣溫度在1000C左右時）碳酸鈣的分解率最大不超過40%，這樣懸浮傳熱的作用就沒有優(yōu)越性。為了解決這一問題，在懸浮預熱和回轉(zhuǎn)窯之間增加一個新的熱源——分解爐，把煅燒熟料的三個主要工藝過程，分別在三個機組內(nèi)進行，稱為窯外分解技術(shù)。使入窯生料的分解率達85%-95%，進一步地減少生料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)需要的熱量，回轉(zhuǎn)窯主要承擔燒成任務?；剞D(zhuǎn)窯幾種工藝方法的比較如圖所示。窯外分解系統(tǒng)是由預熱器系統(tǒng)（簡稱SP）、分解爐和回轉(zhuǎn)窯所組民。其生產(chǎn)流程，按物料流向順序，生料由提升設(shè)備運至預熱器，經(jīng)過四級旋風筒后，進入分解爐，在分解爐內(nèi)經(jīng)過加熱分解后，再進入第五級旋風筒預熱器，繼續(xù)進行分解并收集下來，進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，分解爐處于四、五級預熱器之間；窯外分解系統(tǒng)氣體流動過程比較復雜，燃料由窯頭和分解爐兩處噴入，分解爐的二次空氣是來自冷卻機的熱風，兩路煙氣在分解爐會合后向預熱器的上部運動與料流換熱。（四）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熟料燒成這里介紹的是窯外分解窯窯內(nèi)的熟料燒成，由于水泥熟料生產(chǎn)的預熱、分解均在預熱器、分解爐完成了85%~95%的碳酸鹽的分解過程，所以窯外分解窯與其他類型的回轉(zhuǎn)窯所承擔的任務是不同的。窯外分解窯在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成的熟料燒成過程是：部分碳酸鹽分解（約占5%左右）、固相反應、燒結(jié)反應等過程。熟料的燒成在窯內(nèi)可分為三個工藝帶：過渡帶、燒成帶、冷卻帶。從窯尾起至物料溫度1280°C止（也有以1300°C）為過渡帶，主要任務是物料升溫及5%左右碳酸鈣分解和固相反應（放熱反應）；物料在1280~1450~1300°C區(qū)間則為燒成帶；窯頭端為冷卻帶。1、分解反應物料進入預熱器系統(tǒng)經(jīng)分解爐后入窯時，其碳酸鹽的分解率為85%-95%,溫度為820-850°C,細顆粒料粉喂入窯內(nèi)時，還在繼續(xù)著分解過程，由于重力作用，沉積（或者堆積）在窯的尾部，隨著窯的轉(zhuǎn)動料粉又開始新的運動方式，此時窯尾氣流溫度可達1000C，料層內(nèi)部的料溫卻低于900C，碳酸鹽分解反應停止。因料層內(nèi)部顆粒周圍被CO2氣膜所包裹，氣膜又受上部料層的壓力，因而使顆粒周圍CO2的壓力可達到1個大氣壓，料溫在其平衡分解溫度以下是難收進行分解的，但處于料層表面的料粉仍繼續(xù)分解。隨著窯體的轉(zhuǎn)動，物料向窯頭方向運動，隨著熱量的傳遞，溫度從820°C上升到900C，料層內(nèi)部或料顆粒內(nèi)部的分解反應繼續(xù)，直到分解反應基本完成，由于窯內(nèi)總的物料分解量大大減少，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)分解區(qū)域長度比其他類型的回轉(zhuǎn)窯分解區(qū)域縮短了。2、固相反應料粉在窯內(nèi)運動中吸熱，分解反應基本完成以后，料溫逐步升高，進一步發(fā)生固相反應。一般初級固相反應于800C時就開始了，由于在分解爐內(nèi)料粉呈懸浮態(tài)，各組分間接觸不緊密，所以，主要的固相反應是在進入回轉(zhuǎn)窯并使料溫升高后才大量進行，最后生成C2S、C3A及C4AF。預分解窯中的固相反應與預熱器窯相比，任務相對增大了，對促使固相反應比較快地進行，除選擇活性較大的原料外，保持或提高料粉的細度及均勻性是彳艮重要的。固相反應的另一個特點是放熱，它放出的熱量直接用來提高物料溫度，使窯內(nèi)料溫較快地升高到燒結(jié)溫度。3、燒結(jié)反應預分解窯的燒結(jié)任務與預熱器相比增大了一倍，其燒結(jié)任務的完成，主要依靠延長燒成帶長度及提高窯內(nèi)平均溫度來實現(xiàn)，這是由于窯內(nèi)物料分解吸熱少，氣流向窯內(nèi)傳熱慢的緣故。分解窯內(nèi)的燒成反應，仍是整個熟料生產(chǎn)過程的關(guān)鍵所在，它的主要化學反應是生成了水泥熟料的主要礦物一—C3S。其反應式如下：2CaO?SiO2+CaO=3CaO?SiO2這個反應是微吸熱反應，其反應機理是物料溫度升高到1300°C以上時，部分C3A和C4AF熔融為液相，這時C2S和游離CaO開始溶解于液相中并相互擴散，C2S吸收CaO生成C3S，再結(jié)晶析出，隨著溫度的連續(xù)升高，物料中的液相量增多，液相黏度降低，上述反應（石灰吸收過程）將會加速進行。為了正確處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)量、質(zhì)量及消耗之間的矛盾，一般控制上述反應條件為：溫度在1300-1450-1300C之間，液相量控制范圍在20-30%,反應時間則比一般回轉(zhuǎn)窯縮短，從一般的15-20min縮短為10-15min左右。物料在燒成帶停留時間的縮短，是因為預分解窯窯速加快的結(jié)果，雖然燒結(jié)時間縮短，熟料質(zhì)量仍能保持優(yōu)良。四、回轉(zhuǎn)窯熱經(jīng)濟分析（一）熱耗與熱效率煅燒1kg水泥熟料，理論上只需要消耗1755.6-1797.4kJ的熱量，但是各種水泥熟料的生產(chǎn)方法、煅燒設(shè)備的不一樣，實際需要消耗3135-7524kJ的熱量。這種理論上需要的熱量與實際消耗的熱量之比，稱之為回轉(zhuǎn)窯的熱效率。各種類型窯由于熱耗不同，其熱效率也不同，國外新型干法預熱器窯的熟料熱耗一般為3135-3344kJ/kg，熱效率高達52%-53%，而濕法窯或老式干法窯熟料的熱耗一般為5436-6688kJ/kg熱效率為25%-35%，兩者相差近一倍。國內(nèi)外卜不同窯型的熱耗、熱效率列于表中。表5國內(nèi)外不同窯型的熱耗、熱效率表6國內(nèi)外不同窯型的熱耗、熱效率從以上兩張表中可以看出，濕法長窯和干法中空窯熱效率相仿，主要是由于濕法長窯的水分蒸發(fā)消耗1/3的熱量，干法中空窯則是窯內(nèi)低溫部分傳熱面積小，窯尾廢氣溫高，帶走熱損失大，約占總熱耗一半左右。因此，提高窯的熱效率，在窯外分解窯中要是增加物料與熱氣流的接觸面積，從而增加熱效率。（二）熱損失原因分析通過國內(nèi)外同類型窯的熱耗分析，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)各類型窯的熱耗均比國外高，原因主要有以下幾方面:1、機體散熱多20世紀50年代末期，德國水泥生產(chǎn)窯體散熱就已降至359kJ/kg-cl，而我國進入20世紀80年代，濕法窯窯體散熱仍高達669-1054kJ/kg-cl，多耗熱334-669kJ/kg，多筒冷卻機散熱167-209kJ/kg-cl，篦式冷卻機雖然散熱較少，但余風帶走熱達146-350kJ/kg-cl。2、不完全燃燒熱損失高由于冷卻熟料受到所采用設(shè)備的影響，二次風溫較低，增大了不完全燃燒的熱損失。由于窯外分解窯系統(tǒng)采用較先進的水平推動篦式冷卻機，現(xiàn)已發(fā)展為空氣梁冷卻機，二次、三次風溫均有大幅度提高，二次風溫均可達1000OC以上，三次風溫800OC以上，這樣給煤粉的燃燒提供了很好保證，降低了因設(shè)備原因造成的不完全燃燒熱損失。3、系統(tǒng)漏風嚴重窯外分解窯的系統(tǒng)漏風比濕法、干法、中空等窯型的漏風相對要少，因為窯外分解窯的系統(tǒng)漏風的點和量都遠少于其他窯型。如我國立波爾窯，多年來由于產(chǎn)量不斷提高，風量也隨之不斷的增加，因而導致廢氣量增多(4.25-7.73Nm3/kg-cl)，亦造成熱損失增加。如：邯鄣水泥廠窯的單位廢氣量為5.01Nm3/kg-cl，如能降到2.5Nm3/kg-cl的水平，可節(jié)能418kJ/kg-cl以上。減少回轉(zhuǎn)窯熱損失的途徑1、減少筒體熱損失我國回轉(zhuǎn)窯筒體熱損失平均為739kJ/kg-cl，約占熟料熱耗的12%，國外由