第五章 水泥工业窑炉

喷腾式分解炉
以FLS (F．L．Smidth)型为例，如图所示
喷腾效应
这种炉的结构是炉简直径较大，上、下部 为锥体，底部为喉管。入炉气流以 25~30m/s的速度通过喉管，在炉筒一定高 度形成一条上升流股，将炉下部锥体四周 的气体及料粉、煤粉不断地裹进来，喷射 上去，形成许多由中心向边缘回旋的旋涡， 从而形成喷腾运动，产生喷腾效应。
分解炉内的燃烧温度通常在850~950℃，燃 烧过程的性质处于低温化学动力学控制范 围与高温扩散控制范围的交界，因此，影 响这两种过程的因素，均对分解炉内的燃 烧速度有重要影响。 影响燃烧速度的化学动力学因素有燃料的种 类、性质、温度、压力及反应物浓度等。 影响扩散燃烧速度的主要因素有回转窑炉气 的紊流程度、燃料与气流的相对速度、燃 料的分散度(煤粉的细度及燃油的雾化温度 和压力)等。
窑炉分类
回转窑：
湿法 立波尔 干法 新型干法（悬浮预热、窑外分解）
立窑： 土立窑 机立窑
回转窑两个很大的缺点和不足
一：作为热交换装置，窑内炽热气流与物料 之间主要是“堆积态”换热，换热效率低， 从而影响其应有的生产效率的充分发挥和 能源消耗的降低； 二：熟料煅烧过程所需要的燃料全部从窑热 端供给，燃料在窑内煅烧带的高温、富氧 条件下燃烧，NOx等有害成分大量形成， 造成大气污染。
分解炉内的传热速率之所以远高于回转窑 约分解带，主要原因是其传热面积大大增 加。 回转窑分解带、立波尔加热机及分解炉三 系统中单位重量物科的受热面积作一比较 (1g生料粉的受热面积为基准）。
回转窑分解带
设窑直系D=3.0m，负荷率φ=7%，每米窑长 物料容积约0.5m3，物料容积密度ρ=1.2t/m3， 则每米窑长物料质量为0.5*1.2=0.6t。 每米窑长的传热面积≈每米长的窑内表面积 =ΠDl=3.14*3.0*1.0=9.4m2 则：1g物料的传热面积= 9.4*（100）2/(0.6*106)=0.157cm2
炉的温度分布
1)分解炉的平面温度比较均匀。 2)炉内纵向温度由下而上逐渐提高，但变化 不大。 3)炉的中心温度较高，边缘较低，除炉壁热 损外，因炉内气流为旋回，故粉粒因离心 力而在四周浓度较大，吸热较多，而形成 炉壁温度较低 。
分解炉的燃烧速度
分解炉内的燃烧速度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ影响着分解炉的发 热能力和回转窑炉内的温度，从而影响物 料的分解率。 燃烧速度快，放热多，炉内温度就高，分 解速度将加快。 反之，分解率将降低。因此加快燃料燃烧 的速度，是提高分解炉生产效率的一个重 要问题。
②分解炉内的传热
传热特点： 在分解炉内，燃料燃烧速度很快，发热能 力很高。由于料粉分散在气流中，在悬浮 状态下，具有极高的传热效率，燃烧放出 的大量热量在很短的时间内被料粉所吸收， 既达到高的分解率，又防止了局部的过热 现象。
传热方式
分解炉内主要以对流传热为主，其次是辐射 传热。 炉内燃料与料粉悬浮于气流中，燃料燃烧 将气体加热至高温，高温气体同时以对流 方式传热给物料。由于气、固两相充分接 触传热速率则高。 分解炉中气体温度达900℃左右，其辐射能 力较回转窑中烧成带差，但炉中有大量的 CaCO3分解，放出很多CO2气体，且气流中 含有很多细颗粒，所以就增大了炉中气流 的辐射传热能力，这种辐射传热对全炉温 度的均匀分布极为有利 。
分解炉与窑连接方式
第一种方式
分解炉直接坐落在窑尾烟室之上，称为同 线型分解炉。这种炉型实际是上升烟道的 改良和扩展。它具有布置简单的优点，窑 气经窑尾烟室直接进入分解炉，由于炉内 气流量大，O2 含量低，要求分解炉具有较 大的炉容。这种炉型布置简单、整齐、紧 凑，出炉气体直接进入最下级旋风筒，因 此它们可布置在同一平台，有利于降低建 筑物高度。
回转窑
高端 燃料 低端 窑头 热端 传动大齿轮
窑尾
冷端 生料
废气
熟料
倾斜
钢筒体，内部耐火材料
6.2 预分解窑技术原理
悬浮预热技术： 指低温粉状物料均匀分散在高温气流之中， 在悬浮状态下进行热交换，使物料得到迅 速加热升温的技术。 预分解技术是指在悬浮预热器与回转窑之间， 增设一个分解炉或利用窑尾烟室管道，在 其中加入30~60%的燃料，使燃料的燃烧过 程与生料的吸热分解过程同时在悬浮态或 流化态下极其迅速地进行，使生料在入回 转窑前基本上完成碳酸盐的分解反应，因 而窑系统的煅烧效率大幅度提高。
悬浮预热、窑外分解技术，从根本上改变 了物料的预热、分解过程的传热状态，将 窑内物料堆积状态的预热和分解过程，分 别移到悬浮预热器和分解炉内进行。
生
Ⅰ 预热器 Ⅱ
料
Ⅲ
Ⅳ
回转窑
窑 气
6.3 预分解窑的生产流程
预分解窑的关键技术装备有旋风筒、换热管 道、分解炉、回转窑、冷却机（简称筒-管炉-窑-机）等。 这五组关键技术装备五位一体，彼此关联， 互相制约，形成了一个完整的熟料煅烧的 热工体系，分别承担着水泥熟料煅烧过程 的预热、分解、烧成、冷却任务。
5 水泥工业窑炉 （4课时）
刘小英 龙岩学院
目录
6.1 概述 6.2 预分解窑技术原理 6.3 预分解窑的生产流程 6.4 预分解窑的分类 6.5 分解炉的热工特性 6.6 预分解窑系统中回转窑的热工特性
6.1 概述
1824 立窑 1877 回转窑 1905 湿法回转窑 1928 立波尔窑（窑尾带加热机，半干法） 1934 悬浮预热技术 1970 预分解技术
加快燃烧速度，控制炉温的措施
1）选择适当的燃料加入点并分成几点加入； 2）适当控制燃料的雾化粒度或煤粉细度； 3）选样适当的燃料品种，例如煤粉中含有适 当的挥发物，使挥发物与焦炭先后配合燃 烧，以达到好的热效应； 4）选择适当的一、二次风速以及合适的加料 点的位置； 5）调节燃料加入量以改变燃烧的空气消耗系 数。
沸腾式预分解窑
在分解炉内形成沸腾层，燃料在沸腾层（及 其上空）燃烧，物料在沸腾层（及其上空） 受热分解。 （日本MFC型分解炉）
新型分解炉的发展方向
①适当扩大炉容，延长气流在炉内的滞留时 间，以空间换取保证低质燃料完全燃烧所 需的时间； ②改进炉的结构，使炉内具有合理的三维流 场，力求提高炉内气、固滞留时间比，延 长物料在炉内滞留时间； ③保证物料向炉内均匀喂料，并做到物料入 炉后，尽快地分散、均布；
立波尔加热机
设料球直径为1cm，则： 一个料球的表面积=4πr2=3.14cm2 一 个 料 球 的 质 量 =4/3πr3*ρ 球 =4/3π （ 0.5 ） 3*1.2=0.63g 1g料球具有传热面积=3.14/0.63*70%=3.5cm2 ） （设70%为料球与气流接触比率）
分解炉
粉料悬浮于气流中，与气流充分接触，与 其传热面积即为料粉的比表面积。一般生 料粉的比表面积约为2500cm2/g，设有一半 与气流充分接触，则1g生料粉的传热面积 有1250cm2/g。 三者的传热面积比例为1:22:8000。
无焰燃烧的优点
燃料均匀分散，充分利用燃烧空间而不容易 形成局部高温。 物料均匀分散与小火焰中，有利于向物料传 热，又能防止气流温度过高。 很好地满足物料中碳酸盐分解的工艺与热工 条件。
分解炉内的温度分布
一般煤粉或燃油的喷燃温度可达 1500~1700℃ ， 而 分 解 炉 内 气 流 温 度 只 有 850~900℃，为什么？ 这是因为燃料与料粉是以悬浮状态混合在 一起的，燃料燃烧放出的热量立即被物料 所吸收。当燃料燃烧快放热快时，料粉分 解也就快；当燃烧慢时，则放热也慢，分 解也就慢。所以分解反应也抑制了燃烧温 度的提高，而将炉内温度限制在略高于 CaCO3平衡分解温度20-50℃的范围。
在分解炉内同时喂入经预热后的生料，一 定量的燃料以及适量的热气体，生料在炉 内呈悬浮或沸腾状态，在900℃以下，燃料 进行无焰燃烧，同时高速完成传热和碳酸 钙分解过程。 分解炉内可以使用固体、液体或气体燃料， 我国主要是用煤粉，加入分解炉的燃料约 占全部燃料的55~65%。
燃料（如煤料）的燃烧时间和碳酸钙分解 所需要的时间约为2~4s，这时生料中的碳 酸钙的分解率可达到80~90%，生料的预热 后的温度约为800~850℃。 由于物料之间在炉内流场中产生相对运动， 从而达到高度分散、均匀混合和分布、迅 速换热，达到提高燃烧效率、换热效率和 入窑物料碳酸盐分解率的目的。
新型干法回转窑法
新型干法水泥生产，是以悬浮预热和窑外 分解技术为核心，把现代科学技术和工业 生产成果，广泛用于水泥生产全过程，使 水泥生产具有高效、优质、低耗、符合环 保要求和大型化、自动化为特征的现代水 泥生产方法，并具有现代化的水泥生产新 技术和与之相适应的现代管理方法。
旋风预热器
分解炉的基本原理
第三种方式
分解炉设于窑的一侧，称半离线型炉。这 种布置方式中，分解炉内燃料在纯三次风 中燃烧，炉气出炉后可以在窑尾上升烟道 下部与窑气会合，亦可在上升烟道上部与 窑气会合，然后进入最下级旋风筒。 这种方式工艺布置比较复杂，厂房较大， 生产管理及操作亦较为复杂。其优点在于 燃料燃烧环境较好，在采用“两步到位” 模式时，有利于利用窑气热量和防止粘结 堵塞。
第二种方式
分解炉自成体系，称为离线型炉。采用这种 方式时，窑尾设有两列预热器，一列通过 窑气，一列通过炉气，窑系列物料流至最 下级旋风筒后再进入分解炉，同炉系列物 料一起在炉内加热分解后，经炉系列最下 级旋风筒分离后进入窑内。同时，离线型 窑一般设有两台主排风机，一台专门抽吸 窑气，一台抽吸炉气，生产中两列工况可 以单独调节。在特大型窑，则设置三列预 热器，两个分解炉。
旋风效应
旋风效应，气流经下部涡流室形成回旋运动．再 以切线方向入炉，在炉内回旋前进。悬浮于气流 中的物料，由于旋转运动，受离心力的作用，逐 步被甩向炉壁。 其中颗粒较大的料粉，因其单位质量所具有的表 面积较小，在其离心向壁运动中，所受阻力较小， 离心向壁的倾向较大，因此比颗粒较小的料粉及 气流易达到炉的边缘。当料粉颗粒到达炉壁的滞 流层时，或与炉壁摩擦碰撞后，动能大大降低， 运动速度锐减，有的颗粒甚至失速坠落，降至缩 口时再被气流带起。
旋流-喷腾式
气体在分解炉内形成旋流及喷腾两种运动形态， 充分利用旋风效应及喷腾效应，强化生产。 它可分两种，一种是热空气沿切向力向入炉，造 成旋流运动，供燃料燃烧，物料分解，继而携 带料粉向下(又称下行式)与喷腾的回转窑气混合， 在混合室形成喷腾层。(日本RSP) 另一种是热空气先在炉底喉管上升，造成喷腾层， 继而向上(又称上行式)。窑气则在炉的中上部， 沿炉壁切线方向导入，形成旋流运动。 (日本KSV)
④改进燃料燃烧器形式与结构，以及合理布 置，使燃料入炉后尽快点燃； ⑤下料、下煤点及三次风之间布局的合理匹 配，以有利于燃料起火、燃烧和碳酸盐分 解； ⑥根据需要，选择分解炉在预分解窑系统的 最优部位、布置和流程，有利于分解炉功 能的充分发挥，提高全系统功效，降低 NOx，SO3等有害成分排放量，确保环保达 标。
①燃料的燃烧放热
辉焰燃烧：当燃烧煤粉时，煤粉颗粒进入分 解炉内，浮游于气流中，经预热、分解、 燃烧发出光和热，形成一个个小火星。在 整个分解炉中料粉和煤粉悬浮于高温的燃 烧气流中，使料粉颗粒受热达到一定温度 后，固体颗粒也会发光，燃料燃烧发光参 与其中，使整个炉体中不存在有形火焰， 而且满炉发光。
6.5 分解炉的热工特性
分解炉的主要热工特性： ①燃料的燃烧 ②悬浮态传热 ③气体运动 ④旋风与喷腾效应 ⑤物料的吸热分解
分解炉生产工艺对热工条件的要求
1.回转窑炉内气流温度不宜超过950℃，以防 系统产生结皮、堵塞； 2.燃烧速度要快，以保证供给碳酸钙分解所 需要的大量的热量； 3.保持回转窑系统较高的热效率和生产效率。
6.4 预分解窑的分类
根据分解炉内的气流运动，有四种基本型式： 旋流式 喷腾式 旋流-喷腾式 悬浮式 沸腾式 各种分解炉的基本原理相似
旋流式分解炉
以SF型为代表。现已 发 展 为 NSF(New Suspension Preheater Flash Calciner) 型，它的 原理已发展为旋流喷腾式分解炉类型。 其简要示意图如图 所示。