水泥熟料生产线熟料煅烧的基本知识

熟料生产线热工设备基础知识

1.1新型干法水泥回转窑系统概述

水泥是一种细磨材料，它加入适量水后，成为塑性浆体，这种浆体是既能在空气中硬化，又能在水中硬化（硬化后要达到一定的强度），并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的而且具有其他一些性能的水硬性胶凝材料。

水泥生产要经过“二磨一烧”（即生料磨、水泥窑和水泥磨），其中，水泥窑系统是将水泥生料在高温下烧成为水泥熟料的热工设备，是水泥生产中一个极为重要的关键环节。

新型干法水泥回转窑系统是以悬浮预热技术和窑外分解技术为核心，以NSP窑（或称：PC窑）为主导的水泥熟料烧成系统。

没有分解炉的新型干法水泥回转窑系统叫做SP窑，有分解炉的新型干法水泥回转窑系统叫做NSP窑，在一些欧美国家也将NSP窑称为PC窑，即预分解窑。

窑外分解窑的工作原理为：（分别从料、煤、风的角度论述）

第一，生料粉从第1级旋风筒和第2级旋风筒之间的联接管道加入，加入的生料进入联接管道内后马上被分散在上升气流中，从而被携带到第1级旋风筒（简称C1）内，在旋风筒内利用离心力的作用进行气固分离后，废气被排走，而生料粉被再一次加到C2和C3之间的联接管道内，然后再一次被携带到C2内进行气固分离。

这样依次类推，生料粉依次通过各级旋风筒及其联接管道。生料

粉每与上升的气流接触一次，就经过一次剧烈的热交换，从而生料粉被一次一次地预热升温，废气则被一次一次地冷却降温，从而达到回收废气余热来预热生料。当生料达到一定温度，会发生一定程度的碳酸盐分解（小部分分解，因为废气的热焓不足以使其发生大量分解）。

出C4的预热生料进入分解炉，在分解炉内完成大部分碳酸钙的分解，分解反应所需热量来自于分解炉内的燃料燃烧。分解后的生料与废气再一起进入C5内，经C5完成气固分离后，生料入回转窑内煅烧，再经过一系列物理化学反应后，最终烧成为水泥熟料。出窑后熟料再经过冷却机冷却后被送到熟料库内。熟料、石膏、混合材按一定比例在水泥磨内混合粉磨后就成为水泥。

第二，来自煤磨的煤粉被分成二部分，小部分煤粉（大约45%-30%）被送到窑头喷入回转窑内燃烧，燃烧后产生的高温烟气供给回转窑内煅烧水泥熟料所用；大部分煤粉（大约55%-70%）被气力输送到分解炉内燃烧，以供给预热生料中碳酸钙分解所需的大量热量。

第三，燃料燃烧所需的助燃空气被分成三部分，第一部分来自窑头的鼓风机，称为一次风。一次风主要作用是：携带从窑头煤粉仓下来的煤粉经喷煤管高速喷入回转窑内高效燃烧来保持喷出火焰有一

定的“刚度”（平、顺、直）；另外两个部分助燃空气来自熟料冷却机内的预热空气，分别称为二次风和三次风。二次风从窑头进入回转窑内成为窑头煤粉燃烧的主要助燃空气（另外少量的助燃空气是一次风）。三次风通过专门设立的三次风管进入分解炉成为分解炉内煤粉燃烧所需的主要助燃空气。

二次风和三次风的预热温度不受限制，温度越高越好；而一次风不允许被预热，否则温度较高的一次风会使煤粉中的挥发份在喷煤管中提前逸出，从而可能造成煤粉爆炸。因此，二次风的比例越多越好，即在能够保证一次风携带煤粉并以一定的动量喷入回转窑内的前提下，一次风的比例越低越好。此外，出窑废气（简称：窑气）、出炉废气（简称：炉气）一起又到悬浮预热器内逐级预热生料。

1.2 悬浮预热器

悬浮预热是为了实现气（废气）、固（生料粉）之间的高效换热，从而达到提高生料温度，降低排出废气温度的目的。悬浮预热器曾经有旋风预热器和立筒预热器之分。立筒预热器已经淘汰。因此，关于悬浮预热器只介绍旋风预热器。

1.2.1旋风预热器的工作原理

旋风预热器是由若干级换热单元所组成。每一级换热单元都是由旋风筒及其联接管道所构成。一个换热单元必须同时具备以下三个功能：第一，生料粉在废气中的分散与悬浮；第二，气、固相之间的换热；第三，气、固相的分离,气流被排走，生料粉被收集。

旋风预热器的工作原理是：生料粉进入联接管道后，随即便被上升气流所冲散，使其均匀悬浮于气流中。由于悬浮态时气固之间的接触面积极大，对流换热系数较高，因此换热速度极快，完成有效换热只需要0.02-0.04s。当气料流到达旋风筒时，气固之间的温度差已经很小，所以气固之间的换热主要是在联接各个旋风筒的联接管道中进行，所以有人干脆将其称为“换热管道”。而旋风筒的主要功能则

是完成气固相的分离和固相生料粉的收集。

旋风筒的工作原理是：气流携带生料粉以切线方向、高速进入旋风筒，从而被迫在圆筒体与排气管之间的圆环柱内呈旋转运动，而且是一边旋转，一边向下运动，从圆筒体到锥体，一直延伸到锥体的端部，并反射旋转向上，最后气流从排气管排出。向下旋转的气流为外旋流，向上旋转的气流为内旋流。旋转运动使粉料受到离心力，由于粉料的密度大，在离心力作用下，粉料向边壁运动并沿边壁下滑后经锥体端部排出，从而完成气固相的分离和固相生料粉的收集。

为了避免排出的粉料被下一级管道内逆流上升的气流吹起而造

成“二次飞扬”，从而降低气固分离效率，所以在下料管上要有锁风阀（也称：翻板阀或闪动阀）。锁风阀目前常用单板式、双板式。需要指出：由于上数第1级旋风筒C1非常强调其气固分离效率要高，所以C1的下料管上往往设置有两道锁风阀，而其他级旋风筒上则只设置一道锁风阀。

另外，关于如何克服旋风筒内部旋风（有人形象地称为“龙卷风”）的风尾在旋风筒锥体内引起的“二次飞扬”问题，人们还常常采用以下措施：第一，延长旋风筒的长度，使其大于旋转气流的自然长度，从而避免旋转气流的二次卷吸；第二，在旋风筒的锥体部分，采用隔离膨胀仓技术；第三，在旋风筒锥体部分，设置隔离导向锥。

影响旋风筒气固分离效率的主要因素有：

①旋风筒直径：筒径越小，分离效率越高。

②旋风筒进风口：进风口结构应保证进风沿切向入筒、减小涡流干

扰。进风口形状现在多采用多边形。进风口尺寸应保证进口风速在15-25m/s。

③排气管(也称:出风管或出口导管,简称:内筒或套筒)的尺寸及其插入深度,一般来说，内筒的直径越小，插入深度越深，旋风筒的气固分离效率越高。

④旋风筒的高度：增加高度有利于气固分离效率的提高。

当然，除上述4个主要因素以外，其它因素（像粉料颗料的大小、气流中的粉料浓度、锁风阀的严密程度等）也都会对旋风筒的气固分离效率有一定的影响。

除了气固分离效率以外，旋风筒的另一个重要的性能指标就是它的流体阻力损失（水泥行业中常叫做压损，即压强损失）。

一般说来，强调分离效率的提高会引起旋风筒压损的提高，由于压损的提高会增加整个系统的电耗，所以，具体设计和生产时，要统筹考虑气固分离效率和电耗这两个指标，并兼顾考虑其他一些因素，以综合效益最优者为最佳。

1.2.2 影响旋风预热器换热效率的因素

关于旋风预热器的换热效率，应主要考虑以下三个因素：①粉料在管道内的悬浮状况；②气、固之间的换热效果；③气、固相的分离程度。

1.2.2.1 粉料在管道内的悬浮

一般生料粉是成股地从加料口加入，向下有一个冲力，当遇到向上的气流时，部分粉料会被气流带起，折面向上而悬浮于高温气流