建筑材料生产工艺与设备第9章 水泥工业窑(精品).ppt

正面第9章 水泥工业窑9.1概论概论9.2回转窑回转窑9.3立窑立窑9.4新型干法水泥回转窑系统新型干法水泥回转窑系统 9.5水泥工业窑系统发展趋势水泥工业窑系统发展趋势内容提纲9.1概论概论一、分类一、分类1、立窑：有普通立窑和机械化立窑。2、回转窑：新型干新型干法水泥法水泥回转窑回转窑系统。系统。二、特点二、特点（一）立窑生产的特点1、优点（1）基本建设投资小，投入生产快。（2）立窑内填充系数高，因而单位体积产量高。（3）可以就地取材，充分利用地方资源。（4）窑内传热效率高，散热损失小，约为总热值的3%（回转窑为15%），可节约烧成用燃料。（5）需要设备和动力容量少，故可节约钢材和动力。2、缺点：（1）生产规模小。（2）熟料质量较差。（3）劳动生产率低，劳动强度大，单机产量低。（4）环保达标难。二、特点二、特点（二）回转窑的特点湿法回转窑生产热耗高，但电耗较低，生料易于均化，成分均匀，熟料质量较高且输送方便，粉尘少。所以此生产方法在20世纪30年代左右得以迅速发展。缺点是能耗高。新型干法回转窑是当前世界各国竞相发展的窑型。悬浮预热器窑和窑外分解窑技术的开发成功，使水泥生产方法开始逐步发生变化，出现了向干法发展及湿法改干法的发展趋势。新型干法回转窑的优点是节能、产量高、质量稳定、环保、生产率高。9.2回转窑回转窑9.2.19.2.1回转窑的功能、特性及工作原理回转窑的功能、特性及工作原理回转窑属于可以旋转的窑炉，最早用于煅烧水泥熟料，目前也用于耐火材料及其冶金工业，如图9.1所示。图9.1230m回转窑系统1.回转窑窑体；2.窑头小车；3.热烟室；4.冷却筒；5.窑头鼓风机；6.集尘室；7.烟囱；8.进料回转窑作为水泥煅烧的关键装备，它的功能如下：（1）作为燃料燃烧装置燃料燃烧装置。它具有广阔的空间和热力场，可以供应足够的空气，装设优良的燃烧装置，保证燃料充分燃烧，为水泥煅烧提供必要的热量。（2）作为热交换装备热交换装备，它具有比较均匀的温度场，可以满足水泥熟料生产过程各个阶段的换热要求。（3）作为化学反应器化学反应器，随着水泥熟料矿物形成不同阶段的不同需要，它既可分阶段地满足不同矿物形成对热量、温度的要求，又可以满足它们对时间的要求。（4）作为输送设备输送设备，它具有更大的潜力。一、回转窑的功能和特征一、回转窑的功能和特征水泥熟料的形成过程，实际上是将石灰质、粘土质、硅质和铁质四种原料中的CaO、SiO2、Al2O3、和Fe2O3等四种主要组成，通过粉磨成细粉，在高温状态下煅烧，使之发生化学反应，形成C3S、C2S、C3A、C4AF等四种硅酸盐水泥熟料主要矿物的过程。这个过程干法回转窑可分为3个带，即过渡带、烧成带和冷却带。熟料在各带的停留时间大约分别为15min、12min和2min；（料在预热带和分解带的时间约为1min和2min。）这里回转窑主要起到熟料烧结的功能。回转窑（旋窑）是一个有一定斜度的圆筒状物，斜度为33.5%，借助窑的转动来促进料在回转窑（旋窑）内搅拌，使料互相混合、接触进行反应。窑头喷煤燃烧产生大量的热，热量以火焰的辐射、热气的对流、窑砖(窑皮)传导等方式传给物料。物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。（回转窑是有气体流动、燃料燃烧、热量传递和物料运动等过程所组成的。回转窑就是如何使燃料能充分燃烧，燃料燃烧的热量能有效的传给物料，物料接受热量后发生一系列的物理化学变化，最后形成成品熟料。）二、回转窑的工作原理二、回转窑的工作原理9.2.29.2.2回转窑内的煅烧回转窑内的煅烧熟料煅烧物料可分为：水分蒸发生料预热生料分解熟料煅烧熟料冷却五个功能单元。相应分为干燥带、预势带、分解带和放热带，烧成带和冷却带。一、干燥带（物料温度150）承担生料中水分的蒸发任务。湿法窑物料含32-40%的水分，经干燥后，物料水分减到22-26%，浆料失水变成球状。干法窑由于入窑生料水分小于1%，几乎没有干燥带。半干法窑的干燥过程在加热机上进行，在回转窑内无干燥带。预热器窑、窑外分解窑干燥在预热器内进行，因此回转窑内无干燥带。二、预热带（物料温度150-750）承担粘土质等原料中化学水的分解脱水任务。当温度升到400-550时，粘土开始脱水分解出活性SiO2和Al2O3，当温度升到600-700时，MgCO3继续分解。带悬浮预热器和加热机的窑，预热都在窑外进行，回转窑内预热带很短或者没有。反应式：2SiO2Al2O2SiO2Al2O32H20三、分解带（物料温度750-1000）主要承担MgCO3和CaCO3的分解任务。在预热带未分解完的MgCO3在该带继续分解，但主要是CaCO3的分解。这一带末端，分解产物之间产生固相反应，生成碱性的CA、CF、C2S。带悬浮预热器和加热机的窑，分解反应有一部分在预热器和加势机内进行，而带窑外分解炉的窑绝大部分的分解反应是在分解炉内进行。四、放热反应带（过渡带）（物料温度1000-1300）在分解带分解出的大量Ca0、Si02、Al203等氧化物在该带进行固相反应，生成大量C3A、C4AF和C2S。这些反应是放热反应，故称“固相反应带”。由于固相反应放热，物料温度迅速上升，使该带在窑内占的比例较小。五、烧成带（物料温度13001450-1300）该带又称烧结带，是回转窑内温度最高的一带，物料进入这带就出现液相，在液相中C2S和游离氧化钙作用形成C3S即：Ca0C2SC3S，因此，此带也叫“石灰吸收带”。为C3S的生成反应完全，物料在此停留的时间，也就是烧成带应有一定长度，因此，要求回转窑内燃料燃烧的火焰应有一定的长度和温度。六、冷却带（物料温度13001000）在烧成带形成的C3S、C2S、C3A、C4AF四种主要矿物的晶体继续向前运动与温度较低的二次空气相遇，熟料温度下降，这一区域称为冷却带。在该带快速冷却后，形成含C3S、C2S、C3A、C4AF圆形颗粒和玻璃体阿利特晶体，落入冷却机内。立窑内煅烧大体与回转窑相同，此不再叙述。9.3立窑立窑 立窑立窑是一种竖式固定床熟料煅烧设备：含煤生料球从窑顶喂入窑内，料球自上而下运动，空气自下而上运动。其物理化学变化与回转窑大致相同，将立窑自上而下分为三带：预热带、高温烧成带和冷却带预热带、高温烧成带和冷却带。1.1.立窑形状立窑形状窑体形状对物料在窑内的运动和气流在窑内的分布具有重要意义。常见有四种：直筒形直筒形立窑，喇叭形立窑立窑，喇叭形立窑（图9.3），哑铃形哑铃形立窑，矩形截面立立窑，矩形截面立窑窑。图9.3机械化水泥立窑系统1.烟囱；2.撒料溜子；3.窑体；4.耐火砖；5.腰风管；6.底风管；7.传送装置；8.电动机；9.密封卸料.9.3立窑立窑2.2.内径与高度内径与高度窑的内径由煅烧产物性质，温度，操作灵活程度等因素来确定。一般对煅烧白云石的立窑内径在1.6-2.5m，石灰石的立窑2.4-4.0m，水泥立窑2.5m。立窑高度立窑高度决定于物料在窑内预热、煅烧和冷却时间。以立窑的高径比KL=H/D来表征。水泥窑高径比34，对于温度高(1650)煅烧的白云石高径比67.6，立窑高径比在10以上。9.3立窑立窑3.3.立窑内衬立窑内衬立窑内衬材料的要求耐高温，散热少，具有一定耐高温，散热少，具有一定强度强度。如图9.3，立窑内衬分三层，最里层为工作层，中间为永久层，次外层为隔热层，最外层为壳体钢板。预热带和冷却带要求工作层耐磨损和耐热冲击，而煅烧带还要求抗高温的气体腐蚀作用。4.4.布料装置布料装置基本要求：均衡窑内通风阻力，尽可能消除或减基本要求：均衡窑内通风阻力，尽可能消除或减少靠近窑壁孔处孔隙率过大的现象。合理布料的方法少靠近窑壁孔处孔隙率过大的现象。合理布料的方法是大块布料于窑的中心，中小块于四周，以使风量沿是大块布料于窑的中心，中小块于四周，以使风量沿截面保持均匀截面保持均匀9.3立窑立窑5.5.出料装置出料装置要求保证出料时窑内物料均匀下降。窑内三带相对位置不被破坏。常用的三种出料装置为：拖板出料机，圆盘出料机以及摆动齿辊出料机。6.6.通风装置通风装置由于立窑中燃烧需要大量空气大量空气，所产生的烟气也需要及时排出。因此必须设置鼓风和排风装置。根据风管插入窑体的位置分为底部鼓风（中心鼓风）和腰部鼓风（周边鼓风）两种方式。立窑的排气装置主要由窑罩和烟囱组成（自然排风），或机械排烟。7.7.密封装置密封装置加大窑内鼓风量对立窑生产有利，加强窑的密封性也是十分关键。常用的密封装置有三道闸门和料封管。9.3立窑立窑9.4新型干法水泥回转窑系统新型干法水泥回转窑系统 新型干法水泥生产技术不是狭义上的窑外分解技术，其技术的发展不仅与预热分解系统不断优化密切相关，还与回转窑、燃烧器、冷却机、高温风机、窑的密封装置、烧成系统锁风阀等生产装备的改进，与耐温、隔热、耐磨、耐腐等新型材料的不断开发研制，与原料预均化技术、生料均化技术、高效破碎与粉磨技术、电子计量及控制技术、X荧光分析在线检测技术、电子计算机和自动化控制仪表等技术的发展密切相关。因此随着新型干法水泥生产技术的不断提高，早期提出的那些经典公式与当前国内外的先进生产水平相比，存在了较大的偏差。工作原理工作原理：1）生料）生料2）燃料）燃料3）气体）气体入分解炉煤入分解炉煤(60%-70%)入窑煤（入窑煤（40%-30%）一次空气：输送煤粉的一次空气：输送煤粉的二次空气：来自冷却机的二次空气：来自冷却机的三次空气：进入分解炉的三次空气：进入分解炉的 9.4.19.4.1悬浮预热器悬浮预热器一、悬浮预热器的功能与特征一、悬浮预热器的功能与特征 1、功能。悬浮预热器的主要功能、功能。悬浮预热器的主要功能在于充分利用回转窑在于充分利用回转窑及分解炉内排出的炽热气流中所具有的热焓（热量）加热生及分解炉内排出的炽热气流中所具有的热焓（热量）加热生料，使之进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入分解炉或回料，使之进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入分解炉或回转窑内继续加热分解，完成熟料烧成任务。转窑内继续加热分解，完成熟料烧成任务。因它具有使因它具有使气固气固两相能充分分散均布、迅速换热、高效分离两相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等三大功能。等三大功能。2、特征。各种悬浮预热器窑的不同特性，主要取决于、特征。各种悬浮预热器窑的不同特性，主要取决于同它配套的悬浮预热器的特性，而多种悬浮预热器的特性，同它配套的悬浮预热器的特性，而多种悬浮预热器的特性，又取决于它的结构及换热方式。构成多种悬浮预热的热交换又取决于它的结构及换热方式。构成多种悬浮预热的热交换单元设备有旋风筒（包括联接管道）及立筒（涡室）两种，单元设备有旋风筒（包括联接管道）及立筒（涡室）两种，所有悬浮预热气窑都是由这两种热交换单元设备中的一种单所有悬浮预热气窑都是由这两种热交换单元设备中的一种单独组成或混合组成。独组成或混合组成。下面以旋风筒工作示意图，介绍其工作原理。无论是以旋风筒为主或以立筒为主组成的悬浮预热器，都是由多级换热单元组成的。使用多级换热单元的目的在于提高预热器的热效率。二、结构和工作原理二、结构和工作原理工作原理工作原理(1)生料粉在废气中分散与悬浮生料粉在废气中分散与悬浮(2)气、固之间换热气、固之间换热 （在联结管道内完成）（在联结管道内完成）(3)气、固相的分离，生料粉的收集气、固相的分离，生料粉的收集 （在旋风筒内完成）（在旋风筒内完成）三、悬浮预热器的分类三、悬浮预热器的分类分类方法有三种：1、按制造厂商名分类：早期有洪堡型、史密斯型、多波尔型、维达格型、盖波尔型、ZAB型等数种。2、按热交换工作原理分类：有以同流热交换为主的，以逆流热交换为主的及混流热交换的三种。3、按预热器组成分类：有数级旋风筒组合式、以立筒为主的组合式及旋风筒与立筒（或涡室）混合组合式三种。附附1：早期悬浮预热器综合分类表：早期悬浮预热器综合分类表按制造商命名按制造商命名分类分类按热交换方式按热交换方式分类分类按预器组成分按预器组成分类类洪堡洪堡史密斯史密斯EVS/SVS维达格维达格同流热交换为同流热交换为主型主型以数级旋风筒以数级旋风筒组合组合盖波尔盖波尔ZAB普列洛夫普列洛夫逆流热交换为逆流热交换为主型主型以立筒为主组以立筒为主组合合多波尔多波尔米亚格米亚格混流热交换型混流热交换型旋风筒与立筒旋风筒与立筒混合组合型混合组合型附2：悬浮预热器工作原理示意图9.4.2 9.4.2 分解炉分解炉预分解窑是当代水泥工业用于煅烧水泥熟料的最为先进的工艺装备，具有高效、优质、低耗等一系列优良性能。一、分解窑的功能与特征一、分解窑的功能与特征1、功能。承担预分解系统中繁重的燃烧、换热和碳酸盐分解任务。2、特征。一是在结构方面，一是在结构方面，它是在悬浮预热窑的悬浮预热器与回转窑之间，增设了一个分解炉，承担了原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务；二是在热工方面二是在热工方面，分解炉是预分窑系统的“第二热源”，将传统上全部由窑头加入燃料的做法，改变为少部分从窑头加入，大部分从分解炉内加入，从而改善了窑系统内的热力分布格局；三是工三是工艺方面艺方面，把熟料煅烧工艺过程中耗热最多的碳酸盐分解过程，移至分解炉内进行之后，由于燃料与生料混合均匀，燃料燃烧热及时传递给物料，使燃烧、换热及碳酸盐分解过程都得到优化，使熟料煅烧工艺更趋完善。1、按制造厂名分类：如：SF型（其改进型有N-SF、C-SF型），日本石川岛公司与秩父水泥公司研制。MFC型（其改进型有N-MFC型），日本三菱公司研制等等。2、按分解炉内气流的主要运动形式分类：分为：旋风式、喷腾式、悬浮式及沸腾式（或称流态化床式）四种。3、按全窑系统气体流动方式分类：（1）第一种类型在线型。分解炉需要的三次风由回转窑内通过，不再增设三次风管道，一般也不设专门的分解炉，而是利用窑尾与最下一级的旋风筒之间的上升烟道，经过适当改进或加长作为分解室。如图所示。二、分解炉的分类二、分解炉的分类（2）第二种类型半离线型。设有单独的三次风管，从冷却机抽取的热风在炉前或炉内与窑气混合。如图所示。（3）第三种类型离线型。设有单独的三次风管，但窑气不在炉前或炉内与三次风混合，炉内燃料燃烧全部用从冷却机抽取的三次风。如图所示。以RSP半离线型炉为例来说明其工作原理。（图）此窑最早是由日本小野田公司和川琦重工业公司共同研制。我州滇水、州水泥厂等企业就采用此型炉窑。三、分解炉的结构和工作原理三、分解炉的结构和工作原理9.4.39.4.3回转窑回转窑 回转窑是一个长的钢质圆筒，内砌耐火砖衬里，与水平略呈倾斜，可围绕窑轴线以一定的速度转动。现代窑的直径可达6m，长度可超过180m，熟料生产能力可达5000t/d。回转窑图 9.4.4 9.4.4 熟料冷却机熟料冷却机水泥工业的回转窑诞生之初，并没有任何熟料冷却设备，热的熟料靠倾卸于露天堆场自然冷却。随着水泥生产工艺技术的改进和提高，目前，冷却机已成为当代预分解窑系统中一个不可缺少的重要设备。一、熟料冷却机的功能一、熟料冷却机的功能1、作为一个工艺装备，它承担着对高温熟料的骤冷任务。2、作为热工装备，在对熟料骤冷的同时，承担着对入窑二次风及入炉三次风的加热升温任务。3、做为回收装备，它承担着对出窑熟料携出的大量热焓的回收任务。4、作为熟料输送装备，它承担着对高温熟料的输送任务。对高温熟料进行冷却，有利于熟料输送和储存。熟料冷却机主要有三种类型：1、筒式：包括单筒和多筒。2、篦式：包括震动、回转、推动篦式。3、其他形式：包括立式及“”式。目前，以推动式篦冷机使用最为广泛。二、熟料冷却机的分类二、熟料冷却机的分类三、熟料冷却器的工作原理三、熟料冷却器的工作原理9.4.59.4.5其他重要装备及设备其他重要装备及设备由于水泥生产工艺过程使用的设备较多，很难在短时间内把它系统地学习完。下面我们以图片的方式，对一些重要设备和装备再作些介绍和了解。一、生料制备阶段一、生料制备阶段二段破碎工艺流程图、破碎机、预均化堆场、ABAU均化库、CF均化、生料磨（风扫磨、立式磨）1、预热器系统图、旋风筒、旋风预热器、散料装置、双锁风阀、单销风阀。2、分解炉、预分解窑组合分类、在线分解炉、半离线型分解炉、离线型分解炉。3、水泥回转窑3、水泥回转窑1、水泥回转窑2、喷煤管、冷却机、立窑。二、熟料制备阶段二、熟料制备阶段水泥磨（风扫磨、立式磨）、水泥包装机等。三、水泥制备阶段三、水泥制备阶段近年，水泥工业窑系统发展趋势是：标准化、大型化、和技术经济指标优化。窑系统发展第一个趋势是标准化日益增加，这主要是目前水泥厂能力有限和建筑业蓬勃发展的缘故。另一原因是由于预热器、分解炉、回转窑和冷却机模块化问题的解决，窑系统的标准化使成本大大降低。窑系统发展第二个趋势是大型化。据统计，在20062010年拟建的340个项目，年设计能力总计为5.15亿，平均规模为150万，其中35个项目集中在100万120万、200万210万和300万以上，有9条生产线为10000万，而2006年以前10000万的只有6条。窑系统发展第三个趋势是技术经济指标优化。自采用预分解窑技术以来，窑系统的工艺发展主要是产量提高、耗能降低、维修费减少、耐火材料消耗量降低和备件降低。由于工艺的改善，即使用大量替代燃料也能燃烧完全。同时降低熟料烧成温度和空气需要量并达到非常低的排放量。现在的窑系统，分解炉的燃料占总量的60%65%，且设置还原区和用多级燃烧系统，减少NOX的排放。更重要的是，控制参数相当少，主动参数有窑和分解炉用燃料的比例、生料喂料量、窑尾排风机转速、窑转速、冷却机风量和篦床速度。被动控制参数有窑的废气温度、预热器温度和压力、窑尾温度、窑的转矩、烧成带温度、二次风温、冷却机废气温度、熟料出冷却机温度和篦床下的风压。9.5水泥工业窑系统发展趋势水泥工业窑系统发展趋势