淺議水泥回轉窯燒成帶溫度

□□封培然

淺議水泥回轉窯燒成帶溫度

The Discussion of Burning Zone Temperature in Cement Rotary Kiln

□□封培然

1 引言

在水泥工業中，熟料的生成是液相燒結。以化學反應的觀點看，在其他條件都相同時，越高的反應溫度和越長的反應時間，就能得到較高的生成率；同理相同的合成率，溫度越高，反應時間越短。需要說明的是根據菲克定律，高溫對固相反應的擴散也有很大影響。現代新型干法水泥生產追求的是優質、高產、低消耗，即較高的反應程度，最低的時間消耗，從而有最高的產量，因此在得到相同fCaO含量時，追求更少的反應時間成為必然，這就需要有較高的反應溫度。

燒成帶溫度是影響水泥熟料質量產量的關鍵因素，而影響燒成帶溫度的因素很多，例如窯尾溫度、喂煤量、煤的熱值、窯頭溫度、一次風量、三次風溫、筒體表面散熱、出窯熟料溫度、生料喂料量、入窯物料溫度等等。因此如何控制燒成帶溫度、比較燒成帶溫度、監測燒成帶溫度是水泥生產必須考慮的問題。

2 燒成帶溫度因素分析

2.1 窯尾煙氣溫度

影響燒成帶溫度的因素很多，相互之間耦合性很強，因此單獨分析某一因素的影響十分困難，以下討論都是假定其他條件相同，變化的只有單一因素。窯尾煙氣溫度是燒成帶溫度向外輸出的重要表征，也是分解爐內碳酸鹽分解的重要熱源。圖1是燒成帶溫度與窯尾煙氣溫度的關系圖。

由圖1可知，燒成帶溫度隨窯尾溫度的升高而降低，其原因在于假定其他條件不變，即總熱量一定，出窯尾廢氣的溫度越高，帶走的熱量就越多，燒成帶溫度也會隨之降低。但實際生產并非其他條件不變，例如隨著窯尾溫度的升高，分解爐內生料的分解率可能會提高，這時入窯物料的的溫度有可能增加，此時燒成帶溫度會出現如圖2所示的變化。由圖可知，當入窯物料溫度升高時，燒成帶溫度有明顯的上升。把圖2中1100℃處的燒成帶溫度代入到圖1中得到圖3。從圖3可以看出，直線在1100℃時發生了改變——開始向上隆起，說明入窯物料溫度的升高抑制燒成帶溫度的降低，因此在雙因素作用下，無法準確判斷燒成帶溫度是升高還是降低，因為這還與物料升溫程度有關。實踐表明只要碳酸鹽沒有完全分解，物料溫度就不會一直升高，且在分解溫度以下，也就是說物料升高的溫度是有限的。

為了保證入分解爐的溫度大于出分解爐溫度，在不引起煙道系統結皮、堵塞的情況下，適當提高窯尾煙氣溫度是可以的，根據實際生產狀況，一般生料的分解率不會是100%，當入窯生料溫度在870℃時，窯尾溫度控制在1100℃比較合適。

2.2 窯頭喂煤量

窯頭的喂煤量是提供窯內熱源的主要方式，窯頭喂煤量的多少直接影響窯內燒成帶溫度，但是有時增加喂煤量，燒成帶溫度并不一定增加，原因是煤粉是否完全燃燒，窯內通風是否變大等都會抵消增加喂煤量的效果。在合適的通風條件下，整個窯系統用煤量是一定的，只是窯頭與分解爐的分配比例有所不同。圖4是窯尾溫度為1050℃，入窯生料溫度為850℃時，窯頭喂煤所占比例分別為40%、50%、45%、55%、60%、30%時，燒成帶溫度的測量結果。

從圖4中可以看出，窯頭喂煤所占比例越大燒成帶溫度越高，這是緣于我們假定其他條件都相同，但實際生產中，隨著窯頭喂煤量的增加窯尾溫度會隨著增加，尤其是調節窯內用風量時。圖5表明同樣是窯頭喂煤量占40%時，窯尾溫度增加對燒成帶溫度的影響。

從圖5中可以看出，隨著窯尾溫度的升高，窯頭喂煤量的效果逐漸在削弱。因此在增加窯頭喂煤量以提高燒成帶溫度時，應注意窯尾溫度的升高和監控煙氣中CO的含量。

2.3 煤的熱值

煤的發熱量是過程控制的重要內容，其在進廠時就開始監控，因此對煤的發熱量應該有較好的控制，但是隨著能源價格的不斷上漲，煤的品質難免出現波動，尤其是煤的水分。因此做好原煤的均化，可以避免操作中的不可預測性，煤粉熱值的大起大落不僅對于燒成帶溫度有重要的影響，而且會伴隨熟料質量的波動。此外揮發分含量的變化值得注意，揮發分的變化可能不會影響熱值，但是由于火焰長度的變化，造成火焰溫度的不集中，從而造成燒成帶溫度的下降。因此均化除了對原煤熱值有利外，對煤粉的揮發分穩定也十分有利。實際生產過程中，由于計量秤的誤差、煤粉細度、水分的變化都會造成化學不完全燃燒和機械不完全燃燒，根據熱工測定統計，我國回轉窯的不完全燃燒損失平均為251kJ/kg熟料，約占熟料熱耗的4%左右[1]。因此精確計量，控制好煤粉細度、水分與控制煤的熱值一樣重要。

2.4 窯頭溫度

窯頭溫度包括四部分：a出窯熟料溫度；b二次風溫；c三次風溫；d一次風溫。四者對燒成帶的溫度影響各有不同。出窯熟料溫度是熟料帶走熱量多少的表征，二次風溫和三次風溫是冷卻熟料時的風溫，兩者之間存在相關性。隨著出窯熟料溫度的增加，二次風溫和三次風溫可能會升高，假定二次風溫和三次風溫恒定。圖6是出窯熟料溫度與燒成帶溫度之間的關系圖。

由圖6可知，隨著燒成帶溫度的增加，出窯熟料溫度隨之增加，兩者之間有近似直線關系，但是增加的幅度很小，說明出窯熟料溫度受到燒成帶溫度影響很小。實際生產過程中，正常運轉的窯系統，出窯熟料溫度基本恒定在1300℃，但是二次風溫與三次風溫卻經常隨熟料粒度、冷卻風量的變化而變化，而且二次風與三次風有一個風量分配的問題。二次風與三次風既可同時升溫，又可以只有一個升高，在二次風量較大時，窯尾溫度也會增加，因此假定窯尾溫度不變，二次風溫與燒成帶溫度關系如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著二次風溫的增加，熟料燒成帶溫度呈明顯增加趨勢，說明二次風溫度對燒成帶溫度影響明顯。實際上，二次風不僅提供了窯內煤粉燃燒的一個熱源，而且提供了煤粉燃燒所需要的氧氣。根據二次風溫，我們可以了解熟料的煅燒狀況，而且提高二次風溫度，可以明顯減少窯頭喂煤量，計算結果表明，二次風溫在1200℃時比在1100℃時，可節約4%的燃料消耗。因此較高的二次風溫度對提高燒成帶溫度是有益的[2]，與二次風溫相反，三次風溫越高，意味著有較多的熱量被轉移到了分解爐，這時進入窯內的熱量相應減少，燒成帶溫度變低，圖8印證了這一點。

隨著三次風溫的升高，燒成帶溫度在下降，但是在實際生產過程中，三次風除了提供分解爐內熱量，還提供分解爐內煤粉燃燒需要的氧氣，因此從綜合的觀點看，三次風溫不宜過低，至少應該高于分解爐出口溫度，否則通過分解爐后會吸收一部分熱量。

一次風溫與二次風和三次風不同，一次風溫度較低，它的主要目的是輸送煤粉。假定二次風溫為1100℃，三次風溫為900℃，這時一次風溫與與燒成帶溫度之間，呈現較弱的線性相關，其相關系數僅為0.8929。當一次風溫升高時，燒成帶溫度并沒有明顯提高，而且隨著實際生產中多通道燃燒器的使用，一次風量在逐漸減少，因此，盡管一次風溫度最低，但是對燒成帶溫度的影響卻是微乎其微，故不必刻意提高一次風溫，較高的一次風溫對煤粉的輸送也十分不利。值得注意的是，由于系統漏風，造成一次空氣量明顯增大。因此強化窯頭窯尾以及篦冷機的漏風管理尤為重要。

2.5 筒體表面溫度

窯的筒體溫度是指示窯內燒成帶溫度的較好指標，但它又受到耐火材料厚度、窯皮厚度、熟料溫度、窯的轉速等影響，從熱平衡的觀點來看，窯外散失熱量越多，燒成帶溫度越低。由于窯皮的不斷脫落與粘附，表面溫度也會有所變化，同時熟料成分的變化導致液相粘度的變化，進而窯皮厚薄也發生變化。但從一段時間來看，窯內還是一個熱平衡的溫度場，窯皮基本保持在恒定的位置。由圖10可見，隨著窯筒體溫度的升高燒成帶溫度有明顯下降，這說明窯筒體溫度對燒成帶溫度影響較大，因此保證較低的窯筒體溫度對燒成帶溫度非常有利，這可以通過增加窯皮厚度，減少耐火材料磨損，及時更換耐火磚，增加一定的生料喂料量等措施解決。據統計筒體溫度每降低1℃約減少熱耗5.4J/kg熟料,因此采用新型隔熱材料是降低筒體溫度的有效途徑。

增加生料喂料量對燒成帶溫度的影響較小，原因是物料在進入燒成帶后是一個微吸熱的過程，火焰對熟料的輻射成為換熱的一個主要方式。現代新型干法水泥生產主要是薄料快燒，目的是強化火焰對熟料的傳熱效率，實際上窯轉速的加快，對于保護厚窯皮有利，從而提高了燒成帶溫度，但是窯皮過厚，對窯內通風等也會造成不利影響，因此要有適宜的窯皮厚度。過去的濕法窯和懸浮預熱器窯，由于窯體過渡帶較長，窯的轉速較慢，出燒成帶的高溫氣體，通過沒有窯皮的耐火材料時，大量的熱量都散失于空氣中；新型干法水泥窯由于分解率的提高，過渡帶較短，散失熱量較少，因此提高了回轉窯的熱效率。

3 燒成帶溫度監測

現有的燒成帶溫度監測，主要有兩類：一類是直接檢測，如高溫比色計等；一類是間接檢測，如紅外筒體掃描儀等。

直接測量法無論采用哪種測量儀器，都會受到窯內高濃度粉塵的影響，尤其是當飛砂料嚴重時。對于儀器測量的對象，只能是窯皮的某個位置，既不會代表整個燒成帶溫度，也不能反映燒成帶的最高溫度，因此儀器的直接測量受到多種因素的制約。現在對燒成帶溫度的研究主要集中在比色高溫計圖像處理的數字量化方面。如何避免粉塵對測量結果的影響以及確定測量點位置與燒成帶溫度等代表性的問題依然值得探討。

間接測量法是通過外部特征與燒成帶溫度之間的聯系來表征的，例如燒成帶溫度與NOX濃度間的關系；燒成帶溫度與物料被窯皮帶起之間的關系，進而有燒成帶溫度與窯主電機電流之間的聯系；窯皮厚度一定時，燒成帶溫度越高，筒體溫度越高，兩者之間也有比較好的聯系等等。但是無論哪一種聯系，都會受到條件的制約，例如氮氧化物濃度與燒成帶溫度之間的聯系，一方面氮氧化物濃度較低，測量誤差較大，氮氧化物的生成不僅與燒成溫度有關，還與燒成帶的氧氣濃度有關，所以氮氧化物濃度受到氧氣濃度、停留時間的影響。另一方面，窯內的還原氣氛或者分解爐內的還原氣氛都會降低氮氧化物的濃度，因此燒成帶溫度與氮氧化物濃度的聯系就會變得不明顯。

通過上述兩種方式的比較我們可以發現，無論哪種測量方式都不能有效直接地反映燒成帶溫度，而要通過一定的生產狀況，進行多種情況的綜合判斷，這種綜合判斷無法得出一個準確的燒成帶溫度數值，只有定性地說明燒成帶溫度是高還是低。

4 結語

建立適應新型干法水泥回轉窯燒成帶溫度的檢測系統，實現燒成帶溫度的數字化，對水泥回轉窯的產量與質量都十分有益。

因此，通過計算機系統將大量正常狀態下有關因素數據輸入，建立可靠、準確、適宜的數據庫，回歸出各因素與燒成帶溫度之間的聯系，從而建立良好的數學模型。在數據模型的基礎上，編制專家系統軟件程序，通過專家系統的智能控制，得出正常狀態下燒成帶溫度的可靠檢測結果，對比正常狀態的數據，就可以診斷出不正常窯況的緣由，為根本上監測控制燒成帶溫度提供依據，為水泥生產的優質、高產、低消耗打下良好基礎。

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TQ172.622.29

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1001-6171（2010）05-0023-04

2010-04-10；編輯：趙 蓮

國家937項目“水泥低能耗制備與高效應用的基礎研究”，基金編號2009CB623102