新型干法窯最佳配料方案的選擇

夏忠清

（北方水泥有限公司，吉林 長春 130700）

0 概 述

新型干法窯如何選擇好配料方案，是生產優(yōu)質、高產、低耗熟料的前提和基礎。結合工廠的具體情況，根據原燃材料的化學成分和所生產的產品品種及質量要求，選擇合理的熟料礦物組成及各種率值，才能得出已知化學成分的各種原料及燃料的配合比。

產品質量的好壞，熟料的易燒性，易磨性如何，煤耗的高低，礦山資源的有效利用，生產的正常進行等，很大程度上均取決于合理的配料方案。

1 預分解窯配料方案的選擇

1.1 配料方案的要求

（1）保證獲得特定要求的水泥熟料；（2）要求熟料在燒成過程中，化學反應完全，且易于燒成，所得熟料易于粉磨；（3）生產上易于控制、易于操作。如不結圈、不結球，易于形成堅固的窯皮，燃料消耗低等。

1.2 配料方案選擇應考慮的問題

1.2.1 水泥品種

不同工程對水泥品種的各種不同的要求，配料時應選擇不同的礦物組成，以滿足不同品種水泥的要求。

硅酸鹽水泥應該具有正常的凝結時間、良好的安定性與符合相應等級的強度等基本性能，因為對它沒有特殊要求，可以允許多種配料方案進行生產，諸如低鐵、高鐵、低硅、高飽和系數等多種方案，但要注意三個率值配合適當，不能過分強調某一率值。當組成偏離過大，會給生產帶來較大的困難。如低鐵方案，液相黏度大，有可能增加fCaO的含量，但早期強度高，有利于強度提高；高鐵方案液相黏度小，有利于fCaO的吸收，但有可能產生fCaO低，升重也低的黏散料，不利于窯皮的粘掛。鐵過高在煅燒過程中，易結大塊，燒結范圍窄，熱工制度不穩(wěn)，不利于操作及系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，合適的配料方案必須根據工廠實際情況，在多次實踐總結的基礎上進行優(yōu)化。

1.2.2 原料質量

選擇生產用原料必須根據原料的資源情況、物理性質、化學成分及有害成分的含量，決定是否可以使用或將不同品種原料進行搭配。

在配料時必須注重原料的化學成分，并對原料資源進行評價，確定熟料率值方案，石灰石以含有微晶方解礦體、結晶不良、雜質含量較少的礦體資源為好，黏土質原料應盡量選擇含有非晶態(tài)SiO2的風化黏土，含微晶石英的黏土質原料次之，盡量不用含有粗大顆粒石英的砂巖及河砂。當原料資源較好時，KH值可稍高些，否則應低些。

1.2.3 生料質量

生料質量的優(yōu)劣對熟料煅燒和質量有重要影響，也影響配料方案的確定。熟料的率值，特別是KH值應和生料的均勻性相適應。預分解窯生產線的生料制備系統(tǒng)工藝條件一般都比較完善，又加強了原料的預均化和生料的均化，入窯生料CaO的合格率都在80%以上，有些甚至達到100%，對于那些采用率值控制出磨生料的企業(yè)，生料質量更穩(wěn)，因此出磨生料的穩(wěn)定及均勻性影響一個配料方案的實施效果。

1.2.4 煤的品質

煤的品質對熟料組成的選擇也有一定的影響，當采用質量較差的煤時，煤的灰分大，發(fā)熱量低，一般燒成溫度較低，因而KH值不宜選擇過高，又由于煤灰分全部進入熟料，因此還要相應地提高生料中的SM值和IM值。

1.2.5 生產設備和生產方法

由于生產設備和生產方法不同，即使生產同一品種水泥，所選擇的KH值也有所不同。如濕法回轉窯生產由于生料成分均勻，熱工制度穩(wěn)定，要求KH值適當高些，干法回轉窯生產則KH值可適當低些。

1.2.6 操作條件

操作條件并不能作為具體的因素在配料時考慮，但由于操作習慣和操作水平的高低，往往會影響配料方案的實施。因此必須不斷提高操作水平，以適應配料方案的要求。

1.2.7 預分解窯的熱工特性

預分解窯由于碳酸鹽分解過程大部分在分解爐內完成，因而其熱工特性與一般的回轉窯有很大區(qū)別。

（1）預分解窯中的固相反應集中，反應速度快，且為多質點。

由于預分解窯入窯生料C a C O3分解率已達85%～95%，故在窯內首先進行固相反應。固相反應起始于800℃，而預分解窯窯尾煙氣溫度達到1 000℃以上，這就使得入窯物料固相反應較為集中。另一方面，物料固相反應為放熱反應，其放熱量約為480kJ/kg～500kJ/kg，這足以使物料溫度升高300℃以上，達到燒結溫度，使進入燒成帶的物料得到充分預燒，不致像其他窯型那樣出現(xiàn)竄料現(xiàn)象，保證了窯內煅燒制度的穩(wěn)定。此外，碳酸鹽在分解爐內30s～40s時間即基本分解完畢。有研究表明：在該條件下游離CaO晶體平均尺寸僅為緩慢煅燒分解的晶體顆粒尺寸的五分之一，細小的CaO顆粒不僅有助于固相反應的進行，而且生成C2S的反應為多質點進行，生成的C2S晶體尺寸也較小，故易熔于熔劑礦物，且擴散、遷移速度較快，因而反應能力很強。

（2）預分解窯的煅燒溫度高，燒成帶長，物料受熱均勻。

預分解窯窯頭用煤量一般只占全窯系統(tǒng)用煤量的40%，但煅燒溫度比較高。尤其二次風溫高，即使用煤量減少，火焰溫度也高，相應的煅燒溫度就高，徐德龍院士等人用計算機對φ4.5m×60m預分解窯和同規(guī)格的旋風預熱器窯內氣體溫度，物料溫度和窯溫度沿窯長度分布進行計算。理論分析認為，由于煅燒產生的熱量和煅燒煙氣生成量成正比，多燒燃料會多產生煙氣，而單位煙氣的熱含量不變。發(fā)現(xiàn)預分解窯內物料最高溫度比旋風預熱器窯高100℃（見圖1）。煅燒溫度的提高，可以縮短熟料燒成時間，對于易燒性差的生料也可煅燒出較好質量的熟料。另外，由于窯尾煙氣溫度高，固相反應又放出大量的熱量，因此窯中溫度梯度下降較平緩，物料經過較長的高溫帶，使熟料的燒成得以充分進行。值得一提的是預分解窯轉速較快，一般可達3r/min以上，使物料的翻滾次數增多，其與熱氣流和窯壁的接觸次數也增加，提高了傳熱效率，彌補了物料的在堆積狀態(tài)下傳熱不足，使物料受熱均勻。

圖1 預分解窯和預熱器窯內物料溫度沿窯長分布規(guī)律

（3）預分解窯出窯熟料溫度高、冷卻速度快。

預分解窯煅燒溫度較高，窯內冷卻帶較短，出窯熟料溫度在1 300℃以上，有的接近1 400℃，由于熟料冷卻一般采用篦式冷卻機，使熟料冷卻速度很快。熟料快速冷卻，一個好處是B礦保留高溫型a′-C2S（據報道：冷卻快的熟料中a′-C2S含最要占B礦總量的40%，而慢冷熟料中a′-C2S所占B礦中的比例幾乎為零），相應數量高活性a′-C2S的存在，無疑會有利于熟料強度的提高，同時還可避免在鋁率高的條件下發(fā)生L（液相）+C3S 、C3A+C2的轉熔反應，從而提高C3S的含量，這也為提高鋁率創(chuàng)造了條件。

總之，預分解窯的熱工特性在于固相反應集中，燒成溫度高，冷卻速度快。因此選擇配料方案時，需考慮其熱工特性，以便能最大幅度發(fā)揮預分解窯的效能。

2 預分解窯的配料方案對熟料強度的影響

1982年B.Kohl haas在改編出版的《水泥工作者指南》一書中，用試驗水泥和工業(yè)生產的水泥做了各率值對抗壓強度影響和各礦物組成變化的試驗，得出圖2（a）、（b）、（c）的關系曲線。這些曲線的數據主要表示一個趨勢，并非絕對值。

試驗的基準水泥KH=0.90，SM=2.0，IM=2.0，SO3=2.8%，比表面積320m2/kg。在此基礎上固定其中兩個率值，改變第三個率值，測得抗壓強度，并與基準水泥強度相比，列出相對強度值。

從（a）圖可以看出，提高SM對提高28d強度的作用比較明顯，早期強度也有所提高。

這是因為隨著SM的提高，熟料中硅酸鹽礦物增多，鋁酸鹽和鐵酸鹽含量相對減少，阿利特含量也有所增加。但如果SM過高，熔劑礦物少，導致熟料煅燒困難結粒細小，窯前飛砂嚴重，涮窯皮長期會縮短耐火材料的使用壽命。

從（b）圖可以看出，提高IM只能提高早期強度，同時又會提高水化熱，因為隨著IM的提高鋁酸鹽含量提高十分明顯，它對水化熱增高的影響完全遮蓋了阿利特減少的作用。但IM過高，料發(fā)粘，分子之間擴散速度慢，不利于C3S的形成fCaO會增加，篦冷機容易堆“雪人”。

圖（c）顯示，KH對提高抗壓強度有決定性的作用，對早期強度的提高作用更明顯，因為A礦含量以更快的速度增大。從試驗中得出KH約提高0.06，或者SM提高約0.3，都可以使28d抗壓強度提高約10%。但KH過高煅燒困難，fCaO高。

圖2 三率值與強度關系

3 結 論

我國預分解窯的配料方案，目前大多采用“兩高一中”配料方案（即KH=0.87±0.1，SM＝2.5±0.1，IM=1.6±0.1），對保證預分解窯的熟料質量，提高設備長期安全運轉起到了重要作用。

結合我廠 5 000t/d預分解窯熟料生產線，為獲得較高的熟料強度，良好的物料易燒性，以及易于控制生產，統(tǒng)計了近3年的有關KH-，fCaO，立升重，熟料強度，物料燒成特點，最后得出KH=0.9±0.01，SM=2.5±0.1，IM=1.5±0.1為我廠的配料方案，此種配料方案fCaO＜1.0%時合格率最高，易于煅燒且強度高，實現(xiàn)了優(yōu)質，高產，低耗的目的。