入窑生料温度对物料反应特性和煅烧系统温度场分布的影响

发布时间：2020-07-18 22:49

【摘要】：预分解工艺已是目前水泥熟料煅烧工艺的主流,但在回转窑内仍然存在物料部分分解和升温的“热瓶颈”。如何消除这一传热与需热的矛盾,是熟料煅烧工艺进一步发展的方向。若在目前预分解工艺入窑生料温度小于900℃的情况下,进一步加强预分解窑尾系统的预烧功能,利用悬浮态的高效传热、传质优势提高入窑生料温度,将有望加快入窑物料的固相反应和烧成反应过程,将有助于熟料产量的大幅度提升。通过文献分析和理论计算,定量阐明了提高入窑生料温度对熟料煅烧系统产量的影响,并且发现提高入窑生料温度对窑产量的提升效应比提高入窑生料分解率更为显著。通过煅烧条件的对比模拟,研究了入窑生料温度对熟料物理化学反应特性的影响。研究发现在1100℃附近悬浮煅烧下,碳酸盐矿物新生物相活性可达到最高,约为900℃下煅烧产物活性的1.31~1.45倍。入窑生料温度由900℃升高到1000℃,固相反应速率加快约十倍(C_2S为2.6~10.7倍,C_3A为2.0~10.0倍,生料为2.8倍);若进一步提高反应温度到1100℃进行,固相反应速率加快约二十倍(C_2S为9.0~19.3倍,C_3A为2.7~26.6倍,生料为4.0倍)。若能保持更高温度和/或更高分解率的入窑生料进行烧成反应,熟料形成反应速率将有较大提升。为掌握入窑生料温度对窑炉系统热工特性的影响,基于煅烧窑炉的传热、传质、动量传递和化学反应过程的分析,建立相应的数学模型研究其温度场分布规律。研究发现当窑尾喂煤比例由60%提高到70%时,入窑生料温度可从886℃提高到1070℃。当入窑生料温度为1070℃时,采用L/D较短(L/D=10)的回转窑,其烧成带能够形成更为稳定的温度场,其物料最高温度比入窑生料温度为886℃的情况下高80℃,其高温区域(1450℃)长度增长了1倍。为预烧成工艺的进一步工程化研究提供相应的理论支撑,初步分析了入窑生料温度提高后对预分解工艺的关键热工设备(旋风预热器、分解炉、回转窑)的影响。研究发现入窑生料温度提高后,分解炉的设计需满足提高料气停留时间比t_m/t_g、延长物料停留时间的要求,并能满足煤粉的充分分散与良好燃烧的需求;C6旋风预热器的内筒可采用陶瓷内筒等技术措施;回转窑的设计可采用“大斜度、大直径、小长径比”的方案;配料可采取“两高一中”的方案,并能更好的适应易烧性较差的生料。通过系统研究认为在目前的预分解窑工艺基础上,可望将入窑生料温度提高到1000~1100℃。综合分析,当窑尾喂煤比例控制在70%时,入窑生料温度可达1070℃,入窑生料分解率达97.1%,此时产量增加95%,熟料理论热耗降低53.0 kJ/(kg·cl),熟料形成工艺热耗减少236.1 kJ/(kg·cl),热效率提高3.6%。
【学位授予单位】：中国建筑材料科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ172.6
【图文】：

曲线,湿法长窑,传热强度,曲线

图 1-1 湿法长窑温度和传热强度曲线Fig.1-1 Temperature and heat transfer intensity curve of wet kiln从图 1-1 看出，水泥熟料烧成的物理化学过程中存在两处热瓶颈，一处位干燥带，为水分蒸发大量吸收热量的位置；一处为分解带，为碳酸盐矿物大量解的位置。这两处传热与需热的矛盾，决定了整个窑炉系统的热效率。如果能

水泥煅烧,技术进展

图 1-2 水泥煅烧技术进展Fig.1-2 Cement calcination technology progress表 1-1 给出了历史发展进程中，不同水泥熟料煅烧热工设备──不同窑容积产量和热耗[21]。由表中数据也可以看出，从湿法长窑发展到预分解回转窑内热负荷的降低，窑产量得到了提升，热耗得到了降低。

五级旋风预热器,固气比,物料温度,预热器

表 1-3 KHD 提供的三种窑型窑内物料停留时间Table 1-3 Residence time of material in rotary kiln of three type kiln停留时间/min型分解带过渡带烧成带冷却带热器窑） 28 5 10 2 预分解窑） 2 15 12 2 D（两档短窑） 2 6 10 2 可以看出，两档短窑技术使得物料在 900～1300 ℃的过少，较好的保持了新生态 CaO 和 C2S 的高活性，加快了烧成过程，因而有利于提升熟料强度。如福建龙岩某 10生产线，其熟料强度经常都在 66~67 MPa。自 2004 年以短窑生产线投入生产运行，并表现出良好的技术指标[58-6技术年，西安建筑科技大学通过对粉体预热器的理论研究，推率与固气比、物料温度的关系[62]（以五级预热器为例，

【参考文献】