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水泥生料經(jīng)過(guò)連續(xù)升溫，達(dá)到相應(yīng)的溫度時(shí)，其煅燒會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，最后形成熟料。硅酸鹽水泥熟料主要由硅酸三鈣（C3S）、硅酸鹽二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF） 等礦物所組成。

硅酸鹽水泥生料通常是用石灰石、黏土及少量鐵礦石等按適當(dāng)?shù)谋壤渲贫伞Ｊ沂闹饕M成是碳酸鈣（CaCO3）和少量的碳酸鎂（MgCO3），黏土的主要礦物是高嶺石（2SiO2·Al2O3·2H2O）及蒙脫石（4SiO2·Al2O3·9H2O)等，鐵礦石的主要組成是氧化鐵（Fe2O3）。

硅酸鹽水泥熟料形成的過(guò)程，實(shí)際上是石灰石、黏土、鐵礦石等主要原料經(jīng)過(guò)加熱，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等 礦物的過(guò)程，不論窯型的變化如何，其過(guò)程是不變的。

水泥生料在加熱煅燒過(guò)程中所發(fā)生的 主要變化有以下六點(diǎn)：

（一）自由水的蒸發(fā)

（二）黏土質(zhì)原料脫水和分解

（三）石灰石的分解

（四）固相反應(yīng)

（五）熟料燒成

（六）熟料的冷卻

（一）自由水的蒸發(fā)

無(wú)論是干法生產(chǎn)還是濕法生產(chǎn)，入窯生料都帶有一定量的自由水分，由于加熱，物料溫度逐漸升高，物料中的水分首先蒸發(fā)，物料逐漸被烘干，其溫度逐漸上升，溫度升到100~150℃時(shí)，生料自由水分全部被排除，這一過(guò)程也稱為干燥過(guò)程。

（二）黏土質(zhì)原料脫水和分解

黏土主要由含水硅酸鋁所組成，其中二氧化硅和氧化鋁的比例波動(dòng)于2：1~4：1之間。當(dāng)生料烘干后，被繼續(xù)加熱，溫度上升較快，當(dāng)溫度升到450℃時(shí)，黏土中的主要組成高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）失去結(jié)構(gòu)水，變?yōu)槠邘X石（2SiO2·Al2O3）。

高嶺土進(jìn)行脫水分解反應(yīng)時(shí)，在失去化學(xué)結(jié)合水的同時(shí)，本身結(jié)構(gòu)也受到破壞，變成游離的無(wú)定形的三氧化二鋁和二氧化硅，其具有較高的化學(xué)活性，為下一步與氧化鈣反應(yīng)創(chuàng)造了有利條件。在900-950℃，由無(wú)定形物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，同時(shí)放出熱量。

（三）石灰石的分解

脫水后的物料，溫度繼續(xù)升至600℃以上時(shí)，生料中的碳酸鹽開(kāi)始分解，主要是石灰石中的碳酸鈣和原料中夾雜的碳酸鎂進(jìn)行分解，并放出二氧化碳，其反應(yīng)式如下：

實(shí)驗(yàn)表明：碳酸鈣和碳酸鎂的分解速度隨溫度升高而加快，在600~700 ℃時(shí)碳酸鎂已開(kāi)始分解，加熱到750 ℃分解劇烈進(jìn)行。碳酸鈣分解溫度較高，在900 ℃時(shí)才快速分解。

碳酸鈣（CaCO3）是生料中的主要成分，分解時(shí)需要吸收大量的熱，其分解過(guò)程中消耗的熱量約占干法窯熱耗的一半以上，其分解時(shí)間和分解率都將影響熟料的燒成。因此，碳酸鈣的分解是水泥熟料生產(chǎn)中重要的一環(huán)。

碳酸鈣的分解具有可逆的性質(zhì)，如果反應(yīng)在密閉容器中一定的溫度下進(jìn)行，則隨著碳酸鈣的分解，氣體CO2的總量的增加，其分解速度就要逐漸減慢甚至為零。因此，在煅燒窯內(nèi)或分解爐內(nèi)加強(qiáng)通風(fēng)，及時(shí)將CO2氣體排出則是有利于碳酸鈣的分解，窯系統(tǒng)內(nèi)CO2來(lái)自碳酸鹽的分解和燃料的燃燒，廢氣中CO2含量每減少2%，約可使分解時(shí)間縮短10%。當(dāng)窯系統(tǒng)內(nèi)通風(fēng)不暢時(shí)，CO2不能及時(shí)被排出，廢氣中CO2含量的增加，會(huì)影響燃料燃燒，使窯溫降低，廢氣中CO2含量的增加和溫度降低都要延長(zhǎng)碳酸鈣的分解時(shí)間。由此可見(jiàn)，窯內(nèi)通風(fēng)對(duì)碳酸鈣的分解起著重要的作用。

（四）固相反應(yīng)

黏土和石灰石分解以后分別形成了CaO、MgO、SiO2、Al2O3等氧化物，這時(shí)物料中便出現(xiàn)了性質(zhì)活潑的游離氧化鈣，它與生料中的二氧化硅、三氧化二鐵和三氧化二鋁等氧化物進(jìn)行固相反應(yīng)，其反應(yīng)速度隨溫度升高而加快。

水泥熟料中各種礦物并不是經(jīng)過(guò)一級(jí)固相反應(yīng)就形成的，而是經(jīng)過(guò)多級(jí)固相反應(yīng)的結(jié)果，反應(yīng)過(guò)程比較復(fù)雜，其形成過(guò)程大致如下：

應(yīng)該指出，影響上述化學(xué)反應(yīng)的因素很多，它與原料的性質(zhì)、粉磨的細(xì)度及加熱條件等因素有關(guān)。如生料磨得愈細(xì)，混合得愈均勻，就增加了各組分之間的接觸面積，有利于固相反應(yīng)的進(jìn)行。如從原料的物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)看，黏土中的二氧化硅若是以結(jié)晶狀態(tài)的石英砂存在，就很難與氧化鈣反應(yīng)，若是由高嶺土脫水分解而來(lái)的無(wú)定形二氧化硅，沒(méi)有一定晶格或晶格有缺陷，則易與氧化鈣進(jìn)行反應(yīng)。

從以上化學(xué)反應(yīng)的溫度不難發(fā)現(xiàn)，這些反應(yīng)溫度都小于反應(yīng)物和生成物的熔點(diǎn)（如CaO、SiO2與2CaO·SiO2的熔點(diǎn)分別為2570℃、1713℃與2130℃），就是說(shuō)物料在以上這些反應(yīng)過(guò)程中都沒(méi)有熔融狀態(tài)物出現(xiàn)，反應(yīng)是在固體狀態(tài)下進(jìn)行的。因此叫固相反應(yīng)，又由于以上反應(yīng)在進(jìn)行時(shí)放出一定的熱量，因此，這些反應(yīng)又統(tǒng)稱為“放熱反應(yīng)”。

（五）熟料燒成

由于固相反應(yīng)，生成了水泥熟料中C4AF、C3A、C2S等礦物，但是水泥熟料的主要礦物C3S要在液相中才能大量形成。當(dāng)物料溫度升高到近1300℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)液相，形成液相的主要礦物為C3A、C4AF、R2O等熔劑礦物，但此時(shí)，大部分C2S和CaO仍為固相，但它們易被高溫的熔融液相所溶解，這種溶解于液相中的C2S和CaO很容易起反應(yīng)，而生成硅酸三鈣：

       2CaO·SiO2+CaO → 3CaO·SiO2（C3S）

這個(gè)過(guò)程也稱石灰吸收過(guò)程。

當(dāng)然，C3S也可以通過(guò)固相反應(yīng)來(lái)形成，但是煅燒過(guò)程需要更高的溫度和更長(zhǎng)的時(shí)間，這種辦法在工業(yè)上至少在目前還沒(méi)有什么實(shí)用價(jià)值。大量C3S的生成是在液相出現(xiàn)之后，普通硅酸鹽水泥熟料組成一般在1300 ℃左右時(shí)就開(kāi)始出現(xiàn)液相，而C3S形成最低溫度約在1350 ℃ ，在1450 ℃下C3S絕大部分生成，所以熟料燒成溫度可寫(xiě)成1350~1450 ℃ ，它是決定熟料質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，若此溫度有保證則生成的C3S較多，熟料質(zhì)量較好；反之，生成C3S較少，熟料質(zhì)量較差。不僅如此，此溫度還影響著C3S的生成速度，隨著溫度的長(zhǎng)高，C3S生成的速度也就加快，在1450 ℃時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行非常迅速，此溫度稱為熟料燒成的最高溫度，所以水泥熟料煅燒設(shè)備，必須能夠使物料達(dá)到如此高的溫度。否則，燒成的熟料質(zhì)量將受影響。

任何反應(yīng)過(guò)程都需要有一定的時(shí)間，C3S的形成也一樣，它的形成不僅需要有溫度的保證，而且需要在該溫度下停留一定的時(shí)間，使之能反應(yīng)充分。煅燒較均勻的回轉(zhuǎn)窯所需時(shí)間可短些，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易使C3S生成粗而圓的晶體，使其強(qiáng)度發(fā)揮慢而低，一般需要在高溫下煅燒20-30min。

C3S是水泥熟料的主要礦物，影響C3S的生成因素如下：

1、生料的組分?jǐn)?shù)對(duì)液相生成的影響

組分?jǐn)?shù)增加，最低共熔點(diǎn)降低，尤其是組分中增加熔點(diǎn)低的物質(zhì)時(shí)，液相出現(xiàn)的溫度更要降低。硅酸鹽水泥熟料中一般都有少量鎂、堿、硫等其他組分，其最低共熔溫度約為1250-1280 ℃ ，雖然這些次要組分能使液相提早生成，但它們是有害組分，對(duì)其含量都有一定的限制。

2、化學(xué)成分的影響

一般鋁酸三鈣（C3A）和鐵鋁酸四鈣（C4AF）在1300 ℃左右時(shí)，都能熔成液相，所以稱C3A和C4AF為熔劑性礦物。液相量是隨著Al2O3和Fe2O3的增加而增加，熟料中MgO、R2O等成分也能增加液相量。

一般硅酸鹽水泥熟料成分生成的液相量可近似用下式進(jìn)行計(jì)算：

C3A和C4AF都是熔劑性礦物，但它們生成液相的黏度是不同的，C3A形成的液相黏度大，C4AF形成的液相黏度小。因此，當(dāng)熟料中C3A和Al2O3含量增加，C4AF或Fe2O3含量減少時(shí)，即熟料的鋁率增加時(shí)，生成液相黏度增加，反之則液相黏度減小。因此，液相量的多少和黏度的大小，對(duì)C3S的生成會(huì)有很大影響，如果液相量多、黏度小，有利于C3S的生成，因?yàn)橐合嗔慷鄷r(shí)，CaO和C2S在其中的溶解量也多；黏度小時(shí)，液相中CaO和C2S分子擴(kuò)散速度大，相互接觸的機(jī)會(huì)多，故反應(yīng)進(jìn)行得充分。但應(yīng)注意，如果液相量過(guò)多，黏度過(guò)小，則會(huì)給煅燒操作帶來(lái)困難，如易結(jié)圈、燒流等；同時(shí)，因?yàn)楣杷猁}礦物的減少將會(huì)影響熟料質(zhì)量。

3、煅燒溫度的影響

提高煅燒溫度可降低液相黏度，由式（1-1）、式（1-2）可看出，煅燒溫度的提高也使液相的百分含量增多。但煅燒溫度不宜過(guò)高，煅燒溫度過(guò)高了在窯內(nèi)易結(jié)大塊、結(jié)圈等弊病；而且煅燒溫度過(guò)高還易使C3S生成大而圓的晶體，這個(gè)大而圓的晶體很致密，與水作用速度很慢，使強(qiáng)度發(fā)揮慢，故最高燒成溫度應(yīng)控制在1450℃。

（六）熟料的冷卻

當(dāng)熟料燒成后，溫度開(kāi)始下降，同時(shí)C3S的生成速度也不斷減慢，溫度降到1300 ℃以下時(shí)，液相開(kāi)始凝固，C3S的生成反應(yīng)完結(jié)。此時(shí)凝固體中含有少量的未化合的CaO，則稱為游離氧化鈣，溫度繼續(xù)下降便進(jìn)入熟料的冷卻階段。

熟料燒成后要進(jìn)行冷卻，其目的在于改進(jìn)熟料質(zhì)量，提高熟料的易磨性；回收熟料余熱，降低熱耗，提高熱的效率；降低熟料溫度，便于熟料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和粉磨。

熟料冷卻的好壞及冷卻速度，對(duì)熟料質(zhì)量影響較大，因?yàn)椴糠秩廴诘氖炝希湟合嘣诶鋮s時(shí)，往往還和固相進(jìn)行反應(yīng)。

熟料中礦物的結(jié)構(gòu)取決于冷卻速度、固液相中的質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散速度、固液相的反應(yīng)速度等。如果冷卻很慢，使固液相中的離子擴(kuò)散足以保證固液相間的反應(yīng)充分進(jìn)行，就稱為平衡冷卻。如果冷卻速度中等，使液相能夠析出結(jié)晶，由于固相中質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散很慢，不能保證固液相間反應(yīng)充分進(jìn)行，就稱為獨(dú)立結(jié)晶。如果冷卻很快，使液相不能析出晶體成為玻璃體，就稱為淬冷?，F(xiàn)以C3S-C2S-C3A組成的系統(tǒng)為例來(lái)看冷卻速度不同，最后所得礦物組成是不同的。

表1  C3S-C2S-C3A系統(tǒng)熟料礦物組成

在熟料的冷卻過(guò)程中，將有一部分熔劑礦物（C3A和C4AF）形成結(jié)晶析出，另一部分熔劑礦物則因冷卻速度較快來(lái)不及析晶而呈玻璃態(tài)存在。C3S在高溫下是一種不穩(wěn)定的化合物，在1250 ℃時(shí)，容易分解，所以要求熟悉產(chǎn)自1300℃以下要進(jìn)行快冷，使C3S來(lái)不及分解，越過(guò)1250℃以后C3S就比較穩(wěn)定了。

對(duì)于1000 ℃以下的冷卻，也是以快速冷卻為好，這是因?yàn)槭炝现蠧2S有α’αβγ四種結(jié)晶形態(tài)，溫度及冷卻速度對(duì)C2S的晶型轉(zhuǎn)化有很 大影響，這可以從C2S的多晶轉(zhuǎn)化式中看出來(lái)。

將高溫下α-C2S緩慢冷卻時(shí)：

由上式看出：在高溫熟料中，只存在a-C2S；若冷卻速度緩慢，則發(fā)生一系列的晶型轉(zhuǎn)化，最后變?yōu)棣?C2S，在這一轉(zhuǎn)化過(guò)程中由于密度的減小，使體積增大10%左右，從而導(dǎo)致熟料塊的體積膨脹，變成粉未狀，在生產(chǎn)中叫做“粉化”現(xiàn)象。 γ-C2S與水不起水化作用，幾乎沒(méi)有水硬性，因而會(huì)使水泥熟料的強(qiáng)度大為降低。為了防止這種有害的晶型轉(zhuǎn)化，要求熟料快速冷卻。

由熟料的形成過(guò)程可以看出，水泥生料加熱過(guò)程中發(fā)生的一系列物理化學(xué)變化有些是吸熱反應(yīng)，有些是放熱反應(yīng)。表中所列為水泥煅燒過(guò)程中各反應(yīng)溫度和熱效應(yīng)。

表2  水泥熟料的反應(yīng)溫度和熱效應(yīng)

各水泥熟料礦物凡是固體狀態(tài)生成的均為放熱反應(yīng)，只有C3S是在液相中形成，一般認(rèn)為是微吸熱反應(yīng)。各反應(yīng)生成物及熱效應(yīng)數(shù)值如下：

表3  反應(yīng)生成物及熱效應(yīng)數(shù)值

由以上討論，可得到這樣的結(jié)論：熟料煅燒的全過(guò)程，在1000℃以下主要是吸熱反應(yīng)，而在1000℃以上主要是放熱反應(yīng)。那么什么叫熟料形成熱呢？所謂熟料形成熱是指在一定生產(chǎn)條件下，制成1kg同溫度的熟料所需要的熱量。因而根據(jù)物料在反應(yīng)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)熱和物理熱，可計(jì)算出生成1kg普通硅酸鹽水泥熟料的理論熱耗：

熟料形成熱與所采用的原料有很大的關(guān)系，熟料形成熱的波動(dòng)范圍一般在1650~1800kJ/kg-cl之間，水泥熟料形成各階段中，以碳酸鈣分解吸收熱量最多，約占總吸收熱量的一半左右，該階段是水泥熟料生產(chǎn)熱耗量最大的環(huán)節(jié)。

煅燒1kg熟料，在理論上要消耗1650~1800kJ/kg的熱量，這就需要有專門的設(shè)備供給這些熱量，才能生產(chǎn)熟料。但在實(shí)際生產(chǎn)中形成的熟料和廢氣不可能冷卻到0℃，因而必然帶走一部分熱量；生產(chǎn)過(guò)程不可能沒(méi)有物料損失及物料循環(huán)的存在，其煅燒設(shè)備還要向外散失熱量，因此，實(shí)際生產(chǎn)每1kg熟料消耗的熱量，必然比熟料形成熱要大得多，根據(jù)生產(chǎn)方法和使用的設(shè)備不同，一般在3400~7500kJ/kg范圍內(nèi)，這就是熟料的單位熱耗。熟料的單位熱耗越接近熟料形成熱，煅燒設(shè)備的熱效率越高。熟料單位熱耗的高低，與所采用的生產(chǎn)方法和所使用的煅燒設(shè)備有關(guān)，水泥熟料的煅燒設(shè)備目前常用的有立窯和回轉(zhuǎn)窯。

（一）回轉(zhuǎn)窯的作用

回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥熟料，可分為濕法、半干法、干法、新型干法等幾種回轉(zhuǎn)窯類型，本書(shū)重點(diǎn)介紹新型干法中預(yù)分解窯水泥熟料的煅燒。雖然水泥熟料生產(chǎn)的窯有兩大類，很多種類型，但是水泥熟料煅燒的基本過(guò)程是一樣的，就是說(shuō)水泥熟料形成物理、化學(xué)反應(yīng)所需的條件是相同的，只不過(guò)所采用的生產(chǎn)方式不同。

回轉(zhuǎn)窯煅燒水泥熟料，是利用一個(gè)傾斜的回轉(zhuǎn)圓筒（斜度一般在3%-5%），生料由圓筒的高端加入（即窯尾），由于圓筒具有一定的斜度且不斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物料就會(huì)從高端向低端（即窯頭）逐漸運(yùn)動(dòng)，因此，回轉(zhuǎn)窯首先是一個(gè)物料輸送設(shè)備。

回轉(zhuǎn)窯又是燃燒設(shè)備，可使用固體（粉狀）、液體、氣體三種不同類型的燃料，我國(guó)水泥廠主要以煤粉作燃料，先將煤破碎、烘干，再經(jīng)細(xì)磨制成粉狀，用鼓風(fēng)機(jī)由窯頭向窯內(nèi)噴入。燃燒用的空氣由兩部分組成，一部分預(yù)先和煤粉混合并起輸送作用，完成煤粉向窯內(nèi)噴射的過(guò)程，該空氣載體叫做“一次空氣”，一般占總?cè)敫G空氣量的8%-30%左右；大部分入窯空氣經(jīng)過(guò)熟料冷卻時(shí)被加熱到一定溫度（一般600℃以上）進(jìn)入窯內(nèi)的，該部分空氣叫做“二次空氣”。

煤粉在窯內(nèi)燃燒后，形成高溫火焰（一般可達(dá)1600-1700℃），放出大量熱，高溫氣體在高溫風(fēng)機(jī)的抽引下，沿著回轉(zhuǎn)筒體向窯尾方向流動(dòng)，它和煅燒熟料產(chǎn)生的廢氣一起經(jīng)過(guò)預(yù)分解系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)降溫、收塵凈化后排至大氣中?？梢?jiàn)，高溫氣體和高溫火焰?zhèn)鹘o的熱量，物料經(jīng)過(guò)不同的溫度區(qū)域或溫度場(chǎng)，發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化后，而被煅燒成熟料，其后進(jìn)入冷卻機(jī)，與冷空氣進(jìn)行熱交換，本身被冷卻，冷空氣預(yù)熱后作為二、三次空氣進(jìn)入窯內(nèi)和分解系統(tǒng)內(nèi)，因此，回轉(zhuǎn)窯又是一個(gè)傳熱設(shè)備。

（二）煤粉在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒過(guò)程

1、著火與著火溫度

任何燃料的燃燒過(guò)程都有著火及燃燒兩個(gè)階段，由緩慢的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯×业难趸磻?yīng)（即燃燒）的瞬間叫著火，轉(zhuǎn)變時(shí)的最低溫度叫著火溫度，在大氣壓下各燃料在空氣中的著火溫度大致范圍列入表中。

表4 在大氣壓下燃料在空氣中著火溫度范圍

2、燃燒過(guò)程

煤粉在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒的比較復(fù)雜，煤粉在燃燒的同時(shí)還要向窯尾 方向運(yùn)動(dòng)，并且在燃燒過(guò)程中還要進(jìn)行傳熱，這幾方面又相互影響著，現(xiàn)分述如下：

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煤粉是以分解狀態(tài)噴入高溫帶處，正常生產(chǎn)時(shí)高溫帶溫 度很高，煤粉易著火燃燒；當(dāng)開(kāi)窯點(diǎn)火時(shí)，窯內(nèi)無(wú)熱源，必須在距窯口 3-5m處放置木柴、廢油、棉紗等，將易燃物點(diǎn)燃燒，使該處溫度上升到煤粉的著火溫度，然后再噴進(jìn)煤粉進(jìn)行燃燒。

煤粉受熱后先是被干燥，將煤中所含1%-2%的水分排出，溫度升到450-500℃時(shí)，煤粉里的揮發(fā)分開(kāi)始逸出，在700-800℃時(shí)將全部逸出（煤粉中水發(fā)和揮發(fā)分逸出后剩下的是固定炭粒和灰分），當(dāng)揮發(fā)分遇到熾熱的空氣時(shí)便著火燃燒，生成氣態(tài)的CO2和H2O，它們包圍在剩下的固定炭粒周圍，固定炭粒的燃燒，除了要有足夠的溫度外，還必須待空氣中的氧通過(guò)擴(kuò)散透過(guò)包圍在固定炭粒周圍的氣膜，與固定炭粒接觸后才能進(jìn)行燃燒，顯然固定炭粒的燃燒是很緩慢的，它的燃燒速度與氣體擴(kuò)散速度（包括燃燒產(chǎn)物擴(kuò)散離開(kāi)炭粒表面和氧氣擴(kuò)散到固定炭粒子表面）有很大關(guān)系。

所以，加強(qiáng)氣流擾動(dòng)，以增加氣體擴(kuò)散速度，將大大加速固定炭粒的燃燒。煤粉噴出有一定距離，噴煤管噴出的煤粉首先是預(yù)熱干燥，不可能立即燃燒，隨著煤粉噴出距離的增加，溫度的長(zhǎng)高，揮發(fā)分逐步逸出并燃燒，發(fā)出熱量，隨即固定炭粒開(kāi)始燃燒。煤粉由噴嘴噴出，經(jīng)過(guò)一段距離后才能燃燒，煤粉自噴嘴噴出至開(kāi)始燃燒的這段距離稱為黑火頭。煤粉燃燒后形成的焰面，產(chǎn)生熱量，使溫度升高，熱量從高溫向低溫傳遞，由于焰面后面未燃燒的煤粉比焰面溫度低，因此焰面不斷向焰面后未燃燒的煤粉傳熱，使其達(dá)到著火溫度而燃燒，形成新的焰面，這種焰面不斷向未燃物方向移動(dòng)的現(xiàn)象叫火焰的傳播（或擴(kuò)散），傳播的速度稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/span>但要注意的是整個(gè)煤粉是以一定速度噴入窯內(nèi)的，所以火焰既有一個(gè)向窯尾方向運(yùn)動(dòng)的速度，又有向后傳播的速度，當(dāng)噴出速度過(guò)大，火焰來(lái)不及向后傳播時(shí)，燃燒將中斷，火焰熄滅；當(dāng)噴出速度過(guò)小，火焰不斷向后傳播，直至傳入噴煤管內(nèi)，這稱為“回火”，若發(fā)生“回火”將會(huì)引起爆炸的危險(xiǎn)，所以噴出速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣纫浜虾谩；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扰c煤粉的揮發(fā)分、水分、細(xì)度、風(fēng)煤混合程度等因素有關(guān)，當(dāng)煤粉揮發(fā)分大、水分少、細(xì)度細(xì)，風(fēng)煤混合均勻，火焰?zhèn)鞑ニ俣染涂?，否則相反。

3、一次風(fēng)的作用

煤粉借助一次風(fēng)的風(fēng)力自窯噴煤管噴入窯內(nèi)，一次風(fēng)不但對(duì)煤粉起輸送作用，同時(shí)還供給煤的揮發(fā)分燃燒所需的氧氣。一次風(fēng)量占總空氣量的比例不宜過(guò)多，因?yàn)橐淮物L(fēng)量的增加相應(yīng)地就會(huì)使二次風(fēng)比例降低（總用風(fēng)不變的情況），二次風(fēng)的減少會(huì)影響到熟料冷卻，使熟料帶走的熱損失增加。另外，一次風(fēng)溫度比二次風(fēng)溫度要低（為使煤粉不致爆炸，一次風(fēng)溫度不能高于120℃），這樣燃燒溫度也要降低。

4、二次風(fēng)的作用

二次風(fēng)先經(jīng)過(guò)冷卻機(jī)與熟料進(jìn)行換熱，熟料被冷卻的同時(shí)，二次風(fēng)被預(yù)熱到400-800℃（目前國(guó)內(nèi)只能達(dá)600℃左右），再入窯供燃料燃燒。由于二次風(fēng)比一次風(fēng)能預(yù)熱到較高的溫度，因此可得到較高的燃燒溫度。由于一、二次風(fēng)分別入窯，二次風(fēng)對(duì)氣流能產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用，有利于固定炭的燃燒，但另一方面，也要注意到二次風(fēng)與煤粉顆粒的接觸，總是從火焰表面開(kāi)始的，逐漸深入到火焰的中心，在同一截面上，火焰外圍與中心燃燒程度有關(guān)別，有可能在火焰中心容易引起不完全燃燒，因此，有人建議采用三次風(fēng)的設(shè)想。

（三）窯外分解技術(shù)

水泥熟料煅燒窯外分解技術(shù)，是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它是帶懸浮預(yù)熱器回轉(zhuǎn)窯的進(jìn)一步發(fā)展，即在懸浮預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)窯之間增設(shè)一個(gè)分解爐，生料經(jīng)預(yù)熱器后進(jìn)入分解爐中進(jìn)行碳酸鹽分解反應(yīng)，使入窯生料碳酸鈣分解率達(dá)到85%-95%，由此大大減輕了回轉(zhuǎn)窯的熱負(fù)荷，窯的產(chǎn)量可比懸浮預(yù)熱器窯提高1-2倍，同時(shí)延長(zhǎng)了耐火材料的使用壽命，提高了窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率。當(dāng)今的水泥熟料生產(chǎn)多數(shù)采用窯外分解技術(shù)，其發(fā)展趨勢(shì)是大型化、高產(chǎn)量，單位熱耗大幅下降。

由水泥熟料的形成過(guò)程可知，在干法窯中，熟料的煅燒過(guò)程大致可分為預(yù)熱、分解和燒成三個(gè)主要過(guò)程。這三個(gè)過(guò)程各有不同的特點(diǎn)，預(yù)熱與分解過(guò)程，溫度不需要很高（900℃以下），但所需的熱量卻很多，尤其是分解過(guò)程更為突出，所需的熱量大約占總熱耗50%左右，而燒成過(guò)程則需要較高的溫度（1450℃左右）和足夠的反應(yīng)時(shí)間，而需要的熱量很少。若用普通回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥熟料，這三個(gè)過(guò)程都在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成或進(jìn)行，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，回轉(zhuǎn)窯作為燒成設(shè)備尚能滿足要求，能達(dá)到足夠的燒成溫度和保證物料在高溫下的停留時(shí)間，但作為傳熱設(shè)備則不夠理想，對(duì)需要熱量較大的兩個(gè)過(guò)程就不太適合。為了增加傳熱能力，只得把回轉(zhuǎn)窯筒體做的又大又長(zhǎng)，但預(yù)熱、分解過(guò)程就占去了窯容積的一大半，且產(chǎn)量低、熱耗又大，同時(shí)由于設(shè)備尺寸增大給加工、運(yùn)輸、安裝等都帶來(lái)很大的困難。

20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的立波爾窯和50年代出現(xiàn)的帶懸浮預(yù)熱的回轉(zhuǎn)窯，不但提高了預(yù)熱帶的傳熱效果，同時(shí)還使部分碳酸鹽在窯外進(jìn)行分解。理論與實(shí)踐證明，隨著入窯碳酸鈣分解率的提高，生料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)需要的熱量會(huì)進(jìn)一步減少，這樣在窯規(guī)格相同的條件下可以提高產(chǎn)量，在相同的產(chǎn)量情況下可以縮小窯筒體尺寸。

那么，在懸浮預(yù)熱器內(nèi)能不能再進(jìn)一步提高碳酸鈣分解率呢？經(jīng)過(guò)計(jì)算證明，由于CaCO3分解消耗熱量很多，窯尾煙氣所含熱量不足，不可能再進(jìn)一步提高分解率，如果通過(guò)提高廢氣溫度來(lái)滿足熱量需要，則廢氣溫度要提高到1600-1700℃，而回轉(zhuǎn)窯燃料燃燒熱負(fù)荷和出窯廢氣溫度的提高均受到限制。所以懸浮預(yù)熱器（廢氣溫度在1000℃左右時(shí)）碳酸鈣的分解率最大不超過(guò)40%，這樣懸浮傳熱的作用就沒(méi)有優(yōu)越性。

為了解決這一問(wèn)題，在懸浮預(yù)熱和回轉(zhuǎn)窯之間增加一個(gè)新的熱源——分解爐，把煅燒熟料的三個(gè)主要工藝過(guò)程，分別在三個(gè)機(jī)組內(nèi)進(jìn)行，稱為窯外分解技術(shù)。使入窯生料的分解率達(dá)85%-95%，進(jìn)一步地減少生料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)需要的熱量，回轉(zhuǎn)窯主要承擔(dān)燒成任務(wù)?；剞D(zhuǎn)窯幾種工藝方法的比較如圖所示。

窯外分解系統(tǒng)是由預(yù)熱器系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SP）、分解爐和回轉(zhuǎn)窯所組民。其生產(chǎn)流程，按物料流向順序，生料由提升設(shè)備運(yùn)至預(yù)熱器，經(jīng)過(guò)四級(jí)旋風(fēng)筒后，進(jìn)入分解爐，在分解爐內(nèi)經(jīng)過(guò)加熱分解后，再進(jìn)入第五級(jí)旋風(fēng)筒預(yù)熱器，繼續(xù)進(jìn)行分解并收集下來(lái)，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，分解爐處于四、五級(jí)預(yù)熱器之間；窯外分解系統(tǒng)氣體流動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，燃料由窯頭和分解爐兩處噴入，分解爐的二次空氣是來(lái)自冷卻機(jī)的熱風(fēng)，兩路煙氣在分解爐會(huì)合后向預(yù)熱器的上部運(yùn)動(dòng)與料流換熱。

（四）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熟料燒成

這里介紹的是窯外分解窯窯內(nèi)的熟料燒成，由于水泥熟料生產(chǎn)的預(yù)熱、分解均在預(yù)熱器、分解爐完成了85%~95%的碳酸鹽的分解過(guò)程，所以窯外分解窯與其他類型的回轉(zhuǎn)窯所承擔(dān)的任務(wù)是不同的。

窯外分解窯在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成的熟料燒成過(guò)程是：部分碳酸鹽分解（約占5%左右）、固相反應(yīng)、燒結(jié)反應(yīng)等過(guò)程。熟料的燒成在窯內(nèi)可分為三個(gè)工藝帶：過(guò)渡帶、燒成帶、冷卻帶。

從窯尾起至物料溫度1280℃止（也有以1300℃）為過(guò)渡帶，主要任務(wù)是物料升溫及5%左右碳酸鈣分解和固相反應(yīng)（放熱反應(yīng)）；物料在1280~1450~1300℃區(qū)間則為燒成帶；窯頭端為冷卻帶。

1、分解反應(yīng)

物料進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)經(jīng)分解爐后入窯時(shí)，其碳酸鹽的分解率為85%-95%，溫度為820-850℃，細(xì)顆粒料粉喂入窯內(nèi)時(shí)，還在繼續(xù)著分解過(guò)程，由于重力作用，沉積（或者堆積）在窯的尾部，隨著窯的轉(zhuǎn)動(dòng)料粉又開(kāi)始新的運(yùn)動(dòng)方式，此時(shí)窯尾氣流溫度可達(dá)1000 ℃ ，料層內(nèi)部的料溫卻低于900 ℃ ，碳酸鹽分解反應(yīng)停止。因料層內(nèi)部顆粒周圍被CO2氣膜所包裹，氣膜又受上部料層的壓力，因而使顆粒周圍CO2的壓力可達(dá)到1個(gè)大氣壓，料溫在其平衡分解溫度以下是難收進(jìn)行分解的，但處于料層表面的料粉仍繼續(xù)分解。

隨著窯體的轉(zhuǎn)動(dòng)，物料向窯頭方向運(yùn)動(dòng)，隨著熱量的傳遞，溫度從820 ℃上升到900 ℃ ，料層內(nèi)部或料顆粒內(nèi)部的分解反應(yīng)繼續(xù)，直到分解反應(yīng)基本完成，由于窯內(nèi)總的物料分解量大大減少，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)分解區(qū)域長(zhǎng)度比其他類型的回轉(zhuǎn)窯分解區(qū)域縮短了。

2、固相反應(yīng)

料粉在窯內(nèi)運(yùn)動(dòng)中吸熱，分解反應(yīng)基本完成以后，料溫逐步升高，進(jìn)一步發(fā)生固相反應(yīng)。一般初級(jí)固相反應(yīng)于800 ℃時(shí)就開(kāi)始了，由于在分解爐內(nèi)料粉呈懸浮態(tài)，各組分間接觸不緊密，所以，主要的固相反應(yīng)是在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯并使料溫升高后才大量進(jìn)行，最后生成C2S、C3A及C4AF。預(yù)分解窯中的固相反應(yīng)與預(yù)熱器窯相比，任務(wù)相對(duì)增大了，對(duì)促使固相反應(yīng)比較快地進(jìn)行，除選擇活性較大的原料外，保持或提高料粉的細(xì)度及均勻性是很重要的。

固相反應(yīng)的另一個(gè)特點(diǎn)是放熱，它放出的熱量直接用來(lái)提高物料溫度，使窯內(nèi)料溫較快地升高到燒結(jié)溫度。

3、燒結(jié)反應(yīng)

預(yù)分解窯的燒結(jié)任務(wù)與預(yù)熱器相比增大了一倍，其燒結(jié)任務(wù)的完成，主要依靠延長(zhǎng)燒成帶長(zhǎng)度及提高窯內(nèi)平均溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是由于窯內(nèi)物料分解吸熱少，氣流向窯內(nèi)傳熱慢的緣故。分解窯內(nèi)的燒成反應(yīng)，仍是整個(gè)熟料生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵所在，它的主要化學(xué)反應(yīng)是生成了水泥熟料的主要礦物——C3S。其反應(yīng)式如下：

       2CaO·SiO2+CaO=3CaO·SiO2

這個(gè)反應(yīng)是微吸熱反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)理是物料溫度升高到1300 ℃以上時(shí)，部分C3A和C4AF熔融為液相，這時(shí)C2S和游離CaO開(kāi)始溶解于液相中并相互擴(kuò)散，C2S吸收CaO生成C3S，再結(jié)晶析出，隨著溫度的連續(xù)升高，物料中的液相量增多，液相黏度降低，上述反應(yīng)（石灰吸收過(guò)程）將會(huì)加速進(jìn)行。

為了正確處理生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)量、質(zhì)量及消耗之間的矛盾，一般控制上述反應(yīng)條件為：溫度在1300-1450-1300 ℃之間，液相量控制范圍在20-30%，反應(yīng)時(shí)間則比一般回轉(zhuǎn)窯縮短，從一般的15-20min縮短為10-15min左右。物料在燒成帶停留時(shí)間的縮短，是因?yàn)轭A(yù)分解窯窯速加快的結(jié)果，雖然燒結(jié)時(shí)間縮短，熟料質(zhì)量仍能保持優(yōu)良。

（一）熱耗與熱效率

煅燒1kg水泥熟料，理論上只需要消耗1755.6-1797.4kJ的熱量，但是各種水泥熟料的生產(chǎn)方法、煅燒設(shè)備的不一樣，實(shí)際需要消耗3135-7524kJ的熱量。這種理論上需要的熱量與實(shí)際消耗的熱量之比，稱之為回轉(zhuǎn)窯的熱效率。各種類型窯由于熱耗不同，其熱效率也不同，國(guó)外新型干法預(yù)熱器窯的熟料熱耗一般為3135-3344kJ/kg，熱效率高達(dá)52%-53%，而濕法窯或老式干法窯熟料的熱耗一般為5436-6688kJ/kg，熱效率為25%-35%，兩者相差近一倍。國(guó)內(nèi)外不同窯型的熱耗、熱效率列于表中。

表5  國(guó)內(nèi)外不同窯型的熱耗、熱效率

表6  國(guó)內(nèi)外不同窯型的熱耗、熱效率

從以上兩張表中可以看出，濕法長(zhǎng)窯和干法中空窯熱效率相仿，主要是由于濕法長(zhǎng)窯的水分蒸發(fā)消耗1/3的熱量，干法中空窯則是窯內(nèi)低溫部分傳熱面積小，窯尾廢氣溫高，帶走熱損失大，約占總熱耗一半左右。因此，提高窯的熱效率，在窯外分解窯中要是增加物料與熱氣流的接觸面積，從而增加熱效率。

（二）熱損失原因分析

通過(guò)國(guó)內(nèi)外同類型窯的熱耗分析，可以發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)各類型窯的熱耗均比國(guó)外高，原因主要有以下幾方面：

1、機(jī)體散熱多

20世紀(jì)50年代末期，德國(guó)水泥生產(chǎn)窯體散熱就已降至359kJ/kg-cl，而我國(guó)進(jìn)入20世紀(jì)80年代，濕法窯窯體散熱仍高達(dá)669-1054kJ/kg-cl，多耗熱334-669kJ/kg，多筒冷卻機(jī)散熱167-209kJ/kg-cl，篦式冷卻機(jī)雖然散熱較少，但余風(fēng)帶走熱達(dá)146-350kJ/kg-cl。

2、不完全燃燒熱損失高

由于冷卻熟料受到所采用設(shè)備的影響，二次風(fēng)溫較低，增大了不完全燃燒的熱損失。由于窯外分解窯系統(tǒng)采用較先進(jìn)的水平推動(dòng)篦式冷卻機(jī)，現(xiàn)已發(fā)展為空氣梁冷卻機(jī)，二次、三次風(fēng)溫均有大幅度提高，二次風(fēng)溫均可達(dá)1000℃以上，三次風(fēng)溫800℃以上，這樣給煤粉的燃燒提供了很好保證，降低了因設(shè)備原因造成的不完全燃燒熱損失。

3、系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重

窯外分解窯的系統(tǒng)漏風(fēng)比濕法、干法、中空等窯型的漏風(fēng)相對(duì)要少，因?yàn)楦G外分解窯的系統(tǒng)漏風(fēng)的點(diǎn)和量都遠(yuǎn)少于其他窯型。如我國(guó)立波爾窯，多年來(lái)由于產(chǎn)量不斷提高，風(fēng)量也隨之不斷的增加，因而導(dǎo)致廢氣量增多（4.25-7.73Nm3/kg-cl），亦造成熱損失增加。如：邯鄣水泥廠窯的單位廢氣量為5.01Nm3/kg-cl，如能降到2.5Nm3/kg-cl 的水平，可節(jié)能418kJ/kg-cl以上。

（三）減少回轉(zhuǎn)窯熱損失的途徑

1、減少筒體熱損失

我國(guó)回轉(zhuǎn)窯筒體熱損失平均為739kJ/kg-cl，約占熟料熱耗的12%，國(guó)外由于采用隔熱材料，熱耗比我國(guó)低167-502kJ/kg-cl。據(jù)統(tǒng)計(jì)，筒體溫度每降低1約減少熱耗kJ/kg-cl。近年來(lái)國(guó)內(nèi)推廣隔熱磚，琉璃河水泥廠筒體和窯襯之間鋪設(shè)硅酸鋁隔熱氈，筒體溫度下降50-70℃，有的企業(yè)采用了中國(guó)建材研究院耐火材料所研制的新型隔熱材料，窯體溫度下降100℃左右。

2、減少不完全燃燒熱損失

根據(jù)熱工測(cè)定統(tǒng)計(jì)，我國(guó)回轉(zhuǎn)窯的不完全燃燒熱損失平均為251kJ/kg-cl，約占熟料熱耗的4%左右，其中化學(xué)不完全燃燒熱損失為142-155kJ/kg-cl，機(jī)械不完全燃燒熱損失為71-130kJ/kg-cl。減少不完全燃燒熱損失的途徑可采取以下措施：

（1）過(guò)?？諝庀禂?shù)的控制

在預(yù)分解窯的操作過(guò)程中，首先要有足夠的空氣量，為了有足夠空氣量需保持一定的過(guò)?？諝庀禂?shù)。我國(guó)水泥工藝管理規(guī)程規(guī)定，過(guò)?？諝庀禂?shù)控制在1.05-1.15之間。但過(guò)?？諝庀禂?shù)具體應(yīng)控制在多少才合適，主要是在保證燃料完全燃燒的情況下，盡量保持較小的過(guò)?？諝庀禂?shù)，即減少?gòu)U氣帶走熱。

（2）控制好煤粉質(zhì)量

影響燃燒速度的因素同時(shí)也影響燃料的完全程度，為減少不完全燃燒所造成的熱損失，煤的水分和細(xì)度應(yīng)符合工藝要求。

（3）準(zhǔn)確的喂煤量

造成喂煤量不準(zhǔn)確，主要原因是因喂煤系統(tǒng)設(shè)備調(diào)節(jié)不靈活，不能根據(jù)窯內(nèi)溫度變化，適量地增減喂煤量，從而產(chǎn)生不完全燃燒熱損失。下煤不均引起跑煤和斷煤現(xiàn)象較多，如：煤粉倉(cāng)錐體部分煤粉流動(dòng)差，雙管絞刀或其他給煤裝置鎖風(fēng)不嚴(yán)，煤粉計(jì)量設(shè)備性能差等均可導(dǎo)致煤流的不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確。

（4）加強(qiáng)密閉堵漏

窯頭、窯尾的漏風(fēng)，嚴(yán)重影響窯內(nèi)通風(fēng)和燃料燃燒，預(yù)熱器系統(tǒng)的漏風(fēng)比前兩者的影響還要大，此外，篦式冷卻機(jī)的各室串風(fēng)、漏風(fēng)現(xiàn)象，對(duì)煤粉的燃燒都有影響，窯頭、窯尾冷卻機(jī)漏風(fēng)與部件材質(zhì)、管理不善等因素有關(guān)，應(yīng)加強(qiáng)管理，把漏風(fēng)控制在最低水平。

3、減少冷卻機(jī)熟料熱損失

我國(guó)回轉(zhuǎn)窯熟料帶走的熱損失一般約占熟料熱耗的8%，其中干法窯為292kJ/kg-cl左右，濕法窯為523kJ/kg-cl左右。減少熟料帶走熱損失，必須從提高冷卻機(jī)的熱效率入手，窯外分解窯采用的推動(dòng)篦式冷卻機(jī)或空氣梁冷卻機(jī)，其平均熱效率都是很高的。另外，加強(qiáng)管理，充分發(fā)揮冷卻機(jī)的效率，亦能減少熟料熱損失。

4、減少?gòu)U氣帶走熱損失

廢氣帶走熱損失是熟料熱耗中最大的一項(xiàng)，平均為2048kJ/kg-cl，約占熱耗35%左右。其中干法窯平均3405kJ/kg-cl，占53%，濕法窯為1116kJ/kg-cl，占17%，半干法窯為1428kJ/kg-cl，占31.12%。這主要是窯尾廢氣溫度高，在生產(chǎn)過(guò)程中，窯尾廢氣經(jīng)過(guò)4-5級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)后，出系統(tǒng)溫度降至380以下，雖然溫度下降了，但廢氣量很大，廢氣帶走的熱量相當(dāng)可觀。將系統(tǒng)中廢氣作為烘干熱源被廣泛利用，可收到很好的效果。

此外，窯灰?guī)ё叩臒釗p失和蒸發(fā)水分帶走的熱損失也應(yīng)值得重視。

總之，回轉(zhuǎn)窯熱經(jīng)濟(jì)分析包括多方面，值得深入研究和探討，這里既包括原燃材料、設(shè)備，也包括管理，是一個(gè)系統(tǒng)工程。

看完點(diǎn)個(gè)贊，我有好習(xí)慣！