浅议水泥回转窑烧成带温度
1 引言
在水泥工业中，熟料的生成是液相烧结。以化学反应的观点看，在其他条件都相同时，越高的反应温度和越长的反应时间，就能得到较高的生成率；同理相同的合成率，温度越高，反应时间越短。需要说明的是根据菲克定律，高温对固相反应的扩散也有很大影响。现代新型干法水泥生产追求的是优质、高产、低消耗，即较高的反应程度，最低的时间消耗，从而有最高的产量，因此在得到相同fCaO含量时，追求更少的反应时间成为必然，,这就需要有较高的反应温度。
烧成带温度是影响水泥熟料质量产量的关键因素，而影响烧成带温度的因素很多，例如窑尾温度、喂煤量、煤的热值、窑头温度、一次风量、三次风温、筒体表面散热、出窑熟料温度、生料喂料量、入窑物料温度等等。因此如何控制烧成带温度、比较烧成带温度、监测烧成带温度是水泥生产必须考虑的问题。
2 烧成带温度因素分析
2.1 窑尾烟气温度
影响烧成带温度的因素很多，相互之间耦合性很强，因此单独分析某一因素的影响十分困难，以下讨论都是假定其他条件相同，变化的只有单一因素。窑尾烟气温度是烧成带温度向外输出的重要表征，也是分解炉内碳酸盐分解的重要热源。图1是烧成带温度与窑尾烟气温度的关系图。
由图1可知，烧成带温度随窑尾温度的升高而降低，其原因在于假定其他条件不变，即总热量一定，出窑尾废气的温度越高，带走的热量就越多，烧成带温度也会随之降低。但实际生产并非其他条件不变，例如随着窑尾温度的升高，分解炉内生料的分解率可能会提高，这时入窑物料的的温度有可能增加，此时烧成带温度会出现如图2所示的变化。由图可知当入窑物料温度升高时，烧成带温度有明显的上升。把图2中1100℃处的烧成带温度代入到图1中得到图3。从图3可以看出，直线在1100℃时发生了改变，开始向上隆起，说明入窑物料温度的升高抑制烧成带温度的降低，因此在双因素作用下，无法准确判断烧成带温度是升高还是降低，因为这还与物料升温程度有关。实践表明只要碳酸盐没有完全分解，物料温度就不会一直升高，且在分解温度以下，也就是说物料升高的温度是有限的。
为了保证入分解炉的温度大于出分解炉温度，在不引起烟道系统结皮、堵塞的情况下，适当提高窑尾烟气温度是可以的，根据实际生产状况，一般生料的分解率不会是100%，当入窑生料温度在870℃时窑尾温度控制在1100℃比较合适。
2.2 窑头喂煤量
窑头的喂煤量是提供窑内热源的主要方式，窑头喂煤量的多少直接影响窑内烧成带温度，但是有时增加喂煤量，烧成带温度并不一定增加，原因是煤粉是否完全燃烧，窑内通风是否变大等都会抵消增加喂煤量的效果。在合适的通风条件下，整个窑系统用煤量是一定的，只是窑头与分解炉的分配比例有所不同。图4是窑尾温度为1050℃，入窑生料温度为850℃时，窑头喂煤所占比例分别为40%、50%、45%、55%、60%、30%时，烧成带温度的测量结果。
从图4中可以看出，窑头喂煤所占比例越大烧成带温度越高，这是缘于我们假定其他条件都相同，但实际生产中，随着窑头喂煤量的增加窑尾温度会随着增加，尤其是调节窑内用风量时。图5表明同样是窑头喂煤量占40%时，窑尾温度增加对烧成带温度的影响。
从图5中可以看出，随着窑尾温度的升高，窑头喂煤量的效果逐渐在削弱。因此在增加窑头喂煤量以提高烧成带温度时，应注意窑尾温度的升高和监控烟气中CO的含量。
2.3 煤的热值
煤的发热量是过程控制的重要内容，其在进厂时就开始监控，因此对煤的发热量应该有较好的控制，但是随着能源价格的不断上涨，煤的品质难免出现波动，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预测性，煤粉热值的大起大落不仅对于烧成带温度有重要的影响，而且会伴随熟料质量的波动。此外挥发分含量的变化值得注意，挥发分的变化可能不会影响热值，但是由于火焰长度的变化，造成火焰温度的不集中，从而造成烧成带温度的下降。因此均化除了对原煤热值有利外，对煤粉的挥发分稳定也十分有利。实际生产过程中，由于计量秤的误差、煤粉细度、水分的变化都会造成化学不完全燃烧和机械不完全燃烧，根据热工测定统计，我国回转窑的不完全燃烧损失平均为251kJ/kg熟料，约占熟料热耗的4%左右。因此精确计量，控制好煤粉细度、水分与控制煤的热值一样重要。
2.4 窑头温度
窑头温度包括四部分：a出窑熟料温度；b二次风温；c三次风温；d一次风温。四者对烧成带的温度影响各有不同。出窑熟料温度是熟料带走热量多少的表征，二次风温和三次风温是冷却熟料时的风温，两者之间存在相关性。随着出窑熟料温度的增加，二次风温和三次风温可能会升高，假定二次风温和三次风温恒定。图6是出窑熟料温度与烧成带温度之间的关系图。
由图6可知，随着烧成带温度的增加，出窑熟料温度随之增加，两者之间有近似直线关系，但是增加的幅度很小，说明出窑熟料温度受到烧成带温度影响很小。实际生产过程中正常运转的窑系统，出窑熟料温度基本恒定在1300℃，但是二次风温与三次风温却经常随熟料粒度、冷却风量的变化而变化，而且二次风与三次风有一个风量分配的问题。二次风与三次风既可同时升温，又可以只有一个升高，在二次风量较大时，窑尾温度也会增加，因此假定窑尾温度不变，二次风温与烧成带温度关系如图7所示。
从图7中可以看出，随着二次风温的增加，熟料烧成带温度呈明显增加趋势，说明二次风温度对烧成带温度影响明显。实际上，二次风不仅提供了窑内煤粉燃烧的一个热源，而且提供了煤粉燃烧所需要的氧气。根据二次风温，我们可以了解熟料的煅烧状况，而且提高二次风温度，可以明显减少窑头喂煤量，计算结果表明，二次风温在1200℃时比在1100℃时，可节约4%的燃料消耗。因此较高的二次风温度对提高烧成带温度是有益的，与二次风温相反，三次风温越高，意味着有较多的热量被转移到了分解炉，这时进入窑内的热量相应减少，烧成带温度变低，图8印证了这一点。
随着三次风温的升高，烧成带温度在下降，但是在实际生产过程中三次风除了提供分解炉内热量，还提供分解炉内煤粉燃烧需要的氧气，因此从综合的观点看，三次风温不宜过低，至少应该高于分解炉出口温度否则通过分解炉后会吸收一部分热量。
一次风温与二次风和三次风不同，一次风温度较低，它的主要目的是输送煤粉。假定二次风温为1100℃，三次风温为900℃，这时一次风温与与烧成带温度之间，呈现较弱的线性相关，其相关系数仅为0.8929。当一次风温升高时，烧成带温度并没有明显提高，而且随着实际生产中多通道燃烧器的使用，一次风量在逐渐减少，因此，尽管一次风温度最低，但是对烧成带温度的影响却是微乎其微，故不必刻意提高一次风温，较高的一次风温对煤粉的输送也十分不利。值得注意的是，由于系统漏风，造成一次空气量明显增大。因此强化窑头窑尾以及篦冷机的漏风管理尤为重要。
2.5 筒体表面温度
窑的筒体温度是指示窑内烧成带温度的较好指标，但它又受到耐火材料厚度、窑皮厚度、熟料温度、窑的转速等影响，从热平衡的观点来看窑外散失热量越多，烧成带温度越低。由于窑皮的不断脱落与粘附，表面温度也会有所变化，同时熟料成分的变化导致液相粘度的变化，进而窑皮厚薄也发生变化。但从一段时间来看，窑内还是一个热平衡的温度场，窑皮基本保持在恒定的位置。由图10可见，随着窑筒体温度的升高烧成带温度有明显下降，这说明窑筒体温度对烧成带温度影响较大，因此保证较低的窑筒体温度对烧成带温度非常有利，这可以通过增加窑皮厚度，减少耐火材料磨损，及时更换耐火砖，增加一定的生料喂料量等措施解决。据统计筒体温度每降低1℃约减少热耗5.4J/kg熟料，因此采用新型隔热材料是降低筒体温度的有效途径。
增加生料喂料量对烧成带温度的影响较小，原因是物料在进入烧成带后是一个微吸热的过程，火焰对熟料的辐射成为换热的一个主要方式。现代新型干法水泥生产主要是薄料快烧，目的是强化火焰对熟料的传热效率，实际上窑转速的加快，对于保护厚窑皮有利，从而提高了烧成带温度，但是窑皮过厚，对窑内通风等也会造成不利影响，因此要有适宜的窑皮厚度。过去的湿法窑和悬浮预热器窑，由于窑体过渡带较长，窑的转速较慢，出烧成带的高温气体，通过没有窑皮的耐火材料时，大量的热量都散失于空气中；新型干法水泥窑由于分解率的提高，过渡带较短，散失热量较少，因此提高了回转窑的热效率。
3 烧成带温度监测
现有的烧成带温度监测，主要有两类：一类是直接检测，如高温比色计等；一类是间接检测，如红外筒体扫描仪等。
直接测量法无论采用哪种测量仪器，都会受到窑内高浓度粉尘的影响，尤其是当飞砂料严重时。对于仪器测量的对象，只能是窑皮的某个位置，既不会代表整个烧成带温度，也不能反映烧成带的最高温度，因此仪器的直接测量受到多种因素的制约。现在对烧成带温度的研究主要集中在比色高温计图像处理的数字量化方面。如何避免粉尘对测量结果的影响以及确定测量点位置与烧成带温度等代表性的问题依然值得探讨。
间接测量法是通过外部特征与烧成带温度之间的联系来表征的，例如烧成带温度与NOx浓度间的关系；烧成带温度与物料被窑皮带起之间的关系，进而有烧成带温度与窑主电机电流之间的联系；窑皮厚度一定时，烧成带温度越高，筒体温度越高两者之间也有比较好的联系等等但是无论哪一种联系，都会受到条件的制约，例如氮氧化物浓度与烧成带温度之间的联系，一方面氮氧化物浓度较低，测量误差较大，氮氧化物的生成不仅与烧成温度有关，还与烧成带的氧气浓度有关，所以氮氧化物浓度受到氧气浓度、停留时间的影响另一方面，窑内的还原气氛或者分解炉内的还原气氛都会降低氮氧化物的浓度，因此烧成带温度与氮氧化物浓度的联系就会变得不明显。
通过上述两种方式的比较我们可以发现，无论哪种测量方式都不能有效直接地反映烧成带温度，而要通过一定的生产状况，进行多种情况的综合判断，这种综合判断无法得出一个准确的烧成带温度数值，只有定性地说明烧成带温度是高还是低。
4 结语
建立适应新型干法水泥回转窑烧成带温度的检测系统，实现烧成带温度的数字化，对水泥回转窑的产量与质量都十分有益。
因此，通过计算机系统将大量正常状态下有关因素数据输入，建立可靠、准确、适宜的数据库，回归出各因素与烧成带温度之间的联系，从而建立良好的数学模型。在数据模型的基础上，编制专家系统软件程序，通过专家系统的智能控制，得出正常状态下烧成带温度的可靠检测结果，对比正常状态的数据，就可以诊断出不正常窑况的缘由，为根本上监测控制烧成带温度提供依据，为水泥生产的优质、高产、低消耗打下良好基础。
2024-08-06
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