【水泥人網(wǎng)】摘要:20世紀(jì)70年代，我國(guó)水泥行業(yè)的科技人員在“全黑生料小料球煅燒”、“預(yù)加水成球工藝”、“復(fù)合礦化劑”及“立窯低能耗生產(chǎn)水泥”等方面做了大量的工作，較全面地規(guī)范、制定了立窯配套工藝生產(chǎn)技術(shù)。但是采用傳統(tǒng)的成球盤成球技術(shù)，料球中含有高達(dá)11%~13%的水分，其在窯內(nèi)煅燒過(guò)程中要吸熱、汽化、蒸發(fā)，這部分熱耗很大。
筆者長(zhǎng)期從事水泥、玻璃和陶瓷窯用耐火材料科研開(kāi)發(fā)工作，2004年初開(kāi)始接觸立窯，受高溫工程陶瓷研究中“等粒徑燒結(jié)”理論和經(jīng)驗(yàn)的啟發(fā)，認(rèn)為采用帶輥滾壓等球徑成球技術(shù)，能使立窯拋開(kāi)沿用近百年的成球盤。本文從制備完全等球徑料球角度出發(fā)，探討料球最佳體積堆積及相對(duì)化學(xué)完全燃燒工況下煅燒熟料變化過(guò)程。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的成球盤成球技術(shù)工藝，分析當(dāng)今立窯煅燒存在的問(wèn)題。借此，也希望水泥行業(yè)各界人士共同研討這一課題。
1.傳統(tǒng)成球盤成球（非等球徑）工藝耗能及其他①傳統(tǒng)成球法料球高含水量的危害性：在考慮這部分很大的蒸發(fā)料球物理水熱耗時(shí)，按料球含水量13%、窯面溫度80℃計(jì)，則1kg生料球耗熱量為300kJ.這對(duì)整個(gè)立窯生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是巨大的能耗。
迄今為止，筆者見(jiàn)過(guò)的文獻(xiàn)中除成球水分含量的高低會(huì)影響熟料熱耗的結(jié)論外，尚未見(jiàn)有深入分析水分在汽化時(shí)的巨大破壞力對(duì)料球影響的研究。根據(jù)氣體膨脹原理，在1個(gè)大氣壓下，水在100℃汽化變成水蒸氣時(shí)，其體積膨脹近1000倍，溫度越高，膨脹倍數(shù)越大。料球入窯后，瞬間接觸高溫火焰氣流時(shí)就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。
這種巨大的破壞力或爆破力會(huì)對(duì)窯況產(chǎn)生巨大影響。絕對(duì)含水量越高，即料球越大則爆破率越大。所以，就不能僅僅從球徑大、強(qiáng)度低、傳熱效率低等因素解釋其因果關(guān)系了。
料球爆破成碎塊，甚至粉末狀，必然會(huì)堵塞窯內(nèi)空隙，使高溫火焰氣流不暢，增大通風(fēng)阻力，即使沒(méi)有破碎，由于料球收縮率不一致，造成氣流通道寬度差異，也就是說(shuō)在熱傳遞上從物理學(xué)角度分析也是不均熱的。這與等球徑料球在同等條件下所發(fā)生的各向同等收縮，能均熱傳遞是不一樣的。
不均質(zhì)性：立窯生料均化后經(jīng)預(yù)加水，在螺旋給料機(jī)內(nèi)充分均勻攪拌后，這些已有“成球晶核”的料球粉在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的成球盤時(shí)，由于生料粉組成、容重、細(xì)度不同以及碰撞、拋物受力、黏結(jié)力度的差異，會(huì)使每個(gè)直徑相異料球在微觀組分上變成不均質(zhì)，不會(huì)保持入盤前的均質(zhì)、自然態(tài)。
也就是說(shuō)，成球盤的機(jī)械、物理造球運(yùn)動(dòng)，破壞了原本均質(zhì)（生料組成、水、煤粉）、均化和均勻的成球料粉的穩(wěn)定性，造成微觀組分差異、離析、不均質(zhì)。因此，從成球機(jī)理和實(shí)踐上都不可否認(rèn)傳統(tǒng)成球法料球的必然不均質(zhì)性。
認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)極其重要，熟料形成首先是生料組分中的活化分子進(jìn)行接觸、碰撞、擴(kuò)散、遷移、化合，一個(gè)均質(zhì)的微觀環(huán)境，通俗地說(shuō)“一對(duì)一”耦合效應(yīng)是最理想的，不管熟料最終形成過(guò)程的機(jī)理是“溶解-沉淀”還是“熔融-結(jié)晶”。
料球內(nèi)在的不均質(zhì)缺陷，在沒(méi)有形成熟料反應(yīng)之前，在物理表觀上必然造成形成水蒸氣以及料球收縮的不均勻性，在達(dá)到一定溫度后，更能造成化學(xué)反應(yīng)、燃燒的不均勻和不平衡性。
由此可以推理，由物料運(yùn)動(dòng)、燃燒及熟料煅燒工況等“微小”變化產(chǎn)生的宏觀效果，必然影響高溫燃焰，使通風(fēng)阻力增大、斷面不均衡燃燒及高溫氣流不均勻，更嚴(yán)重的甚至?xí)植窟^(guò)熱、過(guò)燒、熔融或局部過(guò)冷、生燒、料層結(jié)塊，形成孔洞、架窯、結(jié)圈、噴窯，自然會(huì)使料層物流移動(dòng)偏離立窯特定設(shè)計(jì)路線。
對(duì)立窯成球主要技術(shù)指標(biāo)規(guī)范為：料球有一定機(jī)械強(qiáng)度，單位料球承受壓力為400~500g；成球水分控制在11%~13%；料球粒度控制在3~7mm；料球孔隙率控制在30%~35%.這是對(duì)近百年來(lái)國(guó)內(nèi)外立窯成球工藝技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，也指出了非等球徑料球在立窯煅燒熟料工藝中最佳技術(shù)條件，但所有這些始終離不開(kāi)落后而又沿用百年的成球盤。
設(shè)想一下，如果這些料球是等球徑的，球料完全均質(zhì)，空間堆積空隙率各向均是25.95%，料球之間有充裕的氣流流通空隙，對(duì)強(qiáng)大的水蒸氣氣流或CO、CO2有排散和燃燒通道，緩解了壓力，降低了爆球率（即使是大球徑的也會(huì)類似），這里且不談值得商榷的水分含量問(wèn)題。在同等條件下，傳統(tǒng)成球法制備的料球，不管球徑控制在Φ3~7mm還是Φ5~8mm之間，從其一進(jìn)入窯口時(shí)，就產(chǎn)生了緊密堆積問(wèn)題。堆積體空隙率達(dá)不到理想的25.95％。布料的不均勻及料球自然滾動(dòng)的規(guī)律勢(shì)必造成縱橫斷面的物料質(zhì)量和空隙率差，無(wú)疑物料會(huì)不平衡煅燒、不均勻傳熱、中火和邊火溫差大，這些結(jié)癥是本身固有的。所以，不管多么細(xì)心調(diào)節(jié)料層，甚至調(diào)整配煤量去適應(yīng)中料、邊料所需的熱值，以求達(dá)到各相平衡的做法都是難以達(dá)到目的的。
2.等球徑料球煅燒的原理分析采用等球徑煅燒技術(shù)，料球的分布在三維空間堆積是絕對(duì)平衡相等的，燃燒是平衡等溫的。等球徑料球堆積模式中，料球在設(shè)定的段帶，不會(huì)因料球大小和質(zhì)量差別產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的快慢和滯留，熟料會(huì)較好地按照拋物線狀層流運(yùn)動(dòng)規(guī)律下沉。料球中的固體碳在立窯不同帶段，按照燃燒過(guò)程、速度及化學(xué)反應(yīng)會(huì)合理分布，這就是層段式、分區(qū)域溫度設(shè)定的差熱、等溫、段帶分級(jí)煅燒工藝基礎(chǔ)。不管是回轉(zhuǎn)窯還是立窯，都離不開(kāi)物料反應(yīng)理論工藝基礎(chǔ)，最大差別是立窯煅燒工藝是內(nèi)燃式的。所以等球徑堆積模式?jīng)Q定了內(nèi)燃或煅燒質(zhì)量，也是其核心。其他問(wèn)題可以看作是枝節(jié)。
眾所周知，立窯與回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)熟料工藝差別，還在于后者在預(yù)分解系統(tǒng)內(nèi)生料已脫水，石灰石已基本分解，入窯后的粉料幾乎全部是非常細(xì)小的等粒徑球粒，在窯內(nèi)被充分混合、翻滾、碰撞接觸，并在不同帶段、不同溫度條件下發(fā)生熟料礦物反應(yīng)。
物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)，有充分的空氣供給，極少產(chǎn)生二次燃燒（黑火頭）。即燃燒條件是完全充分的，而且是動(dòng)態(tài)的。相比之下，立窯不具備充分燃燒條件，它是在特定條件下靠物料“自重落體”滑動(dòng)、下沉，在固定段帶幾乎是在“相對(duì)封閉”的燃燒系統(tǒng)中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其中包括煤粉燃燒。無(wú)疑，這從根本上限定了在研究討論立窯煅燒狀況時(shí)，必須以“段帶式封閉系統(tǒng)”為前提。也就是說(shuō)，要保證在每個(gè)段帶根據(jù)物料反應(yīng)所需熱量控制供氧量及溫度。通常所說(shuō)的“底火”、“中風(fēng)”、“淺暗火”和“腰風(fēng)”等術(shù)語(yǔ)，大意如此。
這里所提的封閉系統(tǒng)，除了上述各段外，更重要的還有不被人們所認(rèn)識(shí)和重視的料球自身的球體封閉系統(tǒng)。
實(shí)際上，該系統(tǒng)在燃燒過(guò)程中控制著整個(gè)化學(xué)燃燒和化學(xué)反應(yīng)，包括礦物的形成和平衡。郝氏反應(yīng)理論基礎(chǔ)也在于此。
這里需指出的是，立窯現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的料球內(nèi)燃燒成過(guò)程，本質(zhì)上以料球內(nèi)的固體燃料（煤粉）在通過(guò)適宜溫度煅燒使燃料殘?jiān)ǖV物）變?yōu)楫a(chǎn)品熟料的一種特殊氣相湍流、擴(kuò)散燃燒技術(shù)。料球內(nèi)碳組分的燃燒過(guò)程可分兩步：①CaCO3=CaO+CO2，CO2+C=2CO；②料球內(nèi)孔隙含O2和CO2通過(guò)擴(kuò)散→碳粒接觸反應(yīng)：2C+O2=2CO，CO2+C=2CO.最終CO通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入堆積體空隙內(nèi)，并與其中O2組分反應(yīng)CO+O2→CO2產(chǎn)生穩(wěn)流、擴(kuò)散燃燒。這即是郝氏反應(yīng)：CaCO3+C→CaO+CO.這種燃燒機(jī)理與過(guò)程只有在等球徑堆積體模式中達(dá)到完善。
從CaCO3起始分解溫度和碳粉燃點(diǎn)溫度看，550~600℃這些多相反應(yīng)就已開(kāi)始，從CO+O2→CO2燃燒反應(yīng)看，科學(xué)配煤，等球徑堆積時(shí)間空間含O2量、粒球孔隙內(nèi)含O2量及風(fēng)機(jī)補(bǔ)給O2量能保證完全化學(xué)平衡燃燒。
簡(jiǎn)言之，只有等球徑料球堆積煅燒立窯水泥熟料模式與工藝技術(shù)，才有可能解決立窯煅燒中的化學(xué)不完全燃燒等問(wèn)題。
3.帶輥滾壓成球技術(shù)思路①原立窯成球控制系統(tǒng)（除成球盤）；②擋料板?？刂屏蠈雍穸?，如選擇Φ5mm球徑則料層厚度為Φ5mm+0.1mm，其他球徑依此類推；③表面帶有所需1/2球徑排列輥筒。一般是金屬材料，可以是實(shí)心的，或是空心的，起滾壓成球作用。可調(diào)速調(diào)壓；④滾帶。表面帶有與輥筒相耦合的所需1/2球徑排列面，起輸料、成球作用。材質(zhì)可多樣，耐磨橡膠帶較宜，因有彈性對(duì)脫球有利；⑤篩。篩分料球與粉片料；⑥回料提升機(jī)。將粉片料碎后返配料系統(tǒng)；⑦滾帶厚度提示。?。é?2+2~3）mm（Φ為球徑），或可適當(dāng)調(diào)整；⑧料球倉(cāng)。
注意帶輥在滾壓時(shí)，是否加壓及其加壓大小可控。為便于脫球和清掃帶輥表面，在脫球處裝有反方向毛刷類簡(jiǎn)易裝置。
該系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是能完全可控平面布料，每個(gè)料球被均力滾壓、料球均質(zhì)。其特點(diǎn)：①設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作維修；比之沉重、龐大、昂貴的成球盤功耗低；②不產(chǎn)生粉塵污染，料球產(chǎn)量可與傳統(tǒng)法媲美。能保證30%~35%的產(chǎn)球孔隙率；③可大幅降低料球含水量至5%~6%，或更低。能大大節(jié)水、降低熱耗與爆球率，實(shí)質(zhì)提高產(chǎn)量至少5%~8%，從根本上突破了傳統(tǒng)成球盤成球的落后理念和工藝；④此工藝從根本上保證了“微觀均質(zhì)料球”的制備，且強(qiáng)度高；⑤等球徑料球的制備為實(shí)現(xiàn)料球最佳堆積和煅燒，為物料運(yùn)動(dòng)和礦物生成提供了工藝和理論基礎(chǔ)，為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能及改善工況提供了可行的方法。
