传统水泥生产技术.doc
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1、10 传统水泥生产技术【本章导读】本章介绍了水泥窑的作用及分类,叙述了水泥熟料不同煅烧工艺流程和特点,重点介绍水泥窑纯低温余热发电技术,简介立窑煅烧工艺。10.1 水泥窑的作用和分类10.1.1 水泥窑的作用从1884年开始用回转窑煅烧水泥至今已有120余年的历史,期间经历了立窑、干法回转窑、湿法回转窑、新型干法回转窑等多次重大的技术变革,但作为水泥熟料矿物最终形成的设备水泥窑的作用并没有大的变化。水泥窑是化学反应器。为了使生料在窑内充分反应,窑内烧成温度要求达到1450,使整个物料处于部分熔融状态,物料经过了一系列的物理、化学变化,成为熟料;水泥窑是燃烧设备和传热设备。窑内高温是由燃料在窑内
2、燃烧产生的,燃烧产生的热量通过辐射、对流和传导三种基本传热方式,将热量传给物料;水泥窑是输送设备。物料从窑尾部加入,由于窑筒体是倾斜安装的,当窑转动时,物料不断地由窑尾向窑头运动,在立窑内物料从窑顶加入,由窑底部卸出;水泥窑还具有降解利用废弃物的功能。水泥窑所具有的高温、稳定热力场可以降解各种有毒、有害、危险废弃物。为使燃料在水泥窑内能进行正常燃烧,要送入助燃的空气;燃烧产生的烟、物料反应产生的水汽及二氧化碳等所组成的废气,需要从窑内排出,通过气体输送设备向窑内鼓进空气,并排出废气。所以水泥窑的工作是由气体流动、燃料燃烧、热量传递和物料运动等过程所组成的。水泥窑的工作就是使燃料能充分燃烧,燃烧
3、产生的热量能有效地传给物料,物料接受热量后发生一系列物理、化学变化,煅烧产生的废气顺利排除,最后形成熟料。10.1.2 水泥窑的分类水泥窑有回转窑和立窑两大类。10.1.2.1 回转窑分类按生料制备的方法可分为干法生产和湿法生产,与其生产方法相适应的回转窑也分为干法回转窑和湿法回转窑两类。由于窑内和窑尾热交换装置不同又可分为不同类型的窑。10.1.2.2 立窑分类立窑有三种类型:普通立窑、半机械立窑和机械立窑。普通立窑是人工加料和人工卸料;半机械立窑是机械加料,人工卸料(或人工加料,机械卸料);机械立窑是机械加料和机械卸料。机械立窑是连续操作的,它的产、质量及劳动生产率都比普通立窑和半机械立窑
4、高。我国基本上是机立窑。水泥窑的分类见表10.1。表10.1 水泥窑分类 窑型分类附属设备回转窑湿法回转窑湿法长窑:内部热交换装置如链条,格子式交换器等湿法窑:外部热交换装置,如料浆蒸发机、压滤机、料浆干燥机等干法回转窑干法长窑:中空或带格子式热交换器等干法窑:带余热锅炉等半干法窑:立波尔窑新型干法窑:带悬浮预热器或预分解炉立窑普通立窑半机械立窑机械立窑人工加料、人工卸料机械加料设备、人工卸料;人工加料,机械卸料设备连续机械化加料及卸料设备机械加料器、人工卸料人工加料、人工卸料10.2 水泥熟料煅烧工艺流程生料可通过湿法回转窑、普通干法回转窑、新型干法窑和立窑煅烧等不同的工艺烧成熟料。本节介绍
5、不同煅烧工艺的流程,并对特点进行分析。悬浮预热器和窑外分解窑煅烧工艺将在第9、10章进行详细讨论。10.2.1 湿法回转窑煅烧工艺图2-2-1 湿法长窑生产煅烧流程图1回转窑;2多筒式冷却机;3喷煤管;4传动齿轮;5热交换器;6链条;7托轮;8水冷却;9鼓风机;10煤磨;11选粉机;12旋风收尘器;13煤磨排风机;14煤磨热风管;15收尘器;16烟囱湿法长窑的筒体较长(长径比为3040),为增加窑的传热面积,常在窑尾部分挂有链条,加速水分蒸发。其生产流程如图10-2-1。湿法回转窑生产时在生料磨中加入水,将生料制成含水为3040%的料浆,经均化达到要求的料浆由窑头喂料机送入窑内煅烧成熟料,出窑
6、熟料经冷却机冷却,送入熟料库,原煤经烘干兼粉磨制成煤粉后经燃烧供给熟料煅烧所需热量。湿法回转窑煅烧的特点是:由于生料制成具有流动性的泥浆,所以对非均质原料适应性强,各原料之间混合好,生料成分均匀,工艺稳定,烧成的熟料质量高,熟料中游离氧化钙一般较低,熟料结粒良好,熟料强度等级高,生料在粉磨过程粉尘少,窑尾飞灰少。但湿法生产时蒸发3040%的料浆水分,需要消耗较大热量,能耗占水泥成本的1/21/3,较立窑和干法回转窑均高。湿法生产由于热耗高,能源消耗大,且生产时用水量大,消耗水资源,我国已把湿法水泥生产列为限制淘汰窑型。10.2.2 带料浆蒸发机回转窑为了将水分的蒸发过程移至窑外进行,可在窑尾后
7、面设料浆蒸发机,使料浆水分大部分在料浆蒸发机内蒸发掉,湿法窑筒体的长度可缩短,装有料浆蒸发机的窑叫带料浆蒸发机回转窑。其流程如图10-2-2。图2-2-2 带料浆蒸发机回转窑煅烧流程图1喂料槽;2卧式料浆蒸发机;3换热体,4回转窑;5旋风收尘器;6立式电收尘器;7螺旋输送机;8提升机;9入窑管;10熟料多筒式冷却机;11熟料链式输送机;12煤粉贮库;13鼓风机;14喷煤管;15排风机;16烟囱带料浆蒸发机回转窑仅将料浆的蒸发过程移到窑外的料浆蒸发机中进行,熟料煅烧的热耗仍然较高,同时煅烧系统复杂,管理工作量大,限制了这种窑型的发展。10.3 普通干法回转窑煅烧工艺普通干法回转窑就是将原料同时烘
8、干粉磨或是先烘干后粉磨后制成生料粉,经调配均化符合要求后喂入回转窑内煅烧,形成熟料。将干法制得的生料粉调配均匀并加入适量水,制成料球喂入立波尔窑内煅烧成熟料的方法也归入干法。10.3.1 中空干法回转窑图2-3-1 中空式回转窑1回转窑;2多筒式冷却机;3鼓风机;4传动牙轮;5烟囱中空窑是干法窑中最原始的一种型式,筒体内除砌有窑衬外,没有装设任何热交换装置。其生产流程如图10-3-1。普通干法回转窑装备落后,自动化程度,产量低(一般仅为4.45.0t/h),窑内传热效率差,高温废气的热损失大,热耗高(大多高于6000kJ/kg熟料),由于均化效果差导致生料成分波动大,熟料质量差且不稳定,废气温
9、度高,生产过程杨尘点较多,粉尘污染大。我国限制和淘汰干法中空窑。10.3.2 立波尔窑在回转窑尾增设加热机的窑,叫带加热机的回转窑。1928年第一台加热机的回转窑出现在德国,由当时德国工程师立列伯设计,波立修斯工厂制造,为纪念创始人和制造厂,因此将带加热机的窑命名为立波尔窑。我国目前水泥工业约有十余条立波尔窑生产线,大都为国内技术。国内与国外立波尔窑生产的技术经济指标见表10.3.1。表10.3.1 国内与国外立波尔窑生产技术经济指标1项 目国 内国 外熟料热耗(kJ/kg)45955435一次通过4180;二次通过32603345废气量(Nm3/kg)6.82.1废气带走热(%)224658
10、入窑分解率(%)304020世纪70年代以来,随着预分解窑生产技术的不断发展,窑外分解窑的发展在水泥工业重占据了绝对优势,我国立波尔窑逐渐减少,但在德国、日本等国家仍有相当数量在继续生产,技术经济指标也在不断提高。10.3.2.1 立波尔窑煅烧工艺立波尔窑是利用窑尾废气余热来预烧物料。在窑尾后面加设一个加热机(回转炉篦子),将生料粉制成生料球,喂入加热机。窑尾排出的废气进入加热机,穿过料球层,将热量传给料球,生料球获得热量后,在加热机内进行干燥、预热和部分分解,然后进入回转窑,煅烧成熟料,废气将热量传给物料后,由排风机排出。其流程如图10-3-2。图2-3-2 立波尔窑煅烧工艺1鼓风机;2回转
11、窑;3提升机;4加热机;5成球盘10.3.2.2 加热机工艺流程炉篦子加热机是利用回转窑窑尾高温废气的热量预热生料的一种热交换装置,是立波尔窑煅烧工艺中最重要的设备。根据气流通过料层的情况不同,炉篦子加热机分为“一次通过”和“两次通过”。一次通过是指出窑废气,一次通过预热室料层,经排风机排到大气中去;两次通过是指出窑废气先通过预热室,后通过干燥室,两次通过物料层,热量得到更充分的利用,国内外大部分采用两次通过。图2-3-3 加热机构造图 1成球盘;2料球溜子;3辅助烟囱;4金属外壳;5活动炉床;6冷风烟囱;7炉篦子;8上支承部分;9下支承部分;10调节风斗;11刮板;12主动轮;13从动轮;1
12、4吸风口;151号排风机;16电动机;17链式输送机;182号排风机;19生料提升机;20松料犁;21斜烟道;22调节闸板;23料层控制板从窑内排出来的10001100的高温气体,先进入预热室(一室),后分成两部分:一部分高温气体直接通过一室料层与料球进行激烈的热交换,由一号排风机排到大气中去,排出的废气温度为150200。另一部分分两路进入干燥室(二室),其中小部分气体经一、二室隔墙(水箱)进入二室,而大部分气体经辅助烟囱、斜烟道进入二室。如果辅助烟囱开着,由一室出来的气体将由此逸出小部分,而大部分气体由于烟囱壁的热损失和冷风烟囱进入的部分冷空气,温度已降至300500,通过二室料层后由二号
13、排风机排到大气中去,此时温度已降到100150。含水1214,粒度525mm的料球,由成球盘出来,经下料溜子进入加热机,均匀地分布在炉篦子上,加热机料层厚度一般为180200mm。为了防止烧坏侧板,两侧料层较高一些,为250300mm,生产中可根据窑内和加热机通风情况的好坏,用料层控制板来调节料层的高度。随着炉篦子不断向前移动,料球先后被干燥、预热和部分分解,大约1216min完成预热过程,把物料送入窑内。图2-3-4 加热机两次通过示意图 1排风机;2成球盘;3隔墙;4排风机;5旋风收尘器; 6螺旋输送机; 7炉篦子; 8斗式提升机; 9刮板输送机二次通过加热机的结构与一次通过的基本相同,只
14、是将一号排风机改为耐高温风机,去掉冷风烟囱,增加旋风收尘器。图10-3-4为二次通过示意图。从窑里出来的热气体,进入加热机一室的上方,由于排风机4抽吸热气体由上方经料层向下吸、气流经过旋风收尘器5后,在第二室再次由上而下通过物料层,由l号排风机排出,废气温度为170200,当料球在第二室沿着炉篦子移动时,由于这里料球较湿,而废气已经预先冷却过,所以不会使湿料球中水分剧烈蒸发,而造成料球的炸裂。在加热机中,为了使气体能均匀、顺畅地通过料层并增加交换面积,以达到减少流体阻力和增加传热效率的目的,当气体从第一室进入第二室前,通过旋风收尘器5收下粗灰尘,以防堵塞第二炉篦子上料球间的气路。由于废气两次和
15、料球接触,热利用率比一次通过高,传热效率更加良好。一次通过与二次通过的部分参数对比见表10.3.2。表10.3.2 一次通过与二次通过对比加热机形式废气出口温度()排风量(Nm3/kg)热耗(kJ/kg熟料)飞灰损失(%)一次通过1001503437624180815二次通过1901002.53.03344376257从上表可以看出二次通过比一次通过有如下优点:(1)废气两次通过料层,且不掺入冷空气,出窑气体的热量得到充分利用,热耗低。(2)排风量减少,减轻了排风机的负荷。(3)飞尘减少,不但热损失降低,而且改善了环境,有利于文明生产。但立波尔窑也有如下缺点:(1)对原料的适应性不强。因生料需
16、要成球,要求粘土可塑性好、石灰石品位高。(2)加热机内,料层表面与料层内部温差较大,料球预烧不均,增加窑内的负担,熟料质量较低。(3)加热机结构、操作、维护都较复杂,维修工作量大,影响窑的运转率。10.3.2.3 立波尔窑加热机的改进 加热机是立波尔窑的关键设备,为提高立波尔窑的产、质量,可对加热机进行以下改进:(1)增加加热机长度,适当减少加热机负荷,提高产量。 (2)更新、更换加热机篦板、侧板、两侧密封板、刮板、挡料板等,加装篦板清扫器保证篦缝畅通。(3)保持一定的料层高度和料球的稳定。10.4 水泥窑纯低温余热发电技术纯低温余热发电技术就是利用中低温的废气产生低品位的蒸汽,推动低参数的汽
17、轮机组做功发电。水泥生产工艺过程中,熟料煅烧需要较高烧成温度,因此需要消耗大量的一次能源煤炭来满足要求,同时排出大量CO2,目前先进的新型干法工艺,单位熟料烧成热耗在29003300kJ/kg。根据热工标定,熟料形成热约占42,出冷却机熟料和预热器飞灰带走的热量约占5%,系统表面散热约占13%,预热器废气和冷却机废气带走的热量约为33%,其他热损失为7。纯低温余热发电就是利用这33左右的预热器和篦冷机排出的废气来发电,以节约能源,降低成本,保护环境。日本有近80的水泥窑都有纯低温余热发电系统,全国平均热料发电量近40kW ht,回收的电能已达水泥工业电耗的40。我国近期也已将此列入了10大重点
18、节能工程,提出“十一五”期间,在2000td以上水泥生产线建设中低温余热发电装置每年30套,形成年节能300万t标准煤。纯低温余热发电已进入了一个前所未有的发展时期。10.4.1 水泥工业低温余热的特征水泥生产的特点,一方面是消耗相当数量的能源,另一方面又有大量的废气余热被排入大气。目前我国新型干法工艺中窑尾5级预热器排出的废气温度一般在320370之间,窑头篦冷机余风排出的温度一般为250左右。这些废气在余热资源分类中属中低温级,但属二次能源,其携带的热能主要包括煤燃烧经利用后的排气显热、高温熟料与空气交换后的排气显热、水蒸汽汽化潜热等组成。尽管废气中携带的热量较大,但从热力学角度分析,废气
19、中具有的做功能力即烟?(yong ,火+用,无法打出)值较低,烟值是评价能量质量的一个重要指标,它的高低对其回收利用影响较大。另外根据水泥生产工况的特点,废气排气量和温度均有较大的波动范围,同时废气中含有一定量的粉尘,窑尾废气中的粉尘主要是生料,磨砺性不强但有一定的粘附性,而窑头废气中的粉尘主要是熟料颗粒,其磨蚀性较强。上述这些余热资源的特性对余热发电系统及相关设备均提出了较高要求。由于余热发电属于副产品,不能影响水泥生产线的正常运行,必须能很好的适应水泥窑正常的工况变化,并且在各种变化的情况条件下仍能保持较高的余热利用率和发电效率。10.4.2 纯低温余热发电技术原理及主要类型 纯低温余热发
20、电技术的基本原理就是以30左右的软化水经除氧器除氧后,经水泵加压进入窑头余热锅炉省煤器,加热成190左右的饱和水,分成两路,一路进入窑头余热锅炉汽包,另一路进入窑尾余热锅炉汽包,然后依次经过各自锅炉的蒸发器。过热器产生1.2MPa、310左右的过热蒸汽,汇合后进入汽轮机做功,或闪蒸出饱和蒸汽补入汽轮机辅助做功,做功后的乏汽进入冷凝器,冷凝后的水和补充软化水经除氧器除氧后再进入下一个热力循环。关键设备主要有窑尾、窑头余热锅炉和汽轮发电机组。 由于各个水泥企业的条件不同,纯低温余热发电系统的配置也不同,总体上大致分为三种: (1)采用单压进汽的凝汽式汽轮机组,即软化水经除氧后进入窑头余热锅炉省煤器
21、,加热成的饱和热水分别进入窑头、窑尾余热锅炉的气包,然后依次经过各自锅炉的蒸发器、过热器后产生的过热蒸汽混合进入汽轮机做功发电。过热蒸汽仅为单一的压力和温度,该系统简单可靠,但吨熟料发电量偏低。 (2)利用余热锅炉产生双压蒸汽,配套补汽式凝汽式汽轮机组。与第一种相比,窑头余热锅炉增加了一个低压汽包和一套蒸发器、过热器,经省煤器加热成的饱和热水分为3路,分别进入3个汽包,其中低压汽包的饱和热水经过窑头余热锅炉的蒸发器、过热器后产生出另一种压力和温度的过热蒸汽,从汽轮机的补汽口导入,主蒸汽从主进汽口导入作功发电。该系统效率高于第一种的凝汽式汽轮机组。(3)利用余热锅炉和热水闪蒸复合发电技术产生双压
22、蒸汽,配套补汽凝汽式汽轮机组。闪蒸就是高压热水进入低压空间瞬间汽化的现象,具体就是以200400的低温废气作为加热热源,系统设置有余热锅炉、闪蒸器和汽轮发电机组等。余热锅炉产出一定温度压力的过热蒸汽及一定量的高温高压热水,高温高压热水通过闪蒸器闪蒸出饱和蒸汽,过热蒸汽和闪蒸出的饱和蒸汽分别进入汽轮机主进汽口和补汽口做功发电。它最主要特点一是根据余热资源的质量和品位,实现合理的能级匹配,在符合技术经济原则的条件下,将常规余热发电系统和闪蒸系统结合起来,最大限度的利用余热资源,增加吨熟料发电量。采用此项技术一般可比常规纯低温余热发电技术多发电10以上。另一个特点就是闪蒸系统的设置能很好的适应水泥窑
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