還原熟料形成機(jī)理
1 前言
在水泥生產(chǎn)中正常熟料是在窯內(nèi)空氣略有過(guò)剩的情況下燒成的,即有足夠的氧使燃料中的碳完全燃燒成CO2,放出熱量。如窯內(nèi)氧氣不足,燃料燃燒不完全,產(chǎn)生CO時(shí),就形成還原氣氛,其反應(yīng)式為:C+O2→CO2+408630J/molC+12O2→CO+123053J/mol
在還原氣氛條件下生產(chǎn)出來(lái)的熟料,我們稱之為“還原熟料”。在還原氣氛下燒成時(shí),窯內(nèi)熱力強(qiáng)度低,高價(jià)的過(guò)渡型的元素氧化物被還原成低價(jià)的,產(chǎn)生各種異常顏色的熟料。據(jù)此特點(diǎn),一般把還原料分為黃心料、綠心料、析鐵料三種。
還原熟料常見(jiàn)的為黃心料,在熟料中所占比例也較大。而綠心料、析鐵料較少出現(xiàn),即使存在,量也不多。還原熟料的危害很多,影響窯的產(chǎn)量、質(zhì)量、煤耗、熱工制度的穩(wěn)定;影響熟料、水泥的質(zhì)量外觀顏色等。特別是熟料、水泥的外觀上,還原料較多時(shí),不僅熟料顏色難看,就連磨制出的水泥顏色也發(fā)黃,水泥用戶極易把此熟料水泥比作立窯的廢品熟料黃料球來(lái)看待,使用戶購(gòu)買使用都不放心,影響企業(yè)的聲譽(yù),因此,必須采取措施進(jìn)行解決。
1.1 黃心料
窯外分解窯產(chǎn)生的黃心料,可分為:疏松性黃心料和致密性黃心料,疏松性黃心料結(jié)構(gòu)疏松,熟料燒失量高, fCaO也高,后期強(qiáng)度
明顯降低,它是在窯頭溫度低,窯尾存在還原氣氛下產(chǎn)生的。而致密性黃心料外殼的顏色與正常熟料相似,結(jié)粒較大,砸開(kāi)熟料球,核
心呈大小不等的黃心,它是在還原氣氛或煤粉直接還原作用下,氧化鐵還原致使熟料顏色發(fā)黃,當(dāng)冷卻時(shí),表層熟料因再氧化而呈黑
色。黃心料其化學(xué)成分上最突出的變化就是隨黃心程度的增加其中FeO含量也增加,而總的鐵含量卻沒(méi)有明顯變化;而有些黃心料
中SiO2和Al2O3的含量較高,這主要是煤灰摻入造成的。
致密性黃心料在巖相結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)特征:其一,B礦呈手指狀、樹(shù)葉狀,這種B礦的產(chǎn)生與還原氣氛下C2S和CFS固溶體的分離有關(guān)。其二,A礦數(shù)量少,發(fā)育差。這與煤灰的摻入有關(guān),由于摻入煤灰物料,使SiO2和Al2O3成分增加,局部(黃心部分)的KH值下降,再加上煤燃燒形成CO放出的熱量少,至使燒成溫度較低,給A礦形成造成困難,所以A礦數(shù)量少。此外,由于Fe3+被還原成Fe2+, Fe2+大量進(jìn)入B礦及玻璃體,所以C4AF的量極少,中間體數(shù)量也相對(duì)減少。
1.2 綠心料
有時(shí)遇到外觀與普通熟料相同,但中間呈嫩綠色的熟料,化學(xué)分析表明,此種熟料中含較多Cr2O3、MnO。巖相分析表明含Cr2O3的熟料中A礦顏色變綠,此種A礦稱為鉻阿利特。Cr2O3主要來(lái)自窯中的鉻質(zhì)耐火材料,含MnO的熟料呈綠色的主要原因是β-C2S和MnO形成固溶體,在C2S-Mn2S系統(tǒng)中形成綠色橄欖石(CaO·MnO·SiO2),溫度較高時(shí), C2S和CMnS的固溶體也可分解桃紅色含錳的B礦。MnO主要來(lái)自鐵質(zhì)原料和耐火材料雜質(zhì)。
綠心料的水硬性差,強(qiáng)度下降。由于Cr3+和低價(jià)錳都只有在還原氣氛下出現(xiàn),故綠心料是還原氣氛的產(chǎn)物,屬還原料。
1.3 析鐵料
當(dāng)窯內(nèi)通風(fēng)不良,燃料在缺氧條件下燃燒,則出現(xiàn)強(qiáng)烈的還原氣氛,這時(shí)熟料中的高價(jià)鐵化合物被還原成低價(jià)鐵化合物,甚至金
屬鐵,其反應(yīng)過(guò)程為:2C4AF→C6A2F+C2F C6A2F+CO→2C3A+2FeO+CO2↑ FeO+CO→Fe+CO2
金屬鐵在高溫下為液相,由于表面張力而呈球形圓粒,冷卻后保留下來(lái),因?yàn)樗恼凵渎时裙杷猁}礦物高得多,所以在巖相顯微鏡下呈很亮的小圓粒。
析鐵熟料除金屬鐵外,主要礦物還有C2S固溶體和C3A、C12A7,熟料強(qiáng)度顯著降低,有時(shí)凝結(jié)較快,它是窯內(nèi)熱工制度不正常的一種標(biāo)志。
2 還原料產(chǎn)生的具體原因
2.1 從煅燒的角度進(jìn)行分析
2.1.1 風(fēng)、煤、料配合不好
風(fēng)、煤、料配合不好,是產(chǎn)生黃心料的根本原因。多數(shù)情況是窯系統(tǒng)排風(fēng)不夠或喂料太多。窯頭喂煤過(guò)多,在一、二次風(fēng)量不變的情況下,窯內(nèi)氧含量明顯不足,導(dǎo)致煤粉燃燒不完全,而產(chǎn)生還原氣氛,易出現(xiàn)黃心料;窯尾分解爐喂煤過(guò)多,將導(dǎo)致預(yù)熱器框架內(nèi)溫度升高,因而易在縮口、斜坡等部位產(chǎn)生結(jié)皮,影響了窯內(nèi)通風(fēng),同樣易使窯內(nèi)氧含量不足,產(chǎn)生還原氣氛,導(dǎo)致出現(xiàn)黃心料;窯系統(tǒng)
出現(xiàn)工藝故障,如窯內(nèi)結(jié)大球、結(jié)圈或長(zhǎng)厚窯皮、窯尾下料斜坡積灰等均可影響窯內(nèi)通風(fēng),造成煤粉不完全燃燒。這些因素的產(chǎn)生,是形成還原料的主要原因,因此在實(shí)際生產(chǎn)中要注意風(fēng)、煤、料三者的合理匹配。
2.1.2 燃燒器斷面位置調(diào)整不當(dāng)
燃燒器在窯斷面位置不合理。二次風(fēng)不足,內(nèi)風(fēng)和外風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)速比例不合理,風(fēng)煤混合不好,這些問(wèn)題的存在也極易產(chǎn)生還
原料。如燃燒器噴嘴愈接近料層,還原料生成愈多,以水平方向靠近料層尤甚。噴嘴靠近料層,火焰鋪在物料表面上,火焰中的炭粒
緊貼物料向前運(yùn)行,由于火焰與物料表面間隙變小,氧氣含量不足,因而在物料表面產(chǎn)生嚴(yán)重的還原氣氛;未燃或正在燃燒的炭粒又
容易落入熟料中,落入到熟料中的碳粒減少了與氧氣接觸的機(jī)會(huì),因而產(chǎn)生還原氣氛特別是當(dāng)煤粉細(xì)度過(guò)粗或使用低揮發(fā)份煤時(shí),情況更嚴(yán)重。
2.1.3 煤的燃燒性能差
影響煤的燃燒性能主要有原煤的質(zhì)量、煤粉質(zhì)量、二、三次風(fēng)溫、燃燒器性能等。原煤質(zhì)量差主要指:煤的灰分大、發(fā)熱量低、揮發(fā)份低等;煤粉質(zhì)量差主要是指細(xì)度大、水份大等;二、三次風(fēng)溫低,主要是影響窯頭溫度,至使黑火頭變長(zhǎng);燃燒器性能影響也很大,好的燃燒器能使煤風(fēng)混合充分而均勻,加速燃燒,改變煤的燃燒性能。由試驗(yàn)及實(shí)踐發(fā)現(xiàn),當(dāng)煤的燃燒性能變差,還原料生成量增高煤粉的燃燒性能差,一方面燃燒速度慢,未燃盡煤粒便可能落在物料之上(指出現(xiàn)液相后的物料),形成還原氣氛;另一方面,加大了煤粉分布的不均勻性,使火焰局部由于煤粉濃度高產(chǎn)生還原氣氛,甚至沉落于燒成帶的物料上,明顯地增大黃心熟料的生成,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生過(guò)多低熔FeO而引起回轉(zhuǎn)窯的結(jié)圈。
2.1.4 工藝設(shè)備上存在一些問(wèn)題如:窯尾系統(tǒng)漏風(fēng)、篦冷機(jī)鎖風(fēng)閥的失控漏風(fēng)、三次風(fēng)閥損壞,三次風(fēng)量變大等,將直
接導(dǎo)致窯內(nèi)通風(fēng)量減少,易使窯內(nèi)產(chǎn)生還原氣氛;燃燒器噴嘴的嚴(yán)重變形,影響風(fēng)煤的混合和火焰形狀,使火焰局部產(chǎn)生還原氣氛;臨
時(shí)止料停窯次數(shù)多,有的停窯時(shí)間長(zhǎng),中間噴煤補(bǔ)火,造成煤粉大量落在物料上不完全燃,產(chǎn)生還原氣氛等,這些都將導(dǎo)致還原料的生。
2.1.5 入窯生料質(zhì)量的波動(dòng)
入窯生料成份變化大,尤其是熟料中Fe2O3含量的變化, Fe2O3含量大的熟料,燃燒過(guò)程中對(duì)還原氣氛更加敏感,黃心率大大
增加,這主要是由于Fe2O3含量較大,當(dāng)有還原氣氛時(shí),增加了Fe3+還原成Fe2+的機(jī)會(huì)和數(shù)量,導(dǎo)致黃心率增加。另外,在熟料Fe2O3含量正常情況下,隨著CaO含量的增加,還原料量增加,主要是由于熟料中CaO含量增加,熟料的易燒性下降,相應(yīng)地要提高燒成溫度,從而增加了窯內(nèi)的用煤量,當(dāng)風(fēng)煤配合不合理時(shí),就產(chǎn)生還原氣氛,從而增大了還原熟料的生成。
2.1.6 原料中有害成分
原料中有害成分含量過(guò)高,尤其是硫堿比越高,越容易結(jié)皮,造成通風(fēng)不良,加之堿、硫、氯的富集循環(huán)與二次揚(yáng)塵形成的低共熔
物造成長(zhǎng)厚窯皮及結(jié)圈、結(jié)球,出現(xiàn)大料團(tuán)等現(xiàn)象,尤其在長(zhǎng)時(shí)間停窯保溫時(shí)更為明顯。
2. 2 從系統(tǒng)工藝參數(shù)的操作情況來(lái)分析
窯外分解窯熟料的生產(chǎn)都是通過(guò)控制系統(tǒng)的工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,系統(tǒng)工藝參數(shù)控制得不合理,也容易產(chǎn)生還原料。
2.2.1 生料喂料量和喂煤量大
生料喂料量大,燒成所需熱量多,為保證預(yù)熱器框架溫度及燒成溫度,勢(shì)必要加大喂煤量,因喂煤量大,空氣相對(duì)不足,煤粉不完
全燃燒,產(chǎn)生還原氣氛,為產(chǎn)生還原料創(chuàng)造了條件,在實(shí)際操作中,如不恰當(dāng)增大窯頭喂煤量,將不可避免產(chǎn)生還原料。
2.2.2 系統(tǒng)壓力工藝參數(shù)控制不合理特別是窯尾壓力,還有三次風(fēng)壓力等。
當(dāng)窯尾負(fù)壓絕對(duì)值低于正常的工藝控制參數(shù)時(shí),則窯內(nèi)通風(fēng)量減少,可導(dǎo)致窯內(nèi)煤粉的不完全燃燒,產(chǎn)生還原氣氛。在各風(fēng)道和窯內(nèi)通風(fēng)暢通的情況下,三次風(fēng)壓力一般在-300Pa~-600Pa,三次風(fēng)壓力大,比如為-750Pa時(shí),則從窯頭抽風(fēng)多,影響入窯的二次
風(fēng)量,造成窯內(nèi)空氣不足,同樣會(huì)導(dǎo)致燃料不完全燃燒,形成還原氣氛。
2.2.3 系統(tǒng)溫度工藝參數(shù)控制不合理
窯尾溫度:窯尾溫度一般在950℃~1050℃。當(dāng)窯尾溫度高時(shí),分解爐縮口易結(jié)皮,影響窯內(nèi)通風(fēng),為產(chǎn)生還原料創(chuàng)造條件當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),液相在窯尾過(guò)早生成,熟料易結(jié)大塊。當(dāng)窯尾溫度低時(shí),燒出的熟料fCaO偏高。溫度過(guò)低,則易跑生料。
窯前(指燒成帶)溫度:當(dāng)窯前溫度高時(shí),火焰發(fā)亮。如因生料KH值高、喂煤量大、內(nèi)風(fēng)過(guò)大、短火急燒,可產(chǎn)生致密性黃心料;如因生料KH低,溫度過(guò)高,可在窯口下料口篦冷機(jī)機(jī)堆“雪人”。窯前溫度低時(shí),出現(xiàn)黑火頭,燒出的熟料中fCaO偏高,由于燃料的燃燒條件變差,也易出現(xiàn)燃料不完全燃燒。
2.2.4 篦冷機(jī)及窯內(nèi)料層厚度的影響
當(dāng)篦冷機(jī)篦速快時(shí),熟料料層簿,使二次風(fēng)溫下降,從而影響窯前溫度,使燃料燃燒條件變差,也易出現(xiàn)燃料不完全燃燒,為產(chǎn)生還原料創(chuàng)造了條件。另外,當(dāng)回轉(zhuǎn)窯的窯速慢時(shí),回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料多,填充系數(shù)大,一方面減少了窯內(nèi)通風(fēng)面積,造成通風(fēng)不良,不利于熱傳導(dǎo);另一方面燃燒器的噴嘴的位置與窯內(nèi)物料的填充系數(shù)關(guān)系非常大,當(dāng)填充系數(shù)發(fā)生變化時(shí),相對(duì)來(lái)講噴嘴接近了料層表面,燃燒器位置不合理,從也為產(chǎn)生還原料產(chǎn)生了條件。
3 解決還原料的技術(shù)措施
前面對(duì)在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生還原料的原因及可能進(jìn)行了分析,下面針對(duì)產(chǎn)生還原料的可能,采取以下技術(shù)措施來(lái)解決。
(1)解決工藝設(shè)備中存在的問(wèn)題,緩解窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)結(jié)皮和窯內(nèi)結(jié)大球現(xiàn)象,為防止窯風(fēng)和窯尾系統(tǒng)通風(fēng)不暢創(chuàng)造條件,對(duì)
于窯尾斜坡或縮口,還要定期清理或設(shè)置清結(jié)皮裝置定期清潮,以保障窯內(nèi)通風(fēng)。為了更好反映窯內(nèi)燒成氣氛狀況,有條件的企業(yè)
還可在窯尾設(shè)置CO分析儀,使窯內(nèi)燒成氣氛有一個(gè)量的指標(biāo),更有利于減少還原料的生。
(2)調(diào)整合理的熟料三率值,加強(qiáng)原燃材料的預(yù)均化,提高出磨和入窯生料均勻性和合格率,特別是提高進(jìn)廠原煤的質(zhì)量,加強(qiáng)
用煤均化管理和控制煤粉質(zhì)量,從工藝上為防止還原料的產(chǎn)生創(chuàng)造條件。
(3)合理調(diào)整燃燒器的位置和內(nèi)外風(fēng)的比例。適當(dāng)?shù)幕鹧骈L(zhǎng)度、形狀和位置,對(duì)保護(hù)窯皮對(duì)防止產(chǎn)生還原料是非常重要的。生產(chǎn)實(shí)踐告訴我們?nèi)L(fēng)道燃燒器噴嘴的位置和火焰高低,對(duì)窯皮的厚薄和長(zhǎng)短影響很大。離料近,窯皮厚,影響窯內(nèi)通風(fēng),窯皮厚度一般
20~25cm為好;離料遠(yuǎn),窯皮薄,影響耐火磚的使用壽命?；鹧娓?窯皮短,容易造成窯皮厚,且對(duì)后部的耐火磚有影響;火焰低,窯皮
長(zhǎng),增加窯內(nèi)填充系數(shù)。因此三通道噴煤管必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢?。?shí)踐證明,燃燒器以稍偏于物料表面為宜(如圖),圖中0點(diǎn)為窯口截面中心,A點(diǎn)為燃燒器中心線通過(guò)窯口截面所處的位置,其坐標(biāo)可通過(guò)計(jì)算再結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)大致確定。簡(jiǎn)化后的公式為:
a=0·04D0COSθ
式中: a—燃燒器中心在窯口截面上的位置A點(diǎn)到窯口截面中心0點(diǎn)的距離;
D0—回轉(zhuǎn)窯燒在帶有效平均內(nèi)徑;
θ—對(duì)應(yīng)于燒成帶內(nèi)物料弓形斷面圓心角之半。
至于燃燒器噴嘴到窯口的距離,要結(jié)合窯皮的長(zhǎng)度、形狀可在生產(chǎn)中進(jìn)行調(diào)整移動(dòng)。
合理調(diào)整三風(fēng)道燃燒器內(nèi)外風(fēng)的間隙和比例,增強(qiáng)風(fēng)煤配合,并適當(dāng)加大一次風(fēng)量,可提高煤粉燃燒速度,使火焰發(fā)散,縮短黑火
頭,防止煤粉不完全燃燒,避免還原氣氛的出現(xiàn),從本質(zhì)上防止還原料的產(chǎn)生。
(4)提高窯前溫度,控制窯尾溫度,穩(wěn)住窯兩端及分解爐內(nèi)溫度,調(diào)節(jié)好通風(fēng),加煤和喂料,控制熟料適當(dāng)?shù)纳丶敖Y(jié)粒,實(shí)現(xiàn)窯爐
協(xié)調(diào),使還原料失去生產(chǎn)的環(huán)境。
?、偬岣吒G前溫度
提高窯前溫度的方法有:加大三通道燃燒器的內(nèi)流內(nèi),增強(qiáng)風(fēng)煤混合,提高煤粉燃速度;保證篦冷機(jī)篦床料層厚度在50cm~
60cm,以提高二、三次風(fēng)溫;窯頭控制適當(dāng)?shù)奈⒇?fù)壓,不僅有利于生產(chǎn)環(huán)境的改善,還能減少篦冷機(jī)的排風(fēng)量,增大窯內(nèi)的通風(fēng)量;降低窯速,適當(dāng)減少喂料量和加大喂煤量等。
?、诳刂聘G尾溫度及分解爐溫度
控制窯尾溫度及分解爐溫度,在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi),溫度過(guò)低則造成入窯分解率低,同時(shí)使燒成溫度降低,不能達(dá)到燒結(jié)優(yōu)質(zhì)熟料
所需的溫度,燒出的熟料質(zhì)量差;溫度過(guò)高,則容易導(dǎo)致窯尾縮口的物料結(jié)皮、旋風(fēng)筒的堵塞等影響窯內(nèi)通風(fēng),甚至發(fā)生工藝故障。
?、奂訌?qiáng)風(fēng)、煤、料的對(duì)口調(diào)節(jié)
根據(jù)中控系統(tǒng)工藝參數(shù)操作,及時(shí)正確調(diào)整用煤量和通風(fēng)量,窯頭喂煤量和窯尾分解爐喂煤量比例為40%和60%,保護(hù)爐中及
出口氣體溫度的穩(wěn)定,操作中應(yīng)嚴(yán)格掌握系統(tǒng)內(nèi)溫度和壓力的變化,保持系統(tǒng)內(nèi)通風(fēng)良好,防止溫度過(guò)高或過(guò)低,做到:穩(wěn)定操作、穩(wěn)
定熱工制度、穩(wěn)定下料量,確保分解爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。
④控制適當(dāng)?shù)氖炝辖Y(jié)粒及升重
熟料結(jié)粒大小及容重,雖不是造成還原料形成的原因,但它是還原料產(chǎn)生時(shí)的現(xiàn)象之一,因?yàn)榇罅Ｊ炝系漠a(chǎn)生原因,一是熟料煅
燒中液相主要成分Al2O3、Fe2O3,尤其是Fe2O3含量高時(shí)容易產(chǎn)生;二是成分正常,但燒成溫度高,或二者都存在;
三是窯料層厚、翻流滾慢,易產(chǎn)生大粒熟料。
以上三條產(chǎn)生大粒熟料的原因都可能產(chǎn)生還原氣氛,從而產(chǎn)生還原料,因此要控制好熟料結(jié)粒,以預(yù)防還原料的產(chǎn)生。至于升重,前面已說(shuō)過(guò),還原料中出現(xiàn)了低溶液相,內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,導(dǎo)致升重升高。另外,由于升重也反映了燒成溫度的高低,也反映了火焰所達(dá)到的最高溫度,容重高,煅燒火焰溫度要高,用煤量相對(duì)要增大,如風(fēng)煤匹配不合理,易產(chǎn)生還原氣氛而使還原料增加,因此升重要控制在適當(dāng)?shù)姆秶?《水泥企業(yè)管理規(guī)程》規(guī)定升重波動(dòng)范圍在±75g。
綜合以上所述,只有通過(guò)嚴(yán)格規(guī)范操作才能有效地避免或緩解還原料的出現(xiàn),生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)低耗熟料。
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