水泥窯的運轉率是水泥企業(yè)的工作重心，是企業(yè)效益的重要來源，而造成預分解水泥窯運轉率低的原因除了設備故障因素外，預分解水泥窯各部位的耐火材料不能滿足使用要求，導致經常停窯來進行更換和維修。以及水泥制造本身都可能是問題原因。

　　耐火材料是高溫工業(yè)窯爐的建筑材料和結構材料。由于水泥窯各部位物料的理化性能、氣體溫度、所處環(huán)境的不同，對耐火材料的性能、成分、鑲砌位里、砌筑方法也不同。為了更好選擇和使用耐火材料，耐火材料供應商也需要深入地了解水泥的生產條件。本文對決定水泥生產中的熟料形成、燃料、燃燒、傳熱等進行介紹。

　　一、水泥熟料的形成

　　水泥熟料以石灰石和粘土、鐵質原料為主要原料，按適當比例配制成生料，燒至部分或全部熔融，并經冷卻而獲得的半成品。在水泥工業(yè)中，最常用的硅酸鹽水泥熟料主要化學成分為氧化鈣、二氧化硅和少量的氧化鋁和氧化鐵。主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。硅酸鹽水泥熟料加適量石膏共同磨細后，即成硅酸鹽水泥。

　　水泥生產可概括為“兩磨一燒”。其中，粉磨原料的主要作用之一是提高生料的比表面積，以提高高溫反應的效率。燒成主要是借助高溫改變原料的形態(tài)，使之從自然界中穩(wěn)定的物質轉變?yōu)椴环€(wěn)定的或可水化的物質。粉磨熟料的主要作用之一是提高熟料的比表面積，加快水泥的水化反應。水泥熟料的形成主要分為以下幾步。

　　1、水分蒸發(fā)： 自由水分隨物料溫度而逐漸蒸發(fā)，當溫度升高至100～150℃時，生料中自由水分全部被排除。 濕法生產中，料漿可達32～40%，故此干燥過程對產量、質量及熱耗影響極大。

　　2、粘土質原料脫水： 生料溫度升至450℃時，高嶺土脫去化學結合水。 在900°～950℃時，無定形物質又轉變?yōu)榫w，同時放出熱量。

　　3、碳酸鹽分解： 碳酸鈣與碳酸鎂在600℃都開始分解，碳酸鎂在750℃時分解即劇烈進行，而碳酸鈣約在900℃時才快速分解。 MgCO3＝MgO+CO2 CaCO3＝CaO+CO24、固相反應： 水泥熟料中的主要礦物在800～1300℃時可以由固相物質相互反應而生成。 800～900℃時,CaO與Al2O3、Fe2O3反應，生成CA、CF； 900～1100℃時, 生成C12A7、C2F、C2S； 1100～1300℃時, 生成C3A、C4AF。 以上反應進行時放出一定熱量，物料本身溫度上升很快。

　　5、硅酸三鈣（C3S）的形成和燒成反應： 硅酸三鈣要在液相中才能大量形成。當溫度升高到近1300℃時，C3A、C4AF、R2O等熔劑礦物變成液相，C2S與CaO溶解在高溫液相中，互相反應生成C3S；C3S的生成速度與燒成溫度和反應時間有關。其生成溫度范圍一般為1300～1450～1300℃。 熟料燒成后，溫度開始下降，C3S形成速度減慢直至液相凝固。

　　6、熟料的冷卻過程： 在冷卻過程中，將有部分熔劑礦物形成晶體析出，另一部分來不及析晶而呈玻璃態(tài)存在。 C3S在1250℃時容易分解，所以要求在1300℃以下熟料要快冷，使C3S來不及分解，越過1250℃以后，C3S就比較穩(wěn)定了。 C2S在<500℃時，由β－C2S轉變?yōu)?gamma;－C2S，密度減少而使體積增大10%左右，從而使熟料塊變成粉末狀。粉化后的γ－C2S與水反應時，幾乎沒有水硬性，因此在<500℃溫度段時應急冷，使其來不及轉化。

　　二、生料的細度和熟料的成分

　　生料當中顆粒的粒徑大小對生料的易燒性有著一定的影響，尤其當顆粒直徑大于200um的時候，就會對生料的易燒性能產生很大的影響作用。生料細度過于粗大就會產生巖相結構的差異，此時就能夠在表面觀察到在A況周邊還沒被吸收的游離氧化鈣，還有一部分的沒有進行化學作用的游離氧化鈣被A礦包裹著，進而對熟料的質量產生直接的影響，另外，會對熟料燒結帶來一定的困難，拖后礦物反應形成的時間，有時還必須要通過提高煅燒的溫度才能夠完成熟料的燒結過程，導致熟料當中的游離氧化鈣增高，降低了窯的產量，導致了能耗的增加，進而增加了生產成本，降低了企業(yè)的經濟效益。

　　如果生料過于細小的話，其實也并不都是好事，會使磨機設備的產量降低，提高了磨制生料粉時的電能損耗。所以說生料的過細和過粗對水泥生產企業(yè)來說都是不夠科學的。

　　水泥的易燒性和耐火材料的壽命有很大關系。如果水泥好燒，窯皮好掛，耐火材料的壽命就長;反之，水泥窯耐火材料的壽命就短。一方面，各水泥廠家的工藝、原料、設備情況千差萬別;另一方面，水泥生產條件和所用耐火材料也要互相適應。由此，才能取得良好的使用效果。

　　通常，水泥廠采用石灰石、黏土、鐵粉三種原料，只有兩個配料自由度。但是，熟料有三個率值。因此，用兩個配料自由度去精確控制三個率值是不可能的。很多情況下，水泥廠只好采用“最小二乘法”或“湊和法”設法使熟料具有 最接近理想條件的率值。常常，熟料的硅率和鋁率彼此正相關，一升俱升、一降俱降。所以，必要時水泥企業(yè)還需使用硅質或鋁質校正原料。

　　最早，水泥回轉窯采用低硅高鐵配方，這和使用黏土磚、三級高鋁磚作為窯襯是互相適應的。后來，采用磷酸鹽磚作為窯襯時，在很多水泥企業(yè)出現(xiàn)了掛不上窯皮的情況。經過分析，原中國建筑材料科學研究院的專家發(fā)現(xiàn)原因在于隨著 耐火材料性能的提髙，耐火材料的“發(fā)汗溫度”也隨之增加，因而產生掛不上窯皮的問題。于是在制造時摻加了黏土，降低了磷酸鹽磚的“發(fā)汗溫度”，解決了掛不上窯皮的問題。

　　在磷酸鹽磚改用鎂質耐火材料時，又有很多的企業(yè)出現(xiàn)掛不上窯皮的問題。 經過分析，原中國建筑材料科學研究院的專家發(fā)現(xiàn)其原因還是由于隨著耐火材料性能的提高，耐火材料的“發(fā)汗溫度”增高而引起的。由于耐火材料的“發(fā)汗溫度”高于窯皮的“燒流溫度”，因而產生掛不上窯皮的問題。于是通過改變水泥熟料的配方，提高鋁率和硅率，又解決了掛不上窯皮的問題。

　　目前，我國的水泥工業(yè)已比過去強大許多，生產設備也非常先進，還有很多前所未有的新型耐火材料。但是，依然面臨不少困難?？迫鹉筒母鶕煌袠I(yè)使用耐材的特點來設計配置，保證產品質量標準，緊跟時代潮流，以更新的產品，更好的服務，為客戶解決問題。

　　三、燃料和燃燒

　　1.燃料

　　水泥生產采用煤作為燃料。原煤由可燃質灰分和水分組成?？扇假|又分為揮發(fā)分和固定碳。煤可分為無煙煤、貧煤、煙煤和褐煤幾種。

　?、?在無煙煤的可燃質中，固定碳含93%?98%，揮發(fā)分小于10%。無煙煤屬于低反應能力燃料，著火困難，燃燒不盡。揮發(fā)分<5%的無煙煤燃燒更加困難。

　?、?貧煤的揮發(fā)分在10%?20%之間。貧煤比無煙煤活性要高，但仍屬于難反應的煤種。有一部分水泥廠使用貧煤。

　　③ 煙煤的揮發(fā)分含量>14%，反應性較強，是水泥廠最常用的燃料。如揮發(fā)分含量>40%時，煙煤具有易于自燃和爆炸的特點，要注意防止事故。隨著灰分的增加，煙煤的熱值降低，反應活性變小。

　?、?褐煤是碳化程度較低的煤，具有髙揮發(fā)分、高水分、低熱值的特點。燃燒時，褐煤形成的燃燒溫度較低。

　　一般情況下，新型干法窯要求煤的水分<2%，灰分<30%，揮發(fā)分18%? 30%，干燥基低熱值21000kJ/kg，細度0.088mm方孔篩篩余約10%。

　　灰分過高，會使煤的燃燒特性變差。灰分過高的煤不易著火，燃燒穩(wěn)定性和燃凈性能都不好。此外，灰分過高還會影響熟料的配比，引起結圈、結皮等問題。水分過髙，煤粉著火時首先要蒸發(fā)和吸熱，蒸發(fā)后會稀釋氧氣濃度。所以-也不利于著火和燃燒。

　　揮發(fā)分是影響煤粉著火的重要因素之一。揮發(fā)分含量增加，著火溫度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，不完全燃燒損失減小。當使用揮發(fā)分含量低、反應能力弱的煤種時，要將煤粉磨得更細一些。

　　細度也是影響煤粉著火的重要因素之一。煤粉磨得細，比表面積大，和空氣接觸機會多，燃燒速度快，燃燒程度完全，在單位時間放出的溫度高，就能提高窯內的火焰溫度。粗粒煤粉燃燒溫度低，不易燃燒完全，還會引起窯內產生還原氣氛。

　　2.燃燒

　　一般情況下，煤粉的燃燒分為以下幾個階段：

　?、?煤粉與助燃空氣的混合;

　?、?被加熱后，煤粉釋放出揮發(fā)分;

　?、?揮發(fā)分著火，放出熱量，創(chuàng)造了進一步燃燒的條件;④ 固定碳著火燃燒，直至燃燼。

　　一般情況下，燃燒的空氣過剩系數(shù)控制在1.05~1.15之間。確定總的空氣 量后，再考慮一次、二次空氣量的比例。燃燒的初期，煤粉的燃燒速度受化學反應速率的限制，簡稱“化學控制”;燃燒的中后期，受向邊界層輸送氧氣，移出反應產物的限制，簡稱“擴散控制”。圖3顯示了炭粒的燃燒過程。

　　早期，水泥窯噴煤嘴采用單通道結構。一次風量占總燃燒風量的20%?30%。一次風的主要作用是輸送煤粉和提供揮發(fā)分燃 燒需要的空氣。二次風的主要作用是供固定碳燃燒之用。由于二次風不與燃料混合，故可以在冷卻機中被出窯熟料預熱至較高的溫度，以加快燃燒和節(jié)省能耗。二次風溫度的高低與冷卻機的換熱效率有關。

　　水泥窯的燒成帶長度和火焰長度有關。使用單通道煤嘴時，燒成帶長度大致為火焰長度的0.6倍。一般情況下，煤粉燃燒時間越長，火焰也越長。如果煤粉較細、煤粉與空氣混合較好，提高一次風的比例，會提髙燃燒速度，縮短火焰。 如果混合不好，提高一次風的比例，會增加煤粉射程，使火焰加長。圖4顯示了煤粉著火燃燒的情況。

　　單通道煤嘴的主要缺點是一次風對 煤風混合、二次風抽吸的作用甚小，不便調節(jié)火焰。所以，開發(fā)出的多通道煤嘴具有以下優(yōu)點：一是降低一次風的用量，增加二次風的利用，提高 熱效率；二是增加煤粉的混合，提高燃燒速度;三是加強對二次風的攜帶，提高火焰溫度;四是增加對 各通道風量、風速的調節(jié)手段，靈活控制火焰形狀和長度;五是有利 于利用低揮發(fā)分、低活性燃料；六是提高水泥產量，改善質量，減少能耗和降低NOi排放。

　　采用PYROJet燃燒器后，一次空氣量從12%~16%降低至6%~9%，可 節(jié)省6%~8%的燃料，可降低NOj排放，還可很好地燃燒煤、油、氣和石油焦等多種燃料。

　　四、窯料的運動和傳熱

　　1.窯料的運動

　　當物料喂人回轉窯后，由于窯體有一定的斜度，又以一定速度旋轉，就會帶動窯料從位置較高的窯尾向位置較低的窯頭運動。

　　對于一定的窯，窯徑和斜度是固定的，只有轉速可以最為有效地調控窯料的運動速度。當加快轉速時，窯料的運動速度加快。如果喂料量不變，窯內料層就會減薄。當降低轉速時，窯料的運動速度減慢。如果喂料量不變，窯內料層就會增厚。

　　當實施薄料時，窯料與窯氣熱交換好，窯料溫度均勻，窯內積料少，有利于防止硫堿大塊、硫堿圈的形成。如果具有旁路系統(tǒng)，采用薄料快轉工藝有利于硫堿的揮發(fā)，因而有利于排出有害組分。

　　2.窯內的傳熱

　　回轉窯內的傳熱過程十分復雜，不僅傳導、對流及輻射3中熱交換方式同時存在，而且還發(fā)生物料的輸送、物料揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒等多種物理化學反應。

　　回轉窯內傳熱過程主要包括氣相、物料與窯內壁之間的對流、輻射換熱過程及窯內發(fā)生化學反應引起的吸熱或放熱過程。對物料而言，起得到的熱烈主要有：窯內氣相和窯內壁與料層表面的輻射和對流換熱；料層與被覆蓋的窯內壁間的傳熱；窯內發(fā)生化學反應所引起的吸熱或放熱。

　　【水泥回轉窯中傳遞的熱量(Q)分為火焰(f)、通過輻射(R)和對流(C)、對窯料(m)的直接傳熱、火焰對窯襯(e)的傳熱、窯襯通過傳導(Cd)和輻射對窯料的間接傳熱以及散失的熱量。

　　火焰通過輻射和對流將熱量傳給襯體和窯料。隨著窯體的轉動，窯料在窯內翻滾，窯襯表面周而復始地一會暴露窯氣中，一會又被窯料埋住。當暴露于窯氣中時，窯襯接受來自火焰的傳熱。當被窯料埋住時，窯襯就把吸收的熱量傳給窯料。窯料的上部接受火焰的傳熱，下部接受來自襯體的傳熱。

　　窯料上下表面的溫度較高，中間的溫度較低。但是，窯料中存在熱傳導，隨著窯的轉動和窯料的翻滾，表面的窯料會不斷裹進料層內部，致使窯料內部溫度提高。

　　回轉窯的熱負荷

　　水泥窯的熱負荷用燃燒帶容積熱力強度qv、燃燒帶表面熱力強度qF以及燃燒帶截面熱力強度qA表示。

　　式中，燃燒帶容積熱力強度是一個表示回轉窯熱力強度的粗糙方法，不便應用。燃燒帶表面熱力強度qF表示了單位面積窯襯單位時間內承受的熱負荷，是一個比較合理的指標。但是，計算qF還需假定燃燒帶長度L。所以，常常用燃燒帶截面熱力強度qA來表示回轉窖的熱負荷。

　　提高回轉窯窯頭的用煤量，可潛在挖掘回轉窯的生產能力，進而提升整條水泥生產的產量，在特定原料下，熟料的煅燒溫度與時間一定，而截面熱負荷和風速又相關聯(lián)，因此，生產線的產量提高與截面熱負荷息息相關。