水泥窑熟料煅烧工艺计算及有关数据

水泥窑熟料煅烧工艺计算及有关数据

1 水泥窑内熟料煅烧工艺计算

1.1 水泥化合物和率值

C3S=4.071Ca-7.600Si-6.718Al-1.430Fe-2.852S

C2S=2.867Si-0.754C3S

C3A=2.650Al-1.692Fe

C4AF=3.043Fe

LSF=（Ca+0.75Mg*）/（2.85Si+1.18Al+0.65Fe）

硅酸率S/R=Si/（Al+Fe）

铝氧率A/F=Al/Fe

碱当量=Na+0.658K

熔体量（液相量）%1 450℃=3.0Al+2.25Fe+Mg+K+Na

注：Ca、Si等均代表CaO、SiO2等。

*若MgO含量超过2%，则乘以1.5。

1.2 窑皮指数

窑皮指数=C3A+C4AF+0.2C2S+2Fe

注：当窑皮指数＜28，窑皮薄，容重轻，一般称轻窑皮。当窑皮指数＞33，窑皮厚，不稳定，易结圈和结“雪人”（数据来自雷法美洲熟料参数数据表）。

1.3 易烧性系（指）数

易烧性系（指）数提出已多年，最初为简单的库尔（Kuehl）公式，用C3S/C3A+C4AF来表达。后通过大量的实验室试验，才形成复杂的方程式，其中用得最多的为米勒氏（Miller's）提出的熟料煅烧温度1 400℃的经验方程式。

%fCaO 1 400℃ =0.31（%LSF-100）+2.18（S/R-1.8）+0.73Q+0.33C+0.34A式中：

Q——20%HCl酸洗后，显微镜确定的＞45μm的石英（SiO2）颗粒

C——溶于酸内的＞125μm的粗颗粒石灰石（CaCO3）

A——酸洗后，显微镜确定的＞45μm的非石英的酸性不溶物

Q、C、A——总的原料样品量，%（资料来源自Dutoit 1997）

1.4 熟料煅烧温度

熟料煅烧温度（℃）

=1 300+4.51C3S-3.74C3A-12.64C4AF

1.5 熟料形成理论热（表1）

1.6 窑系统各部位烟气速率

上限值

冷却机篦板透风风速 5Am/s

窑门 6

冷却机进口弯曲部位下部 15

烧成带（1 450℃） 9.5

过渡带和窑尾进料口（1 000℃） 13

上升管道 24

预热器烟气管道 （1号 顶部） 8～10（4号、5号 下部）13～16

下限值

三次风管 25Am/s

煤粉输送速率 20

注：Am/s——工米/秒

烟气内所含粉尘量随烟气速率增加的三次方增多。

表1 熟料形成的理论热，kJ/kg

1.7 窑热平衡（表2）

（1）全部重量和容积均以1kg熟料为基准。

（2）强度以环境温度20℃为基准。

（3）窑料、窑粉尘和熟料所用的单位热焓，可通过料的成分和温度及标准数值来计算，但较复杂。经验证实，采用有代表性的经验值进行计算较简便（见表3）。

（4）燃料可采用干燥基，其重量和kJ/kg应一致，通常使用低位热值。

（5）熟料冷却空气+一次空气+漏风+净燃烧烟气+分解生成的CO2+水分=窑废气+冷却机废气。

（6）挥发热值计算为：窑料×%水分×显热，若煤直接燃烧，其水分在计算时必须考虑。

（7）废气容重（D）和热焓（SH），可通过其成分（表4）计算。为简化计算，可采用表5上常用的烟气成分在不同温度的热焓变化值来进行计算。

表2 窑热平衡（有代表性）*，kJ/kg熟料

表3 单位热焓经验值，kJ/kg/℃

表4 烟气性能

表5 不同温度烟气热焓，kJ/kg/℃

（8）旁路放风热值可通过烟气和粉尘的成分分析值来进行计算，也可采用估算的烟气容重和热焓数值来计算。

（9）辐射热可以通过测试筒体表面温度、环境温度、散热面积来计算，也可选用热焓数值来进行计算。

1.8 窑截面单位热负荷

窑截面单位热负荷

式中：

F——入窑燃烧燃料量

GCV——燃料高位热值

D——窑有效内径

热负荷计算需要提供燃料高位热值，而上升管道分解炉内燃烧的燃料除外。

标准的容积热负荷值见表6。

1.9 窑内物料停留时间

按照美国矿物局公式，窑内物料停留时间计算公式如下：

t=11.2L/rDS

表6 各种窑型的容积负荷值

t——停留时间，min

L——窑长度，m

r——窑速，r/min

D——窑有效直径，m

S——斜度

窑内物料停留时间还与物料的性能有关，上述计算仅为大致估算时间。

预热器窑斜度一般为3%～3.5%，而预分解窑斜度通常为4%。表7为斜度与百分数%的关系值。

1.10 窑内物料容积负荷

窑内物料容积负荷值仅仅是一个趋势，而不是精确值，这取决于物料在窑内停留时间和容重。

物料负荷（%）=1.67×FR×W×t/L×A式中：

FR——喂料率（转换成1kg熟料的入窑物料量）

W——熟料产量，t/h

A——有效横截面，m2

此外，单位容积窑产量可用每立方米、每小时的产量来表达。各种窑型的范围值大致如下：

预热器窑 80～90kg/m3/h

管路分解窑 100～130kg/m3/h

预分解窑 120～150kg/m3/h

大型预分解窑 ＞180kg/m3/h

1.11 窑的产量与直径的关系

假设：预热器窑热负荷=2t/d/m3

预分解窑热负荷=4.5t/d/m3

燃料按50：50，窑内耐火砖厚度按200mm进行计算，则窑的单位容积热负荷及其日产量（t/d）见表8。

1.12 窑的传动功率

功率（kW）=πL（D/2）2/4.7

式中：

L——窑长，m

D——窑径，m窑正常操作时的功率约为装机功率的一半。

1.13 冷却机效率

E（%）=[C1-（V+C2+R）]/C1

式中：

C1——出窑熟料含热量

C2——出冷却机熟料含热量

V——入冷却机空气含热量

R——冷却机表面散热量

冷却机热回收效率大致如下：第二代篦式冷却机为60%～70%，第三代空气梁篦冷机为70%～75%，第四代往复式冷却机为75%～78%。

1.14 窑烟气（煤）

煤分析成分的重量百分比（%）

表7 窑的斜度与百分数的关系值

表8 窑的日产量

C 75.0%

H 5.0%

S 1.0%

O 9.0%

N 1.0%

煤灰 8.0%

低位热值 7 100×4.18kJ/kg

水分 10.0%

按间接燃烧和热耗为800×4.18kJ/kg熟料计算，则煤耗为0.112 7kg/kg熟料，燃烧所产生的烟气为：

C=0.80×113→84.75g×22.4/12=158LCO2=226gO2

H=0.05×113→5.65g×22.4/2=63LH2O =45

S=0.01×113→1.13g×22.4/32=0.8LSO2=1

N=0.01×113→1.13g×22.4/14=1.8LNO2=3

O=0.09×113→10.17g

总计O2323gO2

式中L为升。

然后，加上用于燃烧的O2=（275-10）g=265g=186L或0.186m3（标），相当于空气中的N2=185L×79/21=695L或0.695m3（标）。

原料分解产生的CO2按1kg熟料量计算（假定入窑生料烧失量为0.35%），则：

[（1 000/0.65）-1 000]g=538g=274L或0.274m3（标）

则废气中总的CO2量=274L+190L=464L或0.464m3（标）。

入窑生料水分（假定1kg熟料的生料为1.65kg，含水量为0.5%）：

1kg×1.65×0.005=8.25g=10L或0.01m3（标）

则总的H2O废气量为=10L+63L=73L或0.073m3（标）

则废气量（无过剩空气）为：

CO20.432m3（标）=36.0%

H2O0.073m3（标）=6.1%

SO20.001m3（标）=0.1%（830ppm）

N20.695m3（标）=57.8%

合计1.201m3（标）

估计，煅烧kg熟料产生的净烟气量（过剩空气为0）=（kJ/kg/4.18×0.001 15）+0.284

估计，煅烧kg熟料产生的烟气量为（过剩空气为n）=净m3（标）/kg×[1+n/（21-n）]

不同过剩空气量的烟气物理性能见表9。

表9 烟气物理性能

燃料燃烧产生的烟气（无过剩空气），与单位热耗和燃料品种有关，不同种类燃料燃烧产生的烟气大致如下：

m3（标）/kg熟料煤=kJ/kg/4.18×0.001 15

油=kJ/kg/4.18×0.001 19

天然气=kJ/kg/4.18×0.001 32

上述数据加上0.284m3（标）/kg熟料，该值为CaCO3分解和水蒸发所消耗的热量所产生的烟气量，则为总烟气量。

1.15 挥发成分循环

熟料煅烧过程中，烧成带内K、Na、S和Cl等化合物产生局部挥发。熔融温度和挥发温度见表10。

共熔化合物将降低熔融点温度。

烧成带内窑料挥发，随烟气后逸冷却，在预热器内熔融，工艺流程见图1（Norbom 1973）。

表10 化合物的熔融温度和挥发温度

表11 预热器（无旁路放风）确定循环常用系数和典型值

图1 窑系统挥发循环

外循环的粉尘通过收尘装置收集后，随生料再次入窑，在此处不再考虑。若粉尘不用水洗，粉尘e将完全入窑。

表11为预热器（无旁路放风）确定循环常用系数和典型值。一次挥发适用于原料，而二次挥发用于循环物料。当SO3的化学当量超过碱，则产生挥发。更为复杂的讨论见原文。此外，还应考虑烟气中存在CO还原气氛时，CaSO4分解产生的SO2循环。

1.16 窑气旁路放风估计值（表12、13）

1.17 其他窑型

其他种类窑型有：湿法长窑、干法长窑、立波尔窑、立窑、流态化窑和小型窑等，有关生产数据见表14。

不同窑型生产的熟料易磨性能是变化的，通常立波尔窑生产的熟料较易磨（假定为100），最难磨的为干法长窑，为117。

不同窑型的性能见表15。

烟气量指实际值，未采用标准的排放指数（在10%O2干烟气）来校正。

SFC为单位燃料消耗（单位熟料热耗）SPC为单位动力消耗（单位熟料电耗）资料来源：Manias in Bhatty 2004。

2 燃料

下述数据用于固体、液体和气体燃料。资料来源于Jenkins“水泥制造燃料变化的市场”。

世界各地的燃料资源叙述源自www.BP.com。

表12 挥发系数

表13 旁路放风效率

2.1 固体燃料常用的有代表性的数据

表16为固体燃料常用的有代表性的数据。

工业分析：水+挥发物+固定碳（C）+煤灰=100%

元素分析：C+H+N+S+O+煤灰=100%

高位热值：kJ/kg/4.18=80.8C+22.45S+339.4H-35.9O

低位热值：kJ/kg/4.18=80.8C+22.45S+287（H-O/8）-6W（W指水含量）。

高位热值-低位热值=51.5H

H指总的H2，包括H2O。

高位热值是指燃烧产生的理论热，假定水是冷凝的，实际上水是水蒸气冷凝的，只是在低位热值回收。

2.2 液态燃料常用数据

表14 不同窑型的产能、热耗、长径比

表15 不同窑型关键数据摘要

表16 固体燃料常用的有代表性的数据*

表17 液态燃料常用数据

表18 气相燃料常用数据

表17是液态燃料常用数据。

重柴油重度=141.5/容重-131.5

一桶油=42加仑（美）

2.3 气相燃料常用数据

表18为气相燃料常用数据。

高位热值kJ/m3/4.18=90.3CH4+159.2C2H6+229C3H8+301.9C4H10+373.8C5H12+57.6H2S

大多数使用的天然气内不含硫，原因是天然气中含的硫在交货前均已清除。

燃气液化体积相当于不同燃气的气体量如下：

1L燃气液化体积相当于：甲烷→600L气体

丙烷→139L气体

丁烷→119L气体

3 物料

3.1 筒仓储存物料的堆积密度（表19）休止角

图2 不同形式的硫酸钙溶解度

图3 温度对各种形式硫酸盐溶解度的影响

表19 筒仓储存物料的堆积密度，kg/m3

表20 密度和易磨性

熟料和干燥石灰石 30°～35°

水泥 20°

石膏 30°

铝矾土 30°

表21 硫酸盐的溶解度，g/L

3.2 密度和易磨性（表20）

3.3 硫酸盐的溶解度（表21）

3.4 不同形式的硫酸钙溶解度（图2）

3.5 温度对各种形式硫酸盐溶解度的影响（图3）

3.6 材料的线性热膨胀系数

材料名称 单位，μm/m/℃

铝

22.7

砖

6.4

混凝土 14.6

铜

16.5

钢铁 11.6

陈友德 编译自

《The Plant Operations Handbook》

第六版P247～263

作者：Philip A.Alsop,PbD

出版单位：International Cement Review