新型预分解窑诞生初期,入窑分解率一般为85% 到90%,相对于传统回转窑,产量成倍提高,窑的长度缩短了很多,长径比约为1618。随着不同分解炉的问世和对炉内燃烧气氛、物料、燃料运行速度和规律的研究,分解炉的性能不断提升,致使入窑物料的分解率在不断提高。德国的洪堡公司首先推出了长径比在10左右的超短窑,他们的学者认为,随着入窑物料分解率的提高,若窑长度不减短,分解后的CaO微晶和发育不完善的晶格会在窑内有充裕的时间和温度条件充分长大和发育完善,给下步向C3S的转化带来困难。窑炉操作工为了减少熟料中游离钙的含量,就必须提高烧成带的温度,烧成带的长度也相应延长,这样烧出的熟料矿物晶体大而完整,从而导致熟料的易磨性和强度都差,而短窑可避免上述问题的产生。洪堡公司推出了超短窑系列,先后向中国出口的几台窑长径比都控制在12以内。嘉新京阳水泥股份有限公司引进该超短窑系统后,取得了很好的运行业绩。因此当该公司和镇江市合资建设江苏联合水泥厂时,也要求建设超短窑系统。我院与德国洪堡等公司共同参与了竞标,结果我院以技术性能好、价格低而一举中标,并取得了项目总承包权。
尽管超短窑系统是一个完整的烧成工艺的系统问题,但超短窑却是该系统中的核心设备。因此,超短窑装备的开发研制成了该系统的关键。下面着重介绍超短窑装备的研发思路和运行情况。
1、工艺系统的设计关键
项目确立后首先对超短窑工艺系统的关键技术进行了分解和功能划分,在工艺设计上要把握如下几个关键点：①窑尾预热器、分解炉系统要确保分解率在95%以上;②回转窑内要确保熟料有足够的停留时间,生产出合格的熟料;③窑头燃烧器的火焰长度适中,在来料有波动的情况下,能快火急烧,满足短窑调节必须迅速的特点;④窑头冷却机要针对冷却带短熟料温度高等特点提高一段篦床的冷却效率,既保证对熟料的快速冷却,又保证提高二、三次风的温度;⑤上述各环节互相配合,在某一环节功能不能充分发挥时,下一环节能迅速弥补。超短窑操作范围窄,信息反馈和调节手段必须迅速,对此要求各环节有较大的调节幅度。经过上述各部分的功能划分,使得超短窑装备的研发目的更明确、更有针对性。
2、回转窑的参数确定及设计
回转窑的功能是确保物料在窑内高温区有足够的反应时间形成合格的水泥熟料。因此,在窑的各项规格、参数确定时要充分考虑物料在窑内的运动规律和形成条件。窑规格是由业主根据公司现有的窑型与我们商量确定的,基本是采用了与洪堡相同的规格,即Φ5.2m×61m,但其他参数和要求则由我们根据其功能和设计要求确定。首先需确定窑的基本工艺参数范围和相关的动、静载荷分析。我们经过分析超短窑的工艺特点,与中长窑比较,窑的长径比L/D<12,意味着窑内各带的长度变短,物料在各带的停留时间发生了变化,对此我们希望较多地减少物料在预热带和放热反应带的停留时间,较少地减少物料在烧成带的停留时间。众所周知,物料在窑内的停留时间对同一规格的窑来说主要取决于斜度和转速,斜度越大物料运行速度越快,尤其是烧成带物料的运动状态完全靠提升、滚动前行,影响明显。与中长窑比较一定要降低其斜度,因此设计中把窑的斜度调整为3.5%。转速在运行过程中原本可调,在取值时,加宽了调速范围。
洪堡窑采用的是双传动而我们是单传动,且装机功率略小。实际上根据我们的计算,功率配置还可以减小,只是因为业主规定了该窑的装机功率不能低于800kW。我们选择的调速上限比洪堡窑大,其目的是使该窑具有更宽的调节范围。对参数的选择依据和设计思想是：
1)窑在转速范围内均能满足熟料的形成反应。实际上熟料的形成是与诸多因素有关,设计中只能采用实测数据和实际生产的统计数据为依据。对新型干法窑来说,烧正常饱和比的生料,保证烧成温度在1450℃以上,熟料在烧成带内的停留时间在10min左右完全能满足熟料烧成的要求。因此,该窑设计在最大转速时熟料在烧成带的停留时间≥10min,即该窑在最大转速3.79r/min时,最大产能可达7000t/d,熟料在烧成带的停留时间可在10min以上。
2)窑的最大生产负荷配置可满足7000t/d的生产能力;当然需要说明的是这里仅强调了对窑的配置,并不意味该系统的设计产能。
3)窑的料负荷在正常产量即5800到7000t/d时,单位产量的功耗降低,即为该窑的经济负荷区。由于窑的功耗来自两项之和[1],即：N0=N1+N2
N1=D3·L·sin3θ·n·K1
N2=P·D·td·n··fK2/Dr
式中：
N1———负荷功率,kW;
N2———摩擦功率,kW;
D———窑的直径,m;
L———窑的长度,m;
θ———对应于窑内物料层圆心角的一半,见图1;
n———窑转速,r/min;
K1———与物料平均容重γ和平均休止角α有关的系数,K1=0.086γsinα;
P———托轮轴承支撑物体总质量(取窑重+耐火砖重+物料重),kg;
Dt———轮带外径,m;
d———托轮轴轴颈直径,m;
f———托轮轴与轴承摩擦系数;
Dr———托轮直径,m;
K2———常数,5.9×10-4。
从上述两项功率消耗来看,对同一台窑来说,两项消耗均与物料在窑内的填充率和窑速有关,只是两者在功率消耗中所占份额不同。负荷功率与填充率相关的sinθ值的三次方成正比,与转速的一次方成正比;而摩擦功率均是与料负荷和转速的一次方成正比。考虑到实际生产中,窑正常时,即风、煤、料相对稳定时,基本是窑转速越高,窑产量就越高,但对填充率的选择却不一定采用高填充率,而往往是有一个相对固定的料层厚度即相对固定的填充率,大约7%到8%,操窑工称之为“薄料快转”。料层薄,有利于火焰和烟气与物料进行热交换,提高了物料温度的均匀性,减少了物料表面和内部的温差,熟料形成的颗粒均匀,质量有保证。实际生产中恰恰是较高窑速时,填充率较低;反之填充率较高。因此对窑的功耗来说,在一定范围内是产量越高,单位产量的功耗越低。为计算得出的n-t、n-Q和n-φ之间的关系曲线,图3为n-φ和n-N关系曲线。从中可知,熟料在烧成带的停留时间随转速的增加始终是减小的;产能随转速的提高始终是增加的;而窑内填充率前半部分随转速的提高而降低,后半部分是随转速的提高而略有提高,基本保持在8%左右。通过控制窑速,可根据煅烧情况控制熟料在窑内的停留时间,以确保熟料的烧成质量。可以看出,窑负荷随着窑速的提高,趋势始终在提高,只是窑速提高而填充率下降时(n=2.4、3.2r/min)窑负荷上升的幅度低于窑速、填充率共同提高时(n=3.2 、3.79r/min)窑负荷上升的幅度。实际上窑速对窑负荷的影响要比截面料负荷对窑负荷的影响大的原因是当窑速提升时,窑内的料流量是增加的,尽管料层变薄但料的运动速度变快,即单位时间输送的物料量是增加的。
3、与同规模窑的比较
注：①Φ5.0×68窑栏中的参数均为设计参数;②为窑速3.2r/min下的电流
通过比较表2中数据可以看出,物料在窑内总的停留时间相差不大,在烧成带的停留时间超短窑略短约13.9min,最长的窑也就15min左右,均能满足熟料烧成需要。L/D值大的窑物料在预热带和放热反应带的停留时间差别不大,随着转速的提高,物料前进速度提高快,而到烧成带后物料的前进速度明显变慢,因此烧成带会相对延长,此时若要缩短烧成带的长度,唯一的办法是加快窑速,从我们前面的分析可知,加快窑会使速窑的功耗增加。因此,缩短窑长是最有效的办法,这与德国专家的结论一致。
从烧成带的截面热负荷和容积热负荷来看,目前已达到的能力,超短窑的截面和容积热负荷均最低,Φ5.0m×74m窑的截面热负荷最高,Φ5.0m×68m窑的容积热负荷最高。由此可以推断,Φ5.2m×61m的窑增产潜力最大,可略提高填充率增加窑的产量。在生产考核的投料操作中,因原料磨产量的影响,该窑投料量只在385到395t/h之间。要进一步增加产量还取决于物料的易烧性和燃烧器对火焰的调节能力。因为进一步加大产量就意味着提高窑速,缩短物料在烧成带的停留时间,提高烧成温度可缩短反应时间,易烧性好的物料所需的反应时间短。从中还可看出,在运行产量下,短窑的运行电流最低,也是因为料负荷、窑皮负荷和砖负荷最低的缘故。由此可以推出,在上述的几种规格的窑型中,除Φ5.0m×68m的窑缺乏运行参数外,超短窑的单位产量的运行功耗最低。 从对窑的受力分析可知,两支墩的窑受力更均匀,不存在跳空时的应力集中情况。另据文献报道,中外专家通过对窑筒体的应力分析和模型测试一致认为：“对衬料最危险的变形是改变筒体的圆截面为椭圆。筒体的径向变形最大的地方在轮带下,并且随着与轮带的距离增大而减小,变形主要由轮带传到筒体上的反力所引起”,“筒体变形随远离轮带而迅速消失以至窑筒体完全呈圆形”,“跨间筒体变形远较支撑处为小,应力状态较为简单”。用两支墩的短窑实际是加大了跨间距,减少了筒体的变形区域,对耐火材料的损害减轻,充分体现出了两支墩短窑的优势。4Φ5.2m×61m窑的主要技术参数跨间距加大,筒体的应力和变形发生了改变,两档托轮支撑的受力、传动和润滑等对设备的研发确是一个全新的课题。研发人员依据结构力学、材料力学等机械设计所涉及的众多理论,辅助于计算机模拟分析,结合其多年的设计和实践经验开发出了全新的属于我们自己的两支墩短窑装备。经过2年多的生产运行证明,窑运行正常,对轮带间隙、轮带内表面与垫板之间的滑动、托轮轴承与润滑、液压挡轮的运行、大齿轮的齿面负荷等各项技术参数检测,显示该窑运行良好,达到了设计指标,完全发挥了其功能。表2的运行参数显示,窑产能在5800t/d时,窑电流为556A。窑内各带的长度划分见表3窑的主要技术参数见表4Φ5.2m×61m
5、根据生产实践我们认为,缩短回转窑的长度最直接的优势是：①减短了筒体长度,减少了窑的占地;②可减少窑的支撑,使回转、支撑系统受力更趋合理、简单;③窑用耐火材料消耗减少;④窑的土建施工费用低。潜在的优势是：①窑设备的安装和日常维护、调节简单;②窑的运行电耗相对较低;③窑内部的温度分布更趋合理。随着入窑分解率的提高,适当缩短窑的长度更合理。由于物料在窑内停留时间缩短,而升温速度快,C3S晶格尺寸小于30μm,有利于粉磨和提高水泥强度。虽然中长窑在提高窑速的情况下也能实现,但功耗会明显提高。
国共产党另外,从设计中也可看出,两支墩的超短窑尽管减少了一档托轮,但设备质量并非最小。因为跨间距加大,筒体的应力和支墩的承载变化导致用材的规格和托轮、轮带的规格加大,与其它规格的窑相比,设备质量反而加大。表5中列出了几种窑型的筒体耗用材料量、设备质量和外加的生产负荷。
从中可以看出,几种规格的窑筒体中,超短窑的表面积最小,外加的生产负荷也是最低的,但设备质量却排在第2位。Φ5.0m×68m窑的表面积和外加的生产负荷均排在第三位,分别比超短窑多71m2和43t,但设备质量却最小,表2中也显示了其装机功率也为最低(仅630kW)。该窑型的L/D值为13.6,当窑速在3.2～3.8r/min时,物料在烧成带的停留时间为14.5～12.2min;在3.8r/min时,产量可超过7000t/d。该窑的操作范围比超短窑宽,控制、调节容易。因此,我们认为该窑型用于5500～6500t/d规模应该是一个具有竞争力的窑型。
另外,超短窑的窑尾温度高,几乎是控制极限,温度进一步升高,窑尾产生结皮的可能性很大,因此对窑系统的稳定性要求更高,对窑况的波动必须要有迅速信息反馈和调节手段。设计中缩短了窑尾的上升烟道,安装了多台空气炮,缓解了窑尾结皮的影响。
6、结论与看法
1)我院研发的两支墩超短窑经过2年多的生产运行证明：该窑运行良好,各项技术参数显示正常,达到了设计指标。对窑本身作为烧成系统中的一台热工装备完全发挥了其功能,填补了我国没有自己短窑的空白。
2)超短窑具有直接和潜在的优势,但是窑尾温度高,对窑系统的稳定性要求高,对窑况的波动必须要有迅速信息反馈和调节手段。
3)对新型干法窑外分解系统的窑来说,长径比小于12的窑并非是最经济的窑型,无论是设备质量还是装机容量均非最低。相反长径比在12.5 到13.5、斜度选择4%的窑型,可能更有竞争优势,对系统前后设备的配套和控制,要求会相对宽松,会有更好的技术经济指标。
参考文献：
[1]国外水泥机械进展编写组.国外水泥机械进展[M].北京：中国建筑工业出版社,1982：7.
[2]WalterHDuda.国际先进水泥工艺与装备手册[M].石必孝译.武汉：武汉工业大学出版社,1989.
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