新型干法水泥

新型干法水泥生产工艺

摘要：通过预分解窑干法水泥生产来了解了新型干法水泥生产工艺的工艺流程，熟悉新型干法水泥生产工艺的特点，知道新型干法水泥生产客观规律以及“均衡稳定”的重要性。

关键词：新型干法水泥、原料预均化、预分解、均衡稳定 悬浮预热器窑和预分解窑工艺是当代水泥工业用于生产水泥的最新技术，通常称为新型干法水泥技术。

新型干法水泥生产，就是以悬浮预热和预分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产最新成就，例如原料矿山计算机控制网络化开采、原料预均化、生料均化、挤压粉磨、IT技术，及新型耐热、耐磨、耐火、隔热材料等广泛应用于干法水泥生产全过程，使水泥生产具有高效、优质、节能、环保和大型化、自动化及科学管理等特征的现代化水泥生产方法。

一、新型干法水泥生产工艺流程

1、矿山开采与生料制备

（1）在探明原料矿山地质构成及矿物成分之后，采用现代计算机技术、地质学、矿物学理论与技术，编制矿体三维模型软件，指导矿石搭配开采，矿山开采、运储过程中预先均化，既保证了进厂矿石成分尽可能均匀，又能有效地对在传统开采方式下必须丢弃的废石进行合理有效利用。

（2）采用自控及机电一体化堆、取料技术，在原、燃料进厂后进一步均化，完全改变了传统生产工艺中原、燃料储库仅可用于储存物料的原始功能，使原、燃料储库具有预均化和储存物料的双重新功能，既减少了物料储期，又为原料配料、生料制备和熟料烧成创造了稳定的生产条件。

（3）采用现代数学优化理论技术成果以及X荧光分析仪和物料成分连续测试、计量仪表、仪器系统，并与计算机联网，编制原料配料软件程序，实现生料自动配料，解决了熟料成分均匀稳定即“均化链”中长期难以解决的课题。

（4）采用粉体工程学理论的技术成果，将传统工艺中的生料储库，优化为具有生料粉连续式气力均化装置，保证在入窑煅烧前得到充分均化的生料。

2、熟料烧成工艺及设备

（1）利用现代流体力学、燃烧动力学、气固两相流稀相输送、热量一质量一动量传递机理、硅酸盐物理化学、胶体化学等化学工程以及热工学、热力学等现代科学技术理论，指导新型悬浮预热、分解炉系统的研制开发和工程优化。目前已开发出许多不同形式的高效低压损预热器和新型分解炉，以满足不同原、燃料特性和工艺特殊要求，不仅有利于提高燃料燃烧率和燃尽率，而且保证物料在窑中充分分散、均匀分布，提高了气固换热效率、入窑物料分解率以及整个窑系统的热效率。同时降低了系统的废气排放量、排放温度和还原窑气中产生的NOx含量，降低了二氧化碳排放量等，减少了对大气的污染。

（2）根据矿物晶体化学、硅酸盐物理化学固相反应机理及相图，进一步缩短回转窑长度，研制“两支点超短窑”。在预分解系统中，水泥熟料生产过程中耗热量最大的碳酸盐分解过程基本完成，新生态CaO、SiO2等微晶矿物成分，在入窑后，快速进行固相反应，使固相反应的放热过程直接用于物料升温，实现“熟料速烧，促使熟料矿物结构微晶化，提高熟料品质”，同时，也减少了窑体过大造成的筒体散热损失。

（3）根据流体力学、结晶化学及自控技术研制成功第三代空气梁控制流篦式冷却机，既可保证出窑高温熟料骤冷、以防熟料中硅酸三钙（3CaO•SiO2）晶体长大、硅酸二钙（2CaO•SiO2）晶体变型，又可使铝酸盐（3CaO•A12O3等）、铁铝酸盐（4CaO•A12O3•Fe2O3）固溶体等熔融矿物形成玻璃体，提高熟料活性，同时，也优化了熟料冷却机作为热回收装备的功能，使炽热熟料进入篦冷机后达到急冷的同时，又提高了热回收效率，从而可将入窑二次风温从原来850～950℃提高到1100℃以上，入炉三次风温由原来600～700℃提高到850～950℃，这对入窑及入炉燃料燃烧，优化全窑系统的热工制度，降低热耗也起到了巨大作用。

（4）研制开发新型多通道燃料燃烧器，进一步减少低温一次风量，便于窑内火焰及温度的合理控制，有利于低质燃料及二次燃料利用，并可减少NOx生成量。

（5）研制成功了“中、低温余热发电”系统，以充分利用预热器、蓖冷机排出的热风，达到能源充分回收目的，提高了系统效率。

（6）根据硅酸盐化学原理，现代水泥工业采用了具有高新技术的新型干法水泥生产工艺，在硅酸盐水泥熟料设计上，国际水泥界普遍采用了“高硅酸盐矿物（C3S+C2S总量达78%以上）、高硅酸三钙（C3S含量达65%以上），根据需要选择适宜的铝酸三钙（C3A）的矿物含量”的优化设计方案，以便尽可能生产出优质熟料，为生产适合不同需要的优质水泥打下基础。这样，不仅可以在混凝土工程中节约水泥用量，延长使用寿命，也可满足日益发展的高性能混凝土的需求。

（7）根据系统工程学原理，将预分解窑系统中的旋风筒、换热管道、分解炉、回转窑、冷却机进行全面优化，并且力求采用高级合金材料，即耐热、耐磨、耐火、隔热、保温材料、电子计算机、自控信息系统、高效除尘设备及精密的装备制造技术，使全部窑系统的优化成为一个完整的热工系统工程体系，再辅以现代化管理，确保水泥生产时所需的熟料锻烧热工过程达到优质、高效、节能、环保和稳定生产的目的。

3、水泥粉磨及设备大型化

（1）在水泥装备方面，向大型化发展仍没有改变，但停留在8000～10000t/d最高水平上，大多数在2000～5000t/d的水平上。在粉磨系统技术装备方面，开发了具有巨大潜力的立式磨、挤压机等新型挤压粉磨设备。

（2）根据破碎力学、三大粉碎原理及物料层间挤压粉碎学说，研制开发了新型立式磨（rollermill）及挤压机（rollerpress）终粉磨制备生料。采用挤压机一球磨机或立式磨一球磨机等作为半终粉磨系统装备粉磨水泥，不仅改变了效率低

下的球磨机在水泥工业生产中长期一统天下的局面，而且实现了高效节能化生产，并保留球磨机对粉状物料所具有的球形化及级配合理化的功能，提高了水泥产品的质量。

4、生产过程的优化及计算机管理控制系统

（1）分散控制、集中管理系统成为主流，同时，对工况较为复杂的预分解窑系统在原有控制程序表格控制、模糊控制的基础上，开发出了专家系统软件，有利于达到生产过程稳定以及节能降耗的效果。

（2）在ISO9000质量体系认证得到了广泛实施后，又颁布了ISO14000环境管理标准，并己在许多发达国家及部分发展中国家直接采用。目前，国际水泥工业界正在采取高新技术手段，为解决大气环境与生态平衡等问题积极进行工作，现代化的水泥工厂也将实现清洁生产。

（3）采用超细粉磨技术与装备，将同硅酸盐水泥成分近似的高炉矿渣、电厂粉煤灰、煤研石等激活改性成为功能调节性材料。这样，不仅彻底改变了以往仅将这些废渣、废料作为代替和减少熟料的单纯混合材性质，亦可进一步增加废渣用量。

5、环境保护与废渣利用

（1）目前，新型干法生产技术已日臻成熟，国外水泥工业已更加重视提高质量、节能、环保以及废渣资源的二次综合利用的开发和应用。先进国家对废气、粉尘的排放标准要求越来越严格，其排放标准通常为30～50mg/m3以下，并且规定了严格的惩罚措施。对于水泥锻烧工艺产生的高温废气中二氧化硫、氧化碳、NOx气体的含量以及微量重金属的排放量，发达国家也采取了严格的限制措施。窑系统向着控制NOx、二氧化硫、二氧化碳以及微量重金属排放量的方向发展，出现了以低氮为主设计的分解炉、燃烧器。由此可见，当今世界水泥工业在环保工作方面，已开始从被动治理转向主动治理，从单项指标控制转到综合指标和总量控制阶段。

（2）节能、利废、资源的二次综合利用技术的发展。由于在水泥生产过程中，以大量的石灰石为原料，并需要很高的锻烧温度，存在一个固有的问题就是向大气排放较多的氧化碳和NOx。氧化碳的排放与燃料、石灰石消耗、燃烧温度有关，减少氧化碳的排放量可采用降低燃料和石灰石消耗的措施。NOx排放量的降低则需要降低燃烧温度，燃料消耗的降低需要石灰石单位消耗量以及锻烧温度的下降。因此，要减少氧化碳、NOx的排放量，必须降低水泥的锻烧温度以及燃料和石灰石消耗量，以开发有利于环境的水泥。

（3）世界各国采取积极的态度和有利的措施，着手科学地处理、利用垃圾，将垃圾列为维护

经济持续发展的第二资源，向垃圾要资源，要能源，要效益。一些废渣，如矿渣、粉煤灰、硅粉、石膏副产品和铁渣己作为水泥生产原料，其它如煤灰、燃烧剩余物、废旧轮胎、废石、废橡胶、废塑料和废木材等可燃材料，都可作为水泥原料和燃料。其所占比例，1999年德国、瑞士为18%～22%，北欧诸国为10%～14%，英国为8%，美国为5%。瑞典、美国的个别企业，烧废料的比例高达80%。瑞典利用各种废油和化学溶剂做水泥的二次燃料。

（4）欧洲一些国家正在试验用废纸制造水泥。废纸回收重新造纸后会有30%的剩余物，这些泥浆状的剩余物因无法再利用只能排入下水道，造成污染。研究发现，这些泥浆中除纤维外还含有一些矿物质，如高岭土和石灰。当这些矿物质达到一定浓度时，泥浆可以用来制造水泥，而且生产的水泥质量很好。目前，比利时、丹麦、西班牙等国已经建立了用废纸生产水泥的试验性设施。

（5）因回转窑生产熟料具有温度高火焰与物料温度可分别达1850℃及1500℃以上，热容量大，工况稳定，气、料流在窑内滞留时间长（气体在1100℃以上高温区达4s以上，物料达30min左右）以及窑内高温气体湍流强烈，碱性气氛等优点，能消解可燃性废料及化工、医药行业排出的危险性废弃物，同时可将废料、废渣、危险废弃物中的绝大部分重金属元素固熔在熟料中，生成稳定的盐类矿物。

（6）目前，利用废渣和二次能源生产的水泥新品种有：破布水泥、粉煤灰水凝水泥、米糠水泥、变色水泥、木质水泥、夜光水泥、球粒水泥、陶瓷水泥等。水泥生产过程中可利用、处理其它工业大量的废料的特点，将使水泥工业发生重大的变革，成为高效能、低消耗、高耐久性以及对生态环境最友好的工业之一。由于没有二次废渣和有害气体排出，避免了对环境二次污染。原来即使发达国家对危险废弃物的处理也仅有填埋及建设废料焚烧炉两种方法，不仅容易造成二次污染，投资亦相当可观。目前，美、英、法、德、加等国家已扩大采用水泥回转窑处理法。利用二次燃料及危险废弃物，与对废渣、废料以及生活垃圾的处理和利用一起，己赋予现代水泥工业环保型绿色工业的新理念。

二、新型干法水泥生产的特点

1、优质

生料制备全过程广泛采用现代均化技术。矿山开采、原料预均化、原料配料及粉磨、生料空气搅拌均化四个关键环节互相衔接，紧密配合，形成生料制备全过程的均化控制保证体系即“均化链”，从而满足了悬浮预热、预分解窑新技术以及大型化对生料质量提出的严格要求，产品质量可以与湿法媲美，使干法生产的熟料质量得到了保证。

2、低耗

采用高效多功能挤压粉磨、新型粉体输送装置大大节约了粉磨和输送能耗；悬浮预热及预分解技术改变传统回转窑内物料堆积态的预热和分解方法，熟料的煅烧所需要的能耗下降。总体来说，熟料热耗低，烧成热耗可降到3000kJ／kg以下，水泥单位电耗降低到了90～110kW·h／t以下。

3、高效

悬浮预热、预分解窑技术从根本上改变了物料预热、分解过程的传热状态，传热、传质迅速，大幅度提高了热效率和生产效率。操作基本自动化，单位容积

产量达110～270kg／mz，劳动生产率可高达1000～4000吨／(人·年）。

4、环保

由于“均化链”技术的采用，可以有效地利用在传统开采方式下必须丢弃的石灰石资源；悬浮、预分解技术及新型多通道燃烧器的应用，有利于低质燃料及再生燃料的利用，同时可降低系统废气排放量、排放温度和还原窑气中产生的NO，含量，减少了对环境的污染，为“清洁生产”和广泛利用废渣、废料、再生燃料及降解有害危险废弃物创造了有利条件。

5、装备大型化

装备大型化、单机生产能力大，使水泥工业向集约化方向发展。水泥熟料烧成系统单机生产能力最高可达10000t／a，从而有可能建成年产数百万吨规模的大型水泥厂，进一步提高了水泥生产效率。

6、生产控制自动化

利用各种检测仪表、控制装置、计算机及执行机构等对生产过程自动测量、检验、计算、控制、监测，以保证生产“均衡稳定”与设备的安全运行，使生产过程经常处于最优状态，达到优质、高效、低消耗的目的。

7、管理科学化

应用IT技术进行有效管理，采用科学的、现代化的方法对所获取的信息进行分析和处理。

8、投资大，建设周期较长

技术含量高，资源、地质、交通运输等条件要求较高，耐火材料的消耗亦较大，整体投资大。

三、新型干法水泥窑生产的客观规律

一切事物，都有其内在运动的客观规律，对于新型干法生产，也是这样。。各种新型干法生产是以悬浮预热、窑外分解技术为中心发展起来的，因此，研究新型干法生产的规律，首先要研究悬浮预热窑和预分解窑的规律类型的窑，都受着燃料燃烧规律，热传递规律和热力平衡分布规律制约。为了保证窑系统的良好的燃料燃烧和热传递条件，从而保证窑系统的最佳的稳定的热工制度，在生产中必须做到生料化学成分稳定，生料喂料量稳定、燃料成分(包括热值、煤的细度、油的雾化等)稳定、燃料喂入量稳定和设备运转稳定(包括通风设备)，即“五稳保一稳”。这是水泥窑生产中一条最重要的工艺原则。在新型干法生产中，采用的许多新技术、新装备，如：原料的预均化、生料空气搅拌，X荧光分析仪、电子计算机、电子秤、自动化仪表、自动调节回路以及各种耐热、耐磨、耐火新材料，都是为了这个目的。水泥窑生产，只有做到“五稳保一稳”，才能保证各个技术参数经常处于最佳值，生产经常处于最佳状态，才能取得最佳的经济效益。否则，不尊重客观规律，忽视科学管理，忽视均衡稳定生产，甚至盲目追求产量，就会人为地造成窑系统热工制度的紊乱，结果只能事与愿违，得不偿失。尤其对于悬浮预热窑和预分解窑来说，由于生料与高温气流之间传热快，物料在窑系统内停留时间短，化学反应迅速，故对热工制度的波动更为敏感。热工制度不稳，轻者会打乱正常的生产秩序，严重时则会造成预热器系统的粘结堵塞，甚至威胁设备安全，因此，对此更应特别重视。

四、“均衡稳定”是搞好新型千法生产的关键

据新型干法生产的特点及新型干法水泥窑生产中应遵循的科学规律，可以看出：“均衡稳定”是新型干法水泥生产过程中最为重要的问题，是搞好新型干法生产的关键所在。它不但关系到生产能否正常进行，也直接影响到产品质量、产量，消耗，生产的安全、成本、效益和环境保护工作。

1、“均衡稳定”是提高原料预均化效果的要求

原料预均化的原理是：采用“平铺直取法”，用堆料机把物料按一定方式堆成许多相互平行、上下重叠的料层，取料机取料时则按垂直于料层方向的截面对

所有料层切取一定厚度的物料。由于取料中包含了所有各层的物料，所以在取料的同时完成了物料混合均化的过程。堆料层数愈多，取料时同时切取的层数也愈多，混合均匀性就愈好，出料成分也就愈均匀，但是，物料的均化效果又受到其它许多因素的影响，故应注意“均衡稳定”。

2、“均衡稳定”是实现原料配料和烘干粉磨最优控制的必需

烘干粉磨是将原料烘干和粉磨两个工序在磨机系统同时完成，并日益广泛地利用窑尾预热器废气作为烘干介质，以节约能源。磨机系统一般采用自动调节回路或电子计算机进行自动控制，主要的自动调节系统有：控制原料配料的电子秤一X荧光分析仪一电子计算机系统；利用磨音、提升机负荷及选粉机粗粉量控制磨机负荷调节系统；控制物料烘干过程的温度调节系统等。实现磨机系统生产的最优控制必然要求原料配料，烘干及粉磨三个环节均衡稳定地协调进行，任何环节的波动，必然引起磨机生产的变化，如不及时调整，甚至会造成生产过程的紊乱。烘干粉磨是将原料烘干和粉磨两个工序在磨机系统同时完成，并日益广泛地利用窑尾预热器废气作为烘干介质，以节约能源。磨机系统一般采用自动调节回路或电子计算机进行自动控制，主要的自动调节系统有：控制原料配料的电子秤一X荧光分析仪一电子计算机系统；利用磨音、提升机负荷及选粉机粗粉量控制磨机负荷调节系统；控制物料烘干过程的温度调节系统等。实现磨机系统生产的最优控制必然要求原料配料，烘干及粉磨三个环节均衡稳定地协调进行，任何环节的波动，必然引起磨机生产的变化，如不及时调整，甚至会造成生产过程的紊乱。因此，“均衡稳定”对于磨机系统生产的最优控制也是十分必需的。

3、“均衡稳定”是保持新型干法水泥窑最佳热工制度的关键

“均衡稳定”对新型干法水泥窑的生产最为重要，因为它不仅是气流和物料在悬浮状态下呆持良好的热交换的必需，也是保持悬浮预热器及分解炉各部位合理风速的要求。物料在预热器及分解炉系统分布不均，必然影响气、料之间的热交换，燃料分布不均或与物料混合不匀，则影响燃料燃烧，气料热交换及分解炉内温度的均匀分布，燃料或生料的化学成分或吼入量的波动，影响废气生成量，致使窑系统各部位的风速发生变化；设备不能稳定运转，甚至故障频繁，生产更

难以正常进行。

4、“均衡稳定”是实现生产过程自动化的基础和目的

“均衡稳定”是实行生产过程自动化的基础，没有“均衡稳定”，生产过程频繁地较大幅度地波动，自动化装置则难以正常工作，自动控制也不能正常进行。“均衡稳定”与生产过程自动化互为因果，只有实行生产过程的自动控制，才能保证生产的及时灵敏地调节，促进生产的“均衡稳定”，也只有生产的“均衡稳定”才能满足自动化装置的工作条件，为自动化装置的正常使用打下基础。

综合上述，为了把新型干法水泥生产切实搞好，我们必须充分认识新型干法生产的特点，不断总结经验，探索和掌握其客观科学规律，把“均衡稳定”做为组织和管理生产中的一个最重要的问题来抓。只有这样，才能充分发挥新型干法生产的优势，充分发挥新工艺、新技术、新装备应有的作用，促进生产不断发展，提高经济效益。

参考文献

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