生料制备技术
4 生料制备技术
本章学习要点:
本章重点介绍生料制备的工艺过程及方法,生料、配料等基本概念,配料计算的意义、依据、原则及计算方法和步骤,配料方案的选择,并重点介绍尝试误差法配料的过程;各种生料粉磨系统的特点及应用,生料粉磨系统的发展特点及发展趋势,生产中生料的粉磨细度及颗粒分布要求;辊式磨的发展历史,不同辊式磨系统的特点及在生料粉磨系统中的应用,辊式磨系统与管磨系统的比较,重点是辊式磨的操作控制要点及异常情况分析;生料制备系统常用的控制方法、控制项目、控制回路和控制原理等。根据水泥品种、原料的物理化学性质与具体生产条件确定所用原料的配合比,以得到煅烧水泥熟料所要求的适当成分的生料,称为生料的配料。 4.1 配料方案的设计
配料方案的设计,要考虑原料、燃料的质量、水泥品种及具体的生产工艺流程,保证优质、高产、低消耗地生产水泥熟料。合理的配料方案既是工厂设计的依据,又是正常生产的保证。 4.4.1.1 确定配料方案的依据
A 原料的质量
原料的质量对熟料组成的选择有较大的影响。如石灰石品位低,而粘土氧化硅含量不高,就无法提高KH 和n 值。如石灰石中含燧石多,粘土中含砂多,生料易烧性差,熟料难烧,要适当降低KH 以适应原料的实际情况。生料易烧性好,可以选择高KH 、高n 的配料方案。
B 燃料质量
煅烧熟料所需的煅烧温度和保温时间,取决于燃料的质量。煤燃烧后的灰分几乎全部掺入熟料中,直接影响熟料的成分和性质,因此,煤质好、灰分小,可适当提高熟料的KH 值。如煤质差,灰分高,相应降低熟料的KH 值。当煤质变化较大时,应考虑进行煤的预均化。
C 生料情况
生料细度、化学成分、均匀性对熟料的煅烧和质量有很大影响。如生料细度粗,均匀性差,不利于固相反应的进行,KH 值不宜过高。如生料细度细,原料预均化较好的水泥企业,可适当提高KH 。
D 水泥品种
水泥品种不同对熟料矿物组成的要求也不相同。如生产低热水泥时,应适当降低熟料中发热量较高的C 3A 和C 3S 的含量,相应提高C 2S 和C 4AF 的含量。生产快硬硅酸盐水泥时,需适当提高早期强度较高的C 3A 和C 3S 的含量。 E 生产工艺
物料在不同类型窑内的受热情况和煅烧过程不完全相同,率值的选择应有所不同。窑外分解窑,由于物料预热好,热工制度稳定,一般考虑中KH 、高n 、高p 的配料方案。一般回转窑,由于物料不断翻滚,受热均匀和煤灰掺入均匀,配料可选用较高的KH 。立窑由于通风、煅烧很不均匀,因此KH 、n 应适当降低。 F 矿花剂
矿化剂的作用是促进熟料的煅烧。因此在同一条件下,掺矿化剂时,KH 可取高些。不掺矿化剂时,KH 可取低些。 4.4.1.2 熟料率值的选择
熟料的三个率值(KH 、n 、p ),是相互影响、相互制约的,不能片面强调某一率值而忽视其他率值。原则上三个率值不能同时偏高或偏低。
A KH值的选择
生产工艺先进,入窑生料均匀稳定,看火操作水平高,燃料稳定或使用了矿化剂,KH 值可选择高些,反之,KH 值应适当降低。适当提高KH 值,熟料中C 3S 含量也可适当增加。但KH 值过高,往往使f -CaO 偏高,造成安定性不良,熟料质量反而下降。最佳的KH 值可根据生产经验综合考虑熟料的煅烧难易程度和熟料质量等确定。
B 选择与KH 值相适应的n 值
为使熟料有较高的强度,选择n 值时,既要保持有一定数量的硅酸盐矿物,又必须与KH 值相适应。一般应避免以下几种情况:
a KH值高,n 值偏高。熟料中硅酸盐矿物含量高,熔剂矿物含量必然少,生料易烧性差,一造成熟料中f -CaO 偏高,熟料质量差。
b KH值低,n 值也偏高。熟料中C 3S 含量低,C 2S 含量高,熟料强度不高,易造成熟料的“粉化”。
c KH值低,n 也偏低。熟料中硅酸盐矿物含量少,熔剂矿物含量高,熟料强度低。烧成时由于液相量太多,易产生结皮、结大块,物料不易烧透,f -CaO 还是高。
C P值的选择
在选择P 值时,也要与KH 值相适应。一般情况下,当提高KH 值时,要相应地降低p 值,即提高C 4AF 的含量,有利于C 3S 的形成。
a 高铝配料方案:熟料中C 3A 含量高,熟料早期强度高。C 3A 含量高,会使液相粘度增加,不利于C 3S 的形成。但液相粘度的增加,可使立窑底火结实稳定,不易破裂,不易产生风洞、呲火等现象,有利于底火稳定。对于煤的热值较高,风机的风压较大,操作水平较高的机立窑厂,
可采用高铝配料方案。
b 高铁配料方案:熟料中C 4AF 含量较高,可降低液相出现的温度和液相粘度,有利于C 3S 的形成,提高熟料强度。但烧成范围窄,易结大块。对立窑而言,底火较脆弱。对于媒质较差,KH 值又较高时,宜采用高铁配料方案。
D 矿化剂
配料时是否采用矿化剂,对率值的选择影响很大。使用矿化剂,KH 值可略取高些。目前,水泥厂使用较多的是萤石—石膏复合矿化剂。各厂应根据原燃材料的特点,确定适宜的氟硫比。一般认为,CaF 2/SO3比应控制在0.4-0.6较合适。
4.4.2 配料计算
配料方案确定后,即可进行配料计算。
配料计算的方法有多种,有尝试拼凑法,递减试凑法,代数法,图解法,最小二乘法,矿物组成法等等。用得比较多的是尝试拼凑法和递减试凑法。随着科学技术的发展,计算机的应用逐渐普及,用计算机配料就显得简单而准确了。
4.4.2.1 配料计算公式 A 熟料煤耗的计算: P=
Q Q net , ar
式中:P ——熟料煤耗,kg 煤/kg熟料; Q——熟料热耗,kJ/kg熟料;
Qnet,ar ——煤的收到基低位发热量,kJ/kg煤。
B 熟料中煤灰掺入量的计算:
q =
P ⋅A ar ⋅B
100
=
Q ⋅A ar ⋅B
Q net , ar ⨯100
式中:q —熟料中煤灰掺入量,kg 煤灰/100kg熟料; Q—熟料热耗,kJ/kg熟料;
Qnet,a —煤的收到基低位发热量,kJ/kg煤; Aar —煤的收到基灰分含量,%; B—煤灰分沉降率,%;
P—熟料煤耗,kg 煤/kg熟料。
说明:水泥厂煤的分析资料为分析基数据,但计算过程需要的是收到基数据,故应将分析基A ad 、 Q net,ad 分别换算成收到基A ar 、Q net,ar 数据,其换算公式是:
A ar =A ad ⨯
100-M ar 100-M ad
,
Qnet , ar =Qnet , ad ⨯
100-Mar 100-Mar ⎫⎛
-25. 09 Mar -Mad ⨯⎪。配料计算时若无M a r (收到基
100-Mad 100-Mad ⎝⎭
水分) 数据,也可用A ad 、 Q net,ad 计算熟料中煤灰掺入量。计算结果与利用A ar 、Q net,ar, 计算结果相比有一定的误差,但误差在配料计算的误差范围之内。
煤灰分沉落率B 因窑型而异,如表4.13所示。
表4.13 不同窑型的煤灰分沉落率(%)
C 理论料耗 白生料煅烧工艺:
S =
1-熟料中煤灰掺入量%1-白生料烧矢量%
1-q
(kg kg 熟料)=
1-L 白
全黑生料煅烧工艺: S =
1
kg kg 熟料) 1-L 黑
立窑半黑生料煅烧工艺: S =
1-q 半黑
kg kg 熟料)
1-L 半黑
半
黑
式中:q —— 外加煤掺入熟料中的煤灰百分含量%;
q 半黑=
外加煤掺入量
⨯熟料中煤灰掺入百分数。
总掺煤量
D 实际料耗
实际料耗=理论料耗⨯ E 生料掺煤量的计算 p 1=
11
⨯
1-生料水分%1-生产损失%
100p
S
式中:p 1—生料中掺煤量,kg 煤/100kg白生料; p--熟料煤耗,kg 煤/kg熟料; S—理论料耗,kg 生料/kg熟料。 F 物料平衡与基准的换算
不考虑生产损失:
干石灰石+干粘土+干铁粉+其他干基物料=干白生料 灼烧生料+掺入生料中的煤灰=熟料 灼烧基成分=干燥基成分⨯
100
100-L
(100-L )⨯干基用量
灼烧基用量=
100
100⨯灼烧基用量
干基用量=
100-L 100-M 100
100
湿基用量=干基用量⨯
100-M
干基用量=湿基用量⨯
式中:L —物料烧失量; M—物料水分。
4.4.3 配料计算方法
前已叙及,配料计算有多种方法。现介绍应用较多的尝试拼凑法和递减试凑法。 4.4.3.1 尝试拼凑法
该方法是先假定原料配比,计算熟料矿物组成及率值,若计算结果不符合要求,则尝试调整原料配比,再进行计算,直至计算结果符合要求为止。 A 计算步骤:
a 列出各原料、燃料的化学成分及煤的工业分析结果; b 确定熟料矿物组成或率值; c 计算煤灰掺入量;
d 假设干基原料配比,计算生料、灼烧生料、熟料化学成分; e 验算熟料率值并与确定值进行比较;
f 如率值不符合要求,重复调整配比计算,直至率值符合要求为止; g 将干燥原料配比换算为湿原料配比。 B 白生料配料计算实例
例题一:某厂原燃料的有关分析数据如表4.14、4.15。率值要求为KH=0.90±0.01,n=2.0±0.1,p=1.3±0.1;熟料的热耗为4185 kJ/kg熟料。煤灰分沉落率为100%,计算白生料的配比。
表4.14 原料与煤灰的化学成分
表4.15 煤的工业分析成分
表4.16 入磨物料的水分(%)
1、 计算煤灰掺入量q
q =≈=
Q ⋅A ar ⋅B Q net , ar ⨯100
Q ⋅A ad ⋅B Q net , ad ⨯100
4185⨯24. 12⨯10023760⨯100=4. 25%
2、 假设原料配合比,计算生料、灼烧生料、熟料化学成分 设原料配合比为:
石灰石 粘土 铁粉 81.4% 14.9% 3.7% 计算结果列于表5.17
表5.17 化学成分
注:(1):灼烧基生料成分=
100
⨯白生料中各氧化物含量
100-L 白
100
⨯12. 38=19. 84%
100-35. 32
例:灼烧基成分中SiO 2的百分含量,SiO 2=
(2)灼烧生料配比=熟料量-掺入熟料中的煤灰量 =100-4.25=95.75%
(3)熟料成分=灼烧基配比×灼烧基生料中各氧化物百分含量+煤灰成分中 各氧化物百分含量×煤灰掺入量
例:熟料中SiO 2=19.00+2.38=21.38% 3、 计算熟料率值
KH =
=
CaO -1. 65Al 2O 3-0. 35Fe 2O 3
2. 8SiO 2
2. 8⨯21. 38
=0. 901
65. 02-1. 65⨯5. 78-0. 35⨯4. 41
n =
SiO 2
Al 2O 3+Fe 2O 3
=
21. 38
=2. 10
5. 78+4. 41
p =
Al 2O 35. 78
==1. 31
Fe 2O 34. 41
计算所得的三个率值在要求三个率值的范围内,配料计算成功。各干原料的配合比是:(如计算出的三个率值与设计值不符合,需调整原料配比,再进行计算,直至符合要求为止。)
石灰石:81.4%; 粘土:14.9%; 铁粉:3.7%。
4、 计算湿物料配比
湿物料量=干物料量⨯
100
100-M
100
=82. 22(份)
100-1. 00100
湿粘土=14. 9⨯=15. 28(份)
100-2. 50100
湿铁粉=3. 7⨯=3. 85(份)
100-4. 00
湿石灰石=81. 4⨯
将质量比换算成百分比:
82. 22
⨯100%=81. 12%
82. 22+15. 28+3. 85
15. 28
湿粘土=⨯100%=15. 08%
82. 22+15. 28+3. 85
3. 85
湿铁粉=⨯100%=3. 80%
82. 22+15. 28+3. 85
湿石灰石=
B 全黑生料配料计算实例
以上例题一数据为例,说明全黑生料配料计算方法。
全黑生料配料计算,一般先计算出白生料的配比,再通过下面的计算求出全黑生料的配比。 1、计算白生料理论料耗S
S =
=
1-q
1-L 白
1-4. 25%1-35. 15%=1. 476(kg 白生料kg 熟料) =147. (6kg 白生料kg 熟料)
2、熟料煤耗p
p =≈=
Q Q net , ar Q
Q net , ad
4185
=0. 1761(kg 煤kg 熟料)23760
=17. 61(kg 煤kg 熟料)
3、全黑生料中含煤量
全黑生料中含煤量=
=
煤耗
白生料理论料耗+煤耗
17. 61
=0. 1066kg 煤kg 全黑生料
147. 6+17. 61
=10. 66kg 煤kg 全黑生料
将含煤量换算为干基含煤量为:
全黑生料中含干基煤量=煤量⨯
100-M ad
100
=10. 66⨯
100-1. 19
=10. 53(kg 煤kg 全黑生料
100
干基全黑生料中石灰石、粘土、铁粉的总量为:
100-10.53=89.47(kg/kg全黑生料) 其中,干石灰石量为:
81.4%×89.47=72.83(kg/100kg全黑生料) 干粘土量为:
14.9%×89.47=13.33(kg/100kg全黑生料) 干铁粉量为:
3.7%×89.47=3.31(kg/100kg全黑生料)
根据原燃料入磨时的水分,可求得湿物料的配比:
100
=73. 57(份)
100-1. 00100
湿粘土=72. 83⨯=13. 67(份)
100-2. 50
100
湿铁粉=72. 83⨯=3. 45(份)
100-4. 00100
湿煤=72. 83⨯=11. 03(份)
100-4. 50
湿石灰石=72. 83⨯
将质量比换算成百分比:
石灰石 粘土 铁粉 煤 72.33% 13.44% 3.39% 10.84%
4、计算全黑生料成分:
全黑生料中的煤量是10.66kg/100kg全黑生料,白生料量是89.34kg/100kg全黑生料。 煤带入全黑生料的烧失量为(%):
(1-A ad %)×10.66=(1-24.12%)×10.66 =8.09 计算出全黑生料成分如表4.18。
表4.18 全黑生料成分(%)
注:(1)10.66%煤带入的煤灰为:10.66×A ad %=10.66×24.12%=2.57%。煤带入全黑生料中的其他各成分为:2.57%×灰分成分。 如:SiO 2=2.57%×55.96=1.44%。
D、半黑生料配料计算实
以例题一数据为例,说明半黑生料配料计算方法。
半黑生料配料计算,一般先计算出白生料的配比,再通过下面的计算求出半黑生料的配比。 1、计算半黑生料入磨煤量
确定生料磨中加煤比例为40%,则入磨煤量为: 17.61×40%=7.04(kg/100kg熟料)
2、半黑生料中含煤量
半黑生料中含煤量=
=
煤耗
白生料理论料耗+煤耗
7. 04
=0. 0455(kg 煤kg 半黑生料)
147. 6+7. 04=4. 55(kg 煤kg 半黑生料)
将含煤量换算为干基含煤量为:
半黑生料中含干基煤量=煤量⨯
100-M ad
100
100-1. 19
=4. 55⨯=4. 50(kg 煤kg 半黑生料)
100
干基半黑生料中石灰石、粘土、铁粉的总量为: 100-4.50=95.50(kg/kg半黑生料) 其中,干石灰石量为:
81.4%×95.50=77.74(kg/100kg半黑生料) 干粘土量为:
14.9%×95.50=14.23(kg/100kg半黑生料) 干铁粉量为:
3.7%×95.50=3.53(kg/100kg半黑生料)
根据原燃料入磨时的水分,可求得湿物料的配比:
100
=78. 53(份)
100-1. 00100
湿粘土=14. 23⨯=14. 59(份)
100-2. 50
100
湿铁粉=3. 53⨯=3. 68(份)
100-4. 00100
湿煤=4. 50⨯=4. 71(份)
100-4. 50
湿石灰石=77. 74⨯
将质量比换算成百分比:
石灰石 粘土 铁粉 煤 77.36% 14.37% 3.63% 4.64%
3、计算半黑生料成分:
半黑生料中的煤量是4.55kg/100kg半黑生料。 煤带入半黑生料的烧失量为:
(1-A ad %)×4.55=(1-24.12%)×4.55 =3.45%
计算出半黑生料成分如表4.19。
表4.19 半黑生料的成分(%)
注:(1)7.04%煤带入的煤灰为:4.55×A ad %=4.55×24.12%=1.10%。则煤带入半黑生料中的其他各成分为:1.10%×灰分成分。
如:SiO 2=1.10%×55.96=0.61%。
4、计算入窑煤(外加煤)的比例
已知煤耗为17.61kg/100kg熟料,入磨煤为7.04kg/100kg熟料,则外加煤量为: 17.61-7.07=10.57(kg/100kg熟料) 已知煤的水分:M ad =1.19%,M ar =4.50% 将外加煤量换算成收到基煤量:
10. 57⨯
100-M ad
100-M ar
=10. 57⨯
100-1. 19
=10. 94(kg kg 熟料)
100-4. 50
每生产100kg 熟料所需干的半黑生料量: 147.6+4.50=152.15kg。
设出磨水分为1.30%,则每生产100kg 熟料需生料量为: 152. 15⨯
100
=154. 15(kg kg 熟料)
100-1. 30
半黑生料与外加煤的百分比为:
154. 15
⨯100=93. 37%
154. 15+10. 9410. 91
⨯100=6. 63% 外加煤:
154. 15+10. 94
半黑生料:
4.4.3.2 递减试凑法
递减试凑法是从熟料化学成分中依次递减配合比的原料成分,试凑至符合要求为止。计算时以100kg 熟料为计算基准,直接利用原料各氧化物百分含量的原始分析结果,逐步接近要求配比来进行计算的。
A 计算步骤
a 列出各原料、燃料的化学成分及煤的工业分析结果; b 确定熟料矿物组成或率值; c 计算煤灰掺入量;
d 根据熟料率值计算要求的熟料化学成分; e 递减试凑求各原料配比;
f 验算熟料率值并与确定值进行比较; g 计算原料配比。 B 配料计算实例
用本方法进行配料计算时,如分析结果总和超过100%,则应按比率缩减使总和等于100%,即各成分除以总和:若分析结果总和小于100%,这是由于某些成分没有被分析出来,应把小于100%的差数注明为“其他”项。
例题二:某厂原燃料的有关分析数据如表4.20、4.21。率值要求为KH=0.89±0.01,n=2.1±0.1,p=1.3±0.1;熟料的热耗为3350 kJ/kg熟料。煤灰分沉落率为100%,计算白生料的配比。
表4.20 原料与煤灰的化学成分
表4.21 煤的工业分析成分
1、 计算煤灰掺入量
q =
=
Q ⋅A ar ⋅B Q net , ar ⨯100
3305⨯28. 56⨯100
100⨯20930=4. 57%
2、 根据已知率值,计算要求熟料的化学成分 设总和Σ=97.5%,(Σ=CaO+SiO2+Al2O 3+Fe2O 3)则:
Fe 2O 3=
⨯100%
(2. 8KH +1)(p +1) n +2. 65p +1. 35
97. 5
=⨯100% (2. 8⨯0. 89+1)(1. 3+1) ⨯2. 1+2. 65⨯1. 3+1. 35=4. 50%
Al2O 3=p ·Fe 2O 3×100%=1.3×4.50×100%=5.85% SiO2=n(Al2O 3+Fe 2O 3) ×100%
=2.1×(4.50+5.85)×100%=21.74% CaO=Σ-(SiO2+Al2O 3+Fe2O 3) ×100%
=97.5-(21.74+5.85+4.50) ×100%=65.41% 3、 进行递减试凑
以100kg 熟料与基准进行递减试凑。列表递减试凑如下,用要求熟料成分减去煤灰带入的各种成分后,便是由石灰石、粘土、铁粉等原料提供的成分;再减去石灰石、粘土、铁粉等原料带入的各种成分后,余数应趋近于零。递减试凑法配料计算表见4.22。
表4.22 递减试凑法配料计算表
石灰石递减量=
熟料中CaO 量-煤灰中的CaO 量(即递减余数)
⨯100%
注:(1) 石灰石原始成分中的CaO 量
65. 41-0. 2365. 18==⨯100%=122. 7kg
53. 1353. 13
其它原料的递减量以此类推。
由计算结果可看出,熟料中尚缺少0.14%的Al 2O 3,即Al 2O 3略为偏低。但再加粘土,则SiO 2过高,所以不再递减试凑;(MgO+其他)项余数也不大,说明总和假定合适。如果计算结果(MgO+其他)项余数大,则说明总和假设不合适,需重新假设总和,重新计算。
由计算结果可知,煅烧100kg 熟料所需各种原料的用量为 干石灰石=122-0.2=121.8kg 干粘土=23-2.6=20.4kg 干铁粉=5.8+0.3=6.1kg 各原料配合比为:
121. 8
⨯100%=82. 13%
121. 8+20. 4+6. 1
20. 4
干粘土=⨯100%=13. 76%
121. 8+20. 4+6. 1
6. 1
干铁粉=⨯100%=4. 11%
121. 8+20. 4+6. 1
干石灰石=
4、 验算熟料化学成分与率值 计算方法同例题一。验算如下:
表4.23 生料、熟料化学成分
KH =
=
CaO -1. 65Al 2O 3-0. 35Fe 2O 3
2. 8SiO 2
65. 55-1. 65⨯5. 70-0. 35⨯4. 51
=0. 891
2. 8⨯21. 87
n =
SiO 221. 87
==2. 14
Al 2O 3+Fe 2O 35. 70+4. 51Al 2O 35. 70
==1. 26
Fe 2O 34. 51
p =
从计算结果知道,三个率值KH 、n 、p 均在要求的范围内,所以,配料结果符合要求。各种原料的配比是:
石灰石 粘土 铁粉
82.13% 13.76% 4.11%
学 习 小 结
本章主要介绍了配料计算的有关知识、常见的生料粉磨系统特点及应用、立式磨系统在生料粉磨生产中的应用、生料粉磨生产控制知识等内容。这部分内容在水泥生产中占有重要地位。原料的配料内容多,计算过程复杂,学生学习时应通过实际配料计算来巩固和掌握有关知识;了解并熟悉各种粉磨流程;掌握辊式磨即立式磨的特点、操作控制要点等;理解生料粉磨系统中各控制项目及原理,并掌握磨机负荷控制。为加深对理论知识的理解和掌握,建议学生学习本章内容时尽量多联系生产实际,有条件的情况下,有些内容可在生产现场学习,或者在生产实习中进行实训。
复习思考题
1. 配料计算的原则和依据是什么? 2. 简述尝试误差法配料计算的步骤。
3. 尝试用计算机在Excel 中编程进行配料计算。 4. 比较各种粉磨系统的特点。
5. 立式磨有哪几种工艺流程? 各自的特点是什么? 6. 简述立式磨的优缺点。 7. 简述立式磨的控制要点。
8. 磨机负荷自动控制有哪些? 自动控制还有哪些内容?