等球径煅烧技术对立窑熟料烧成的影响探讨

      笔者长期从事水泥、玻璃和陶瓷窑用耐火材料科研开发工作，2004年初开始接触立窑，受高温工程陶瓷研究中“等粒径烧结”理论和经验的启发，认为采用带辊滚压等球径成球技术，能使立窑抛开沿用近百年的成球盘。本文从制备完全等球径料球角度出发，探讨料球最佳体积堆积及相对化学完全燃烧工况下煅烧熟料变化过程。通过对比传统的成球盘成球技术工艺，分析当今立窑煅烧存在的问题。借此，也希望水泥行业各界人士共同研讨这一课题。

　　1.传统成球盘成球（非等球径）工艺耗能及其他①传统成球法料球高含水量的危害性：在考虑这部分很大的蒸发料球物理水热耗时，按料球含水量13%、窑面温度80℃计，则1kg生料球耗热量为300kJ.这对整个立窑生产来说，无疑是巨大的能耗。

　　迄今为止，笔者见过的文献中除成球水分含量的高低会影响熟料热耗的结论外，尚未见有深入分析水分在汽化时的巨大破坏力对料球影响的研究。根据气体膨胀原理，在1个大气压下，水在100℃汽化变成水蒸气时，其体积膨胀近1000倍，温度越高，膨胀倍数越大。料球入窑后，瞬间接触高温火焰气流时就会发生这种现象。

　　这种巨大的破坏力或爆破力会对窑况产生巨大影响。绝对含水量越高，即料球越大则爆破率越大。所以，就不能仅仅从球径大、强度低、传热效率低等因素解释其因果关系了。

　　料球爆破成碎块，甚至粉末状，必然会堵塞窑内空隙，使高温火焰气流不畅，增大通风阻力，即使没有破碎，由于料球收缩率不一致，造成气流通道宽度差异，也就是说在热传递上从物理学角度分析也是不均热的。这与等球径料球在同等条件下所发生的各向同等收缩，能均热传递是不一样的。

　　不均质性：立窑生料均化后经预加水，在螺旋给料机内充分均匀搅拌后，这些已有“成球晶核”的料球粉在进入旋转的成球盘时，由于生料粉组成、容重、细度不同以及碰撞、抛物受力、黏结力度的差异，会使每个直径相异料球在微观组分上变成不均质，不会保持入盘前的均质、自然态。

　　也就是说，成球盘的机械、物理造球运动，破坏了原本均质（生料组成、水、煤粉）、均化和均匀的成球料粉的稳定性，造成微观组分差异、离析、不均质。因此，从成球机理和实践上都不可否认传统成球法料球的必然不均质性。

　　认识这一点极其重要，熟料形成首先是生料组分中的活化分子进行接触、碰撞、扩散、迁移、化合，一个均质的微观环境，通俗地说“一对一”耦合效应是最理想的，不管熟料最终形成过程的机理是“溶解-沉淀”还是“熔融-结晶”。

　　料球内在的不均质缺陷，在没有形成熟料反应之前，在物理表观上必然造成形成水蒸气以及料球收缩的不均匀性，在达到一定温度后，更能造成化学反应、燃烧的不均匀和不平衡性。

　　由此可以推理，由物料运动、燃烧及熟料煅烧工况等“微小”变化产生的宏观效果，必然影响高温燃焰，使通风阻力增大、断面不均衡燃烧及高温气流不均匀，更严重的甚至会局部过热、过烧、熔融或局部过冷、生烧、料层结块，形成孔洞、架窑、结圈、喷窑，自然会使料层物流移动偏离立窑特定设计路线。

　　对立窑成球主要技术指标规范为：料球有一定机械强度，单位料球承受压力为400~500g；成球水分控制在11%~13%；料球粒度控制在3~7mm；料球孔隙率控制在30%~35%.这是对近百年来国内外立窑成球工艺技术的经验总结，也指出了非等球径料球在立窑煅烧熟料工艺中最佳技术条件，但所有这些始终离不开落后而又沿用百年的成球盘。

　　设想一下，如果这些料球是等球径的，球料完全均质，空间堆积空隙率各向均是25.95%，料球之间有充裕的气流流通空隙，对强大的水蒸气气流或CO、CO2有排散和燃烧通道，缓解了压力，降低了爆球率（即使是大球径的也会类似），这里且不谈值得商榷的水分含量问题。在同等条件下，传统成球法制备的料球，不管球径控制在Φ3~7mm还是Φ5~8mm之间，从其一进入窑口时，就产生了紧密堆积问题。堆积体空隙率达不到理想的25.95％。布料的不均匀及料球自然滚动的规律势必造成纵横断面的物料质量和空隙率差，无疑物料会不平衡煅烧、不均匀传热、中火和边火温差大，这些结症是本身固有的。所以，不管多么细心调节料层，甚至调整配煤量去适应中料、边料所需的热值，以求达到各相平衡的做法都是难以达到目的的。

　　2.等球径料球煅烧的原理分析采用等球径煅烧技术，料球的分布在三维空间堆积是绝对平衡相等的，燃烧是平衡等温的。等球径料球堆积模式中，料球在设定的段带，不会因料球大小和质量差别产生运动的快慢和滞留，熟料会较好地按照抛物线状层流运动规律下沉。料球中的固体碳在立窑不同带段，按照燃烧过程、速度及化学反应会合理分布，这就是层段式、分区域温度设定的差热、等温、段带分级煅烧工艺基础。不管是回转窑还是立窑，都离不开物料反应理论工艺基础，最大差别是立窑煅烧工艺是内燃式的。所以等球径堆积模式决定了内燃或煅烧质量，也是其核心。其他问题可以看作是枝节。

　　众所周知，立窑与回转窑生产熟料工艺差别，还在于后者在预分解系统内生料已脱水，石灰石已基本分解，入窑后的粉料几乎全部是非常细小的等粒径球粒，在窑内被充分混合、翻滚、碰撞接触，并在不同带段、不同温度条件下发生熟料矿物反应。

　　物料在回转窑内翻转、移动，有充分的空气供给，极少产生二次燃烧（黑火头）。即燃烧条件是完全充分的，而且是动态的。相比之下，立窑不具备充分燃烧条件，它是在特定条件下靠物料“自重落体”滑动、下沉，在固定段带几乎是在“相对封闭”的燃烧系统中进行化学反应，其中包括煤粉燃烧。无疑，这从根本上限定了在研究讨论立窑煅烧状况时，必须以“段带式封闭系统”为前提。也就是说，要保证在每个段带根据物料反应所需热量控制供氧量及温度。通常所说的“底火”、“中风”、“浅暗火”和“腰风”等术语，大意如此。

　　这里所提的封闭系统，除了上述各段外，更重要的还有不被人们所认识和重视的料球自身的球体封闭系统。

　　实际上，该系统在燃烧过程中控制着整个化学燃烧和化学反应，包括矿物的形成和平衡。郝氏反应理论基础也在于此。

　　这里需指出的是，立窑现阶段设计的料球内燃烧成过程，本质上以料球内的固体燃料（煤粉）在通过适宜温度煅烧使燃料残渣（矿物）变为产品熟料的一种特殊气相湍流、扩散燃烧技术。料球内碳组分的燃烧过程可分两步：①CaCO3=CaO+CO2，CO2+C=2CO；②料球内孔隙含O2和CO2通过扩散→碳粒接触反应：2C+O2=2CO，CO2+C=2CO.最终CO通过扩散进入堆积体空隙内，并与其中O2组分反应CO+O2→CO2产生稳流、扩散燃烧。这即是郝氏反应：CaCO3+C→CaO+CO.这种燃烧机理与过程只有在等球径堆积体模式中达到完善。

　　从CaCO3起始分解温度和碳粉燃点温度看，550~600℃这些多相反应就已开始，从CO+O2→CO2燃烧反应看，科学配煤，等球径堆积时间空间含O2量、粒球孔隙内含O2量及风机补给O2量能保证完全化学平衡燃烧。

　　简言之，只有等球径料球堆积煅烧立窑水泥熟料模式与工艺技术，才有可能解决立窑煅烧中的化学不完全燃烧等问题。

　　3.带辊滚压成球技术思路①原立窑成球控制系统（除成球盘）；②挡料板。控制料层厚度，如选择Φ5mm球径则料层厚度为Φ5mm+0.1mm，其他球径依此类推；③表面带有所需1/2球径排列辊筒。一般是金属材料，可以是实心的，或是空心的，起滚压成球作用。可调速调压；④滚带。表面带有与辊筒相耦合的所需1/2球径排列面，起输料、成球作用。材质可多样，耐磨橡胶带较宜，因有弹性对脱球有利；⑤筛。筛分料球与粉片料；⑥回料提升机。将粉片料碎后返配料系统；⑦滚带厚度提示。取（Φ/2+2~3）mm（Φ为球径），或可适当调整；⑧料球仓。

　　注意带辊在滚压时，是否加压及其加压大小可控。为便于脱球和清扫带辊表面，在脱球处装有反方向毛刷类简易装置。

　　该系统最大优点是能完全可控平面布料，每个料球被均力滚压、料球均质。其特点：①设备结构简单，易操作维修；比之沉重、庞大、昂贵的成球盘功耗低；②不产生粉尘污染，料球产量可与传统法媲美。能保证30%~35%的产球孔隙率；③可大幅降低料球含水量至5%~6%，或更低。能大大节水、降低热耗与爆球率，实质提高产量至少5%~8%，从根本上突破了传统成球盘成球的落后理念和工艺；④此工艺从根本上保证了“微观均质料球”的制备，且强度高；⑤等球径料球的制备为实现料球最佳堆积和煅烧，为物料运动和矿物生成提供了工艺和理论基础，为高产、优质、节能及改善工况提供了可行的方法。