引言

　　新型預分解窯誕生初期,入窯分解率一般為85% 到90%,相對于傳統回轉窯,產量成倍提高,窯的長度縮短了很多,長徑比約為1618。隨著不同分解爐的問世和對爐內燃燒氣氛、物料、燃料運行速度和規律的研究,分解爐的性能不斷提升,致使入窯物料的分解率在不斷提高。德國的洪堡公司首先推出了長徑比在10左右的超短窯,他們的學者認為,隨著入窯物料分解率的提高,若窯長度不減短,分解后的CaO微晶和發育不完善的晶格會在窯內有充裕的時間和溫度條件充分長大和發育完善,給下步向C3S的轉化帶來困難。窯爐操作工為了減少熟料中游離鈣的含量,就必須提高燒成帶的溫度,燒成帶的長度也相應延長,這樣燒出的熟料礦物晶體大而完整,從而導致熟料的易磨性和強度都差,而短窯可避免上述問題的產生。洪堡公司推出了超短窯系列,先后向中國出口的幾臺窯長徑比都控制在12以內。嘉新京陽水泥股份有限公司引進該超短窯系統后,取得了很好的運行業績。因此當該公司和鎮江市合資建設江蘇聯合水泥廠時,也要求建設超短窯系統。我院與德國洪堡等公司共同參與了競標,結果我院以技術性能好、價格低而一舉中標,并取得了項目總承包權。

　　盡管超短窯系統是一個完整的燒成工藝的系統問題,但超短窯卻是該系統中的核心設備。因此,超短窯裝備的開發研制成了該系統的關鍵。下面著重介紹超短窯裝備的研發思路和運行情況。

　　1、工藝系統的設計關鍵

　　項目確立后首先對超短窯工藝系統的關鍵技術進行了分解和功能劃分,在工藝設計上要把握如下幾個關鍵點：①窯尾預熱器、分解爐系統要確保分解率在95%以上;②回轉窯內要確保熟料有足夠的停留時間,生產出合格的熟料;③窯頭燃燒器的火焰長度適中,在來料有波動的情況下,能快火急燒,滿足短窯調節必須迅速的特點;④窯頭冷卻機要針對冷卻帶短熟料溫度高等特點提高一段篦床的冷卻效率,既保證對熟料的快速冷卻,又保證提高二、三次風的溫度;⑤上述各環節互相配合,在某一環節功能不能充分發揮時,下一環節能迅速彌補。超短窯操作范圍窄,信息反饋和調節手段必須迅速,對此要求各環節有較大的調節幅度。經過上述各部分的功能劃分,使得超短窯裝備的研發目的更明確、更有針對性。

　　2、回轉窯的參數確定及設計

　　回轉窯的功能是確保物料在窯內高溫區有足夠的反應時間形成合格的水泥熟料。因此,在窯的各項規格、參數確定時要充分考慮物料在窯內的運動規律和形成條件。窯規格是由業主根據公司現有的窯型與我們商量確定的,基本是采用了與洪堡相同的規格,即Φ5.2m×61m,但其他參數和要求則由我們根據其功能和設計要求確定。首先需確定窯的基本工藝參數范圍和相關的動、靜載荷分析。我們經過分析超短窯的工藝特點,與中長窯比較,窯的長徑比L/D<12,意味著窯內各帶的長度變短,物料在各帶的停留時間發生了變化,對此我們希望較多地減少物料在預熱帶和放熱反應帶的停留時間,較少地減少物料在燒成帶的停留時間。眾所周知,物料在窯內的停留時間對同一規格的窯來說主要取決于斜度和轉速,斜度越大物料運行速度越快,尤其是燒成帶物料的運動狀態完全靠提升、滾動前行,影響明顯。與中長窯比較一定要降低其斜度,因此設計中把窯的斜度調整為3.5%。轉速在運行過程中原本可調,在取值時,加寬了調速范圍。 

　　洪堡窯采用的是雙傳動而我們是單傳動,且裝機功率略小。實際上根據我們的計算,功率配置還可以減小,只是因為業主規定了該窯的裝機功率不能低于800kW。我們選擇的調速上限比洪堡窯大,其目的是使該窯具有更寬的調節范圍。對參數的選擇依據和設計思想是：

　　1)窯在轉速范圍內均能滿足熟料的形成反應。實際上熟料的形成是與諸多因素有關,設計中只能采用實測數據和實際生產的統計數據為依據。對新型干法窯來說,燒正常飽和比的生料,保證燒成溫度在1450℃以上,熟料在燒成帶內的停留時間在10min左右完全能滿足熟料燒成的要求。因此,該窯設計在最大轉速時熟料在燒成帶的停留時間≥10min,即該窯在最大轉速3.79r/min時,最大產能可達7000t/d,熟料在燒成帶的停留時間可在10min以上。

　　2)窯的最大生產負荷配置可滿足7000t/d的生產能力;當然需要說明的是這里僅強調了對窯的配置,并不意味該系統的設計產能。

　　3)窯的料負荷在正常產量即5800到7000t/d時,單位產量的功耗降低,即為該窯的經濟負荷區。由于窯的功耗來自兩項之和[1],即：N0=N1+N2
　　　　N1=D3·L·sin3θ·n·K1
　　　　N2=P·D·td·n··fK2/Dr
　　　式中：
　　N1———負荷功率,kW;
　　N2———摩擦功率,kW;
　　D———窯的直徑,m;
　　L———窯的長度,m;
　　θ———對應于窯內物料層圓心角的一半,見圖1;
　　n———窯轉速,r/min;
　　K1———與物料平均容重γ和平均休止角α有關的系數,K1=0.086γsinα;
　　P———托輪軸承支撐物體總質量(取窯重+耐火磚重+物料重),kg;
　　Dt———輪帶外徑,m;
　　d———托輪軸軸頸直徑,m;
　　f———托輪軸與軸承摩擦系數;
　　Dr———托輪直徑,m;
　　K2———常數,5.9×10-4。

　　從上述兩項功率消耗來看,對同一臺窯來說,兩項消耗均與物料在窯內的填充率和窯速有關,只是兩者在功率消耗中所占份額不同。負荷功率與填充率相關的sinθ值的三次方成正比,與轉速的一次方成正比;而摩擦功率均是與料負荷和轉速的一次方成正比。考慮到實際生產中,窯正常時,即風、煤、料相對穩定時,基本是窯轉速越高,窯產量就越高,但對填充率的選擇卻不一定采用高填充率,而往往是有一個相對固定的料層厚度即相對固定的填充率,大約7%到8%,操窯工稱之為“薄料快轉”。料層薄,有利于火焰和煙氣與物料進行熱交換,提高了物料溫度的均勻性,減少了物料表面和內部的溫差,熟料形成的顆粒均勻,質量有保證。實際生產中恰恰是較高窯速時,填充率較低;反之填充率較高。因此對窯的功耗來說,在一定范圍內是產量越高,單位產量的功耗越低。 為計算得出的n-t、n-Q和n-φ之間的關系曲線,圖3為n-φ和n-N關系曲線。從中可知,熟料在燒成帶的停留時間隨轉速的增加始終是減小的;產能隨轉速的提高始終是增加的;而窯內填充率前半部分隨轉速的提高而降低,后半部分是隨轉速的提高而略有提高,基本保持在8%左右。通過控制窯速,可根據煅燒情況控制熟料在窯內的停留時間,以確保熟料的燒成質量。可以看出,窯負荷隨著窯速的提高,趨勢始終在提高,只是窯速提高而填充率下降時(n=2.4、3.2r/min)窯負荷上升的幅度低于窯速、填充率共同提高時(n=3.2 、3.79r/min)窯負荷上升的幅度。實際上窯速對窯負荷的影響要比截面料負荷對窯負荷的影響大的原因是當窯速提升時,窯內的料流量是增加的,盡管料層變薄但料的運動速度變快,即單位時間輸送的物料量是增加的。

　　3、與同規模窯的比較 

　　 注：①Φ5.0×68窯欄中的參數均為設計參數;②為窯速3.2r/min下的電流

　　通過比較表2中數據可以看出,物料在窯內總的停留時間相差不大,在燒成帶的停留時間超短窯略短約13.9min,最長的窯也就15min左右,均能滿足熟料燒成需要。L/D值大的窯物料在預熱帶和放熱反應帶的停留時間差別不大,隨著轉速的提高,物料前進速度提高快,而到燒成帶后物料的前進速度明顯變慢,因此燒成帶會相對延長,此時若要縮短燒成帶的長度,唯一的辦法是加快窯速,從我們前面的分析可知,加快窯會使速窯的功耗增加。因此,縮短窯長是最有效的辦法,這與德國專家的結論一致。

　　從燒成帶的截面熱負荷和容積熱負荷來看,目前已達到的能力,超短窯的截面和容積熱負荷均最低,Φ5.0m×74m窯的截面熱負荷最高,Φ5.0m×68m窯的容積熱負荷最高。由此可以推斷,Φ5.2m×61m的窯增產潛力最大,可略提高填充率增加窯的產量。在生產考核的投料操作中,因原料磨產量的影響,該窯投料量只在385到395t/h之間。要進一步增加產量還取決于物料的易燒性和燃燒器對火焰的調節能力。因為進一步加大產量就意味著提高窯速,縮短物料在燒成帶的停留時間,提高燒成溫度可縮短反應時間,易燒性好的物料所需的反應時間短。從中還可看出,在運行產量下,短窯的運行電流最低,也是因為料負荷、窯皮負荷和磚負荷最低的緣故。由此可以推出,在上述的幾種規格的窯型中,除Φ5.0m×68m的窯缺乏運行參數外,超短窯的單位產量的運行功耗最低。 從對窯的受力分析可知,兩支墩的窯受力更均勻,不存在跳空時的應力集中情況。另據文獻報道,中外專家通過對窯筒體的應力分析和模型測試一致認為：“對襯料最危險的變形是改變筒體的圓截面為橢圓。筒體的徑向變形最大的地方在輪帶下,并且隨著與輪帶的距離增大而減小,變形主要由輪帶傳到筒體上的反力所引起”,“筒體變形隨遠離輪帶而迅速消失以至窯筒體完全呈圓形”,“跨間筒體變形遠較支撐處為小,應力狀態較為簡單”。用兩支墩的短窯實際是加大了跨間距,減少了筒體的變形區域,對耐火材料的損害減輕,充分體現出了兩支墩短窯的優勢。4Φ5.2m×61m窯的主要技術參數跨間距加大,筒體的應力和變形發生了改變,兩檔托輪支撐的受力、傳動和潤滑等對設備的研發確是一個全新的課題。研發人員依據結構力學、材料力學等機械設計所涉及的眾多理論,輔助于計算機模擬分析,結合其多年的設計和實踐經驗開發出了全新的屬于我們自己的兩支墩短窯裝備。經過2年多的生產運行證明,窯運行正常,對輪帶間隙、輪帶內表面與墊板之間的滑動、托輪軸承與潤滑、液壓擋輪的運行、大齒輪的齒面負荷等各項技術參數檢測,顯示該窯運行良好,達到了設計指標,完全發揮了其功能。表2的運行參數顯示,窯產能在5800t/d時,窯電流為556A。窯內各帶的長度劃分見表3窯的主要技術參數見表4Φ5.2m×61m

　　5、根據生產實踐我們認為,縮短回轉窯的長度最直接的優勢是：①減短了筒體長度,減少了窯的占地;②可減少窯的支撐,使回轉、支撐系統受力更趨合理、簡單;③窯用耐火材料消耗減少;④窯的土建施工費用低。潛在的優勢是：①窯設備的安裝和日常維護、調節簡單;②窯的運行電耗相對較低;③窯內部的溫度分布更趨合理。隨著入窯分解率的提高,適當縮短窯的長度更合理。由于物料在窯內停留時間縮短,而升溫速度快,C3S晶格尺寸小于30μm,有利于粉磨和提高水泥強度。雖然中長窯在提高窯速的情況下也能實現,但功耗會明顯提高。

國共產黨另外,從設計中也可看出,兩支墩的超短窯盡管減少了一檔托輪,但設備質量并非最小。因為跨間距加大,筒體的應力和支墩的承載變化導致用材的規格和托輪、輪帶的規格加大,與其它規格的窯相比,設備質量反而加大。表5中列出了幾種窯型的筒體耗用材料量、設備質量和外加的生產負荷。 

　　從中可以看出,幾種規格的窯筒體中,超短窯的表面積最小,外加的生產負荷也是最低的,但設備質量卻排在第2位。Φ5.0m×68m窯的表面積和外加的生產負荷均排在第三位,分別比超短窯多71m2和43t,但設備質量卻最小,表2中也顯示了其裝機功率也為最低(僅630kW)。該窯型的L/D值為13.6,當窯速在3.2～3.8r/min時,物料在燒成帶的停留時間為14.5～12.2min;在3.8r/min時,產量可超過7000t/d。該窯的操作范圍比超短窯寬,控制、調節容易。因此,我們認為該窯型用于5500～6500t/d規模應該是一個具有競爭力的窯型。

　　另外,超短窯的窯尾溫度高,幾乎是控制極限,溫度進一步升高,窯尾產生結皮的可能性很大,因此對窯系統的穩定性要求更高,對窯況的波動必須要有迅速信息反饋和調節手段。設計中縮短了窯尾的上升煙道,安裝了多臺空氣炮,緩解了窯尾結皮的影響。

　　6、結論與看法

　　1)我院研發的兩支墩超短窯經過2年多的生產運行證明：該窯運行良好,各項技術參數顯示正常,達到了設計指標。對窯本身作為燒成系統中的一臺熱工裝備完全發揮了其功能,填補了我國沒有自己短窯的空白。 

　　2)超短窯具有直接和潛在的優勢,但是窯尾溫度高,對窯系統的穩定性要求高,對窯況的波動必須要有迅速信息反饋和調節手段。

　　3)對新型干法窯外分解系統的窯來說,長徑比小于12的窯并非是最經濟的窯型,無論是設備質量還是裝機容量均非最低。相反長徑比在12.5 到13.5、斜度選擇4%的窯型,可能更有競爭優勢,對系統前后設備的配套和控制,要求會相對寬松,會有更好的技術經濟指標。

　　參考文獻：
　　[1]國外水泥機械進展編寫組.國外水泥機械進展[M].北京：中國建筑工業出版社,1982：7.
　　[2]Walter H Duda.國際先進水泥工藝與裝備手冊[M].石必孝譯.武漢：武漢工業大學出版社,1989.