还原熟料形成机理

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1、还原熟料形成机理1前言在水泥生产中正常熟料是在窑内空气略有过剩的情况下烧成的,即有足够的 氧使燃料中的碳完全燃烧成CO2,放出热量。如窑内氧气不足，燃料燃烧不完全, 产生CO时,就形成还原气氛,其反应式为：C+O2fCO2+408630J/molC+12O2fCO+123053J/mol在还原气氛条件下生产出来的熟料，我们称之为还原熟料。在还原气氛下 烧成时，窑内热力强度低，高价的过渡型的元素氧化物被还原成低价的，产生各种 异常颜色的熟料。据此特点,一般把还原料分为黄心料、绿心料、析铁料三种。还原熟料常见的为黄心料，在熟料中所占比例也较大。而绿心料、析铁料较 少出现，即使存在，量也不多。还原熟

2、料的危害很多,影响窑的产量、质量、煤耗、 热工制度的稳定;影响熟料、水泥的质量外观颜色等。特别是熟料、水泥的外观 上,还原料较多时,不仅熟料颜色难看，就连磨制出的水泥颜色也发黄，水泥用户极 易把此熟料水泥比作立窑的废品熟料黄料球来看待，使用户购买使用都不放心， 影响企业的声誉，因此，必须采取措施进行解决。1.1黄心料窑外分解窑产生的黄心料，可分为:疏松性黄心料和致密性黄心料，疏松性黄 心料结构疏松，熟料烧失量高，fCaO也高，后期强度明显降低，它是在窑头温度低，窑尾存在还原气氛下产生的。而致密性黄心料外壳 的颜色与正常熟料相似，结粒较大，砸开熟料球，核心呈大小不等的黄心，它是在还原气氛或煤粉直

3、接还原作用下，氧化铁还原致使 熟料颜色发黄，当冷却时，表层熟料因再氧化而呈黑色。黄心料其化学成分上最突出的变化就是随黄心程度的增加其中FeO含量也 增加，而总的铁含量却没有明显变化;而有些黄心料中SiO2和Al2O3的含量较高，这主要是煤灰掺入造成的。致密性黄心料在岩相结构上有两个特征:其一,B矿呈手指状、树叶状，这种B 矿的产生与还原气氛下C2S和CFS固溶体的分离有关。其二0矿数量少，发育 差。这与煤灰的掺入有关,由于掺入煤灰物料，使SiO2和Al2O3成分增加，局部(黄 心部分)的KH值下降，再加上煤燃烧形成CO放出的热量少，全使烧成温度较低, 给A矿形成造成困难，所以A矿数量少。此外，

4、由于Fe3+被还原成Fe2+, Fe2+ 大量进入B矿及玻璃体，所以C4AF的量极少，中间体数量也相对减少。1.2绿心料有时遇到外观与普通熟料相同，但中间呈嫩绿色的熟料,化学分析表明，此种 熟料中含较多Cr2O3、MnO。岩相分析表明含Cr2O3的熟料中A矿颜色变绿， 此种A矿称为铭阿利特。Cr2O3主要来自窑中的铭质耐火材料，含MnO的熟料 呈绿色的主要原因是p-C2S和MnO形成固溶体，在C2S-Mn2S系统中形成绿色 橄榄石(CaOMnOSiO2),温度较高时，C2S和CMnS的固溶体也可分解桃红色 含锰的B矿。MnO主要来自铁质原料和耐火材料杂质。绿心料的水硬性差，强度下降。由于Cr3

5、+和低价锰都只有在还原气氛下出现, 故绿心料是还原气氛的产物，属还原料。1.3析铁料当窑内通风不良，燃料在缺氧条件下燃烧，则出现强烈的还原气氛，这时熟料 中的高价铁化合物被还原成低价铁化合物,甚至金属铁,其反应过程为:2C4AC6A2F+C2FC6A2F+COf 2C3A+2FeO+CO2 1 FeO+CO-Fe+CO2金属铁在高温下为液相,由于表面张力而呈球形圆粒，冷却后保留下来,因为它 的折射率比硅酸盐矿物高得多，所以在岩相显微镜下呈很亮的小圆粒。析铁熟料除金属铁外，主要矿物还有C2S固溶体和c3a、c12a7,熟料强度显 著降低,有时凝结较快，它是窑内热工制度不正常的一种标志。2还原料产

6、生的具体原因2.1从煅烧的角度进行分析2.1.1风、煤、料配合不好风、煤、料配合不好，是产生黄心料的根本原因。多数情况是窑系统排风不 够或喂料太多。窑头喂煤过多,在一、二次风量不变的情况下,窑内氧含量明显不 足,导致煤粉燃烧不完全，而产生还原气氛,易出现黄心料;窑尾分解炉喂煤过多， 将导致预热器框架内温度升高，因而易在缩口、斜坡等部位产生结皮，影响了窑内 通风,同样易使窑内氧含量不足,产生还原气氛，导致出现黄心料;窑系统 出现工艺故障，如窑内结大球、结圈或长厚窑皮、窑尾下料斜坡积灰等均可影响 窑内通风,造成煤粉不完全燃烧。这些因素的产生,是形成还原料的主要原因，因此 在实际生产中要注意风、煤、

7、料三者的合理匹配。2.1.2燃烧器断面位置调整不当燃烧器在窑断面位置不合理。二次风不足，内风和外风的风量、风速比例不 合理,风煤混合不好，这些问题的存在也极易产生还原料。如燃烧器喷嘴愈接近料层，还原料生成愈多,以水平方向靠近料层尤甚。喷 嘴靠近料层，火焰铺在物料表面上,火焰中的炭粒紧贴物料向前运行，由于火焰与物料表面间隙变小,氧气含量不足,因而在物料表 面产生严重的还原气氛;未燃或正在燃烧的炭粒又容易落入熟料中，落入到熟料中的碳粒减少了与氧气接触的机会,因而产生还原 气氛特别是当煤粉细度过粗或使用低挥发份煤时，情况更严重。2.1.3煤的燃烧性能差影响煤的燃烧性能主要有原煤的质量、煤粉质量、二、

8、三次风温、燃烧器性 能等。原煤质量差主要指:煤的灰分大、发热量低、挥发份低等;煤粉质量差主要 是指细度大、水份大等;二、三次风温低，主要是影响窑头温度，全使黑火头变长; 燃烧器性能影响也很大，好的燃烧器能使煤风混合充分而均匀，加速燃烧,改变煤 的燃烧性能。由试验及实践发现,当煤的燃烧性能变差，还原料生成量增高煤粉的 燃烧性能差，一方面燃烧速度慢，未燃尽煤粒便可能落在物料之上（指出现液相后 的物料）,形成还原气氛;另一方面，加大了煤粉分布的不均匀性，使火焰局部由于 煤粉浓度高产生还原气氛,甚至沉落于烧成带的物料上,明显地增大黄心熟料的 生成，严重时还会产生过多低熔FeO而引起回转窑的结圈。2.1

9、.4工艺设备上存在一些问题如:窑尾系统漏风、篦冷机锁风阀的失控漏 风、三次风阀损坏，三次风量变大等，将直接导致窑内通风量减少，易使窑内产生还原气氛;燃烧器喷嘴的严重变形,影响风 煤的混合和火焰形状,使火焰局部产生还原气氛;临时止料停窑次数多，有的停窑时间长,中间喷煤补火，造成煤粉大量落在物料上不 完全燃，产生还原气氛等,这些都将导致还原料的生。2.1.5入窑生料质量的波动入窑生料成份变化大,尤其是熟料中Fe2O3含量的变化，Fe2O3含量大的熟 料,燃烧过程中对还原气氛更加敏感，黄心率大大增加,这主要是由于Fe2O3含量较大，当有还原气氛时，增加了 Fe3+还原成Fe2+ 的机会和数量，导致黄

10、心率增加。另外，在熟料Fe2O3含量正常情况下,随着CaO 含量的增加,还原料量增加，主要是由于熟料中CaO含量增加，熟料的易烧性下 降，相应地要提高烧成温度,从而增加了窑内的用煤量，当风煤配合不合理时，就产 生还原气氛,从而增大了还原熟料的生成。2.1.6原料中有害成分原料中有害成分含量过高，尤其是硫碱比越高，越容易结皮，造成通风不良，加 之碱、硫、氯的富集循环与二次扬尘形成的低共熔物造成长厚窑皮及结圈、结球，出现大料团等现象，尤其在长时间停窑保温时更为 明显。2. 2从系统工艺参数的操作情况来分析窑外分解窑熟料的生产都是通过控制系统的工艺参数来实现的，系统工艺参 数控制得不合理,也容易产生

11、还原料。2.2.1生料喂料量和喂煤量大生料喂料量大，烧成所需热量多，为保证预热器框架温度及烧成温度,势必要 加大喂煤量，因喂煤量大，空气相对不足，煤粉不完全燃烧，产生还原气氛，为产生还原料创造了条件,在实际操作中,如不恰当增大窑 头喂煤量,将不可避免产生还原料。2.2.2系统压力工艺参数控制不合理特别是窑尾压力,还有三次风压力等。当窑尾负压绝对值低于正常的工艺控制参数时,则窑内通风量减少,可导致 窑内煤粉的不完全燃烧，产生还原气氛。在各风道和窑内通风畅通的情况下，三次 风压力一般在-300Pa-600Pa,三次风压力大，比如为-750Pa时，则从窑头抽 风多，影响入窑的二次风量,造成窑内空气不

12、足，同样会导致燃料不完全燃烧,形成还原气氛。2.2.3系统温度工艺参数控制不合理窑尾温度:窑尾温度一般在950C 1050C。当窑尾温度高时，分解炉缩口 易结皮，影响窑内通风，为产生还原料创造条件当温度过高时，液相在窑尾过早生 成，熟料易结大块。当窑尾温度低时，烧出的熟料fCaO偏高。温度过低,则易跑生 料。窑前(指烧成带)温度:当窑前温度高时，火焰发亮。如因生料KH值高、喂煤 量大、内风过大、短火急烧,可产生致密性黄心料;如因生料KH低，温度过高，可 在窑口下料口篦冷机机堆雪人。窑前温度低时,出现黑火头,烧出的熟料中 fCaO偏高，由于燃料的燃烧条件变差，也易出现燃料不完全燃烧。2.2.4篦

13、冷机及窑内料层厚度的影响当篦冷机篦速快时，熟料料层簿，使二次风温下降,从而影响窑前温度,使燃料 燃烧条件变差，也易出现燃料不完全燃烧，为产生还原料创造了条件。另外，当回转 窑的窑速慢时，回转窑内物料多，填充系数大，一方面减少了窑内通风面积,造成通 风不良,不利于热传导;另一方面燃烧器的喷嘴的位置与窑内物料的填充系数关 系非常大，当填充系数发生变化时，相对来讲喷嘴接近了料层表面，燃烧器位置不 合理,从也为产生还原料产生了条件。3解决还原料的技术措施前面对在实际生产中产生还原料的原因及可能进行了分析，下面针对产生还 原料的可能,采取以下技术措施来解决。(1) 解决工艺设备中存在的问题，缓解窑尾预热

14、器系统结皮和窑内结大球现 象,为防止窑风和窑尾系统通风不畅创造条件，对于窑尾斜坡或缩口,还要定期清理或设置清结皮装置定期清潮，以保障窑内通风。 为了更好反映窑内烧成气氛状况,有条件的企业还可在窑尾设置CO分析仪，使窑内烧成气氛有一个量的指标,更有利于减少还原 料的生。(2) 调整合理的熟料三率值，加强原燃材料的预均化，提高出磨和入窑生料均 匀性和合格率，特别是提高进厂原煤的质量，加强用煤均化管理和控制煤粉质量,从工艺上为防止还原料的产生创造条件。(3) 合理调整燃烧器的位置和内外风的比例。适当的火焰长度、形状和位置, 对保护窑皮对防止产生还原料是非常重要的。生产实践告诉我们三风道燃烧器喷 嘴的

15、位置和火焰高低，对窑皮的厚薄和长短影响很大。离料近,窑皮厚，影响窑内通 风,窑皮厚度一般2025cm为好;离料远，窑皮薄，影响耐火砖的使用寿命。火焰高，窑皮短,容易造 成窑皮厚,且对后部的耐火砖有影响;火焰低，窑皮长，增加窑内填充系数。因此三通道喷煤管必须有一个适当的位置。实践证明，燃 烧器以稍偏于物料表面为宜(如图),图中0点为窑口截面中心,入点为燃烧器中心 线通过窑口截面所处的位置，其坐标可通过计算再结合实际经验大致确定。简化 后的公式为：a = 0-Q4DQCQSe式中：a一燃烧器中心在窑口截面上的位置A点到窑口截面中心0点的距离;D0回转窑烧在带有效平均内径；。一对应于烧成带内物料弓形

16、断面圆心角之半。至于燃烧器喷嘴到窑口的距离，要结合窑皮的长度、形状可在生产中进行调 整移动。图 燃嫣器定待示章图合理调整三风道燃烧器内外风的间隙和比例，增强风煤配合,并适当加大一 次风量，可提高煤粉燃烧速度，使火焰发散，缩短黑火头，防止煤粉不完全燃烧,避免还原气氛的出现，从本质上防止还原料的产生。(4) 提高窑前温度，控制窑尾温度，稳住窑两端及分解炉内温度,调节好通风， 加煤和喂料,控制熟料适当的升重及结粒，实现窑炉 协调,使还原料失去生产的环境。 提高窑前温度提高窑前温度的方法有:加大三通道燃烧器的内流内，增强风煤混合,提高煤 粉燃速度;保证篦冷机篦床料层厚度在50cm 60cm，以提高二、

17、三次风温;窑头控制适当的微负压，不仅有利于生产环境的改 善，还能减少篦冷机的排风量，增大窑内的通风量;降低窑速,适当减少喂料量和加 大喂煤量等。 控制窑尾温度及分解炉温度控制窑尾温度及分解炉温度，在设计要求范围内，温度过低则造成入窑分解 率低,同时使烧成温度降低，不能达到烧结优质熟料所需的温度,烧出的熟料质量差;温度过高，则容易导致窑尾缩口的物料结皮、旋 风筒的堵塞等影响窑内通风,甚至发生工艺故障。 加强风、煤、料的对口调节根据中控系统工艺参数操作，及时正确调整用煤量和通风量,窑头喂煤量和窑尾分解炉喂煤量比例为40%和60%,保护炉中及出口气体温度的稳定,操作中应严格掌握系统内温度和压力的变化

18、，保持系统内 通风良好,防止温度过高或过低，做到:稳定操作、稳定热工制度、稳定下料量，确保分解炉安全稳定运行。 控制适当的熟料结粒及升重熟料结粒大小及容重，虽不是造成还原料形成的原因,但它是还原料产生时 的现象之一，因为大粒熟料的产生原因，一是熟料煅烧中液相主要成分Al2O3、Fe2O3,尤其是Fe2O3含量高时容易产生;二是成分正 常,但烧成温度高，或二者都存在；三是窑料层厚、翻流滚慢，易产生大粒熟料。以上三条产生大粒熟料的原因都可能产生还原气氛，从而产生还原料，因此 要控制好熟料结粒,以预防还原料的产生。至于升重，前面已说过，还原料中出现了 低溶液相，内部结构致密,导致升重升高。另外，由于升重也反映了烧成温度的高 低，也反映了火焰所达到的最高温度,容重高，煅烧火焰温度要高，用煤量相对要增 大，如风煤匹配不合理，易产生还原气氛而使还原料增加，因此升重要控制在适当 的范围，水泥企业管理规程规定升重波动范围在土75g。综合以上所述，只有通过严格规范操作才能有效地避免或缓解还原料的出 现，生产出优质低耗熟料。