原料煅烧竖窑的种类及窑内物料煅烧特性
2022-10-14 11:49:45 点击：
1、竖窑的分类及优缺点
竖窑(亦称立窑，瓶子窑)是用来锻烧耐火原料及石灰的窑炉。
1）竖窑分类方法
一般可按锻烧物料种类和使用燃料的不同进行分类，也可按送风方式和机械化水平不同进行分类。
（1）按锻烧物料种类不同可分为：粘土竖窑(锻烧温度1300-1400℃)、白云石竖窑(煅烧温度1600-1650℃)、石灰竖窑(煅烧温度1200-1300℃)、镁石竖窑(煅烧温度1600-1650℃)、高铝竖窑(煅烧温度1450-1650℃)
（2）按使用燃料种类可分为：固体燃料竖窑(以焦炭、无烟煤为燃料)、液体燃料竖窑(以重油为燃料)、气体燃料竖窑(焦炉煤气、混合煤气、天然气)
（3）按送风方式不同可分为：强制通风竖窑：采用鼓风机将空气鼓入窑内，强化锻烧过程。自然通风竖窑：窑内气体流动主要靠竖筒本身的自然抽力进行操作。
（4）按机械化程度不同可分为：人工加料竖窑;机械化竖窑，从加料到出料完全机械化。
2）竖窑的优点
设备简单、投资少、单位成品所消耗的燃料少、成本低、单位容积利用系数大、设备本身占地面积小等。缺点：窑内温度分布不均匀，因此容易产生欠烧和过烧品;使用焦炭或无烟煤作燃料时，灰分污染产品;对入窑的原料块度有一定的限制，碎料(<30mm)不能用在竖窑锻烧，造成了资源的浪费，而且竖窑的生产能力也较小，劳动条件较差。
从竖窑的发展来看，起初是人工操作，自然通风，定时加出料。随着生产技术的发展，为提高产量、质量、改善劳动条件、提高生产效率、降低燃料消耗，逐步实现了机械化通风、机械化加料和出料、水冷炉壁、密闭装置等类型的机械化竖窑，使竖窑不断改进，以适应生产的现代化。
图1：直筒型机械化竖窑/水泥竖窑
图2：哑铃型重油石灰竖窑
2、竖窑的结构、形状
1)竖窑的结构
窑体、加料装置、密封装置、汽化冷却装置、卸料装置及通风装置等。
2)窑体的形状
对物料在窑内的运动和气流在窑内的分布无疑都有重要影响。保证窑内物料的均匀下沉和顺行，并使气流沿窑截面均匀分布，是对竖窑体形状的基本要求，其形状大致有以下几种：
（1）直筒形：即上下内径相同的圆筒形，这种类型适用于煅烧各种耐火原料。这种竖窑结构简单、坚固，有利于物料顺行和均匀下沉，且砌筑方便。但物料在窑内自上而下运动时，一旦烧结，体积便会收缩，使其与窑壁间形成环形缝隙，造成窑周边的阻力比窑中间的要小;同时，物料在贴近窑衬处的堆积密度也较中部疏松，从而使竖窑同一断面通风不均，以致物料煅烧不均。
（2）锻烧带内径收缩的圆筒形竖窑：为克服上述缺点，可将煅烧带内径略加收缩，这样可减少物料与窑壁之间的缝隙，从而使气体沿窑截面较为均匀分布。对使用汽化冷却炉壁的竖窑，还可使周边物料在下沉过程中有可能向内翻动，从而改善物料的煅烧条件，减少欠烧品。
（3）哑铃形竖窑：为了扩大窑的容积，常采用预热带和冷却带扩大的哑铃形截面。
（4）矩形竖窑：以重油与煤气为燃料的竖窑。由于圆形截面受火焰穿透深度的限制，窑容积不能太大。因此，设计大容积重油、煤气和外火箱竖窑时，需采用矩形截面，其容积范围：白云石、镁石、粘土及高铝原料竖窑，容积都大于50m3;石灰竖窑容积大于100m3。
3）竖窑内各带的作用竖窑内各带的作用
（1）原料在竖窑内需历经三带：预热带、煅烧带、冷却带。
（2）在预热带的原料借助于烟气的热量进行预热；在煆烧带的原料借助于燃料燃烧所放出的热量进行煅烧;在冷却带已煅烧好的原料与鼓入的冷却空气进行热交换，原料被冷却，而空气被加热后进入煅烧带供助燃用。由于在预热带和冷却带按逆流方式进行热交换，热量得到较好利用。因此，竖窑与其它类型窑比较，有较高的热效率。原料在窑内的停留时间有重要意义，如果停留时间短，就会影响煅烧质量;停留时间过长，将使窑的产量降低，热耗增加，有时也会影响产品质量。因此，原料在窑内的停留时间须与窑内传热情况相配合。如能适当提高锻烧温度，加大气流速度，减少原料块度等，均可加速传热速率，缩短原料在窑内的停留时间，提高窑的产量。
3、喇叭型竖窑的窑型
1)设计原则
（1）窑体上口直径等于或略小于窑体下口直径，有效高度12m;
（2）窑体直径基本上是两头小、中间大;
（3）根据窑体有效高度合理设计预热带、煅烧带、冷却带的各带高度;
（4）高度与直径之比建议在3.8-4.2之间(大不超过4.3)。因为高径比小，原料预热不够，窑顶废气温度过高，热能利用率低;高径比大，原料在窑内停留时间过长，操作困难;
（5）窑壁的收缩率(窑壁向内倾斜)，建议掌握在5-6%之间，因为太小成了直筒型，太大时则窑顶直径太小;
（6）窑尾收缩应在中炉条以上1.2m高处开始向下收缩，因为过高不利于落料，过低炉条承受压力过大，易损伤炉条，其收缩率为25-30%;
（7）设计要有利于原料通过预热、煅烧、冷却三个带不紊乱层位，顺序下沉。易做到操作方便，三带稳定，不发生意外事件。然后达到高品高产、低耗的目的。
2）12m高喇叭型竖窑各部位主要尺寸
（1）窑体有效高度12m，中炉条上1.2m处直径为2.8-3m。窑底直径为2.5-2.6m，窑顶直径为1.6-1.8m，窑壁向内倾斜为5-6%。
（2）窑壁厚度：它由窑内衬与隔热层组成。窑内衬用耐火砖砌筑时厚度为0.35m。窗内衬与隔热层厚度之和不小于1.1-1.2m。
（3）出料口：高2.2m，宽1.8-2.0m。出料口前后窑壁厚度为1.2m。
（4）进料口：高1.6m，宽0.8m。其个数，若炉顶口大，相对开2个进料口。
（5）吸尘洞：与窑体纵向平行，一般在窑体后边。距窑内壁2.8m左右。下边口低于的下边的大炉条;上边出地面2m。底圆直径为0.6m，上口直径为0.5-0.4m。
（6）吸热洞：位于工房顶部，直径为0.4-0.5m，上边超出地面2m。
（7）炉帽：位于窑顶，有圆形和方形两种。以方形为例：高2.2m，内墙距窑壁的近点为0.35m。外墙长、宽均为2.2m。其墙厚度为0.4m(或0.37m)，其中留两对进料口或一个进料口和一个排烟口。
（8）烟囱拐道：是连接烟囱和炉帽的设施，其长短根据情况而定。要有一定的坡度，内部尺寸高0.8m，宽0.7m。出口高度要与烟囱下边留的口吻合，距地面2.5-3m高。
（9）烟囱：高度是窑体有效高的1.5-2倍。外壁向内倾斜3%。烟囱出口内径不小于0.8-1m。
4、竖窑的高径比
窑的内径是根据煅烧原料的性质、锻烧温度的高低、煅烧操作的灵活程度等因素确定的。窑的内径大，产量高。但内径太大，难于在全窑体横截面上透气性一致、煅烧均匀，窑内煅烧情况不易掌握。一般根据原料性质所需要的锻烧温度、产量要求及能量消耗等各种因素确定高径比。
所谓高径比，就是以窑体的有效高度与窑体内径之比，高径比过大，意味着窑体过长，会增加空气透过料层的流体阻力;高径比过小，则窑体过短，热交换来不及充分进行。因此，不适当的高径比，无论过大或过小都会影响产品质量、产量及燃料消耗。
目前，河南省矾土竖窑高径比一般采用3.8-4.2，大不超过4.3。对于煅烧耐火级原料，高径比可取上限4.2，对于煅烧研磨级原料，高径比可取下限3.8。
5、竖窑内物料的运动方式
1)在竖窑中物料与气流呈逆向运动
物料在竖窑中运动的原因有两种：一种是由于物料在煅烧过程中的收缩而引起上层物料(预热带与锻烧带)的运动;另一种是由于下部物料的卸出而引起全窑物料的运动。因此，预热带上层的物料就包含了全部收缩运动与出料运动(而冷却带几乎只有出料运动)。在混料窑中应当包括燃料燃尽所引起的收缩运动。
2)竖窑中的空气由窑底部鼓入或吸入，烟气由上部经烟囱排出
气体在穿过散状料层时，阻力损失很大，每米散状料层阻力可达800-1000Pa。因此，研究竖窑内气体运动，对于保证煅烧带燃料燃烧所需空气量的供应、气体在窑断面上的合理分布、降低气体流动过程的阻力损失、保证竖窑产量、质量等方面都是有意义的。
（1）竖窑产量与鼓风条件的关系：在竖窑断面固定不变时，若空气流量增加，则气流速度加快;由于空气量增多，燃料燃烧速度加快;同时，气流与物料间对流换热増强，从而加快了物料预热、煅烧及冷却过程，窑的产量、煅烧物料质量都可以提高。竖窑一般选用高压离心式鼓风机或罗茨鼓风机。为减少动力消耗，在实际操作中应确定较为经济合理的气流速度。
（2）竖窑断面上的气流分布：由于窑中物料堆积方式不同，将明显影响气体流动过程中的阻力损失。在靠近窑壁处，物料堆积与窑壁之间的孔隙率较物料之间堆积的孔隙率大，加之物料收缩造成环形缝隙，使气流较易从周边通过，即在窑的同一断面上，周边气流的分配较中心处为多。由于气流分配不均匀，致使物料在窑的同一断面煅烧不均匀，这一现象称为窑壁效应。由于断面上的气流不均匀分布，影响锻烧带物料在竖窑中的位置与形状。
例如，用固体燃料的混级料，由于气流易于从周边通过，周边燃料就较早点燃，且燃烧速度较快;而中心由于流体阻力大，气流不易通过，需较晚才能点燃，燃烧过程也进行得较缓慢，从而形成“碗状”煅烧带。随着鼓风压力的提高，空气供应量充分，整个煅烧带将向上移动，并相应缩短;但其周边上火仍比中心处快，故仍呈“碗状”。若窑内阻力很大，鼓风压力低，空气供给不足，则煅烧带向下移动，并且拉长。这样不仅降低了煅烧温度，而且冷却带变短，影响物料的煅烧与冷却。
为克服上述现象，应増加周边流体阻力，均衡窑断面通风。为此，须进行合理布料，即将碎料布于周边，以增加阻力，同时应减少周边燃料量，以降低温度。
为了保证窑内气体正常流动，并维持锻烧带所需空气量，可采用三种不同的通风方式：一种为压入通风，即用风机由窑底鼓入空气，在窑内形成正压;还有一种为抽出通风，由窑顶抽风，在窑内形成负压;第三种为均衡通风，即由窑底进行鼓风，窑顶进行抽风，在窑内形成既有正压区，又有负压区，并在窑的一定高度处形成零压面的压力制度。一般机械化竖窑采用一种通风形式，而自然通风竖窑为二种方式。
6、竖窑中固体燃料燃烧的方法
竖窑中，燃料燃烧放出的热量除供原料烧结外，剩下的是窑衬散失热量，烟气带走热量，这些损失造成竖窑的热效率不高(约50%)。
竖窑中的燃料采用固体、液体、气体三者均可。天然气、重油常用于煅烧温度较高的白云石或镁砂竖窑;发生炉煤气可用于煅烧温度较低的石灰或粘土竖窑。但目前使用量广泛的还是固体燃料(煤和焦炭)。
1）固体燃料在竖窑中的燃烧方法
固体燃料在竖窑中的燃烧方法主要有：窑内燃烧和窑外燃烧室进行燃烧两种。前者又可分为燃料与原料分层交互装料和混合装料两种。
2）外火箱燃烧方式
主要适用于温度较低的粘土竖窑，其优点是：煤中的灰分不会污染原料，熟料的纯度较高，尤其适用于灰分较多的煤。燃料加入竖窑中燃烧时同时传热给原料，这样传热快、产量高、煤耗低、设备也较简单。但这种燃烧方式对燃料有一定的要求：
（1）煤的灰分含量应小于20%。灰分过高，一方面使热值降低、污染原料、影响熟料的纯度;同时易造成炼窑、结瘤现象。对镁砂、白云石质的熟料要求燃料的灰分须低于13%。
（2）煤的粒度控制甚为重要，它影响到燃料燃烧速度和燃烧带的厚度。为了保证原料在锻烧时的停留有足够的时间，煤的粒度与原料的粒度(块度)应有一定的比例。煤粒过小，燃烧时的高温带过分集中，高温带较短，生料在高温带的锻烧时间短，原料的物理化学变化来不及完成，影响熟料的质量。同时，煅烧带缩短，预热带相对增长，煅烧带产生的CO2经预热带时还原为CO的比例增多，造成热耗的加大。如果煤粒过大，则燃烧速度减慢，煅烧带拉长，火力不集中，且使冷却带相应缩短，这样造成原料煅烧和冷却的质量欠佳。
入窑燃料粒度要求：对于白云石、镁砂竖窑，易烧结原料，燃料粒度25-40mm;难烧结原料，燃料粒度40-70mm或25-40mm。石灰竖窑：原料粒度30-70mm，燃料粒度13-25mm或25-40mm;原料粒度70-75mm，燃料粒度25-40mm。
（3）燃料的挥发分应小于7%，以防止化学不完全燃烧的热损失过大。燃料在外设燃烧室中进行燃烧，燃烧产生的烟气通过窑壁火孔进入窑内。这种窑可以使用挥发分含量高的燃料。燃料灰分对原料的粘污也较混料式竖窑为轻，所以这种竖窑使用的燃料种类比较广泛，亦可使用劣质煤。但由于部分热量在燃烧室中散失，故其燃料消耗较混料式竖窑为高。此外，原料煅烧不够均匀，窑中心部位易出现生料现象。为克服此现象，外设燃烧室竖窑一般砌成矩形截面，根据烟气所能渗透的深度来确定矩形断面宽度，以保证沿断面均匀煅烧。
