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      原料煅燒豎窯的種類及窯內物料煅燒特性

      2022-10-14 11:49:45 點擊:
       
      1、豎窯的分類及優缺點
      豎窯(亦稱立窯,瓶子窯)是用來鍛燒耐火原料及石灰的窯爐。
      1)豎窯分類方法
      一般可按鍛燒物料種類和使用燃料的不同進行分類,也可按送風方式和機械化水平不同進行分類。
      (1)按鍛燒物料種類不同可分為:粘土豎窯(鍛燒溫度1300-1400℃)、白云石豎窯(煅燒溫度1600-1650℃)、石灰豎窯(煅燒溫度1200-1300℃)、鎂石豎窯(煅燒溫度1600-1650℃)、高鋁豎窯(煅燒溫度1450-1650℃)
      (2)按使用燃料種類可分為:固體燃料豎窯(以焦炭、無煙煤為燃料)、液體燃料豎窯(以重油為燃料)、氣體燃料豎窯(焦爐煤氣、混合煤氣、天然氣)
      (3)按送風方式不同可分為:強制通風豎窯:采用鼓風機將空氣鼓入窯內,強化鍛燒過程。自然通風豎窯:窯內氣體流動主要靠豎筒本身的自然抽力進行操作。
      (4)按機械化程度不同可分為:人工加料豎窯;機械化豎窯,從加料到出料完全機械化。
      2)豎窯的優點
      設備簡單、投資少、單位成品所消耗的燃料少、成本低、單位容積利用系數大、設備本身占地面積小等。缺點:窯內溫度分布不均勻,因此容易產生欠燒和過燒品;使用焦炭或無煙煤作燃料時,灰分污染產品;對入窯的原料塊度有一定的限制,碎料(<30mm)不能用在豎窯鍛燒,造成了資源的浪費,而且豎窯的生產能力也較小,勞動條件較差。
      從豎窯的發展來看,起初是人工操作,自然通風,定時加出料。隨著生產技術的發展,為提高產量、質量、改善勞動條件、提高生產效率、降低燃料消耗,逐步實現了機械化通風、機械化加料和出料、水冷爐壁、密閉裝置等類型的機械化豎窯,使豎窯不斷改進,以適應生產的現代化。

      圖1:直筒型機械化豎窯/水泥豎窯


      圖2:啞鈴型重油石灰豎窯
       
      2、豎窯的結構、形狀
      1)豎窯的結構
      窯體、加料裝置、密封裝置、汽化冷卻裝置、卸料裝置及通風裝置等。
      2)窯體的形狀
      對物料在窯內的運動和氣流在窯內的分布無疑都有重要影響。保證窯內物料的均勻下沉和順行,并使氣流沿窯截面均勻分布,是對豎窯體形狀的基本要求,其形狀大致有以下幾種:
      (1)直筒形:即上下內徑相同的圓筒形,這種類型適用于煅燒各種耐火原料。這種豎窯結構簡單、堅固,有利于物料順行和均勻下沉,且砌筑方便。但物料在窯內自上而下運動時,一旦燒結,體積便會收縮,使其與窯壁間形成環形縫隙,造成窯周邊的阻力比窯中間的要小;同時,物料在貼近窯襯處的堆積密度也較中部疏松,從而使豎窯同一斷面通風不均,以致物料煅燒不均。
      (2)鍛燒帶內徑收縮的圓筒形豎窯:為克服上述缺點,可將煅燒帶內徑略加收縮,這樣可減少物料與窯壁之間的縫隙,從而使氣體沿窯截面較為均勻分布。對使用汽化冷卻爐壁的豎窯,還可使周邊物料在下沉過程中有可能向內翻動,從而改善物料的煅燒條件,減少欠燒品。
      (3)啞鈴形豎窯:為了擴大窯的容積,常采用預熱帶和冷卻帶擴大的啞鈴形截面。
      (4)矩形豎窯:以重油與煤氣為燃料的豎窯。由于圓形截面受火焰穿透深度的限制,窯容積不能太大。因此,設計大容積重油、煤氣和外火箱豎窯時,需采用矩形截面,其容積范圍:白云石、鎂石、粘土及高鋁原料豎窯,容積都大于50m3;石灰豎窯容積大于100m3。
       
      3)豎窯內各帶的作用豎窯內各帶的作用
      (1)原料在豎窯內需歷經三帶:預熱帶、煅燒帶、冷卻帶。
      (2)在預熱帶的原料借助于煙氣的熱量進行預熱;在煆燒帶的原料借助于燃料燃燒所放出的熱量進行煅燒;在冷卻帶已煅燒好的原料與鼓入的冷卻空氣進行熱交換,原料被冷卻,而空氣被加熱后進入煅燒帶供助燃用。由于在預熱帶和冷卻帶按逆流方式進行熱交換,熱量得到較好利用。因此,豎窯與其它類型窯比較,有較高的熱效率。原料在窯內的停留時間有重要意義,如果停留時間短,就會影響煅燒質量;停留時間過長,將使窯的產量降低,熱耗增加,有時也會影響產品質量。因此,原料在窯內的停留時間須與窯內傳熱情況相配合。如能適當提高鍛燒溫度,加大氣流速度,減少原料塊度等,均可加速傳熱速率,縮短原料在窯內的停留時間,提高窯的產量。
       
      3、喇叭型豎窯的窯型
      1)設計原則
      (1)窯體上口直徑等于或略小于窯體下口直徑,有效高度12m;
      (2)窯體直徑基本上是兩頭小、中間大;
      (3)根據窯體有效高度合理設計預熱帶、煅燒帶、冷卻帶的各帶高度;
      (4)高度與直徑之比建議在3.8-4.2之間(大不超過4.3)。因為高徑比小,原料預熱不夠,窯頂廢氣溫度過高,熱能利用率低;高徑比大,原料在窯內停留時間過長,操作困難;
      (5)窯壁的收縮率(窯壁向內傾斜),建議掌握在5-6%之間,因為太小成了直筒型,太大時則窯頂直徑太小;
      (6)窯尾收縮應在中爐條以上1.2m高處開始向下收縮,因為過高不利于落料,過低爐條承受壓力過大,易損傷爐條,其收縮率為25-30%;
      (7)設計要有利于原料通過預熱、煅燒、冷卻三個帶不紊亂層位,順序下沉。易做到操作方便,三帶穩定,不發生意外事件。然后達到高品高產、低耗的目的。
      2)12m高喇叭型豎窯各部位主要尺寸
      (1)窯體有效高度12m,中爐條上1.2m處直徑為2.8-3m。窯底直徑為2.5-2.6m,窯頂直徑為1.6-1.8m,窯壁向內傾斜為5-6%。
      (2)窯壁厚度:它由窯內襯與隔熱層組成。窯內襯用耐火磚砌筑時厚度為0.35m。窗內襯與隔熱層厚度之和不小于1.1-1.2m。
      (3)出料口:高2.2m,寬1.8-2.0m。出料口前后窯壁厚度為1.2m。
      (4)進料口:高1.6m,寬0.8m。其個數,若爐頂口大,相對開2個進料口。
      (5)吸塵洞:與窯體縱向平行,一般在窯體后邊。距窯內壁2.8m左右。下邊口低于的下邊的大爐條;上邊出地面2m。底圓直徑為0.6m,上口直徑為0.5-0.4m。
      (6)吸熱洞:位于工房頂部,直徑為0.4-0.5m,上邊超出地面2m。
      (7)爐帽:位于窯頂,有圓形和方形兩種。以方形為例:高2.2m,內墻距窯壁的近點為0.35m。外墻長、寬均為2.2m。其墻厚度為0.4m(或0.37m),其中留兩對進料口或一個進料口和一個排煙口。
      (8)煙囪拐道:是連接煙囪和爐帽的設施,其長短根據情況而定。要有一定的坡度,內部尺寸高0.8m,寬0.7m。出口高度要與煙囪下邊留的口吻合,距地面2.5-3m高。
      (9)煙囪:高度是窯體有效高的1.5-2倍。外壁向內傾斜3%。煙囪出口內徑不小于0.8-1m。
       
      4、豎窯的高徑比
      窯的內徑是根據煅燒原料的性質、鍛燒溫度的高低、煅燒操作的靈活程度等因素確定的。窯的內徑大,產量高。但內徑太大,難于在全窯體橫截面上透氣性一致、煅燒均勻,窯內煅燒情況不易掌握。一般根據原料性質所需要的鍛燒溫度、產量要求及能量消耗等各種因素確定高徑比。
      所謂高徑比,就是以窯體的有效高度與窯體內徑之比,高徑比過大,意味著窯體過長,會增加空氣透過料層的流體阻力;高徑比過小,則窯體過短,熱交換來不及充分進行。因此,不適當的高徑比,無論過大或過小都會影響產品質量、產量及燃料消耗。
      目前,河南省礬土豎窯高徑比一般采用3.8-4.2,大不超過4.3。對于煅燒耐火級原料,高徑比可取上限4.2,對于煅燒研磨級原料,高徑比可取下限3.8。
       
      5、豎窯內物料的運動方式
      1)在豎窯中物料與氣流呈逆向運動
      物料在豎窯中運動的原因有兩種:一種是由于物料在煅燒過程中的收縮而引起上層物料(預熱帶與鍛燒帶)的運動;另一種是由于下部物料的卸出而引起全窯物料的運動。因此,預熱帶上層的物料就包含了全部收縮運動與出料運動(而冷卻帶幾乎只有出料運動)。在混料窯中應當包括燃料燃盡所引起的收縮運動。
      2)豎窯中的空氣由窯底部鼓入或吸入,煙氣由上部經煙囪排出
      氣體在穿過散狀料層時,阻力損失很大,每米散狀料層阻力可達800-1000Pa。因此,研究豎窯內氣體運動,對于保證煅燒帶燃料燃燒所需空氣量的供應、氣體在窯斷面上的合理分布、降低氣體流動過程的阻力損失、保證豎窯產量、質量等方面都是有意義的。
      (1)豎窯產量與鼓風條件的關系:在豎窯斷面固定不變時,若空氣流量增加,則氣流速度加快;由于空氣量增多,燃料燃燒速度加快;同時,氣流與物料間對流換熱増強,從而加快了物料預熱、煅燒及冷卻過程,窯的產量、煅燒物料質量都可以提高。豎窯一般選用高壓離心式鼓風機或羅茨鼓風機。為減少動力消耗,在實際操作中應確定較為經濟合理的氣流速度。
      (2)豎窯斷面上的氣流分布:由于窯中物料堆積方式不同,將明顯影響氣體流動過程中的阻力損失。在靠近窯壁處,物料堆積與窯壁之間的孔隙率較物料之間堆積的孔隙率大,加之物料收縮造成環形縫隙,使氣流較易從周邊通過,即在窯的同一斷面上,周邊氣流的分配較中心處為多。由于氣流分配不均勻,致使物料在窯的同一斷面煅燒不均勻,這一現象稱為窯壁效應。由于斷面上的氣流不均勻分布,影響鍛燒帶物料在豎窯中的位置與形狀。
      例如,用固體燃料的混級料,由于氣流易于從周邊通過,周邊燃料就較早點燃,且燃燒速度較快;而中心由于流體阻力大,氣流不易通過,需較晚才能點燃,燃燒過程也進行得較緩慢,從而形成“碗狀”煅燒帶。隨著鼓風壓力的提高,空氣供應量充分,整個煅燒帶將向上移動,并相應縮短;但其周邊上火仍比中心處快,故仍呈“碗狀”。若窯內阻力很大,鼓風壓力低,空氣供給不足,則煅燒帶向下移動,并且拉長。這樣不僅降低了煅燒溫度,而且冷卻帶變短,影響物料的煅燒與冷卻。
      為克服上述現象,應増加周邊流體阻力,均衡窯斷面通風。為此,須進行合理布料,即將碎料布于周邊,以增加阻力,同時應減少周邊燃料量,以降低溫度。
      為了保證窯內氣體正常流動,并維持鍛燒帶所需空氣量,可采用三種不同的通風方式:一種為壓入通風,即用風機由窯底鼓入空氣,在窯內形成正壓;還有一種為抽出通風,由窯頂抽風,在窯內形成負壓;第三種為均衡通風,即由窯底進行鼓風,窯頂進行抽風,在窯內形成既有正壓區,又有負壓區,并在窯的一定高度處形成零壓面的壓力制度。一般機械化豎窯采用一種通風形式,而自然通風豎窯為二種方式。
       
      6、豎窯中固體燃料燃燒的方法
      豎窯中,燃料燃燒放出的熱量除供原料燒結外,剩下的是窯襯散失熱量,煙氣帶走熱量,這些損失造成豎窯的熱效率不高(約50%)。
      豎窯中的燃料采用固體、液體、氣體三者均可。天然氣、重油常用于煅燒溫度較高的白云石或鎂砂豎窯;發生爐煤氣可用于煅燒溫度較低的石灰或粘土豎窯。但目前使用量廣泛的還是固體燃料(煤和焦炭)。
      1)固體燃料在豎窯中的燃燒方法
      固體燃料在豎窯中的燃燒方法主要有:窯內燃燒和窯外燃燒室進行燃燒兩種。前者又可分為燃料與原料分層交互裝料和混合裝料兩種。
      2)外火箱燃燒方式
      主要適用于溫度較低的粘土豎窯,其優點是:煤中的灰分不會污染原料,熟料的純度較高,尤其適用于灰分較多的煤。燃料加入豎窯中燃燒時同時傳熱給原料,這樣傳熱快、產量高、煤耗低、設備也較簡單。但這種燃燒方式對燃料有一定的要求:
      (1)煤的灰分含量應小于20%?;曳诌^高,一方面使熱值降低、污染原料、影響熟料的純度;同時易造成煉窯、結瘤現象。對鎂砂、白云石質的熟料要求燃料的灰分須低于13%。
      (2)煤的粒度控制甚為重要,它影響到燃料燃燒速度和燃燒帶的厚度。為了保證原料在鍛燒時的停留有足夠的時間,煤的粒度與原料的粒度(塊度)應有一定的比例。煤粒過小,燃燒時的高溫帶過分集中,高溫帶較短,生料在高溫帶的鍛燒時間短,原料的物理化學變化來不及完成,影響熟料的質量。同時,煅燒帶縮短,預熱帶相對增長,煅燒帶產生的CO2經預熱帶時還原為CO的比例增多,造成熱耗的加大。如果煤粒過大,則燃燒速度減慢,煅燒帶拉長,火力不集中,且使冷卻帶相應縮短,這樣造成原料煅燒和冷卻的質量欠佳。
      入窯燃料粒度要求:對于白云石、鎂砂豎窯,易燒結原料,燃料粒度25-40mm;難燒結原料,燃料粒度40-70mm或25-40mm。石灰豎窯: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)燃料的揮發分應小于7%,以防止化學不完全燃燒的熱損失過大。燃料在外設燃燒室中進行燃燒,燃燒產生的煙氣通過窯壁火孔進入窯內。這種窯可以使用揮發分含量高的燃料。燃料灰分對原料的粘污也較混料式豎窯為輕,所以這種豎窯使用的燃料種類比較廣泛,亦可使用劣質煤。但由于部分熱量在燃燒室中散失,故其燃料消耗較混料式豎窯為高。此外,原料煅燒不夠均勻,窯中心部位易出現生料現象。為克服此現象,外設燃燒室豎窯一般砌成矩形截面,根據煙氣所能滲透的深度來確定矩形斷面寬度,以保證沿斷面均勻煅燒。
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