原料煅燒豎窯的種類及窯內(nèi)物料煅燒特性

1、豎窯的分類及優(yōu)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(nèi)，強化鍛燒過程。自然通風豎窯：窯內(nèi)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(yōu)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(shù)大、設備本身占地面積小等。缺點：窯內(nèi)溫度分布不均勻，因此容易產(chǎn)生欠燒和過燒品;使用焦炭或無煙煤作燃料時，灰分污染產(chǎn)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(chǎn)能力也較小，勞動條件較差。

從豎窯的發(fā)展來看，起初是人工操作，自然通風，定時加出料。隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展，為提高產(chǎn)量、質(zhì)量、改善勞動條件、提高生產(chǎn)效率、降低燃料消耗，逐步實現(xiàn)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(chǎn)的現(xiàn)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(nèi)的運動和氣流在窯內(nèi)的分布無疑都有重要影響。保證窯內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(huán)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(nèi)徑收縮的圓筒形豎窯：為克服上述缺點，可將煅燒帶內(nèi)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(nèi)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(nèi)各帶的作用豎窯內(nèi)各帶的作用

（1）原料在豎窯內(nèi)需歷經(jīng)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(nèi)的停留時間有重要意義，如果停留時間短，就會影響煅燒質(zhì)量;停留時間過長，將使窯的產(chǎn)量降低，熱耗增加，有時也會影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，原料在窯內(nèi)的停留時間須與窯內(nèi)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(nèi)的停留時間，提高窯的產(chǎn)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(jù)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(nèi)停留時間過長，操作困難;

（5）窯壁的收縮率(窯壁向內(nèi)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(wěn)定，不發(fā)生意外事件。然后達到高品高產(chǎn)、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(nèi)傾斜為5-6%。

（2）窯壁厚度：它由窯內(nèi)襯與隔熱層組成。窯內(nèi)襯用耐火磚砌筑時厚度為0.35m。窗內(nèi)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(shù)，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(nèi)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(nèi)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(jù)情況而定。要有一定的坡度，內(nèi)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(nèi)傾斜3%。煙囪出口內(nèi)徑不小于0.8-1m。

 

4、豎窯的高徑比

窯的內(nèi)徑是根據(jù)煅燒原料的性質(zhì)、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(nèi)徑大，產(chǎn)量高。但內(nèi)徑太大，難于在全窯體橫截面上透氣性一致、煅燒均勻，窯內(nèi)煅燒情況不易掌握。一般根據(jù)原料性質(zhì)所需要的鍛燒溫度、產(chǎn)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(nèi)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?shù)母邚奖?，無論過大或過小都會影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(chǎn)量、質(zhì)量等方面都是有意義的。

（1）豎窯產(chǎn)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(chǎn)量、煅燒物料質(zhì)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(jīng)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(huán)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)形成正壓;還有一種為抽出通風，由窯頂抽風，在窯內(nèi)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(nèi)形成既有正壓區(qū)，又有負壓區(qū)，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(fā)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(nèi)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(yōu)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(chǎn)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%。灰分過高，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(xiàn)象。對鎂砂、白云石質(zhì)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(zhì)量。同時，煅燒帶縮短，預熱帶相對增長，煅燒帶產(chǎn)生的CO2經(jīng)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(zhì)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(fā)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(chǎn)生的煙氣通過窯壁火孔進入窯內(nèi)。這種窯可以使用揮發(fā)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(zhì)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(xiàn)生料現(xiàn)象。為克服此現(xiàn)象，外設燃燒室豎窯一般砌成矩形截面，根據(jù)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。