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+O2→CO2+408630J/molC+12O2→CO+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,A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,至使烧成温度较低,给A矿形成造成困难,所以A矿数量少。此外,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矿称为铬阿利特。Cr2O3主要来自窑中的铬质耐火材料,含MnO的熟料呈绿色的主要原因是β-C2S和MnO形成固溶体,在C2S-Mn2S系统中形成绿色橄榄石(CaO·MnO·SiO2),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+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:2C4AF→C6A2F+C2FC6A2F+CO→2C3A+2FeO+CO2↑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、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、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,至使黑火头变长;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。
2.1.4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