原料煆燒豎窯的種類及窯內物料煆燒特性

發布時間：2022/10/14 11:42:35

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℃)、白雲石豎窯(煆燒溫度1600-1650℃)、石灰豎窯(煆燒溫度1200-1300℃)、鎂石豎窯(煆燒溫度1600-1650℃)、高鋁豎窯(煆燒溫度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：強製通風豎窯：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、單位容積利用係數大、設備本身占地麵積小等。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，灰分汙染產品;對入窯的原料塊度有一定的限製，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，並使氣流沿窯截麵均勻分布，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，這種類型適用於煆燒各種耐火原料。這種豎窯結構簡單、堅固，有利於物料順行和均勻下沉，且砌築方便。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鬆，從而使豎窯同一斷麵通風不均，以致物料煆燒不均。

（2）鍛燒帶內徑收縮的圓筒形豎窯：為克服上述缺點，可將煆燒帶內徑略加收縮，這樣可減少物料與窯壁之間的縫隙，從而使氣體沿窯截麵較為均勻分布。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，從而改善物料的煆燒條件，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麵。

（4）矩形豎窯：以重油與煤氣為燃料的豎窯。由於圓形截麵受火焰穿透深度的限製，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，需采用矩形截麵，其容積範圍：白雲石、鎂石、粘土及高鋁原料豎窯，容積都大於50m3;石灰豎窯容積大於100m3。

3）豎窯內各帶的作用豎窯內各帶的作用

（1）原料在豎窯內需曆經三帶：預熱帶、煆燒帶、冷卻帶。

（2）在預熱帶的原料借助於煙氣的熱量進行預熱；在煆燒帶的原料借助於燃料燃燒所放出的熱量進行煆燒;在冷卻帶已煆燒好的原料與鼓入的冷卻空氣進行熱交換，原料被冷卻，而空氣被加熱後進入煆燒帶供助燃用。由於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，就會影響煆燒質量;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）窯體上口直徑等於或略小於窯體下口直徑，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、煆燒帶、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，因為過高不利於落料，過低爐條承受壓力過大，易損傷爐條，其收縮率為25-30%;

（7）設計要有利於原料通過預熱、煆燒、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。然後達到高品高產、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。窯內襯用耐火磚砌築時厚度為0.35m。窗內襯與隔熱層厚度之和不小於1.1-1.2m。

（3）出料口：高2.2m，寬1.8-2.0m。出料口前後窯壁厚度為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，一般在窯體後邊。距窯內壁2.8m左右。下邊口低於的下邊的大爐條;上邊出地麵2m。底圓直徑為0.6m，上口直徑為0.5-0.4m。

（6）吸熱洞：位於工房頂部，直徑為0.4-0.5m，上邊超出地麵2m。

（7）爐帽：位於窯頂，有圓形和方形兩種。以方形為例：高2.2m，內牆距窯壁的近點為0.35m。外牆長、寬均為2.2m。其牆厚度為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，距地麵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%。煙囪出口內徑不小於0.8-1m。

4、豎窯的高徑比

窯的內徑是根據煆燒原料的性質、鍛燒溫度的高低、煆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，難於在全窯體橫截麵上透氣性一致、煆燒均勻，窯內煆燒情況不易掌握。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。對於煆燒耐火級原料，高徑比可取上限4.2，對於煆燒研磨級原料，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：一種是由於物料在煆燒過程中的收縮而引起上層物料(預熱帶與鍛燒帶)的運動;另一種是由於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(而冷卻帶幾乎隻有出料運動)。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，對於保證煆燒帶燃料燃燒所需空氣量的供應、氣體在窯斷麵上的合理分布、降低氣體流動過程的阻力損失、保證豎窯產量、質量等方麵都是有意義的。

（1）豎窯產量與鼓風條件的關係：在豎窯斷麵固定不變時，若空氣流量增加，則氣流速度加快;由於空氣量增多，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、煆燒及冷卻過程，窯的產量、煆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）豎窯斷麵上的氣流分布：由於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，即在窯的同一斷麵上，周邊氣流的分配較中心處為多。由於氣流分配不均勻，致使物料在窯的同一斷麵煆燒不均勻，這一現象稱為窯壁效應。由於斷麵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，由於氣流易於從周邊通過，周邊燃料就較早點燃，且燃燒速度較快;而中心由於流體阻力大，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”煆燒帶。隨著鼓風壓力的提高，空氣供應量充分，整個煆燒帶將向上移動，並相應縮短;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，則煆燒帶向下移動，並且拉長。這樣不僅降低了煆燒溫度，而且冷卻帶變短，影響物料的煆燒與冷卻。

為克服上述現象，應増加周邊流體阻力，均衡窯斷麵通風。為此，須進行合理布料，即將碎料布於周邊，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，並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，並在窯的一定高度處形成零壓麵的壓力製度。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、重油常用於煆燒溫度較高的白雲石或鎂砂豎窯;發生爐煤氣可用於煆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

主要適用於溫度較低的粘土豎窯，其優點是：煤中的灰分不會汙染原料，熟料的純度較高，尤其適用於灰分較多的煤。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）煤的灰分含量應小於20%。灰分過高，一方麵使熱值降低、汙染原料、影響熟料的純度;同時易造成煉窯、結瘤現象。對鎂砂、白雲石質的熟料要求燃料的灰分須低於13%。

（2）煤的粒度控製甚為重要，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，煆燒帶縮短，預熱帶相對增長，煆燒帶產生的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，煆燒帶拉長，火力不集中，且使冷卻帶相應縮短，這樣造成原料煆燒和冷卻的質量欠佳。

入窯燃料粒度要求：對於白雲石、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）燃料的揮發分應小於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汙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。但由於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，原料煆燒不夠均勻，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麵，根據煙氣所能滲透的深度來確定矩形斷麵寬度，以保證沿斷麵均勻煆燒。