【水泥人網】摘要:20世紀70年代，我國水泥行業的科技人員在“全黑生料小料球煅燒”、“預加水成球工藝”、“復合礦化劑”及“立窯低能耗生產水泥”等方面做了大量的工作，較全面地規范、制定了立窯配套工藝生產技術。但是采用傳統的成球盤成球技術，料球中含有高達11%~13%的水分，其在窯內煅燒過程中要吸熱、汽化、蒸發，這部分熱耗很大。
筆者長期從事水泥、玻璃和陶瓷窯用耐火材料科研開發工作，2004年初開始接觸立窯，受高溫工程陶瓷研究中“等粒徑燒結”理論和經驗的啟發，認為采用帶輥滾壓等球徑成球技術，能使立窯拋開沿用近百年的成球盤。本文從制備完全等球徑料球角度出發，探討料球最佳體積堆積及相對化學完全燃燒工況下煅燒熟料變化過程。通過對比傳統的成球盤成球技術工藝，分析當今立窯煅燒存在的問題。借此，也希望水泥行業各界人士共同研討這一課題。
1.傳統成球盤成球（非等球徑）工藝耗能及其他①傳統成球法料球高含水量的危害性：在考慮這部分很大的蒸發料球物理水熱耗時，按料球含水量13%、窯面溫度80℃計，則1kg生料球耗熱量為300kJ.這對整個立窯生產來說，無疑是巨大的能耗。
迄今為止，筆者見過的文獻中除成球水分含量的高低會影響熟料熱耗的結論外，尚未見有深入分析水分在汽化時的巨大破壞力對料球影響的研究。根據氣體膨脹原理，在1個大氣壓下，水在100℃汽化變成水蒸氣時，其體積膨脹近1000倍，溫度越高，膨脹倍數越大。料球入窯后，瞬間接觸高溫火焰氣流時就會發生這種現象。
這種巨大的破壞力或爆破力會對窯況產生巨大影響。絕對含水量越高，即料球越大則爆破率越大。所以，就不能僅僅從球徑大、強度低、傳熱效率低等因素解釋其因果關系了。
料球爆破成碎塊，甚至粉末狀，必然會堵塞窯內空隙，使高溫火焰氣流不暢，增大通風阻力，即使沒有破碎，由于料球收縮率不一致，造成氣流通道寬度差異，也就是說在熱傳遞上從物理學角度分析也是不均熱的。這與等球徑料球在同等條件下所發生的各向同等收縮，能均熱傳遞是不一樣的。
不均質性：立窯生料均化后經預加水，在螺旋給料機內充分均勻攪拌后，這些已有“成球晶核”的料球粉在進入旋轉的成球盤時，由于生料粉組成、容重、細度不同以及碰撞、拋物受力、黏結力度的差異，會使每個直徑相異料球在微觀組分上變成不均質，不會保持入盤前的均質、自然態。
也就是說，成球盤的機械、物理造球運動，破壞了原本均質（生料組成、水、煤粉）、均化和均勻的成球料粉的穩定性，造成微觀組分差異、離析、不均質。因此，從成球機理和實踐上都不可否認傳統成球法料球的必然不均質性。
認識這一點極其重要，熟料形成首先是生料組分中的活化分子進行接觸、碰撞、擴散、遷移、化合，一個均質的微觀環境，通俗地說“一對一”耦合效應是最理想的，不管熟料最終形成過程的機理是“溶解-沉淀”還是“熔融-結晶”。
料球內在的不均質缺陷，在沒有形成熟料反應之前，在物理表觀上必然造成形成水蒸氣以及料球收縮的不均勻性，在達到一定溫度后，更能造成化學反應、燃燒的不均勻和不平衡性。
由此可以推理，由物料運動、燃燒及熟料煅燒工況等“微小”變化產生的宏觀效果，必然影響高溫燃焰，使通風阻力增大、斷面不均衡燃燒及高溫氣流不均勻，更嚴重的甚至會局部過熱、過燒、熔融或局部過冷、生燒、料層結塊，形成孔洞、架窯、結圈、噴窯，自然會使料層物流移動偏離立窯特定設計路線。
對立窯成球主要技術指標規范為：料球有一定機械強度，單位料球承受壓力為400~500g；成球水分控制在11%~13%；料球粒度控制在3~7mm；料球孔隙率控制在30%~35%.這是對近百年來國內外立窯成球工藝技術的經驗總結，也指出了非等球徑料球在立窯煅燒熟料工藝中最佳技術條件，但所有這些始終離不開落后而又沿用百年的成球盤。
設想一下，如果這些料球是等球徑的，球料完全均質，空間堆積空隙率各向均是25.95%，料球之間有充裕的氣流流通空隙，對強大的水蒸氣氣流或CO、CO2有排散和燃燒通道，緩解了壓力，降低了爆球率（即使是大球徑的也會類似），這里且不談值得商榷的水分含量問題。在同等條件下，傳統成球法制備的料球，不管球徑控制在Φ3~7mm還是Φ5~8mm之間，從其一進入窯口時，就產生了緊密堆積問題。堆積體空隙率達不到理想的25.95％。布料的不均勻及料球自然滾動的規律勢必造成縱橫斷面的物料質量和空隙率差，無疑物料會不平衡煅燒、不均勻傳熱、中火和邊火溫差大，這些結癥是本身固有的。所以，不管多么細心調節料層，甚至調整配煤量去適應中料、邊料所需的熱值，以求達到各相平衡的做法都是難以達到目的的。
2.等球徑料球煅燒的原理分析采用等球徑煅燒技術，料球的分布在三維空間堆積是絕對平衡相等的，燃燒是平衡等溫的。等球徑料球堆積模式中，料球在設定的段帶，不會因料球大小和質量差別產生運動的快慢和滯留，熟料會較好地按照拋物線狀層流運動規律下沉。料球中的固體碳在立窯不同帶段，按照燃燒過程、速度及化學反應會合理分布，這就是層段式、分區域溫度設定的差熱、等溫、段帶分級煅燒工藝基礎。不管是回轉窯還是立窯，都離不開物料反應理論工藝基礎，最大差別是立窯煅燒工藝是內燃式的。所以等球徑堆積模式決定了內燃或煅燒質量，也是其核心。其他問題可以看作是枝節。
眾所周知，立窯與回轉窯生產熟料工藝差別，還在于后者在預分解系統內生料已脫水，石灰石已基本分解，入窯后的粉料幾乎全部是非常細小的等粒徑球粒，在窯內被充分混合、翻滾、碰撞接觸，并在不同帶段、不同溫度條件下發生熟料礦物反應。
物料在回轉窯內翻轉、移動，有充分的空氣供給，極少產生二次燃燒（黑火頭）。即燃燒條件是完全充分的，而且是動態的。相比之下，立窯不具備充分燃燒條件，它是在特定條件下靠物料“自重落體”滑動、下沉，在固定段帶幾乎是在“相對封閉”的燃燒系統中進行化學反應，其中包括煤粉燃燒。無疑，這從根本上限定了在研究討論立窯煅燒狀況時，必須以“段帶式封閉系統”為前提。也就是說，要保證在每個段帶根據物料反應所需熱量控制供氧量及溫度。通常所說的“底火”、“中風”、“淺暗火”和“腰風”等術語，大意如此。
這里所提的封閉系統，除了上述各段外，更重要的還有不被人們所認識和重視的料球自身的球體封閉系統。
實際上，該系統在燃燒過程中控制著整個化學燃燒和化學反應，包括礦物的形成和平衡。郝氏反應理論基礎也在于此。
這里需指出的是，立窯現階段設計的料球內燃燒成過程，本質上以料球內的固體燃料（煤粉）在通過適宜溫度煅燒使燃料殘渣（礦物）變為產品熟料的一種特殊氣相湍流、擴散燃燒技術。料球內碳組分的燃燒過程可分兩步：①CaCO3=CaO+CO2，CO2+C=2CO；②料球內孔隙含O2和CO2通過擴散→碳粒接觸反應：2C+O2=2CO，CO2+C=2CO.最終CO通過擴散進入堆積體空隙內，并與其中O2組分反應CO+O2→CO2產生穩流、擴散燃燒。這即是郝氏反應：CaCO3+C→CaO+CO.這種燃燒機理與過程只有在等球徑堆積體模式中達到完善。
從CaCO3起始分解溫度和碳粉燃點溫度看，550~600℃這些多相反應就已開始，從CO+O2→CO2燃燒反應看，科學配煤，等球徑堆積時間空間含O2量、粒球孔隙內含O2量及風機補給O2量能保證完全化學平衡燃燒。
簡言之，只有等球徑料球堆積煅燒立窯水泥熟料模式與工藝技術，才有可能解決立窯煅燒中的化學不完全燃燒等問題。
3.帶輥滾壓成球技術思路①原立窯成球控制系統（除成球盤）；②擋料板。控制料層厚度，如選擇Φ5mm球徑則料層厚度為Φ5mm+0.1mm，其他球徑依此類推；③表面帶有所需1/2球徑排列輥筒。一般是金屬材料，可以是實心的，或是空心的，起滾壓成球作用。可調速調壓；④滾帶。表面帶有與輥筒相耦合的所需1/2球徑排列面，起輸料、成球作用。材質可多樣，耐磨橡膠帶較宜，因有彈性對脫球有利；⑤篩。篩分料球與粉片料；⑥回料提升機。將粉片料碎后返配料系統；⑦滾帶厚度提示。取（Φ/2+2~3）mm（Φ為球徑），或可適當調整；⑧料球倉。
注意帶輥在滾壓時，是否加壓及其加壓大小可控。為便于脫球和清掃帶輥表面，在脫球處裝有反方向毛刷類簡易裝置。
該系統最大優點是能完全可控平面布料，每個料球被均力滾壓、料球均質。其特點：①設備結構簡單，易操作維修；比之沉重、龐大、昂貴的成球盤功耗低；②不產生粉塵污染，料球產量可與傳統法媲美。能保證30%~35%的產球孔隙率；③可大幅降低料球含水量至5%~6%，或更低。能大大節水、降低熱耗與爆球率，實質提高產量至少5%~8%，從根本上突破了傳統成球盤成球的落后理念和工藝；④此工藝從根本上保證了“微觀均質料球”的制備，且強度高；⑤等球徑料球的制備為實現料球最佳堆積和煅燒，為物料運動和礦物生成提供了工藝和理論基礎，為高產、優質、節能及改善工況提供了可行的方法。