专利名称：窑头外投料煅烧高活性混合材的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水泥生产方法。具体而言，本发明涉及一种对水泥回转窑生产水泥熟料方法的重大改进，即一种通过窑头外“二次投料煅烧”，从而煅烧高活性混合材，进而增加水泥产量的生产方法。本发明的方法还涉及一种简便易行、节能高效、成本低廉地利用工矿业废渣作为物料进行煅烧从而增加水泥产量的生产方法。同时，本发明的方法还涉及一种在水泥熟料生产中提高能源利用效率，降低水泥熟料生产煤耗，并增加余热发电的发电量的方法。另外，本发明还涉及用于实施本发明方法的设备。
背景技术：
水泥为粉末状水硬性无机胶凝材料，其经加水搅拌后可形成浆体，能将砂、石、钢材等材料牢固地胶结在一起，并在空气或水中硬化，是目前建筑行业中用途最广、用量最大的材料。水泥虽然价格较低，但消费量巨大，在建筑成本中占有重要份额。近年来，随着社会经济的发展，我国水泥行业发展迅速，其生产和消费量约占世界总量的45%左右。2010年我国水泥产量达到18. 8亿吨，并具有相当大的发展空间。目前，我国水泥行业普遍采用干法/湿法回转窑生产工艺，以及窑外预热分解技术。以硅酸盐类水泥为例，通常可将其工艺概括为“两磨一烧”，即生料制备，熟料煅烧，和水泥粉磨。其中“生料制备”是指，把石灰石、粘土和其它辅助生料等经过物理处理，如破碎和粉磨，形成适于烧成系统所需要的生料；“熟料煅烧”由窑外预热分解、窑内煅烧等过程组成，经预热和分解的生料被送入回转窑内进行高温煅烧，烧成温度约为1250°C至1450°C， 以实现熟料的烧成，烧成后的高温熟料从窑头卸出，经篦冷机等熟料冷却机冷却，输送至储存区或熟料磨机；“水泥粉磨”是水泥制造的最后工序，其将水泥熟料、混合材和必要的性能调节材料/胶凝剂等粉磨至适宜的粒度，最终形成水泥成品。另外，大部分水泥生产线都配备了热风利用和余热发电装置。在上述生产工艺中，需要特别指出的是，经过大约1250°C至1450°C烧成后的熟料保持了较高的温度，一般窑头卸料温度约为900°C至1200°C。为了保证熟料成分的矿物活性，进而保证成品水泥的品质，一般需要将该煅烧后的熟料经急冷而使其温度迅速下降。因此，通常采用篦冷机或其它冷却装置对熟料进行冷却。例如，通过在篦冷机中自下而上吹入冷空气。通常情况下，为了使该高温能量得到充分利用，篦冷机的第一段、第二段的冷却风经熟料加热后，平均温度在大约900°C左右，一部分引出送入回转窑煅烧区，另一部分引出进入窑外分解装置，分别用于水泥熟料的煅烧和水泥原料的分解等。篦冷机第三段冷却风的平均温度在400°C左右，可以用于余热发电和/或用作煤磨的热源等。但即使如此，煅烧熟料本身带有的热量也未被充分利用。例如CN101407382A中披露了一种干法水泥余热中窑头余热锅炉取风工艺的控制方法及其装置，该发明涉及了通过控制和调节熟料温度、熟料流量、熟料粒径、料层厚度、蓖冷机速度和风量/风速等，在蓖冷机60(TC至20(TC区域取风的技术。此外，在现有水泥生产工艺中，为了减少环境污染、降低成本和提高水泥产量，在水泥生料配制，以及混合材应用中，普遍使用工业废渣、矿渣、采矿废弃物等材料，例如粉煤灰、煤矸石、高炉矿渣、电石渣等。甚至，现有技术涉及了直接大量使用工业废渣、矿渣、采矿废弃物等材料生产水泥的方法。例如CN1072159A公开了一种低温煅烧水泥熟料的方法。该方法使用粉煤灰、煤矸石、钢渣、劣质煤等工业废料，采用沸腾炉或流化床，在950°C至 1100°C煅烧形成水泥熟料。但是，该方法需要对原料粉磨0. 08筛余不大于10%，并采用沸腾炉或流化床。CN1057821A中公开了一种低温水泥生产方法。该方法采用煤矸石和生石灰为主要原料，通过常压蒸养，750°C至850°C流化床煅烧，生产水泥熟料。该方法存在的主要问题是，需要对原料组合物进行长时间蒸养，100°C，4至10小时，并需要加入晶种。该方法受蒸养时间长，流化床产能有限等条件限制，难以实现大规模应用。CN1546410A也公开了类似的大量利用煤矸石生产复合水泥的方法。该方法需要在高温煅烧炉中对粉磨后的原料组合物进行煅烧，煅烧温度在600°C至1000°C，煅烧时间1. 5至2. 5小时，并使用碱金属或碱土金属激发剂。CN11M724A还公开了一种采用立式煅烧窑，在1000°C至1500°C煅烧，利用煤矸石等生产水泥掺合料的方法。该方法需要高温煅烧6至10小时，并用水冷却烧结料。综合以上现有技术可知，在水泥工业领域，人们在使用工业废渣、矿渣和采矿废弃物等材料生产水泥方面进行了大量的探索和实践，但是这些方法通常需要特殊的煅烧设备和/或蒸养设备，专门的生产线，加入晶种或激发剂，以及对原料进行粉磨等实施条件，这些因素导致水泥生产效率较低，质量不够稳定，能源消耗较大，最重要的是这些方法都不能与现行的干法/湿法回转窑生产工艺相融合或结合，所以难以得到广泛应用和推广。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种利用回转窑水泥生产线，通过窑头外“二次投料煅烧”，煅烧出高性能的混合材，进而提高水泥产量的方法。本发明的另一个目的是提供一种简便易行、节能高效、成本低廉地利用工矿业废渣提高水泥产量的方法。本发明的另一个目的是提供一种在水泥熟料生产中提高能源利用效率，降低水泥熟料生产煤耗，并增加余热发电的发电量的方法。本发明的另一个目的是提供用于实施上述煅烧高活性混合材生产方法的设备，以及对生产线上相关设备的改造。本发明的另一个目的是提供一种实施上述生产方法所生产的水泥熟料及水泥。为了便于理解本发明的技术方案，首先对本发明所涉及的术语作如下定义本发明所称的术语“二次投料煅烧”是指，相对于在回转窑内进行的常规生料投料和熟料煅烧而言，本发明在回转窑窑头部位外侧，二次投入(最好具有一定热值)可在较低温度下经煅烧形成水泥活性成分的物料或物料组合物，利用从窑头卸出的高温熟料的温度进行煅烧，该二次投料及煅烧不是发生在回转窑内，而是发生在回转窑窑头部位之外的窑头罩内和篦冷机内。所以，相对于在回转窑内进行的投料煅烧而言，本发明的方法所涉及的投料煅烧被定义为“二次投料煅烧”，所投入的物料被定义为“二次投入煅烧物料”或“二次投入物料”。本发明所使用的术语“窑头外”是指回转窑的旋转窑体窑头端之外，通常在此位置布置了窑头罩和篦冷机等装置。
从窑头卸出的高温熟料，被称为“卸出料”。而本发明所述的提高水泥产量，实际上是指得到的水泥熟料包括来自回转窑经高温煅烧的“卸出料”和经“窑头外” “二次投料煅烧”形成的高活性混合材。本发明所述的“高温煅烧”，是指通常的回转窑煅烧之烧成温度，约为1250°C至 1450°C ；所述的二次煅烧温度或较低煅烧温度或低温煅烧之温度，不高于1100°C，一般约为 800 °C 至 1100°C。本发明所述的“混合材”，是指经二次煅烧后的物料。本发明所述的“水泥熟料混合物”是指经二次煅烧后的物料和从窑头卸出的物料的混合物。具体而言，本发明的技术方案如下一方面，本发明提供一种窑头外投料煅烧活性混合材的方法，所述方法包括以下步骤在经回转窑高温煅烧的熟料通过窑头罩进入篦冷机时，通过窑头外二次投入可在较低温度下经煅烧形成水泥活性成分的物料，进行低温煅烧。其中二次投入的物料如具有热值，经煅烧产生的热量可以用于提高二次和三次风温以及用于发电，因而可以具有节煤和增加余热发电量的效果。因此，本发明的方法还是一种节煤和增加余热发电量的方法。其中“窑头外”可以是窑头罩和/或篦冷机靠近窑头罩的位置处。其中，所述物料为经700°C至1200°C煅烧形成为水泥活性成分的物料，所述物料具有的热值为其具有的热值为OKJ/kg至12000KJ/kg，优选100KJ/kg至12000KJ/kg ；优选地，所述物料的最大颗粒直径小于5cm，优选小于2cm。通常，所述物料包含第一原料，所述第一原料选自煤矸石、油页岩、石煤、粘土、河湖淤泥、页岩、废渣土和泥炭中的一种或几种，优选为煤矸石、页岩、石煤、泥炭中的一种或几种，进一步优选煤矸石。此外，所述物料还可以包含发热量较高的第二原料，用于补充第一原料的含热值的不足，从而提高物料的含热值；并且，所述物料还可以包含含钙值较高的第三原料，用于补充第一原料的含钙值的不足，从而提高物料的含钙值。其中，所述第二原料选自劣质煤、废焦碳、泥炭和废石墨中的一种或几种；所述第三原料为电石渣。在从窑头外二次投入物料，所述物料的投入量为经回转窑高温煅烧的熟料的重量的至100%，优选为5%至70%。投入的物料为可在较低温度下经煅烧形成为水泥活性成分的物料，此较低煅烧温度为 7000CM 1200°C，优选 7500CM 1100°Co另一方面，本发明还提供了根据上述方法生产的水泥熟料混合物。再一方面，本发明提供了一种提高水泥产量以及热能利用率的回转窑的水泥生产设备，所述生产设备包括回转窑(12)、窑头罩(11)、篦冷机(9)，在所述回转窑的窑头(18) 外的窑头罩的罩体上和/或篦冷机处设置有投料口(16)，用于向窑头罩和篦冷机内投入物料。
并且，所述投料口(16)可以为一个或多个，并且可以设置于所述窑头罩(11)的罩体的侧面和/或顶部以及篦冷机处。优选地，所述生产设备还可以包括物料输送装置，其将要投入的物料输送至所述投料口(16)。以下是本发明的详细描述本发明的上述目的是采用如下技术方案来实现的如按照现有的回转窑水泥生产工艺进行熟料烧成，所得熟料的烧成温度如前所述大约在1250°C至1450°C。经高温煅烧的熟料，通过窑头卸出，进入窑头罩和篦冷机，卸出料的温度约在900°C至1200°C。常规水泥生产工艺是，采用篦冷机对上述熟料进行冷却，冷却至大约200°C后，将熟料入库或送水泥粉磨。当然还可包括从篦冷机上部引出热风，用于高温煅烧和窑外预分解，以及利用余热发电等。相比之下，本发明的水泥生产方法是，充分利用了从窑头卸出的高温熟料的温度，通过在窑头外二次投入(具有一定热值)可在较低温度下经煅烧形成水泥活性成分的物料，在窑头罩和篦冷机内完成对二次投入物料的煅烧， 并与从窑头卸出的熟料一同冷却，共同构成本发明的水泥熟料混合物。由于被煅烧的煤矸石等物料经快速煅烧又被急速冷却，其活性远高于一般水泥混合材的活性，因而在磨制同等质量水泥时，熟料使用量下降，从而提高水泥的产量。所述的二次煅烧温度，最高温度一般不超过1200°C，不低于700°C。优选的煅烧温度范围，大约为750°C至1100°C。具体煅烧温度选择，随二次投入的物料不同而变化。可以通过在窑头罩侧部和/或上部设置的一个或多个投料口进行物料的二次投入，也可以通过在篦冷机接近窑头位置设置的一个或多个投料口进行，当然如果必要，还可以通过上述两个位置都设置投料口进行投料。本领域技术人员可以根据实际生产情况进行投料口的设置，只要可以实现本发明的生产方法即可。所述二次投入的物料从投料口投入后，随着从回转窑卸出的高温熟料一同滚落， 相对均勻地平铺在从窑头卸出的高温熟料的表层上面，并随篦冷机向前移动。所述的二次投入最好具有一定热值并可在较低温度下煅烧形成水泥活性成分的物料，主要选自工业废渣、矿渣和采矿废弃物等材料，例如煤矸石、石煤，也可以选自粘土、 河湖淤泥、页岩和废渣土等。另外，根据需要可加入适量的含碳材料，如劣质煤、石煤、废石墨和泥炭等，以补充所述物料的热值。另外，根据需要还可以加入适量的钙质原料，例如熟石灰、电石渣等，以补充所述物料含钙量不足。在现有技术中，已有若干篇文献披露了利用煤矸石作为主要原料，生产低温水泥的工艺方法，这里可以部分地引用，但仅作参考。相信本领域普通技术人员，可以在理解本发明的核心技术方案之后，根据因地制宜所选用的主要原料，完成本发明所述物料的组成配比。当然这些为实现本发明目的而完成的物料配比方案，均在本发明所要求的保护范围之内。本发明优选使用煤矸石作为二次投料的主要原料。煤矸石是夹杂在煤层中的含碳量较低、比煤更坚硬的岩石，是采煤和洗煤过程中排出的固体废弃物的总称。由于煤矸石的化学成分中含有硅、钙和碳，甚至某些矿山的煤矸石的成分接近于水泥生料，可以直接破碎后用作本发明所述的二次投入物料。当然，以煤矸石作为主要原料，适当地补充钙质原料和 /或含碳原料可以扩大对煤矸石的选择范围，并提高煤矸石的加入量，从而提高水泥产量。本发明还可以使用粘土、河湖淤泥、页岩、废渣土等作为二次投料的主要原料。以使用河湖淤泥为例，同样也可以取得良好效果。由于此类原料通常碳含量为0或非常低，即不含有热值，所以必要时在配料时可加入含热值较高的材料，如劣质煤等、热值较高的煤矸石等。不言而喻，按照本发明的指示，选用其它工矿业废弃物或城建废弃物作为二次投料的主要原料，或者选用其中的一种或多种进行组合作为为二次投料的主要原料，也可以实现本发明的目的。本发明所述的二次投入煅烧物料一般不需要进行粉磨、蒸养、预分解等耗能工艺步骤，只需简单地破碎到一定粒度即可。例如，使用常规的破碎机，将所述物料破碎到最大颗粒直径小于约5cm、优选小于约2cm的颗粒，优选最大颗粒直径小于约2cm的颗粒。本发明所述的二次投入煅烧物料的量为，相对于从回转窑卸出熟料重量的约
至100% (重量)。如果投入量过小，水泥增产效果不明显；如果投入量过大，有可能降低本发明水泥的质量。本发明优选的二次投入煅烧物料的量为，相对于从回转窑卸出熟料重量的约5%至70% (重量)。应该理解，按照本发明的指示，投入量超过70%，甚至100%或以上都是可能的，这要视所投入物料的质量而定。只要不明显降低水泥质量，或明显减少总混合材的加入量，都是可行的，也都在本发明所要求保护的范围之内。本发明所述的二次投入煅烧物料最好含有一定热值，其所含热值用发热量表示， 一般在约100KJ/kg至12000KJ/kg范围。发热量过低，物料投入后会影响二次风温度，增加旋窑煅烧煤耗和减少余热发电。发热量过高，则会造成局部过烧，温度过高，会对篦冷机中需要冷却的回转窑卸出熟料的质量产生不利影响。用于本发明的二次投入煅烧物料，有的不需要添加任何其它含碳材料，即可直接应用。但从广义上说，添加适量的含碳材料可以扩大主要原料的适应性和可选范围。总而言之，按照本发明的指示，对本领域普通技术人员而言，将二次投入煅烧物料的热值控制在适当范围内，都可以实施本发明。本发明所述的二次投料煅烧随篦冷机前进完成，一般不需要特别复杂地调节其运行速度，但可以适当地调节篦冷机内各区段的风量和风速，以便二次投入煅烧物料被充分煅烧。这里要特别说明的是，事实上二次投入煅烧物料相对均勻地平铺在从窑头卸出的高温熟料的表层上面，而篦冷机冷风从下向上吹送，冷风穿过卸出料层对高温熟料进行冷却， 同时给在其表层上面所进行的二次煅烧提供氧气助燃或高温加热煅烧。由于向上送风，二次煅烧火焰向上，所以不会对卸出料的冷却进程产生不利影响，这也正是本发明巧妙和非显而易见之所在。另外一个意想不到的附带效果是，当二次投入煅烧物料含有可燃物时，其燃烧发热提高了向回转窑送风和分解炉送风的温度从而节约熟料烧成的煤耗，同时还提高了余热发电的发电量。根据本发明的具体实施方式
，以煤矸石作为二次投料煅烧物料、并以现行的水泥回转窑生产线设备为例，可以通过下述工艺步骤实施本发明水泥原料经预处理后经分解炉进入回转窑，在该回转窑中经过高温煅烧后成为经煅烧的熟料，然后从窑头卸料进入篦冷机进行急冷处理。在回转窑的窑头罩上开设有投料口，通过该投料口将经过预处理的煤矸石输送进篦冷机内，二次投入煅烧物料随卸出料滚落，相对均勻地平铺在从窑头卸出的高温熟料的表层上面，形成一层煤矸石物料层，并随篦冷机输送带向前传送。此时，由于卸出的高温煅烧熟料本身所带有的高温，并且煤矸石通常在700°C至1000°C左右燃烧，因此煤矸石被高温煅烧和燃烧，即“二次投料煅烧”。经煅烧的煤矸石成为水泥的活性成分。此外，此二次煅烧还可以使进入回转窑、分解炉内的二次风温和用于余热发电的三次风温明显提高，从而大大节约了窑头煤耗和分解炉煤耗，其被煅烧时产生的热量可进一步提高余热发电的发电量。与现有技术相比，本发明的生产方法主要包括在回转窑的窑头罩上设置开口，经该开口从蓖冷机的上部即窑头加入经破碎好的可以作为水泥活性成分的煤矸石、页岩、石煤或泥炭等，这些物料与经煅烧的高温熟料组合，由于高温熟料本身带有的热量在篦冷机中、在高温熟料的上部被迅速煅烧，再被快速冷却生成活性很高的水泥混合材，从而增加了水泥成分，提高了水泥产量。同时由于这些物质的煅烧和自燃产生的热量，从而使进入回转窑、分解炉内的风温和用于余热发电的风温明显提高，从而大大节约了窑头煤和分解炉煤， 并且余热发电量增加(见图3、4)。特别是在低发热量煤炭和高发热量煤炭差价显著的地区，可以使用较低发热量的煤炭来代替高发热量的煤炭，例如用5000大卡的煤替代5500大卡的煤，从而大大降低煤的采购成本，而且，由于二次、三次风温的提高，还可以用无烟煤来代替烟煤，在无烟煤和烟煤差价大的地区就可以大大节约煤的采购成本。除上述技术效果外，本发明还至少具有以下有益效果(1)本发明所加入的进行二次煅烧的物料可以采用煤矸石、劣质煤、页岩、石煤或泥炭、废土等工矿业所产利用价值低的物料，因此可以明显降低水泥生产成本，较大地提高了水泥行业的产出值；(2)在实施本发明的生产方法时，仅需要在现有水泥生产设备上增加一个或多个可以通过窑头加入二次煅烧物料的投料装置即可实施。因此，设备改进方法简单，无需投入过多的设备改进成本。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案及有益效果，其中图1是本发明的回转窑水泥生产设备的示意图，其中12为回转窑，11为窑头罩，9 为篦冷机，16为投料口，18为窑头；其中箭头表示二次投入物料进入窑头罩的方向。图2是单独采用煤矸石作为物料，其不同加入量对本发明水泥强度的影响曲线图。图3是单独采用煤矸石作为物料，其不同加入量与二次风和三次风温度以及余热发热量的变化曲线图。图4是煤矸石混合物不同加入量对本发明水泥强度的影响曲线图。
具体实施例方式下面通过实施例详细说明本发明，应当理解，下述实施例仅用于说明本发明，而不以任何方式限制本发明的范围。实施例1以煤矸石为二次投料的物料现以煤矸石作为二次投料的物料，说明本发明的水泥生产方法。如图1所示，本发明的回转窑水泥生产设备中12为回转窑，11为窑头罩，9为篦冷机，16为投料口，17为物料输送装置，18为窑头，19为料仓。在经回转窑高温煅烧的熟料通过窑头罩进入篦冷机时，从投料口(16)投入平均热量为1600KJ/kg的煤矸石，投入量为经回转窑高温煅烧的熟料产出量的25%，并且该煤矸石已预先破碎成直径小于2cm的粒料。投入的煤矸石随着从回转窑卸出的高温熟料一同滚落到篦冷机上，相对均勻地平铺在从窑头卸出的高温熟料的表层上面，并随篦冷机向前移动。此时，从篦冷机的下方自下向上吹入冷风，冷风穿过料层对高温熟料进行冷却。由于从回转窑卸出的熟料本身带有900°C至1200°C的高温，并且所吹入的冷风进一步提供了助燃的氧气，因此二次投料的煤矸石在高温和氧气作用下被迅速加热煅烧，并在篦冷机内快速冷却。经煅烧后单独检出煤矸石，经分析化学成份如下表1 表 权利要求
1.一种窑头外投料煅烧活性混合材的方法，所述方法包括以下步骤在经回转窑高温煅烧的熟料通过窑头罩进入篦冷机时，通过窑头外二次投入可在较低温度下经煅烧形成水泥活性成分的物料，进行低温煅烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窑头外为窑头罩和/或篦冷机靠近窑头罩位置处。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述物料为经700°C 1200°C煅烧形成为水泥活性成分的物料，其具有的热值为OKJ/kg至12000KJ/kg，优选100KJ/kg至 12000KJ/kg ；优选地，所述物料的最大颗粒直径小于5cm，优选最大颗粒直径小于2cm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述物料包含第一原料，且所述第一原料选自煤矸石、油页岩、石煤、粘土、河湖淤泥、页岩、废渣土和泥炭中的一种或几种；优选为煤矸石、页岩、石煤和泥炭中的一种或几种，进一步优选煤矸石。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述物料还包含发热量较高的第二原料；优选地，所述物料还包含含钙值较高的第三原料；优选地，所述第二原料选自煤、劣质煤、废焦碳、泥炭和废石墨中的一种或几种；所述第三原料为电石渣。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述物料的投入量为经回转窑高温煅烧的熟料的重量的至100%，优选为5%至70%。
7.根据权利要求1至6中任一项中所述的方法，其特征在于，所述低温煅烧温度为 700°C至 1200°C，优选 750°C至 1100°C。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的方法生产的水泥熟料混合物。
9.一种提高水泥产量以及热能利用率的回转窑水泥生产设备，所述生产设备包括回转窑(12)、窑头罩(11)、篦冷机(9)，其特征在于，在所述回转窑的窑头(18)外的窑头罩(11) 的罩体上和/或篦冷机处设置有投料口(16)，用于向窑头罩和/或篦冷机内投入物料。
10.根据权利要求9所述的生产设备，其特征在于，所述投料口(16)为一个或多个，位于所述窑头罩(11)的罩体的侧面和/或顶部以及篦冷机处。
11.根据权利要求9或10所述的生产设备，其特征在于，所述生产设备还包括物料输送装置，用于将所述物料输送至所述投料口(16)。
全文摘要
本发明提供一种窑头外投料煅烧活性混合材的方法。所述方法包括二次投入具有一定热值并可在较低温度下经煅烧形成水泥活性成分的物料，进行低温煅烧。该二次投料及煅烧不是发生在回转窑内，而是发生在回转窑窑头部位之外的窑头罩内和篦冷机内。本发明还提供一种简便易行、节能高效、成本低廉地利用工矿业废渣提高水泥综合产量的方法。并且，本发明还提供一种通过用劣质煤、煤矸石、石煤等低价值材料煅烧而节煤和增加余热发电量的方法。此外，本发明还提供了用于实施该方法的水泥生产设备，该设备包括在在窑头罩和/或篦冷机上设置二次投料的投料口。
文档编号C04B7/24GK102464458SQ201110385259
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者齐正良 申请人:泸州兰良水泥有限公司