技术 | 水泥生料均化机理分析

1 引言

水泥生料通常是由几种原料按比例配制并混合均匀后制成的。因此，只有保证水泥生料的均化质量才能得到质量可靠的熟料，进而得到质量可靠的水泥成品。因而，在水泥生产过程中，水泥生料均化环节需要专业的均化设备。一般来说，不同品种的水泥需要的均化设备不同；不同的均化设备，其内粉体的均化机理不同，因此，不同均化设备的均化效果也不相同。

2 生料均化设备

常用水泥生产的工艺流程有三步：

（1）把水泥原料（石灰石和粘土质）经过采掘、破碎、磨细和均化等环节制成生料；

（2）将生料入窑进行高温煅烧以制备熟料；

（3）将熟料进行再次破碎，并与石膏及其他混合材一起粉磨，并采用合成工艺制成水泥成品，其过程如图 1 所示。

其中在水泥生产中生料制备的方法有干湿之分，一般可按生产方法分为湿法，半干法（或半湿法），干法三类。

在现代水泥的生产中，常采用干法生产方法，并在生料制备过程中采用合成工艺方法将磨细的水泥原料和其他校正材料进行混合均化。各组分的均化程度对水泥熟料的制备有很大影响，对水泥的质量也有重要影响。因此水泥生料一定要用专业的均化设备才能保证混合均匀。其实在水泥的整个生产过程中，许多操作环节都有或多或少的均化行为，比如粉磨、储存和输送等操作过程中。正是如此，过去人们对水泥粉体的混合均化的问题没有得到充分重视，因此在粉体均化研究领域缺少关键技术研究。而事实上，现代水泥一般是采用分别粉磨、合成水泥的工艺，均化环节显然是十分重要的一个环节。特别是水泥生料的均化，除了在采用原料预均化和在粉磨过程中的均化外，最至关重要的是在水泥生料粉磨后，将生料颗粒在生料均化库内进行均化，因而，合理的均化方法及均化设备对水泥质量的保证至关重要。

常用的生料均化设备，按照提供动力的方式可分为机械式和气力式两类。机械式均化设备一般其内部有运动部件对生料进行强制搅拌，并利用生料自身的重力实现对生料层的切割，最终实现生料的均化；气力式均化设备则是通过强气流的的吹射作用对生料进行搅拌，并在重力作用下产生漏斗效应，由于生料颗粒下降时被重力切割成很多层，从而实现生料的均化。一般来说，粉体颗粒的气力均化过程是在料库中完成的，因此这种料库也称为均化库。根据相关资料表明，目前在水泥实际生产过程中，机械式均化设备的使用仍然较多，但随着节能减排及绿色生产的大力提倡，气力式均化设备才是未来粉体颗粒均化领域的最佳选择。这主要是因为气力均化设备不仅均化效果好，而且还具有电耗低、运行可靠、操作简单、投资低、产量大等优点。因此，气力式均化是水泥生产工艺的发展方向，本节因而着重讨论气力均化设备及其分类。

水泥生产中，按均化库操作方式又可分为间歇式均化库和连续式均化库两种。常用的气力均化设备分为间歇式和连续式两种。

2.1 间歇式气力均化库

间歇式气力均化库的作业方法是将物料装入库内并达到一定高度后，透过库底充气箱向库内充入压缩空气，在该气流的作用下物料出现流态化，经过一定时间的充气搅拌，库内的物料逐渐混合均匀，然后将达到均化质量的物料从库中卸出。间歇式气力均化库是水泥生产中最早使用的均化库，这种均化库虽然均化效果很好（可达 15～20），对物料成分波动的适应性强，但是它能耗消耗大，占地多、投资大，不能实现物料均化操作的连续化及自动化。

间歇式气力均化库按供气方式及库内物料的运动状态可分为流化床式（如图 2）、重力式（如图 3）、脉冲旋流式（如图 4）和输送床式（如图 5）等多种类型，其中流化床式均化库应用最为广泛，通常所说的间歇式气力均化库一般都是指的这种库形。在流化床式气力均化库内对物料进行均化时，会同时存在着扩散均化、对流均化和剪切均化这三种均化方式，由于其操作风速必须大于颗粒的临界流化速度，因此气力均化库常用来对粒径较细的物料进行均化。

2.2 连续式气力均化库

在制备水泥的整个工艺流程中，通常要经过粉碎、分级、输送、收集、均化等操作。除了均化环节外的其他环节都是连续作业的，因此，为了使整个生产流程实现连续化，并逐渐向大型化和自动化发展，连续式气力均化库就逐渐成为生料均化的最佳选择。

连续式气力均化库，相对于间歇式气力均化库来讲，不仅具有均化作用，还储存功能。连续式均化是连续的向均化均化库中加料，经过一段时间的混合均化之后，均化完成的物料能连续的从均化库内排出。各种连续式气力均化库在库顶都有相应的进料装置，能够保证连续给料，并能将物料均匀的分布在均化库的整个截面上；在库底则有不同类型的充气装置，使物料在库内产生这种均化作用，从而使出库的物料达到所要求的均化效果。

由上文我们可以得出，连续式气力均化库设备占地少、能耗低、控制方便，更能实现自动化生产，维修费用也很低， 因此，连续式气力均化库更能适应现代水泥的生产及其发展趋势。目前的连续式气力均化库有混合室气力均化库（如图 6），IBAU 中心室均化库（如图 7）、伯力鸠斯 MF 库（如图 8），史密斯 CF 库(如图 9)等。

在水泥生产过程中，常用的连续式气力均化库是混合室均化库。混合室均化库是 20 世纪 60 年代至 70 年代发展起来的一种气力均化库，可以同时对物料进行均化和存储，为了满足这样的双重要求，库的容量必须很大。该均化库相当于一个圆筒形的大储存库，在库的底部有一个专门用于生料搅拌的“小单间”，这个“小单间”即称为混合室，因此，该均化库又俗称为“母子库”。混合室的容积大小一般约占整个均化库容积的 3%～5%。在库的顶部有特殊的进料系统，在底部则有由若干个充气箱组成的充气装置。该特殊的进料系统能使入库的物料在库内均匀的薄料层，入库物料成分的波动情况决定了各曾物料成分的波动值。而底部的充气箱充入的交替强弱气流会使生料层逐渐流态化，最终使生料混合均匀。

3 生料均化机理研究

3.1 生料颗粒的流态化现象

颗粒的流态化现象是指在颗粒气力均化过程中由于通入生料床层的气流速度的大小不同，生料床层出现的不同的运动状态。

将生料颗粒堆积在多孔分布板上使其形成一个粉料层（即床层），当一定强度的气流从下而上通过床层时，生料颗粒将出现类似流体的运动状态。当通入气流强度不同时，生料颗粒床会有不同的运动状态，即分别为固定床、流化床和输送床，如图 10 所示。

（1）固定床

当通过床层的气流速度很小时，料层中颗粒之间的相对位置不会发生改变，气流只能透过颗粒间的空隙而流动，这样的状态即称为固定床状态，如图 2-10（a）所示。由图可以发现，固定床状态时，其床层高L 会维持不变。然而当气流速度增大到一定值时，颗粒间的相对位置开始有所改变，但颗粒还是不能自由移动，这时床层就处于临界（初始）流化状态，如图 2-10（b）所示，床层会略有膨胀，高度也变为L mf 。

（2）流化床

当通过床层的气流速度进一步增大时，床层内的颗粒会在气流的作用下悬浮起来作随机运动，气体对颗粒的作用力和颗粒自身的重力恰好相等，这样的状态即称为流化床状态，如图 10（c）、（d）所示。流化床和固定床相比，床层会发生明显膨胀，其床层高 L 会随着气流速度的增加而增高。

当颗粒处于流化床状态时，床层会表现出类似于液体的性质。如图 2-11 所示，床层表面有类似液体的水平面出现。如图 11（c）所示，颗粒床层间的压差可以由流体静力学理论计算出；如图 11（d）所示，如果颗粒床层中间开孔，那么颗粒会像液体一样从小孔流出； 11（e）所示，当两流化床连通在一起时，两床层之间的颗粒层像流体一样保持在同一水平面。

(3)输送床

如前文所述，当继续增加床层内的气流速度到某一特定值，流化床的上界面就会消失，颗粒随气流向上运动并被带出流化床层，如图 10（e）所示。综上所述，流化床中的颗粒会在气流作用下改变运动状态，因此气流速度的大小决定了颗粒的流化状态。论文所要研究的在混合室均化室内进行的水泥气力均化，首先就要要求床层有一定膨胀，处于流化床状态，那么通过床层的气流速度的计算是十分必要的，因此，为进行对混合室气力均化库内生料颗粒的混合均化过程的流场模拟，必须首先确定通入床层的气流速度。

3.2 生料颗粒的均化机理

在实际的生产过程中，不同的均化设备有不同的结构和工作原理，但上述三种均化机理在各种均化设备中都是同时存在的，只是所占的比重因设备的不同而不同，如表 1。

表 1 几种均化设备中三种均化机理所占的比重

由上文可知，水泥生料的气力混合均化过程的流动状态是聚式流化状态。此时，生料床层中同时存在气泡相和乳化相。气泡相在床层中运动是自下而上的，气泡内的气体分为两部分：一部分在气泡内循环；另一部分从气泡上部逸出，穿过气泡外部的乳化相，再从气泡下部进入气泡，从而形成一个循环运动。在整个循环运动过程中，与运动方向相反的气泡一侧压强比另一侧低，从而形成涡流区。这些生料颗粒在涡流的作用下进入气泡尾部，这时流化床会有部分凹陷，这部分凹陷即为气泡的尾涡，也叫做气泡的迹，如图12 所示。

实际上，被带入尾涡的颗粒不是固定的，而是不断重复旧颗粒被抛出，新颗粒被带入等行为。由于气泡相中夹带有些许生料颗粒，因此当气泡相自下而上运动时，气泡内颗粒随之运动，整个生料流化床得以混合均匀。另一方面，气泡在自下而上的运动过程中，不断推开气泡周围的乳化相，进而使得气泡相运动通道邻近区域的颗粒随之向上运动。与此同时，乳化相内的颗粒被挤到下部原来气泡相所在的位置，因而，生料颗粒在流化床中的运动是在对流混合作用下循环进行完成均化的，如图 12 所示。这种混合形式主要在垂直方向上进行，因此颗粒垂直方向的混合效果比水平方向上要好。另外，气泡的大小对生料颗粒均化效果影响很大，这是因为当气泡较小时，其上升速度慢，可以在床层中运动较长时间，因而使生料均化完全。

此外，当均化库内生料颗粒粒径较小时，流化床状态的颗粒床层膨胀较大，床层空隙率也很大，此时颗粒间容易产生扩散混合作用，这也是流化床中颗粒的混合机理之一。

4 结论

本文对常用水泥生料气力均化设备进行了详细介绍，并重点对均化库内生料颗粒的混合均化机理进行了详细分析。结果表明，在水泥颗粒的气力均化过程中，气流速度的大小会改变水泥生料颗粒的流化状态，为进行对气力均化库内颗粒的混合均化过程的流场模拟，必须首先确定该颗粒的流化速度。

来源：中国水泥备件网微信公众号（关注查询更多资讯）

（本文来源网络，若涉及版权问题，请作者来电或来函联系！）