一种辅助煅烧水泥熟料的微波窑及其微波煅烧方法

摘要

本发明公开一种辅助煅烧水泥熟料的微波窑，包括底部安装有风机的窑炉，还包括旋转窑罩、驱动机构、固定窑罩、布料器、微波发生器和波导管；所述旋转窑罩安装在窑炉的炉口。本发明的微波场辐射均匀，本发明通过设置旋转窑罩，将波导管及微波发生器安装在旋转窑罩上一起旋转，微波发生器的发射的微波场在旋转的过程中，逐渐在窑炉内形成一个覆盖面积广微波辐射均匀的微波场，并且本发明设置了供电环形滑触线和驱动机构，并通过驱动机构能够调节旋转窑罩的转速，从而能够调节微波场。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水泥熟料煅烧设备及方法，具体的说是一种辅助煅烧水泥熟 料的微波窑及其微波煅烧方法。

背景技术

从水泥发明以来，其熟料的煅烧一直使用煤或少数使用天然气作为热源， 加热物料的方式以传导、对流为主，辐射为辅，物料受热有一个由外向内的热量 传递过程，形成较大的温度梯度，导致化学反应速度不一致，影响熟料质量的提 高；另外通过介质的燃烧传导物料的升温速度慢，一般为10-20℃/min，熟料煅 烧时间长，热效率低；同时因物料颗粒大小、窑炉设备本身的边壁效应等造成断 面通风不均匀，也影响熟料质量的提高。

另外煤的燃烧过程也是随着温度升高从干燥预热、挥发份逸出燃烧、到固定 碳燃烧的过程，空气过剩系数高，煤的燃烧速度快，但因为通风带走的热损失大； 空气过剩系数低，通风不良，化学不完全燃烧现象突出，热能浪费，不能够达到 各个阶段煅烧所需要的温度要求。

在实际生产过程中，因为熟料形成热量的需求，原料中的含煤量一般在10％ 左右，空气过剩系数高的物理条件不容易具备，而且料球内部氧气量少，化学不 完全燃烧现象一定存在，物料的升温速度一般只能达到10-20m/min，制约了熟 料形成的化学反应速度和反应质量，进而限制了熟料质量。

因此人们在一些微波设备上增设了微波发生器来辅助煅烧水泥，如申请号为 00102065X的专利通过在回转窑的高温带部分增设微波发射管，通过微波场对高 温带进行辐射，以提高煅烧水泥的质量；但是很多带有微波发射器的设备同上述 专利一样，微波场对于窑炉的辐射无法实现均匀分布，微波场对窑炉的照射区域 均是固定不变的，无法真正增加煅烧的热度及质量，依然会造成水泥熟料的过烧 和生烧等情况的发生，且微波场单一对窑炉高温带进行照射，而对于预热分解带 和固相反应带均没有进行微波照射，同样不能保证水泥熟料的质量稳定。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种辅助煅烧水泥熟料的微 波窑及其微波煅烧方法。

技术方案：本发明解决问题所采用的技术方案为：一种辅助煅烧水泥熟料的 微波窑，包括底部安装有风机的窑炉，还包括旋转窑罩、驱动机构、固定窑罩、 布料器、微波发生器和波导管；所述旋转窑罩安装在窑炉的炉口，所述驱动机构 与旋转窑罩相连并用于驱动旋转窑罩旋转；所述固定窑罩安装在旋转窑罩上；所 述布料器安装在固定窑罩内，所述波导管安装在微波发生器上连接为一体式结 构，所述微波发生器安装在旋转窑罩上随旋转窑罩旋转，所述波导管则倾斜向下 插入到旋转窑罩内。

作为优选，所述驱动机构包括驱动电机、链轮、环链、挡轮和行走轮；所述 驱动电机固定设置，链轮安装在驱动电机的输出轴上，所述旋转窑罩的底部设置 有环形槽钢，所述环链安装在环形槽内，且所述环链与链轮相啮合，所述挡轮安 装在环形槽钢内侧，所述行走轮安装在旋转窑罩的底板上；通过驱动机构各个部 件的配合使旋转窑罩进行旋转，并且能够调节旋转速度使其在在0.5～3.0m/min 范围内。

作为优选，还包括用于提供微波发生器电源的供电环形滑触线；所述供电环 形滑触线呈环形设置于旋转窑罩的上方，并通过电缆与微波发生器相连；由于微 波发生器与旋转窑罩一起旋转，因此将微波发生器的供电设备设置为供电环形滑 触线，以满足微波发生器的供电要求。

作为优选，为了使微波场的辐射均匀及为了达到微波场的辐射深度，所述波 导管与微波发生器连接而成的一体式结构共设有三个，且呈圆周等分状态安装在 旋转窑罩上。

作为优选，所述波导管的倾斜角度为30-60°；配合微波源的频率能够使微 波场的穿透深度大于等于1.5m，因此将波导管的倾斜角度设置为30-60°，使其 能够依次作用于预热分解带、固相反应带和烧成带。

作为优选，为了使煅烧后的水泥能够快速冷却及排除多余的废气，所述旋转 窑罩内还设有排风管；所述排风管伸出到固定窑罩的外部。

水泥熟料在窑炉中的煅烧过程是一个钙、铁、硅、铝为主的多元素的化学 反应，从常温升至900℃是分解反应阶段，从900～1250℃是固相反应阶段，而 在1250～1450～1250℃是液相反应阶段，从1250℃降至常温是冷却反应阶段。

在分解反应阶段中黏土质物料受热分解成Al₂O₃、SiO₂，石灰石分解成CaO， 温度达到900℃产生固相反应，石灰石和黏土质分解后的组份，通过质点的相互 扩散，形成C₃A,C₄AF,C₂S等矿物，首先是颗粒间的点面接触，随后是反应物通过 产物层进行扩散迁移，由于固体质子间具有很大的作用力，因而固相反应的反应 活性很低，速度很慢，温度继续升高到最低共熔点温度，约有1250℃左右，液 相出现，C₂S和f-CaO都熔于液相中，C₂S继续吸收CaO形成熟料的最终产物C₃S， 最终完成熟料烧结过程；而随着煤热量的耗尽，熟料进入冷却阶段，由下向上的 冷风和熟料交换热能，冷却熟料，同时，热风继续向上到达烧成带，提供煤燃烧 所需的氧气；烧成带形成的矿物冷却时还会产生相变，影响熟料质量，因此煅烧 时要求快速冷却越过1250℃以阻止相变，保证熟料质量稳定。

本发明还提供一种辅助煅烧水泥熟料的微波窑的微波煅烧方法，包括以下步 骤：

(1)制备好含水量4-8％，含煤量5-7％、直径为5-8mm的生料球，并调整料 粉的微观细度在40-100μm；调整微波发生器发射微波源的频率为900-930Mhz， 使微波源在生料球自然堆积状态下，微波场有效功率的穿透深度大于等于1.5m；

(2)将制备好的生料球由窑炉顶部的布料器连续不断的加入，微波发生器 产生的微波场对其连续加热，使该料层的温度上升至190℃-210℃，此时生料球 中的水首先蒸发，升温时间控制在6.5-8.5min，升温速率控制在21～27℃/min, 此段料层厚度控制在0.15-0.2m，升温过程中，生料球中的水蒸发完毕；

(3)完成步骤2，物料继续下移后，微波场穿透步骤2中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的挥发成分逸出燃烧共同加热料球，此时料球中的硅、铝质 物料分子水脱水并分解成无定形氧化铝和氧化硅，使该料层温度上升至540℃ -560℃，其升温时间控制在9-13min，升温速率控制在27～40℃/min，此段料层 厚度控制在0.2-0.3m；

(4)完成步骤3，物料继续下移后，微波场穿透步骤3中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳开始燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料部份 分解成氧化钙并和步骤3中所产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该 料层温度上升至890℃-910℃；其升温时间控制在9-13min，升温速率控制在27～ 40℃/min，此段料层厚度控制在0.2-0.3m；

(5)完成步骤4，物料继续下移后，微波场穿透步骤4中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳充分燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料全部 分解成氧化钙并和步骤4中产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该料 层温度上升至1100℃-1300℃；升温时间控制在10-15min，升温速率控制在20～ 30℃/min,此段料层厚度控制在0.3-0.4m；

(6)完成步骤5，物料继续下移后，微波场一部分穿透步骤5中的料层继 续加热料球，此时微波场使物料分子之间产生偶极转向极化，物料分子之间产生 相互摩擦，使物料液化为C₂S，同时料球中煤的固定碳充分燃烧和化学反应放热 共同作用，使该料层温度上升至1400-1450℃；并且生成的C₂S液体吸收氧化钙 生成最终产品C₃S；此段料层的升温时间控制在25-30min，升温速率控制在6.5～ 8℃/min，厚度控制在0.4-0.5m；

(7)完成步骤6后，物料继续下移，脱离微波场作用区，料球中的煤燃尽， 控制窑炉底部的风机进行鼓风冷却，得到最终成品；得到最终物料厚度8-8.5m， 温度从1400-1450℃降至100－60℃，降温时间控制在3-4h，降温速率控制在6～ 8℃/min。

有益效果：本发明相对于现有的水泥熟料的微波煅烧设备及煅烧方法具有以 下优点：

(1)本发明的微波场辐射均匀，本发明通过设置旋转窑罩，将波导管及微 波发生器安装在旋转窑罩上一起旋转，微波发生器的发射的微波场在旋转的过程 中，逐渐在窑炉内形成一个覆盖面积广微波辐射均匀的微波场，并且本发明设置 了供电环形滑触线和驱动机构，并通过驱动机构能够调节旋转窑罩的转速，从而 能够调节微波场；

(2)本发明的微波场作用于水泥熟料煅烧的整个过程，本发明通过将波导 管以30-60°的倾角安装在旋转窑罩上，并调整微波发生器的微波频率使微波的 穿透深度大于等于1.5m，进而作用于整个水泥熟料的煅烧过程，并且本发明设 置行走轮能够减轻微波发生器的负荷。

(3)本发明的熟料煅烧方法相对于现有技术，通过设置辐射均匀的微波场 及作用于整个煅烧过程，使其煅烧的时间短，煅烧升温速度快，能够真正达到急 烧快冷的要求，增加熟料内的化学反应速度及煅烧效率，提高熟料质量。

附图说明

图1本发明结构示意图；

图2为经本发明煅烧后的水泥熟料的X射线衍射图；

图3为经本发明煅烧后水泥熟料的岩相照片；

图4为本发明驱动机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术 方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发 明的范围。

实施例1

本发明的微波窑如图1所示，一种辅助煅烧水泥熟料的微波窑，包括底部安 装有风机的窑炉1，还包括旋转窑罩2、驱动机构3、固定窑罩4、布料器5、微 波发生器6和波导管7；所述旋转窑罩2安装在窑炉1的炉口，所述驱动机构3 与旋转窑罩2相连并用于驱动旋转窑罩3旋转；所述固定窑罩4安装在旋转窑罩 2上；所述布料器5安装在固定窑罩4内，所述波导管7安装在微波发生器6上 连接为一体式结构，所述微波发生器6安装在旋转窑罩3上随旋转窑罩3旋转， 所述波导管3则倾斜向下插入到旋转窑罩2内；所述驱动机构3包括驱动电机 31、链轮32、环链33、挡轮34和行走轮35；所述驱动电机31固定设置，链轮 32安装在驱动电机的输出轴上，所述旋转窑罩2的底部设置有环形槽钢，所述 环链33安装在环形槽内，且所述环链33与链轮32相啮合，所述挡轮34安装在 环形槽钢内侧，所述行走轮35安装在旋转窑罩2的底板上；还包括用于提供微 波发生器6电源的供电环形滑触线8；所述供电环形滑触线8呈环形设置于旋转 窑罩2的上方，并通过电缆与微波发生器6相连；所述波导管7与微波发生器6 连接而成的一体式结构共设有三个，且呈圆周等分状态安装在旋转窑罩3上；所 述波导管7的倾斜角度为30-60°；优选角度45°；所述旋转窑罩3内还设有排 风管9；所述排风管9伸出到固定窑罩4的外部。

通过利用本发明的微波窑的微波煅烧方法如下：

(1)制备好含水量4％，含煤量5％、直径为5mm的生料球，并调整料粉的微 观细度在40μm；调整微波发生器发射微波源的频率为900Mhz，使微波源在生料 球自然堆积状态下，微波场有效功率的穿透深度大于等于1.5m；

(2)将制备好的生料球由窑炉顶部的布料器连续不断的加入，微波发生器 产生的微波场对其连续加热，使该料层的温度上升至190℃，此时生料球中的水 首先蒸发，升温时间控制在6.5min，升温速率控制在21℃/min,此段料层厚度 控制在0.15m，升温过程中，生料球中的水蒸发完毕；

(3)完成步骤2，物料继续下移后，微波场穿透步骤2中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的挥发成分逸出燃烧共同加热料球，此时料球中的硅、铝质 物料分子水脱水并分解成无定形氧化铝和氧化硅，使该料层温度上升至540℃， 其升温时间控制在9min，升温速率控制在27℃/min，此段料层厚度控制在0.2m；

(4)完成步骤3，物料继续下移后，微波场穿透步骤3中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳开始燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料部份 分解成氧化钙并和步骤3中所产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该 料层温度上升至890℃；其升温时间控制在9min，升温速率控制在27℃/min， 此段料层厚度控制在0.2m；

(5)完成步骤4，物料继续下移后，微波场穿透步骤4中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳充分燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料全部 分解成氧化钙并和步骤4中产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该料 层温度上升至1100℃℃；升温时间控制在10min，升温速率控制在20℃/min,此 段料层厚度控制在0.3m；

(6)完成步骤5，物料继续下移后，微波场一部分穿透步骤5中的料层继 续加热料球，此时微波场使物料分子之间产生偶极转向极化，物料分子之间产生 相互摩擦，使物料液化为C₂S，同时料球中煤的固定碳充分燃烧和化学反应放热 共同作用，使该料层温度上升至1400℃；并且生成的C₂S液体吸收氧化钙生成最 终产品C₃S；此段料层的升温时间控制在25min，升温速率控制在6.5℃/min，厚 度控制在0.4m；

(7)完成步骤6后，物料继续下移，脱离微波场作用区，料球中的煤燃尽， 控制窑炉底部的风机进行鼓风冷却，得到最终成品；得到最终物料厚度8m，温 度从1400℃降至100℃，降温时间控制在3h，降温速率控制在6℃/min。

实施例2

(1)制备好含水量8％，含煤量7％、直径为8mm的生料球，并调整料粉的微 观细度在100μm；调整微波发生器发射微波源的频率为930Mhz，使微波源在生 料球自然堆积状态下，微波场有效功率的穿透深度大于等于1.5m；

(2)将制备好的生料球由窑炉顶部的布料器连续不断的加入，微波发生器 产生的微波场对其连续加热，使该料层的温度上升至210℃，此时生料球中的水 首先蒸发，升温时间控制在8.5min，升温速率控制在27℃/min,此段料层厚度 控制在0.2m，升温过程中，生料球中的水蒸发完毕；

(3)完成步骤2，物料继续下移后，微波场穿透步骤2中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的挥发成分逸出燃烧共同加热料球，此时料球中的硅、铝质 物料分子水脱水并分解成无定形氧化铝和氧化硅，使该料层温度上升至560℃， 其升温时间控制在9-13min，升温速率控制在40℃/min，此段料层厚度控制在 0.3m；

(4)完成步骤3，物料继续下移后，微波场穿透步骤3中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳开始燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料部份 分解成氧化钙并和步骤3中所产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该 料层温度上升至910℃；其升温时间控制在13min，升温速率控制在40℃/min， 此段料层厚度控制在0.3m；

(5)完成步骤4，物料继续下移后，微波场穿透步骤4中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳充分燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料全部 分解成氧化钙并和步骤4中产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该料 层温度上升至1300℃；升温时间控制在10-15min，升温速率控制在30℃/min, 此段料层厚度控制在0.4m；

(6)完成步骤5，物料继续下移后，微波场一部分穿透步骤5中的料层继 续加热料球，此时微波场使物料分子之间产生偶极转向极化，物料分子之间产生 相互摩擦，使物料液化为C₂S，同时料球中煤的固定碳充分燃烧和化学反应放热 共同作用，使该料层温度上升至1450℃；并且生成的C₂S液体吸收氧化钙生成最 终产品C₃S；此段料层的升温时间控制在30min，升温速率控制在8℃/min，厚度 控制在0.5m；

(7)完成步骤6后，物料继续下移，脱离微波场作用区，料球中的煤燃尽， 控制窑炉底部的风机进行鼓风冷却，得到最终成品；得到最终物料厚度8.5m， 温度从1450℃降至60℃，降温时间控制在4h，降温速率控制在8℃/min。

实施例3

(1)制备好含水量6％，含煤量6％、直径为6mm的生料球，并调整料粉的微 观细度在40-100μm；调整微波发生器发射微波源的频率为915Mhz，使微波源在 生料球自然堆积状态下，微波场有效功率的穿透深度大于等于1.5m；

(2)将制备好的生料球由窑炉顶部的布料器连续不断的加入，微波发生器 产生的微波场对其连续加热，使该料层的温度上升至200℃，此时生料球中的水 首先蒸发，升温时间控制在7.5min，升温速率控制在24℃/min,此段料层厚度 控制在0.2m，升温过程中，生料球中的水蒸发完毕；

(3)完成步骤2，物料继续下移后，微波场穿透步骤2中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的挥发成分逸出燃烧共同加热料球，此时料球中的硅、铝质 物料分子水脱水并分解成无定形氧化铝和氧化硅，使该料层温度上升至550℃， 其升温时间控制在11min，升温速率控制在33℃/min，此段料层厚度控制在 0.2-0.3m；

(4)完成步骤3，物料继续下移后，微波场穿透步骤3中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳开始燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料部份 分解成氧化钙并和步骤3中所产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该 料层温度上升至900℃；其升温时间控制在11min，升温速率控制在33℃/min， 此段料层厚度控制在0.15m；

(5)完成步骤4，物料继续下移后，微波场穿透步骤4中的料层继续加热 料球，同时料球中煤的固定碳充分燃烧共同加热料球，而料球中的钙质物料全部 分解成氧化钙并和步骤4中产生的无定形氧化硅和氧化铝发生化学反应，使该料 层温度上升至1200℃；升温时间控制在13min，升温速率控制在25℃/min,此段 料层厚度控制在0.35m；

(6)完成步骤5，物料继续下移后，微波场一部分穿透步骤5中的料层继 续加热料球，此时微波场使物料分子之间产生偶极转向极化，物料分子之间产生 相互摩擦，使物料液化为C₂S，同时料球中煤的固定碳充分燃烧和化学反应放热 共同作用，使该料层温度上升至1425℃；并且生成的C₂S液体吸收氧化钙生成最 终产品C₃S；此段料层的升温时间控制在28min，升温速率控制在7℃/min，厚度 控制在0.45m；

(7)完成步骤6后，物料继续下移，脱离微波场作用区，料球中的煤燃尽， 控制窑炉底部的风机进行鼓风冷却，得到最终成品；得到最终物料厚度8m，温 度从1425℃降至80℃，降温时间控制在3.5h，降温速率控制7℃/min。

本实施例中经过微波煅烧后的水泥熟料与在同一台窑炉中全煤燃烧的水泥 熟料的测试数据对比如下：

表1熟料强度和f-CaO数据

  3d抗压强度(Mpa) 28d抗压强度(Mpa) f-CaO 微波辅助煅烧熟料 43.8 71.4 1.38 全煤煅烧熟料 29.4 53.5 2.40

如图2所示，并通过X射线衍射分析，微波辅助煅烧熟料中C₃S含量明显增 加，其特征峰值达到266CPS，而普通全煤煅烧的熟料，C₃S征峰值达到185CPS； 并且微波辅助煅烧熟料C₃S晶粒明显较小，其表现在图中为衍射峰形的宽度较窄。

并通过反光显微镜测试微波煅烧熟料和全煤煅烧熟料的矿相的形貌和含 量，见图3所示，微波辅助煅烧熟料阿利特晶体尺寸大部分在10-25μm之间， 部份尺寸较大的A矿有B矿包裹物，贝利特矿尺寸在30-35μm之间，呈圆粒状， 中间相分布均匀，铝酸盐矿物尺寸小于15μm，呈柱状，铁铝酸盐呈长柱状晶体， 硅酸盐矿物占75％，中间相矿物含量10-25％。

而全煤煅烧熟料阿利特晶体尺寸大部分在20-25μm之间，少部份尺寸 40-50μm，形状为柱状或不规则板状，贝利特矿尺寸在20-35μm之间，呈大圆 粒状，黑色中间相(C₄AF)以微晶分布在白色中间相(C₃A)里，白色中间相呈长柱状 晶体，硅酸盐矿物占65％，中间相矿物含量20-30％。

通过上述工业煅烧试验结果表明，微波辅助煅烧水泥熟料强度提高20-30％， 并具有更合理的晶体结构和晶体尺寸，所以该方法在工业生产中具有实际推广意 义。