1 引言

水泥生料通常是由幾種原料按比例配制并混合均勻后制成的。因此，只有保證水泥生料的均化質(zhì)量才能得到質(zhì)量可靠的熟料，進(jìn)而得到質(zhì)量可靠的水泥成品。因而，在水泥生產(chǎn)過程中，水泥生料均化環(huán)節(jié)需要專業(yè)的均化設(shè)備。一般來說，不同品種的水泥需要的均化設(shè)備不同；不同的均化設(shè)備，其內(nèi)粉體的均化機(jī)理不同，因此，不同均化設(shè)備的均化效果也不相同。

2 生料均化設(shè)備

常用水泥生產(chǎn)的工藝流程有三步：

（1）把水泥原料（石灰石和粘土質(zhì)）經(jīng)過采掘、破碎、磨細(xì)和均化等環(huán)節(jié)制成生料；

（2）將生料入窯進(jìn)行高溫煅燒以制備熟料；

（3）將熟料進(jìn)行再次破碎，并與石膏及其他混合材一起粉磨，并采用合成工藝制成水泥成品，其過程如圖 1 所示。

其中在水泥生產(chǎn)中生料制備的方法有干濕之分，一般可按生產(chǎn)方法分為濕法，半干法（或半濕法），干法三類。

在現(xiàn)代水泥的生產(chǎn)中，常采用干法生產(chǎn)方法，并在生料制備過程中采用合成工藝方法將磨細(xì)的水泥原料和其他校正材料進(jìn)行混合均化。各組分的均化程度對(duì)水泥熟料的制備有很大影響，對(duì)水泥的質(zhì)量也有重要影響。因此水泥生料一定要用專業(yè)的均化設(shè)備才能保證混合均勻。其實(shí)在水泥的整個(gè)生產(chǎn)過程中，許多操作環(huán)節(jié)都有或多或少的均化行為，比如粉磨、儲(chǔ)存和輸送等操作過程中。正是如此，過去人們對(duì)水泥粉體的混合均化的問題沒有得到充分重視，因此在粉體均化研究領(lǐng)域缺少關(guān)鍵技術(shù)研究。而事實(shí)上，現(xiàn)代水泥一般是采用分別粉磨、合成水泥的工藝，均化環(huán)節(jié)顯然是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。特別是水泥生料的均化，除了在采用原料預(yù)均化和在粉磨過程中的均化外，最至關(guān)重要的是在水泥生料粉磨后，將生料顆粒在生料均化庫(kù)內(nèi)進(jìn)行均化，因而，合理的均化方法及均化設(shè)備對(duì)水泥質(zhì)量的保證至關(guān)重要。

常用的生料均化設(shè)備，按照提供動(dòng)力的方式可分為機(jī)械式和氣力式兩類。機(jī)械式均化設(shè)備一般其內(nèi)部有運(yùn)動(dòng)部件對(duì)生料進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，并利用生料自身的重力實(shí)現(xiàn)對(duì)生料層的切割，最終實(shí)現(xiàn)生料的均化；氣力式均化設(shè)備則是通過強(qiáng)氣流的的吹射作用對(duì)生料進(jìn)行攪拌，并在重力作用下產(chǎn)生漏斗效應(yīng)，由于生料顆粒下降時(shí)被重力切割成很多層，從而實(shí)現(xiàn)生料的均化。一般來說，粉體顆粒的氣力均化過程是在料庫(kù)中完成的，因此這種料庫(kù)也稱為均化庫(kù)。根據(jù)相關(guān)資料表明，目前在水泥實(shí)際生產(chǎn)過程中，機(jī)械式均化設(shè)備的使用仍然較多，但隨著節(jié)能減排及綠色生產(chǎn)的大力提倡，氣力式均化設(shè)備才是未來粉體顆粒均化領(lǐng)域的最佳選擇。這主要是因?yàn)闅饬O(shè)備不僅均化效果好，而且還具有電耗低、運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單、投資低、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)。因此，氣力式均化是水泥生產(chǎn)工藝的發(fā)展方向，本節(jié)因而著重討論氣力均化設(shè)備及其分類。

水泥生產(chǎn)中，按均化庫(kù)操作方式又可分為間歇式均化庫(kù)和連續(xù)式均化庫(kù)兩種。常用的氣力均化設(shè)備分為間歇式和連續(xù)式兩種。

2.1 間歇式氣力均化庫(kù)

間歇式氣力均化庫(kù)的作業(yè)方法是將物料裝入庫(kù)內(nèi)并達(dá)到一定高度后，透過庫(kù)底充氣箱向庫(kù)內(nèi)充入壓縮空氣，在該氣流的作用下物料出現(xiàn)流態(tài)化，經(jīng)過一定時(shí)間的充氣攪拌，庫(kù)內(nèi)的物料逐漸混合均勻，然后將達(dá)到均化質(zhì)量的物料從庫(kù)中卸出。間歇式氣力均化庫(kù)是水泥生產(chǎn)中最早使用的均化庫(kù)，這種均化庫(kù)雖然均化效果很好（可達(dá) 15～20），對(duì)物料成分波動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)，但是它能耗消耗大，占地多、投資大，不能實(shí)現(xiàn)物料均化操作的連續(xù)化及自動(dòng)化。

間歇式氣力均化庫(kù)按供氣方式及庫(kù)內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為流化床式（如圖 2）、重力式（如圖 3）、脈沖旋流式（如圖 4）和輸送床式（如圖 5）等多種類型，其中流化床式均化庫(kù)應(yīng)用最為廣泛，通常所說的間歇式氣力均化庫(kù)一般都是指的這種庫(kù)形。在流化床式氣力均化庫(kù)內(nèi)對(duì)物料進(jìn)行均化時(shí)，會(huì)同時(shí)存在著擴(kuò)散均化、對(duì)流均化和剪切均化這三種均化方式，由于其操作風(fēng)速必須大于顆粒的臨界流化速度，因此氣力均化庫(kù)常用來對(duì)粒徑較細(xì)的物料進(jìn)行均化。

2.2 連續(xù)式氣力均化庫(kù)

在制備水泥的整個(gè)工藝流程中，通常要經(jīng)過粉碎、分級(jí)、輸送、收集、均化等操作。除了均化環(huán)節(jié)外的其他環(huán)節(jié)都是連續(xù)作業(yè)的，因此，為了使整個(gè)生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)連續(xù)化，并逐漸向大型化和自動(dòng)化發(fā)展，連續(xù)式氣力均化庫(kù)就逐漸成為生料均化的最佳選擇。

連續(xù)式氣力均化庫(kù)，相對(duì)于間歇式氣力均化庫(kù)來講，不僅具有均化作用，還儲(chǔ)存功能。連續(xù)式均化是連續(xù)的向均化均化庫(kù)中加料，經(jīng)過一段時(shí)間的混合均化之后，均化完成的物料能連續(xù)的從均化庫(kù)內(nèi)排出。各種連續(xù)式氣力均化庫(kù)在庫(kù)頂都有相應(yīng)的進(jìn)料裝置，能夠保證連續(xù)給料，并能將物料均勻的分布在均化庫(kù)的整個(gè)截面上；在庫(kù)底則有不同類型的充氣裝置，使物料在庫(kù)內(nèi)產(chǎn)生這種均化作用，從而使出庫(kù)的物料達(dá)到所要求的均化效果。

由上文我們可以得出，連續(xù)式氣力均化庫(kù)設(shè)備占地少、能耗低、控制方便，更能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，維修費(fèi)用也很低， 因此，連續(xù)式氣力均化庫(kù)更能適應(yīng)現(xiàn)代水泥的生產(chǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)。目前的連續(xù)式氣力均化庫(kù)有混合室氣力均化庫(kù)（如圖 6），IBAU 中心室均化庫(kù)（如圖 7）、伯力鳩斯 MF 庫(kù)（如圖 8），史密斯 CF 庫(kù)(如圖 9)等。

在水泥生產(chǎn)過程中，常用的連續(xù)式氣力均化庫(kù)是混合室均化庫(kù)。混合室均化庫(kù)是 20 世紀(jì) 60 年代至 70 年代發(fā)展起來的一種氣力均化庫(kù)，可以同時(shí)對(duì)物料進(jìn)行均化和存儲(chǔ)，為了滿足這樣的雙重要求，庫(kù)的容量必須很大。該均化庫(kù)相當(dāng)于一個(gè)圓筒形的大儲(chǔ)存庫(kù)，在庫(kù)的底部有一個(gè)專門用于生料攪拌的“小單間”，這個(gè)“小單間”即稱為混合室，因此，該均化庫(kù)又俗稱為“母子庫(kù)”。混合室的容積大小一般約占整個(gè)均化庫(kù)容積的 3%～5%。在庫(kù)的頂部有特殊的進(jìn)料系統(tǒng)，在底部則有由若干個(gè)充氣箱組成的充氣裝置。該特殊的進(jìn)料系統(tǒng)能使入庫(kù)的物料在庫(kù)內(nèi)均勻的薄料層，入庫(kù)物料成分的波動(dòng)情況決定了各曾物料成分的波動(dòng)值。而底部的充氣箱充入的交替強(qiáng)弱氣流會(huì)使生料層逐漸流態(tài)化，最終使生料混合均勻。

3 生料均化機(jī)理研究

3.1 生料顆粒的流態(tài)化現(xiàn)象

顆粒的流態(tài)化現(xiàn)象是指在顆粒氣力均化過程中由于通入生料床層的氣流速度的大小不同，生料床層出現(xiàn)的不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

將生料顆粒堆積在多孔分布板上使其形成一個(gè)粉料層（即床層），當(dāng)一定強(qiáng)度的氣流從下而上通過床層時(shí)，生料顆粒將出現(xiàn)類似流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)通入氣流強(qiáng)度不同時(shí)，生料顆粒床會(huì)有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即分別為固定床、流化床和輸送床，如圖 10 所示。

（1）固定床

當(dāng)通過床層的氣流速度很小時(shí)，料層中顆粒之間的相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生改變，氣流只能透過顆粒間的空隙而流動(dòng)，這樣的狀態(tài)即稱為固定床狀態(tài)，如圖 2-10（a）所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，固定床狀態(tài)時(shí)，其床層高L 會(huì)維持不變。然而當(dāng)氣流速度增大到一定值時(shí)，顆粒間的相對(duì)位置開始有所改變，但顆粒還是不能自由移動(dòng)，這時(shí)床層就處于臨界（初始）流化狀態(tài)，如圖 2-10（b）所示，床層會(huì)略有膨脹，高度也變?yōu)長(zhǎng) mf 。

（2）流化床

當(dāng)通過床層的氣流速度進(jìn)一步增大時(shí)，床層內(nèi)的顆粒會(huì)在氣流的作用下懸浮起來作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，氣體對(duì)顆粒的作用力和顆粒自身的重力恰好相等，這樣的狀態(tài)即稱為流化床狀態(tài)，如圖 10（c）、（d）所示。流化床和固定床相比，床層會(huì)發(fā)生明顯膨脹，其床層高 L 會(huì)隨著氣流速度的增加而增高。

當(dāng)顆粒處于流化床狀態(tài)時(shí)，床層會(huì)表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)。如圖 2-11 所示，床層表面有類似液體的水平面出現(xiàn)。如圖 11（c）所示，顆粒床層間的壓差可以由流體靜力學(xué)理論計(jì)算出；如圖 11（d）所示，如果顆粒床層中間開孔，那么顆粒會(huì)像液體一樣從小孔流出； 11（e）所示，當(dāng)兩流化床連通在一起時(shí)，兩床層之間的顆粒層像流體一樣保持在同一水平面。

(3)輸送床

如前文所述，當(dāng)繼續(xù)增加床層內(nèi)的氣流速度到某一特定值，流化床的上界面就會(huì)消失，顆粒隨氣流向上運(yùn)動(dòng)并被帶出流化床層，如圖 10（e）所示。綜上所述，流化床中的顆粒會(huì)在氣流作用下改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此氣流速度的大小決定了顆粒的流化狀態(tài)。論文所要研究的在混合室均化室內(nèi)進(jìn)行的水泥氣力均化，首先就要要求床層有一定膨脹，處于流化床狀態(tài)，那么通過床層的氣流速度的計(jì)算是十分必要的，因此，為進(jìn)行對(duì)混合室氣力均化庫(kù)內(nèi)生料顆粒的混合均化過程的流場(chǎng)模擬，必須首先確定通入床層的氣流速度。

3.2 生料顆粒的均化機(jī)理

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，不同的均化設(shè)備有不同的結(jié)構(gòu)和工作原理，但上述三種均化機(jī)理在各種均化設(shè)備中都是同時(shí)存在的，只是所占的比重因設(shè)備的不同而不同，如表 1。

表 1 幾種均化設(shè)備中三種均化機(jī)理所占的比重

由上文可知，水泥生料的氣力混合均化過程的流動(dòng)狀態(tài)是聚式流化狀態(tài)。此時(shí)，生料床層中同時(shí)存在氣泡相和乳化相。氣泡相在床層中運(yùn)動(dòng)是自下而上的，氣泡內(nèi)的氣體分為兩部分：一部分在氣泡內(nèi)循環(huán)；另一部分從氣泡上部逸出，穿過氣泡外部的乳化相，再?gòu)臍馀菹虏窟M(jìn)入氣泡，從而形成一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中，與運(yùn)動(dòng)方向相反的氣泡一側(cè)壓強(qiáng)比另一側(cè)低，從而形成渦流區(qū)。這些生料顆粒在渦流的作用下進(jìn)入氣泡尾部，這時(shí)流化床會(huì)有部分凹陷，這部分凹陷即為氣泡的尾渦，也叫做氣泡的跡，如圖12 所示。

實(shí)際上，被帶入尾渦的顆粒不是固定的，而是不斷重復(fù)舊顆粒被拋出，新顆粒被帶入等行為。由于氣泡相中夾帶有些許生料顆粒，因此當(dāng)氣泡相自下而上運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡內(nèi)顆粒隨之運(yùn)動(dòng)，整個(gè)生料流化床得以混合均勻。另一方面，氣泡在自下而上的運(yùn)動(dòng)過程中，不斷推開氣泡周圍的乳化相，進(jìn)而使得氣泡相運(yùn)動(dòng)通道鄰近區(qū)域的顆粒隨之向上運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，乳化相內(nèi)的顆粒被擠到下部原來氣泡相所在的位置，因而，生料顆粒在流化床中的運(yùn)動(dòng)是在對(duì)流混合作用下循環(huán)進(jìn)行完成均化的，如圖 12 所示。這種混合形式主要在垂直方向上進(jìn)行，因此顆粒垂直方向的混合效果比水平方向上要好。另外，氣泡的大小對(duì)生料顆粒均化效果影響很大，這是因?yàn)楫?dāng)氣泡較小時(shí)，其上升速度慢，可以在床層中運(yùn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間，因而使生料均化完全。

此外，當(dāng)均化庫(kù)內(nèi)生料顆粒粒徑較小時(shí)，流化床狀態(tài)的顆粒床層膨脹較大，床層空隙率也很大，此時(shí)顆粒間容易產(chǎn)生擴(kuò)散混合作用，這也是流化床中顆粒的混合機(jī)理之一。

4 結(jié)論

本文對(duì)常用水泥生料氣力均化設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并重點(diǎn)對(duì)均化庫(kù)內(nèi)生料顆粒的混合均化機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，在水泥顆粒的氣力均化過程中，氣流速度的大小會(huì)改變水泥生料顆粒的流化狀態(tài)，為進(jìn)行對(duì)氣力均化庫(kù)內(nèi)顆粒的混合均化過程的流場(chǎng)模擬，必須首先確定該顆粒的流化速度。

來源：中國(guó)水泥備件網(wǎng)微信公眾號(hào)（關(guān)注查詢更多資訊）

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