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量才能得到質量可靠的熟料，進而得到質量可靠的水泥成品。因而，在水泥生產過程中，水泥生料均化環節需要專業的均化設備。一般來說，不同品種的水泥需要的均化設備不同；不同的均化設備，其內粉體的均化機理不同，因此，不同均化設備的均化效果也不相同。

2 生料均化設備

常用水泥生產的工藝流程有三步：

（1）把水泥原料（石灰石和粘土質）經過采掘、破碎、磨細和均化等環節制成生料；

（2）將生料入窯進行高溫煅燒以制備熟料；

（3）將熟料進行再次破碎，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。

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

在現代水泥的生產中，常采用干法生產方法，并在生料制備過程中采用合成工藝方法將磨細的水泥原料和其他校正材料進行混合均化。各組分的均化程度對水泥熟料的制備有很大影響，對水泥的質量也有重要影響。因此水泥生料一定要用專業的均化設備才能保證混合均勻。其實在水泥的整個生產過程中，許多操作環節都有或多或少的均化行為，比如粉磨、儲存和輸送等操作過程中。正是如此，過去人們對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域缺少關鍵技術研究。而事實上，現代水泥一般是采用分別粉磨、合成水泥的工藝，均化環節顯然是十分重要的一個環節。特別是水泥生料的均化，除了在采用原料預均化和在粉磨過程中的均化外，最至關重要的是在水泥生料粉磨后，將生料顆粒在生料均化庫內進行均化，因而，合理的均化方法及均化設備對水泥質量的保證至關重要。

常用的生料均化設備，按照提供動力的方式可分為機械式和氣力式兩類。機械式均化設備一般其內部有運動部件對生料進行強制攪拌，并利用生料自身的重力實現對生料層的切割，最終實現生料的均化；氣力式均化設備則是通過強氣流的的吹射作用對生料進行攪拌，并在重力作用下產生漏斗效應，由于生料顆粒下降時被重力切割成很多層，從而實現生料的均化。一般來說，粉體顆粒的氣力均化過程是在料庫中完成的，因此這種料庫也稱為均化庫。根據相關資料表明，目前在水泥實際生產過程中，機械式均化設備的使用仍然較多，但隨著節能減排及綠色生產的大力提倡，氣力式均化設備才是未來粉體顆粒均化領域的最佳選擇。這主要是因為氣力均化設備不僅均化效果好，而且還具有電耗低、運行可靠、操作簡單、投資低、產量大等優點。因此，氣力式均化是水泥生產工藝的發展方向，本節因而著重討論氣力均化設備及其分類。

水泥生產中，按均化庫操作方式又可分為間歇式均化庫和連續式均化庫兩種。常用的氣力均化設備分為間歇式和連續式兩種。

2.1 間歇式氣力均化庫

間歇式氣力均化庫的作業方法是將物料裝入庫內并達到一定高度后，透過庫底充氣箱向庫內充入壓縮空氣，在該氣流的作用下物料出現流態化，經過一定時間的充氣攪拌，庫內的物料逐漸混合均勻，然后將達到均化質量的物料從庫中卸出。間歇式氣力均化庫是水泥生產中最早使用的均化庫，這種均化庫雖然均化效果很好（可達 15～20），對物料成分波動的適應性強，但是它能耗消耗大，占地多、投資大，不能實現物料均化操作的連續化及自動化。

間歇式氣力均化庫按供氣方式及庫內物料的運動狀態可分為流化床式（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應用最為廣泛，通常所說的間歇式氣力均化庫一般都是指的這種庫形。在流化床式氣力均化庫內對物料進行均化時，會同時存在著擴散均化、對流均化和剪切均化這三種均化方式，由于其操作風速必須大于顆粒的臨界流化速度，因此氣力均化庫常用來對粒徑較細的物料進行均化。

2.2 連續式氣力均化庫

在制備水泥的整個工藝流程中，通常要經過粉碎、分級、輸送、收集、均化等操作。除了均化環節外的其他環節都是連續作業的，因此，為了使整個生產流程實現連續化，并逐漸向大型化和自動化發展，連續式氣力均化庫就逐漸成為生料均化的最佳選擇。

連續式氣力均化庫，相對于間歇式氣力均化庫來講，不僅具有均化作用，還儲存功能。連續式均化是連續的向均化均化庫中加料，經過一段時間的混合均化之后，均化完成的物料能連續的從均化庫內排出。各種連續式氣力均化庫在庫頂都有相應的進料裝置，能夠保證連續給料，并能將物料均勻的分布在均化庫的整個截面上；在庫底則有不同類型的充氣裝置，使物料在庫內產生這種均化作用，從而使出庫的物料達到所要求的均化效果。

由上文我們可以得出，連續式氣力均化庫設備占地少、能耗低、控制方便，更能實現自動化生產，維修費用也很低， 因此，連續式氣力均化庫更能適應現代水泥的生產及其發展趨勢。目前的連續式氣力均化庫有混合室氣力均化庫（如圖 6），IBAU 中心室均化庫（如圖 7）、伯力鳩斯 MF 庫（如圖 8），史密斯 CF 庫(如圖 9)等。

在水泥生產過程中，常用的連續式氣力均化庫是混合室均化庫。混合室均化庫是 20 世紀 60 年代至 70 年代發展起來的一種氣力均化庫，可以同時對物料進行均化和存儲，為了滿足這樣的雙重要求，庫的容量必須很大。該均化庫相當于一個圓筒形的大儲存庫，在庫的底部有一個專門用于生料攪拌的“小單間”，這個“小單間”即稱為混合室，因此，該均化庫又俗稱為“母子庫”。混合室的容積大小一般約占整個均化庫容積的 3%～5%。在庫的頂部有特殊的進料系統，在底部則有由若干個充氣箱組成的充氣裝置。該特殊的進料系統能使入庫的物料在庫內均勻的薄料層，入庫物料成分的波動情況決定了各曾物料成分的波動值。而底部的充氣箱充入的交替強弱氣流會使生料層逐漸流態化，最終使生料混合均勻。

3 生料均化機理研究

3.1 生料顆粒的流態化現象

顆粒的流態化現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，生料床層出現的不同的運動狀態。

將生料顆粒堆積在多孔分布板上使其形成一個粉料層（即床層），當一定強度的氣流從下而上通過床層時，生料顆粒將出現類似流體的運動狀態。當通入氣流強度不同時，生料顆粒床會有不同的運動狀態，即分別為固定床、流化床和輸送床，如圖 10 所示。

（1）固定床

當通過床層的氣流速度很小時，料層中顆粒之間的相對位置不會發生改變，氣流只能透過顆粒間的空隙而流動，這樣的狀態即稱為固定床狀態，如圖 2-10（a）所示。由圖可以發現，固定床狀態時，其床層高L 會維持不變。然而當氣流速度增大到一定值時，顆粒間的相對位置開始有所改變，但顆粒還是不能自由移動，這時床層就處于臨界（初始）流化狀態，如圖 2-10（b）所示，床層會略有膨脹，高度也變為L mf 。

（2）流化床

當通過床層的氣流速度進一步增大時，床層內的顆粒會在氣流的作用下懸浮起來作隨機運動，氣體對顆粒的作用力和顆粒自身的重力恰好相等，這樣的狀態即稱為流化床狀態，如圖 10（c）、（d）所示。流化床和固定床相比，床層會發生明顯膨脹，其床層高 L 會隨著氣流速度的增加而增高。

當顆粒處于流化床狀態時，床層會表現出類似于液體的性質。如圖 2-11 所示，床層表面有類似液體的水平面出現。如圖 11（c）所示，顆粒床層間的壓差可以由流體靜力學理論計算出；如圖 11（d）所示，如果顆粒床層中間開孔，那么顆粒會像液體一樣從小孔流出； 11（e）所示，當兩流化床連通在一起時，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，當繼續增加床層內的氣流速度到某一特定值，流化床的上界面就會消失，顆粒隨氣流向上運動并被帶出流化床層，如圖 10（e）所示。綜上所述，流化床中的顆粒會在氣流作用下改變運動狀態，因此氣流速度的大小決定了顆粒的流化狀態。論文所要研究的在混合室均化室內進行的水泥氣力均化，首先就要要求床層有一定膨脹，處于流化床狀態，那么通過床層的氣流速度的計算是十分必要的，因此，為進行對混合室氣力均化庫內生料顆粒的混合均化過程的流場模擬，必須首先確定通入床層的氣流速度。

3.2 生料顆粒的均化機理

在實際的生產過程中，不同的均化設備有不同的結構和工作原理，但上述三種均化機理在各種均化設備中都是同時存在的，只是所占的比重因設備的不同而不同，如表 1。

表 1 幾種均化設備中三種均化機理所占的比重

由上文可知，水泥生料的氣力混合均化過程的流動狀態是聚式流化狀態。此時，生料床層中同時存在氣泡相和乳化相。氣泡相在床層中運動是自下而上的，氣泡內的氣體分為兩部分：一部分在氣泡內循環；另一部分從氣泡上部逸出，穿過氣泡外部的乳化相，再從氣泡下部進入氣泡，從而形成一個循環運動。在整個循環運動過程中，與運動方向相反的氣泡一側壓強比另一側低，從而形成渦流區。這些生料顆粒在渦流的作用下進入氣泡尾部，這時流化床會有部分凹陷，這部分凹陷即為氣泡的尾渦，也叫做氣泡的跡，如圖12 所示。

實際上，被帶入尾渦的顆粒不是固定的，而是不斷重復舊顆粒被拋出，新顆粒被帶入等行為。由于氣泡相中夾帶有些許生料顆粒，因此當氣泡相自下而上運動時，氣泡內顆粒隨之運動，整個生料流化床得以混合均勻。另一方面，氣泡在自下而上的運動過程中，不斷推開氣泡周圍的乳化相，進而使得氣泡相運動通道鄰近區域的顆粒隨之向上運動。與此同時，乳化相內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動是在對流混合作用下循環進行完成均化的，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，氣泡的大小對生料顆粒均化效果影響很大，這是因為當氣泡較小時，其上升速度慢，可以在床層中運動較長時間，因而使生料均化完全。

此外，當均化庫內生料顆粒粒徑較小時，流化床狀態的顆粒床層膨脹較大，床層空隙率也很大，此時顆粒間容易產生擴散混合作用，這也是流化床中顆粒的混合機理之一。

4 結論

本文對常用水泥生料氣力均化設備進行了詳細介紹，并重點對均化庫內生料顆粒的混合均化機理進行了詳細分析。結果表明，在水泥顆粒的氣力均化過程中，氣流速度的大小會改變水泥生料顆粒的流化狀態，為進行對氣力均化庫內顆粒的混合均化過程的流場模擬，必須首先確定該顆粒的流化速度。

來源：中國水泥備件網微信公眾號（關注查詢更多資訊）

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