本发明涉及一种用气体改进水泥立窑煅烧硅酸盐水泥熟料的方法及其装置。 现行水泥立窑煅烧硅酸盐水泥熟料（以下简称熟料）的特点：如资料《水泥工艺学》（沈威等编，中国建筑工业出版社出版，1986年7月）指出的：含煤的生料球从窑顶喂入，空气从窑下部用高压风机鼓入，窑内物料借自重由上而下移动，料球在窑内经预热分解、烧成和冷却等一系列物理、化学变化，形成熟料并从窑底部卸出，废气经窑罩、烟囱排出。立窑具有单位重量熟料能耗较低，能燃用较低发热值的煤，构造简单，占地面积小，单位产量投资少、省钢材、建厂快等一系列优点，因而获得了发展。但是自立窑发明到现在164年来，仍普遍存在熟料的煅烧温度偏低和不够均匀，煤燃烧不够完全、熟料的岩相结构不均匀、游离氧化钙较多、慢冷现象严重、还原气氛严重和工艺操作不易稳定等问题，致使产量、质量均受到一定影响，限制了立窑的继续发展。为提高水泥的产量、质量，近代采用回转窑煅烧熟料获得了发展，但回转窑存在单位产量投资大，窑结构复杂，耗用钢材量多，建厂时间长及需燃用优质煤、单位产量能耗较高等弱点，在一定程度上也制约了它的发展。
本发明的任务是使单位容积鼓风空气中含的水蒸汽（以下简称水汽）质量，即鼓风绝对湿度（单位：千克/米3），达到合适程度，强化和稳定立窑的热工制度及窑内物料的预热分解、烧成、冷却等一系列物理、化学反应，以便显著地提高熟料的产量、质量。
本发明的依据是：在设备、工艺操作和原料、煤的品质及配比等相同或相近的情况下，同一立窑煅烧熟料，产量时高时低，质量时优时劣，难于取得稳定效果。一般来说，夏秋时期的熟料产量、标号、安定性、煤耗等均显著优于冬春时期，基本上以年为周期发生变化。本发明人经长期观察、分析和研究，发现这种现象主要是由于直接采用大气鼓风引起的。
大气总是含有水汽的。水汽能从气态到液态、固态之间相互转化。它在大气中的含量因地理位置不同而异，随气象条件变化而变化。一般来说：夏秋季节时绝对湿度高或较高，冬春季节时低或偏低;低纬度地带高，高纬度地带低;沿海、平原、盆地高，内陆、高原、山区低。以湖南地区为例：夏秋季节时地大气绝对湿度一般高于0.014千克/米3;冬春季节时一般低于0.014千克/米3。一年内大气绝对湿度基本上在0.0025～0.025千克/米3范围内变化。因此常年直接采用大气鼓风，入窑的水汽量是显著不同的。
水汽随鼓风进入立窑内，将参与窑内一系列重要的物理、化学反应和影响热工制度：
1、水汽具有强烈的吸收和发射长波辐射的能力，存在5～8.5μ和从18μ直到远红外区两个强烈吸收（发射）带。在立窑的温度范围内，长波辐射占辐射的主要成分，鼓风中水汽吸收了窑内物料的长波辐射后，同时它也以长波的形式对物料进行发射，即具有调和平缓热力过程的特性。当水汽含量增加时，这一特性增强，缩小窑的横断面上物料的温度差。在冷却带内，物料温度比鼓风空气温度高，物料的辐射能力较强，一部分热量依靠辐射方式传递给空气而使之增温。鼓风空气处于不停的运动中并且具有湍流的特性，由于湍流交换的结果，各个涡旋体抓住加热了的空气并把它从加热面带走，而以新的较冷的空气来补充。因此鼓风中的水汽强化冷却带的冷却效应，加速熟料的冷却，抑制烧成熟料中的硅酸三钙（C3S）分解为硅酸二钙（C2S）和游离氧化钙（f-CaO）及阻止发生β-C2S向γ-C2S的岩相转变，减少粉化料，提高了熟料质量。
当鼓风空气上升到烧成带后，物料的温度愈高，有效辐射亦愈强。炉气中适量水汽的存在，可均化烧成带的温度易形成“平火”，减少生烧料、轻烧料和过烧料，提高熟料的烧成质量，并增加产量。
2、鼓风空气中的水汽系以高度分散的气态形式与处于热或红热状态下未卸窑的熟料直接接触，将与熟料中存在的有害组分f-CaO和游离氧化镁（f-MgO）发生化学反应：
根据质量作用定律，上述化学反应速度与水汽的浓度成正比。当水汽浓度增大时，化学平衡向着生成物方向移动，减少熟料中f-CaO和f-MgO的含量。又反应的环境温度也是影响化学反应速度的重要因素，通常随温度升高，化学反应速度增加。利用未卸窑熟料尚处于较高温度状态及向下移动、扩散作用大等特点，让适量水汽进入窑内，与现行熟料卸窑后静置于大气中自然吸湿反应相比较，前者的化学反应速度要快得多。总之，适量水汽入窑，能显著加速f-CaO和f-MgO的消解，改善水泥的安定性。
3、水汽随鼓风空气上升到窑温达七、八百摄氏度以上的区段时，它与红热的煤将发生强吸热的水煤气反应：
刚烧成的熟料中往往残存未燃烧完的煤粒，发生水煤气反应，能加速熟料的散热冷却，有利于稳定熟料中主要矿物C3S的含量。快冷抑制熔融体中氧化镁成分析出成为f-MgO晶粒或者使其细小分散，减轻f-MgO的危害，即改善水泥的安定性。快冷可增多熟料中玻璃体含量，改善粉磨性。
水煤气反应生成物一氧化碳（CO）和氢气（H2）又易与氧发生强放热反应：
炉气是不断上升运动的，反应放出的热量被带回到烧成带，提高烧成带温度。所以有效利用水汽与未燃烧完的煤粒发生的吸热反应与随之发生的放热反应，可提高煤的热效率，降低煤耗，还减少熟料的烧失量和提高熟料烧成质量。炉气中水汽分压增高，烧结收缩率增大，相应的烧结活化能降低，具促进烧成作用。水煤气反应生成物氢气，提高了炉气中的氢分压，料球处在含氢的气氛中，由于氢的分子量比其它气体小，根据气体分子运动速度与其分子量的平方根成反比定律，氢比其它气体扩散速度大，易于扩散到料球心部而有利于料球闭气孔的消除，具促进烧成作用。
4、炉气通过烧成带，窑内反应再生成的水汽和鼓风中尚存的水汽，上升到达预热分解带后，温度下降，水汽易被吸附在硅酸盐反应物晶粒表面上，降低晶体表面活化能，即破坏晶格需要的能量减少，质点易从晶格内部跃出而溶入到其它晶格内，加快扩散速度，这相当于降低了硅酸盐系统的固相反应起始温度，加速固相反应速度。
5、立窑中煤和原料混合或直接接触，煤易在缺氧的条件下燃烧，产生一氧化碳（CO），还有碳酸钙（CaCO3）分解放出的CO2，也易和煤反应，生成CO。当窑内通风不良或不均时，CO不能化合成CO2，滞留在料球周围，故熟料、尤其是窑心部处熟料，易处在还原气氛下煅烧。还原气氛变浓，熟料易结块，恶化窑况，影响操作，降低熟料产量、质量。水气为氧化性气氛，含量适当时，能有效抑制还原气氛变浓引起的不利影响。
6、当采用萤石（CaF2）作矿化剂时，如在预热分解带内气相中含有水汽，能引起CaF2的水解，产生氟化氢（HF），破坏二氧化硅（SiO2）的四面体结构，即破坏Si-0键，使之易于参加反应：
生成的SiF4，又在水汽作用下分解，生成结构疏松、活性很大的α-方石英：
反应生成的CaO活性很大，易与SiO2（α-方石英）反应，形成硅酸二钙，而HF与CaCO3反应重新生成CaF2。这些循环反应，加速了CaCO3的分解，强化了CaF2的矿化作用。
综合上述，水汽随鼓风入窑，它作为中间反应物，参与窑内一系列重要的物理、化学反应;它又起热交换作用，调整窑内热工制度。因此控制合适的鼓风绝对湿度，能显著提高立窑熟料的产量、质量。
本发明就是根据上述发现完成的，经实验证实达到了良好的效果。
本发明的具体作法是：
1、依据熟料产量、水泥标号、安定性、煤耗等经济技术指标取得最佳综合效果时，相对应的鼓风绝对湿度，定为最佳鼓风绝对湿度。窑型、物料品质及配比、工艺操作方法等不同，最佳鼓风绝对湿度值也有所不同，需通过试验或生产经验选定。其值一般为0.013～0.022千克/米3。
2、测算出立窑所在地当时的大气绝对湿度，当低于最佳鼓风绝对湿度时，则在鼓风空气中补加水汽，某些窑型亦可补加雾化水，因雾化水随鼓风入窑后，将迅速气化，收到与补加水汽相同的效果。当大气绝对湿度达到或略超过最佳鼓风绝对湿度值时，则直接采用大气鼓风。
3、单位时间鼓风中补加的水汽量或补加雾化水量按下述公式（一）确定：
Q＝（K-a）·V……（一）
式中：Q为每分钟均匀连续送入鼓风中的水汽量或雾化水量（单位：千克/分）;K为选定的最佳鼓风绝对湿度（单位：千克/米3）;a为大气绝对湿度（单位：千克/米3）;V为立窑配套鼓风机每分钟的流量（单位：米3/分）。
4、补加水汽装置采用如附图1所示的补加水汽装置管道图：蒸汽锅炉（1）产生的水汽通过管道输送到鼓风中，闸阀（2）启闭和调节工作压力，气压计（3）测定工作压力，气体流量计（4）测定流量，闸阀（5）启闭和调节蒸汽喷嘴（6）的流量。
补加雾化水装置采用如附图2所示的补加雾化水装置管道图：泵（1）通过吸水管（9）从储水池（10）吸水，经出水口和承接管道流经三通（2）送出，压力计（3）测定工作水压，流量计（4）测定水流量，闸阀（5）启闭和调节雾化水喷嘴（6）喷入鼓风中的流量，回水闸门（8）调节工作压力。
蒸汽喷嘴或雾化水喷嘴安装在鼓风管道（7）中任何处，也可安装在立窑炉篦下部的空间内。补加水汽装置和补加雾化水装置统称为补湿装置。
将蒸汽喷嘴或雾化水喷嘴设计安装在鼓风机的出风口内，并带上相应的补湿装置，则组成专用的补湿鼓风机。
设计、制造补湿装置的要点是：（A）、为保证蒸汽喷嘴或雾化水喷嘴正常工作，工作介质顺利进入，其额定压力须高于配套鼓风机的出口静压力;（B）：为保证单位时间蒸汽流量或雾化水流量可在较宽的范围内方便地调校出最佳鼓风绝对湿度，以及装置的系列化、标准化和通用性要求，其单位时间的额定流量按公式（二）选取：
W＝（K+n）·V……（二）
式中：W为补湿装置每分钟的水汽或雾化水的额定流量（单位：千克/分）;k为最佳鼓风绝对湿度（单位：千克/米3）;n为可能出现不正常现象时的备用富裕量;（K+n）值一般在0.016～0.028千克/米3内选定;V为立窑配套鼓风机每分钟的流量（单位：米3/分）。
经工业生产试验证明;实施本发明可收到如下社会经济效益：
1、显著改善水泥的安定性：现行立窑产水泥，每年当大气绝对湿度低或偏低时期，安定性不良，一般需要储存二十天以上至一、二个月不等，甚至长达三、四个月获得安定后才能出厂使用，造成库房囤塞、资金周转困难，用户急需水泥难于及时得到供货。实施本发明，水泥安定性显著改善，一般可在粉磨后十天内获得安定，有时达到出磨安定。
2、大幅度提高水泥标号：现行立窑在大气绝对湿度低或较低时期，煅烧的熟料质量严重下降，一般只能产中、低标号水泥。实施本发明，为采用最佳配料方案提供了可靠工艺条件，在原料、煤的品质相同或相近时，水泥强度一般提高50～160标号或更高，稳产高、中标号水泥。
3、增加熟料产量：现行立窑在大气绝对湿度低或较低时期，熟料产量比大气绝对湿度合适时期下降5～15%或更多。实施本发明，可做到稳定产量，挖掘出立窑的这一生产潜力，年熟料产量将获得大的增加。
4、实施本发明，在大气绝对湿度低或较低时期，每吨熟料标准煤耗约下降10～20千克。
5、熟料、水泥质量与鼓风绝对湿度高低密切相关，当大气绝对湿度变化时，往往不易及时察觉，在批量抽样检验时可能发生漏检、误检，导致出现安定性不良、错订标号的水泥出厂事故。实施本发明，熟料质量获得稳定和提高，从根本上大大减少或消除因水泥质量不合格导致的建筑工程质量事故或隐患。
6、本发明使用的装置简单、投资较少，容易实施，生产成本低，见效快，可收到重大经济效益。不污染环境，不增加工人劳动强度、操作稳定。年使用期长，以湖南地区为例，年使用期达六、七个月。位于高纬度地带、内陆、高原、山区的立窑，使用期更长。普通立窑和机械化立窑均适用。
附图的简要说明：
图1：补加水汽装置管道图。其中（1）蒸汽锅炉;（2）闸阀;（3）气压计;（4）气体流量计;（5）闸阀;（6）蒸汽喷嘴;（7）鼓风管道或立窑炉篦下部空间或鼓风机的出风口。
图2：补加雾化水装置管道图。其中（1）泵;（2）三通;（3）压力计;（4）流量计（水表）;（5）闸阀;（6）雾化水喷嘴;（7）鼓风管道或立窑炉篦下部空间或鼓风机的出风口;（8）回流管闸阀;（9）吸水管道;（10）储水池。
本发明实施例：某立窑的配套鼓风机流量为120米3/分。测算出当地当时的大气绝对湿度a为0.010千克/米3。经试验或生产经验选定最佳鼓风绝对湿度K值为0.020千克/米3。代入公式（一）中，算出
Q＝（0.020～0.010）×120
＝1.2（千克/分）
对该水泥立窑当时的鼓风空气每分钟应均匀连续喷入1.2千克水蒸汽或雾化水。