第五章硅酸鹽水泥熟料的煅燒

1、第五章 硅酸鹽水泥熟料的煅燒5-1 生料在煅燒過程中的物理化學(xué)變化5-2 熟料形成的熱化學(xué)5-3 礦化劑、晶種對熟料煅燒和質(zhì)量的影響5-4 揮發(fā)性組分及其他微量元素的作用5-5 水泥熟料的煅燒方法及設(shè)備 【掌握內(nèi)容】1、 硅酸鹽水泥熟料的形成過程：名稱、反應(yīng)特點、影響反應(yīng)速度的因素；2、 熟料的形成熱、熱耗的定義、一般數(shù)值、影響因素3、 揮發(fā)性組分對新型干法水泥生產(chǎn)的影響4、 懸浮預(yù)熱器窯及預(yù)分解窯的組成、工作過程5、 影響窯產(chǎn)、質(zhì)量及消耗的因素【理解內(nèi)容】1、 c3s的形成機理，形成條件；2、 影響熟料形成熱的因素，形成熱與實際熱耗的區(qū)別，降低熱耗的措施；3、 回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)、組成、及工作過程

2、；4、 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)“帶”的劃分方法，預(yù)分解窯內(nèi)“帶”的劃分?！玖私鈨?nèi)容】1、 水泥熟料的煅燒方法及設(shè)備類型；2、 礦化劑、晶種：定義、類型、作用、使用；3、 濕法窯的組成，工作過程合格生料在水泥窯內(nèi)經(jīng)過連續(xù)加熱，高溫煅燒至部分熔融，經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，得以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料的工藝過程叫硅酸鹽水泥熟料的煅燒，簡稱煅燒。結(jié)合目前生產(chǎn)現(xiàn)狀及學(xué)生的就業(yè)去向，主要介紹與回轉(zhuǎn)窯尤其是新型干法回轉(zhuǎn)窯有關(guān)的知識，立窯有關(guān)知識留給學(xué)生自學(xué)。第一節(jié) 生料在煅燒過程中的物理化學(xué)變化生料在加熱過程中，依次進行如下物理化學(xué)變化：一、干燥與脫水（一）干燥入窯物料當(dāng)溫度升高到100150時，生料中的自由水

3、全部被排除，特別是濕法生產(chǎn)，料漿中含水量為3240%，此過程較為重要。而干法生產(chǎn)中生料的含水率一般不超過1.0%。（二）脫水當(dāng)入窯物料的溫度升高到450，粘土中的主要組成高嶺土（al2o32sio22h2o）發(fā)生脫水反應(yīng)，脫去其中的化學(xué)結(jié)合水。此過程是吸熱過程。al2o32sio22h2o al2o3 + 2sio2 + 2h2o （無定形）（無定形）脫水后變成無定形的三氧化三鋁和二氧化硅，這些無定形物具有較高的活性。二、碳酸鹽分解當(dāng)物料溫度升高到600時，石灰石中的碳酸鈣和原料中夾雜的碳酸鎂進行分解（見下式），在co2分壓為一個大氣壓下，碳酸鎂和碳酸鈣的劇烈分解溫度分別是750和900。mg

4、co3 mgo+co2 caco3 cao+co2（一）碳酸鈣分解反應(yīng)的特點碳酸鈣的分解過程是一個可逆反應(yīng)，所以受系統(tǒng)溫度、周圍介質(zhì)中co2的分壓影響較大；該過程是一個強吸熱過程，每1kg純碳酸鈣在890時分解吸收熱量為1645kj/kg，是熟料形成過程中消耗熱量最多的一個工藝過程，而碳酸鈣在水泥生料中所占比例約為80%左右，因此，它是水泥熟料煅燒過程中重要的一個環(huán)節(jié)；該過程的燒失量大，在分解過程中放出大量的co2氣體，使cao疏松多孔，強化固相反應(yīng)。（二）碳酸鈣的分解過程碳酸鈣顆粒的分解過程有以下五個過程：1、通過顆粒邊界層由周圍介質(zhì)傳進行分解所需的熱量qi；2、熱量qi繼續(xù)以傳導(dǎo)方式，由表

5、面?zhèn)髦练磻?yīng)面，并積聚達到一定的分解溫度；3、反應(yīng)面在一定溫度下，繼續(xù)分解、吸收熱量并放出co2；4、放出的co2從分解面通過cao層，向四周進行內(nèi)部擴散；5、擴散到顆粒邊緣的co2，通過邊界層向介質(zhì)擴散。以上五個過程四個是物理過程，一個是化學(xué)反應(yīng)過程，每個過程各有阻力，情況較為復(fù)雜，各個過程都會影響碳酸鈣的分解，哪個過程最慢，哪個過程便是主控過程。在懸浮態(tài)的反應(yīng)器里，碳酸鈣分解所需的時間主要取決于化學(xué)反應(yīng)速率，即主要取決于化學(xué)分解分步過程：1、在碳酸鈣粒徑較大時，以傳熱傳質(zhì)過程為主；在碳酸鈣的粒徑d=0.2cm時，物理、化學(xué)過程占同樣重要的地位。如立窯、立波爾窯、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)均屬于傳熱、傳質(zhì)控制過

6、程。2、粒徑較小時，如d0.003cm，在懸浮狀態(tài)分解時，決定于化學(xué)過程。值得提出的是：在窯內(nèi)分解帶，顆粒雖細，但處于堆積狀態(tài)，仍為傳熱傳質(zhì)控制過程。（三）影響碳酸鈣分解速度的因素1、石灰質(zhì)原料的特性：結(jié)構(gòu)致密、結(jié)晶粗大的石灰石分解較慢；2、生料細度及顆粒級配：生料較細，且顆粒均勻、粗粒少，生料比表面積增加，有利于反應(yīng)進行；3、生料的懸浮分散程度：分散度愈高，接觸面積愈大，愈有利于反應(yīng)進行；4、分解溫度：溫度愈高，分解速度愈快：5、窯系統(tǒng)的co2分壓：當(dāng)溫度一定時，分壓愈低，愈易分解；6、生料中粘土質(zhì)組分的性質(zhì)：活性高，則能直接與碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)，可以促進碳酸鈣的分解過程。三、固相反應(yīng)（一）反應(yīng)

7、過程水泥熟料的主要礦物是硅酸三鈣（c3s）、硅酸二鈣（c2s）、鋁酸三鈣（c3a）、鐵鋁酸四鈣（c4af），它們是由固態(tài)物質(zhì)相互反應(yīng)生成的。從原料分解開始，物料中便出現(xiàn)了性質(zhì)活潑的游離氧化鈣，它與生料中的sio2、al2o3、fe2o3進行固相反應(yīng)，形成熟料礦物：800900 時 cao+ al2o3 caoal2o3 （ca） cao+ fe2o3 caofe2o3 （cf）9001100時 2 cao+ sio2 2 cao sio2 （c2s） 7 caoal2o3+5 cao 12 cao7al2o3（c12a7）caofe2o3+ cao 2caofe2o3（c2f）11001300

8、時 12 cao7al2o3+9 cao 7（3caoal2o3）（c3a） 7（2caofe2o3）+2 cao+12 cao7al2o3 7（4caoal2o3fe2o3） （c4af）以上反應(yīng)在進行時放出一定的熱量，故稱為“放熱反應(yīng)”階段。（二）影響固相反應(yīng)的主要因素1、生料細度及其均勻程度；2、原料物理性質(zhì)對固相反應(yīng)的影響；3、溫度對固相反應(yīng)的影響；4、其他因素。四、熟料燒結(jié)（一）熟料燒結(jié)過程水泥熟料中的主要的礦物是硅酸三鈣，而它的形成需在液相中進行，當(dāng)溫度達到1300時，c3a、c4af及r2o熔劑礦物變成液相，c2s及cao很快被高溫熔融的液相所溶解并進行化學(xué)反應(yīng)，形成c3s：2

9、cao sio2 + cao 3 cao sio2 （c3s）該反應(yīng)稱為燒結(jié)反應(yīng)，它是在130014501300范圍進行，故稱該溫度范圍為燒成溫度范圍；在1450時反應(yīng)迅速，故稱該溫度為燒成溫度。為使反應(yīng)完全，還需有一定的時間，一般為1020分鐘。由于反應(yīng)不完全，沒有參與反應(yīng)的cao就隨著溫度降低，凝固于凝固體中，這些cao稱為游離氧化鈣（fcao）（為了便于下面的區(qū)別，稱其為一次游離氧化鈣，其對水泥安定性有重要影響）。（二）影響熟料燒結(jié)過程的因素1、最低共熔溫度；2、液相量：一般為2030%；3、液相粘度：粘度愈小，愈有利于c3s的形成；4、液相的表面張力：表面張力愈小，愈易潤濕固相物質(zhì)或熟

10、料顆粒，有利于固液反應(yīng)，促進c3s的形成；5、cao和c2s溶于液相的速率：其速率愈大，c3s的成核與發(fā)育愈快。五、熟料冷卻熟料冷卻時需急速冷卻，其目的和作用是：1、為了防止c3s在1250時分解，出現(xiàn)二次游離氧化鈣（對水泥安定性沒有大的影響），降低熟料的強度；2、為了防止c2s在500時發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，使其密度由3.28g/cm3變?yōu)?.97 g/cm3，從面使熟料體積膨脹，變成粉末，產(chǎn)生“粉化”現(xiàn)象；3、防止c3s晶體長大而強度降低且難以粉磨；4、減少mgo晶體析出，使其凝結(jié)于玻璃體中，避免造成水泥安定性不良；5、減少c3a晶體析出，不使水泥出現(xiàn)快凝現(xiàn)象，并提高水泥的抗硫酸鹽性能；6、使熟料

11、產(chǎn)生應(yīng)力，增大熟料的易磨性。此外，急冷還可以收回?zé)崃?，提高熱的利用率。第二?jié) 熟料形成的熱化學(xué)一、熟料的形成熱1、定義：在一定生產(chǎn)條件下，用某一基準(zhǔn)溫度（一般是0或20）的干燥物料，在沒有任何物料損失和熱量損失的條件下，制成1kg同溫度的熟料所需要的熱量稱為熟料的形成熱（熟料形成熱效應(yīng)）。2、影響因素：熟料的形成熱是熟料形成在理論上消耗的熱，它僅與原、燃料的品種、性質(zhì)及熟料的化學(xué)成分與礦物組成、生產(chǎn)條件有關(guān)。3、計算原理：理論熱耗=吸收的總熱量放出的總熱量，一般為16301800kj/kg-ck。二、熟料形成熱的計算方法以普通原料配料、以煤為燃料為例說明：計算基準(zhǔn)：1kg熟料，溫度為0已知數(shù)據(jù)

12、：熟料的化學(xué)成分；煤的工業(yè)分析及煤灰的化學(xué)成分；熟料的單位煤耗。生成1kg熟料干物料消耗量的計算；生成1kg熟料吸收熱量的計算；生成1kg熟料放出熱量的計算；熟料的形成熱。三、熟料熱耗（一）、定義：每煅燒1kg熟料窯內(nèi)實際消耗的熱量稱為熟料實際熱耗，簡稱熟料熱耗，也叫熟料單位熱耗。熱耗熟料形成熱，因為有各種熱損失，要降低熱耗，實際上就是要降低各種熱損失。（二）、影響熟料熱耗的因素1、生產(chǎn)方法與窯型；2、廢氣余熱和利用；3、生料組成、細度及生料易燒性；4、燃料的燃燒情況；5、窯體的散熱損失；6、礦體劑及微量元素的作用。第三節(jié) 礦化劑、晶種對熟料煅燒和質(zhì)量的影響一、礦化劑1、定義：在熟料煅燒過程中

13、，為降低液相出現(xiàn)溫度，加速熟料礦物的形成，提高熟料質(zhì)量，降低能耗，加入的物質(zhì)，統(tǒng)稱為礦化劑。 單獨用一種，稱礦化劑； 兩種或兩種以上的礦化劑同時使用時，稱為復(fù)合礦化劑。2、可以作礦化劑的物質(zhì)： （1）含氟化合物：常用螢石（caf2） （2）硫化物：常用石膏（包括天然石膏、工業(yè)副產(chǎn)石膏） （3）氯化物：cacl2 （4）其他：銅礦渣、磷礦渣等常用的復(fù)合礦化劑：石膏螢石、重晶石螢石、磷石膏-螢石等，最常用的是石膏螢石復(fù)合礦化劑。3、礦化劑的作用： （1）加速碳酸鹽的分解； （2）促進固相反應(yīng) （3）降低液相出現(xiàn)的溫度和粘度，促進c3s的形成。4、使用礦化劑易引起的問題：凝結(jié)時間不正常，快凝或慢凝。

14、二、晶種技術(shù)1、晶種：是晶體結(jié)晶過程的晶核，或稱為晶核劑、核化劑。水泥工業(yè)中的晶種指通過水泥窯煅燒而成的硅酸鹽水泥熟料。2、晶種技術(shù)：在入磨原材料中摻入少量的硅酸鹽水泥熟料共同磨制出生料，業(yè)已存在的硅酸鹽水泥熟料礦物在煅燒過程中作為晶核劑誘導(dǎo)水泥窯中物料迅速燒結(jié)，從而達到提高熟料產(chǎn)量，降低煤耗目的的技術(shù)。三、使用礦化劑、晶種時的注意事項：使用礦化劑、晶種有積極的一面，也有消極的一面，如增加成本，有副作用等，使用時應(yīng)注意：1、根據(jù)實際情況考慮是否采用；2、選擇合適的品種；3、摻量要合適，計量要精確；4、摻入要均勻；5、相應(yīng)調(diào)整配料方案及操作措施；6、礦化劑、晶種可以同時使用。第四節(jié) 揮發(fā)性組分及

15、其他微量元素的作用揮發(fā)性組分及其他微量元素是由原、燃料帶入的伴生組分。數(shù)量雖然不多，但往往對熟料煅燒和質(zhì)量有不同程度的影響。有正作用也有副作用，如能合理利用，可以化害為利。一、揮發(fā)性組分的影響揮發(fā)性組分主要指：堿、氯、硫。主要來源：原料、燃煤特點：（1）低溫下呈固態(tài)，高溫下?lián)]發(fā)成氣體；（2）當(dāng)其含量大時，可降低最低共熔溫度，增加液相量，降低液相粘度，起助熔作用。揮發(fā)性組分對新型干法水泥生產(chǎn)的影響：1、揮發(fā)性組分的揮發(fā)凝聚循環(huán)堿、氯、硫化合物在煅燒過程中，隨生料進入窯系統(tǒng)，隨溫度的不斷升高，先后分解、氣化和揮發(fā)，并隨窯內(nèi)氣流向低溫區(qū)窯尾系統(tǒng)。當(dāng)溫度降低到一定限度時揮發(fā)組分中的一部分凝聚、聚集、粘

16、附于生料顆粒表面并隨生料再返回高溫區(qū)，然后再揮發(fā)、凝聚，如此循環(huán)，在循環(huán)過程中富集。2、危害：（1）結(jié)皮、堵塞：結(jié)皮：物料在設(shè)備或氣體管道內(nèi)壁上逐步分層粘掛，形成疏松多孔的層狀覆蓋物；堵塞：窯后通風(fēng)系統(tǒng)或料流系統(tǒng)被結(jié)皮物料堵塞。（不一定是堵死）（2）結(jié)大塊、結(jié)圈3、防止措施：（1）限制原燃料中堿、氯、硫的含量；新型干法水泥生產(chǎn)：生料中：k2o+na2o1.0% cl- 0.015%0.020%生料和燃料的硫堿比：（2）嚴(yán)格控制系統(tǒng)各處的溫度（3）旁路放風(fēng)（4）及時清理：如定期用高壓風(fēng)吹掃結(jié)皮、空氣炮清除等二、非揮發(fā)性組分主要指：氧化鎂、氧化磷、氧化鈦、氧化釩；作用：總體說，這些微量成分，少量存

17、在時，對水泥生產(chǎn)有好處，多了有副作用。第五節(jié) 水泥熟料的煅燒方法及設(shè)備一、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的煅燒（一）回轉(zhuǎn)窯的煅燒工藝流程回轉(zhuǎn)窯是一個斜置在數(shù)對托輪上的回轉(zhuǎn)鋼筒體，筒體內(nèi)壁鑲砌耐火材料，它是一種以化學(xué)反應(yīng)、燃料煅燒及傳熱為主要功能的水泥烹生產(chǎn)設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯分干法、濕法回轉(zhuǎn)窯兩類，這兩類的共同特點是：生料的整個煅燒過程都在回轉(zhuǎn)窯窯筒內(nèi)和冷卻機內(nèi)完成。通常，回轉(zhuǎn)窯與冷卻機、煤粉燃燒裝置、鼓風(fēng)機、排風(fēng)機及收塵設(shè)備等組成完整的熟料燒成系統(tǒng)。（二）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的煅燒過程生料進入回轉(zhuǎn)窯后，在窯內(nèi)氣體溫度控制下，依次發(fā)生干燥、粘土礦物脫水分解、碳酸鹽分解、固相反應(yīng)、熟料燒結(jié)以及冷卻過程，最終由生料變成熟料。根據(jù)其

18、形成過程，回轉(zhuǎn)窯相應(yīng)劃分為六個帶：即干燥帶、預(yù)熱帶、分解帶、放熱反應(yīng)帶、燒成帶、冷卻帶。這些帶的劃分是人為的，各帶的位置及長度不是不變的，而且分界不是明確的，有的相互交錯。干燥帶：物料入窯后首先進行水分蒸發(fā)，這一過程所占的空間稱為“干燥帶”，其任務(wù)就是蒸發(fā)自由水。該帶物料溫度為20200。預(yù)熱帶：物料升溫至450時，粘土開始脫水，該過程所占據(jù)的空間為“預(yù)熱帶”，該帶的主要任務(wù)是粘土脫水，即脫去化學(xué)結(jié)合水而成為無定形氧化物。該帶物料的溫度為200750。分解帶：物料在該帶進行劇烈的分解反應(yīng)，生成大量的co2氣體，由于大量氣體存在，物料流動的速度較快，使該帶較長，約占全窯的50%左右，碳酸鹽分解需

19、要大量的熱，約占熟料熱耗的40%左右。該帶物料的溫度為7501000。放熱反應(yīng)帶：物料在該帶進行固相反應(yīng)，形成熟料中的三種礦物，包括熔劑礦物，該帶進行的是放熱反應(yīng)，其溫度與分解帶的溫差較大，在該帶的物料發(fā)光性強，從窯頭看過去，在相界處出現(xiàn)“黑影”，看火工由此判斷窯內(nèi)的煅燒情況。該帶物料的溫度為10001300。燒成帶：該帶也稱為“燒結(jié)帶”或“石灰吸收帶”，物料在此帶內(nèi)進行燒結(jié)反應(yīng)，形成主要礦物硅酸三鈣，物料在該帶的溫度為130014501300，是全窯內(nèi)溫度最高的地方。冷卻帶：物料在該帶內(nèi)開始進行冷卻，而且需要急冷，防止硅酸三鈣的分解，該帶物料的溫度為13001000，為了加強熟料的冷卻，需要

20、使熟料盡快地進入冷卻機。二、帶懸浮預(yù)熱器回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的煅燒帶懸浮預(yù)熱器回轉(zhuǎn)窯是由一組懸浮預(yù)熱器和一臺回轉(zhuǎn)窯組合而成，根據(jù)懸浮預(yù)熱器的形式不同，可分為旋風(fēng)預(yù)熱器窯、立筒預(yù)熱器窯和組合預(yù)熱器窯。現(xiàn)以旋風(fēng)預(yù)熱器窯為例說明如下。（一）旋風(fēng)預(yù)熱器窯生產(chǎn)工藝流程（二）熟料煅燒特點其特點：1、使物料與氣體間的傳熱面積大大增加（1kg生料在窯內(nèi)的傳熱面積是0.1572,在懸浮預(yù)熱器里是12502,后者是前者的8000倍）；2、傳熱效率提高，傳熱速率增大（以生料的升溫速率比較,在窯內(nèi)僅為5.8/min,立波爾窯的加熱機,其速率也只有50/min,而懸浮預(yù)熱器內(nèi)的速率可達1000/min）；3、總體上看物料與氣流是逆向運動，而在管道和旋風(fēng)筒內(nèi)則是順流運動。傳熱主要