水泥工艺生产熟料煅烧技术

第六章熟料煅烧技术一、概述二、生料在煅烧过程中的物理与化学变化三、悬浮预热技术四、预分解技术五、回转窑技术六、熟料冷却机七、预分解窑技术的生产控制八、新型干法水泥技术的发展九、窑用耐火材料第六章熟料煅烧技术本章学习要点：本章主要介绍新型干法水泥生产过程中的熟料煅烧技术以及煅烧过程中的物理化学变化，以旋风筒—换热管道—分解炉—回转窑—冷却机为主线，着重介绍当代水泥工业发展的主流和最先进的煅烧工艺及设备、生产过程的控制调节等。6.1概述悬浮预热、窑外分解技术，从根本上改变了物料的预热、分解过程的传热状态，将窑内物料堆积状态的预热和分解过程，分别移到悬浮预热器和分解炉内进行。6.1概述概念：一次空气、二次空气、三次空气、窑头、窑尾、物料进窑方向、废气出窑方向。6.1概述6.1概述预分解窑的关键技术装备筒，旋风筒；管，换热管道；炉，分解炉；窑，回转窑；机，冷却机.6.1概述预分解窑的关键技术装备适当成分的生料进入预热器预热.预热好的生料进入分解炉,碳酸盐分解分解后的生料进入窑内煅烧成为熟料.熟料进入冷却机进行冷却.P61表6.1国内外预分解窑情况统计6.2生料在煅烧过程中的物理化学变化生料在加热过程中，依次发生干燥、粘土矿物脱水、碳酸盐分解、固相反应、熟料烧结及熟料冷却结晶等重要的物理化学反应。这些反应过程的反应温度、反应速度及反应产物不仅受原料的化学成分和矿物组成的影响，还受反应时的物理因素诸如生料粒径、均化程度、气固相接触程度等的影响。6.2.1干燥排除生料中自由水分的工艺过程称为干燥。生料中还有不超过1.O％的水。自由水分的蒸发温度一般为27～150℃左右。当温度升高到100～150℃时，生料自由水分全部被排除。自由水分蒸发热耗大。每千克水蒸发潜热高达2257kJ(在100℃下)。6.2.2脱水脱水是指粘土矿物分解放出化合水。层间水在100℃左右即可排除，而配位水则必须高达400～600℃以上才能脱去。6.2.2脱水粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示：Al2O3·2SiO2·2H20Al203＋2SiO2＋2H2O↑高岭土无定形无定形水蒸气高岭土进行脱水分解反应属吸热过程。生成了非晶质的无定形偏高岭土，具有较高活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在900～950℃，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。6.2.2脱水影响因素1．生料水分2．粘土矿物不同粘土矿物脱水温度不一样。书P36表3.43．粘土脱水产物活性一般结构疏松、无定形(非晶态)、新生态、细小的→活性高，易与CaO结合。高岭石↑↑→蒙脱石、伊利石↑→长石、水云母↓6.2.2脱水影响因素1．生料水分2．粘土矿物3．粘土脱水产物活性4．急烧：粘土脱水后，随着温度的升高，会结晶或晶型转变，导致活性↓；急烧可使脱水产物来不急进行上述转变，就已进入碳酸钙分解温度，而与分解出的CaO均处于高活性状态，而易于反应，有利熟料的形成。6.2.2脱水影响因素1．生料水分2．粘土矿物3．粘土脱水产物活性4．急烧5．粘土颗粒大小：粘土脱水首先在表面，再向粒子中心扩散，扩散过程较慢。内部脱水速度控制整个脱水过程，所以越细越好。6.2.3碳酸盐分解1、分解反应特点①．可逆反应：受T、PCO2影响。T↑，有利反应向正方向进行，且分解速率加快600℃开始分解，890℃时PCO2=1个大气压，1100℃-1200℃反应迅速。慢加快迅速------------→每T↑50℃，分解速度约增1倍6.2.3碳酸盐分解1、分解反应特点①．可逆反应：受T、PCO2影响。T↑，有利反应向正方向进行，且分解速率加快T↑↑→废气T↑、热耗↑、预热器、分解炉易堵、结皮；加强通风→PCO2↓→有利反应向正方向进行。6.2.3碳酸盐分解1、分解反应特点①．可逆反应：受T、PCO2影响。②．强吸热反应：是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程。约占预分解窑的1/2，湿法1/3③．烧失量大：纯CaCO3为44%，一般在40%左右，与石灰质原料的品质有关。6.2.3碳酸盐分解1、分解反应特点①．可逆反应：受T、PCO2影响。②．强吸热反应③．烧失量大④．分解温度与PCO2和矿物结晶程度有关：PCO2↑，则分解温度增高。方解石的结晶程度高，晶粒粗大，则分解温度高；相反，微晶或隐晶质矿物的分解温度低。6.2.3碳酸盐分解2、碳酸钙的分解过程五个过程：两个传热过程：热气流向颗粒表面传热、热量以传导方式向分解面传热；一个化学反应过程：分解面上的CaCO3分解并放出CO2；两个传质过程：分解放出的CO2穿过分解层(CaO层)向表面扩散、表面CO2向周围介质气流扩散。6.2.3碳酸盐分解2、碳酸钙的分解过程五个过程中，传热和传质皆为物理传递过程，仅有一个化学反应过程。各过程的阻力不同，所以CaCO3的分解速率受控于其中最慢的一个过程。①．回转窑：生料粉粒径小，传质过程快；但物料呈堆积状态，传热面积小，传热系数不高，故传热速率慢。所以CaCO3分解速率取决于传热过程。6.2.3碳酸盐分解2、碳酸钙的分解过程五个过程中，传热和传质皆为物理传递过程，仅有一个化学反应过程。各过程的阻力不同，所以CaCO3的分解速率受控于其中最慢的一个过程。②．立窑和立波尔窑：生料需成球，由于球径较大，故传热速率慢，传质阻力很大，所以CaCO3分解速率取决于传热和传质过程。6.2.3碳酸盐分解2、碳酸钙的分解过程五个过程中，传热和传质皆为物理传递过程，仅有一个化学反应过程。各过程的阻力不同，所以CaCO3的分解速率受控于其中最慢的一个过程。③．预热器、预分解炉内：生料处于悬浮状态，传热面积大，传热系数高，传质阻力小，所以CaCO3分解速率取决于化学反应速率。6.2.3碳酸盐分解3．影响碳酸钙分解反应的因素①．反应条件。提高反应温度有利于加快分解反应速率，同时促使CO2扩散速率加快；但应注意温度过高，将增加废气温度和热耗，预热器和分解炉易结皮、堵塞。加强通风，及时排出反应生成的CO2气体，可加速分解反应。通风不畅时，废气中CO2含量增加，不仅影响燃料燃烧，而且使分解速率减慢。6.2.3碳酸盐分解3．影响碳酸钙分解反应的因素②．石灰石的种类和物理性质。结构致密、质点排列整齐、结晶粗大、晶体缺陷少的石灰石不仅质地坚硬，而且分解反应困难，如大理石的分解温度较高。质地松软的白垩和内含其他较多的泥灰岩，则分解所需的活化能较低，分解反应容易。当石灰石中伴生有其他矿物和杂质时，一般具有降低分解温度的作用。6.2.3碳酸盐分解3．影响碳酸钙分解反应的因素③．生料细度和颗粒级配。生料细度细，颗粒均匀，粗粒少，物料的比表面积大，可使传热和传质速率加快，有利于分解反应。6.2.3碳酸盐分解3．影响碳酸钙分解反应的因素④．生料悬浮分散程度。生料悬浮分散差，相对地增大了颗粒尺寸，减少了传热面积，降低了碳酸钙的分解速度。是决定分解速度的一个非常重要因素。书P112回转窑和分解炉内分解时间比较：回转窑内CaCO3分解率为85-95%(800～1000℃)要15min；而分解炉内(800～850℃)要2s。6.2.3碳酸盐分解3．影响碳酸钙分解反应的因素⑤．粘土质组分的性质。若粘土质原料的主导矿物是活性活性大的高岭土，由于其容易和分解产物CaO直接进行固相反应生成低钙矿物，可加速CaCO3的分解反应。反之，若粘土的主导矿物是活性差的蒙脱石、伊利石，则要影响CaCO3的分解速率，由结晶SiO2组成的石英砂的反应活性最低。6.2.4固相反应固相反应----放热反应1．反应过程在熟料形成过程中，从碳酸钙开始分解起，物料中便出现了游离氧化钙，它与生料中的SiO2、、Al2O3和Fe2O3等通过质点的相互扩散而进行固相反应，形成熟料矿物。固相反应：是指固态物质间发生的化学反应，有时也有气相或液相参与，而作用物和产物中都有固相。6.2.4固相反应固相反应----放热反应1．反应过程熟料形成过程的固相反应比较复杂，其过程大致如下：见书P113约800℃：开始形成CA、CF与C2S；C＋A－－＞CAC＋F－－＞CF2C＋S－－＞C2SC2S开始形成800-900℃：开始形成C12A7、C2F；7CA＋5C－－＞C12A76.2.4固相反应固相反应----放热反应1．反应过程约800℃：开始形成CA、CF与C2S；800-900℃：开始形成C12A7、C2F；900-1100℃：2C＋A＋S－－＞C2ASC2AS形成后又分解C12A7＋9C－－＞7C3AC3A开始形成C2F＋2C＋C12A7－－＞7C4AFC4AF开始形成1100-1200℃：大量形成C3A、C4AF，C2S含量达最大值6.2.4固相反应固相反应----放热反应1．反应过程约800℃：开始形成CA、CF与C2S；800-900℃：开始形成C12A7、C2F；900-1100℃：C2AS形成后又分解、C3A、C4AF开始形成1100-1200℃：大量形成C3A、C4AF，C2S含量达最大值由上可见，水泥熟料矿物的形成是一个复杂的多级反应，反应过程是交叉进行的。上述反应为放热反应，用普通原料约放热420-450J/g，足以使物料升温300℃以上。6.2.4固相反应固相反应----放热反应1．反应过程约800℃：开始形成CA、CF与C2S；800-900℃：开始形成C12A7、C2F；900-1100℃：C2AS形成后又分解、C3A、C4AF开始形成1100-1200℃：大量形成C3A、C4AF，C2S含量达最大值以上化学反应的温度都小于反应物和生成物的熔点，也就是说物料在以上这些反应过程中都没有熔融状态物出现，反应是在固体状态下进行的。6.2.4固相反应固相反应----放热反应1．反应过程由于固体原子、分子或离子之间具有很大的作用力，因此固相反应的反应活性较低，反应速率较慢。通常，固相反应总是发生在两组分界面上，为非均相反应。对于粒状物料，反应首先是通过颗粒间的接触点或面进行，随后是反应物通过产物层进行扩散迁移，因此，固相反应一般包括界面上的反应和物质迁移两个过程。6.2.4固相反应固相反应----放热反应2．影响固相反应的主要因素①．生料的细度和均匀性生料愈细，则其颗粒尺寸愈小，比表面积愈大，各组分间的接触面积愈大，同时表面的质点自由能亦大，使反应和扩散能力增强，因此反应速率愈快。但是，当生料磨细到一定程度后，如继续再细磨，则对固相反应的速率增加不明显，而磨机产量却大大降低，粉磨电耗剧增。因此，必须综合平衡，优化控制生料细度。生料的均匀性好，即生料内各组分混合均匀，这就可以增加各组分之间的接触，所以能加速固相反应。6.2.4固相反应固相反应----放热反应2．影响固相反应的主要因素①．生料的细度和均匀性硅酸盐水泥生料细度一般控制范围：0.2mm(900孔/cm2)以上粗粒在1.0-1.5%以下，此时0.08mm以上粗粒可以控制在8-12%，最高在15%以下；或者使生料中以上粗粒为0.5%左右，则0.08mm以上粗粒可放宽到15%以上，甚至可以达到20%以上。6.2.4固相反应固相反应----放热反应2．影响固相反应的主要因素①．生料的细度和均匀性②．温度和时间当温度较低时，固体的化学活性低，质点的扩散和迁移速率很慢，因此固相反应通常需要在较高的温度下进行。提高反应温度，可加速固相反应。由于固相反应时离子的扩散和迁移需要时间，所以，必须要有一定的时间才能使固相反应进行完全。急剧煅烧：热力梯度大，升温快，使脱水、CaCO3分解重合，新生态，活性高。6.2.4固相反应固相反应----放热反应2．影响固相反应的主要因素①．生料的细度和均匀性②．温度和时间③．原料性质当原料中含有如燧石、石英砂等结晶SiO2或方解石结晶粗大时，因破坏其晶格困难，所以固相反应的速率明显降低，特别是当原料中含有粗粒石英砂时，其影响更大。6.2.5熟料烧结当物料温度升高到1250-1280℃时，即达到其最低共熔温度，开始出现以氧化铝、氧化铁为主的液相，液相的组分中还有氧化镁和碱等。随着温度的升高和时间延长，液相量增加,液相粘度降低