第五章-硅酸盐水泥熟料的煅烧

第五章硅酸盐水泥熟料的煅烧一、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、微量元素和矿化剂对熟料煅烧和质量的影响七、熟料冷却机八、预分解窑技术的生产控制九、新型干法水泥技术的发展十、窑用耐火材料6.1概述石灰质原料、粘士质原料少量的铁质原料按一定要求的比例配合生料经均化、粉磨、调配而成。1450℃熟料水泥熟料生产的工艺流程：发生了什么变化？6.1概述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.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.6.2生料在煅烧过程中的物理化学变化干燥（自由水蒸发）吸热粘土质原料脱水吸热碳酸盐分解强吸热固相反应放热熟料烧结微吸热熟料冷却放热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：Al2O3·2SiO2·2H20500~600Al203＋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。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。6.2.3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。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800℃CaO+Al2O3→CaO·Al2O3（CA）CaO+Fe2O3→CaO·Fe2O3（CF）2CaO+SiO2→2CaO·SiO2（C2S）800～900℃CaO·Fe2O3+CaO→2CaO·Fe2O3（C2F）7CaO·Al2O3+5CaO→12CaO·7Al2O3（C12A7）900～1100℃2CaO+SiO2+Al2O3→2CaO·Al2O3·SiO212CaO·7Al2O3+9CaO→7（3CaO·Al2O3）（C3A）7（2CaO·Fe2O3）+2CaO+12CaO·7Al2O3→7（4CaO·Al2O3·Fe2O3）（C4AF）1100~1200℃大量形成C3AC4AFC2S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,硅酸三钙晶核不断形成，并逐渐发育、长大。与此同时，晶体不断重排、收缩、密实化，物料逐渐由疏松状态转变为色泽灰黑、结构致密的熟料．我们称以上过程为熟料的烧结过程，简称熟料烧结。反应式：C2S+CaO→C3S6.2.5熟料烧结反应式：C2S+CaO→C3S条件：温度：1300~1450~1300℃液相量：20%~30%时间：10~20min6.2.5熟料烧结影响熟料烧结的因素：1．最低共熔温度最低共熔温度：物料在加热过程中，两种或两种以上组分开始出现液相时的温度。组分性质与数目都影响系统的最低共熔温度。见书P114表6.2。矿化剂和微量元素对降低共熔温度有一定作用。6.2.5熟料烧结影响熟料烧结的因素：1．最低共熔温度2．液相量液相量↓--→CaO不易被吸收完全，导致熟料中f-CaO↑影响熟料质量，或降低窑产量和增加燃料消耗。液相量↑--→能溶解的C2S、CaO亦↑--→形成C3S快；液相量↑↑--→易结大块，回转窑内结圈。立窑内炼边、结炉瘤等；6.2.5熟料烧结影响熟料烧结的因素：1．最低共熔温度2．液相量3．液相粘度液相粘度直接影响硅酸三钙的形成速率和晶体的尺寸，粘度小，则粘滞阻力小，液相中质点的扩散速率增加，有利于硅酸三钙的形成和晶体的发育成长；反之则使硅酸三钙形成困难。熟料液相粘度随温度和组成(包括少量氧化物)而变化。6.2.5熟料烧结影响熟料烧结的因素：1．最低共熔温度2．液相量3．液相粘度影响液相粘度的因素：①．温度②．液相组成③．煅烧方法。慢速升温，则Me2O3大部分离解成MeO45-离子，因而液相粘度提高；快速升温，则Al3+以四、六配位共存，而六配位的Fe3+增多，因而液相粘度降低。6.2.5熟料烧结影响熟料烧结的因素：1．最低共熔温度2．液相量3．液相粘度4．液相的表面张力液相表面张力愈小，愈容易润湿