硅酸盐水泥熟料的煅烧.ppt
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1、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、概述一、概述二、生料在煅烧过程中的物理与化学变化二、生料在煅烧过程中的物理与化学变化三、悬浮预热技术三、悬浮预热技术四、预分解技术四、预分解技术五、回转窑技术五、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、熟料冷却机七、熟料冷却机八、预分解窑技术的生产控制八、预分解窑技术的生产控制九、新型干法水泥技术的发展九、新型干法水泥技术的发展十、窑用耐火材料十、窑用耐火材料6.1 概述概述石灰质原料、石灰质原料、粘士质原料粘士质原料少量的铁质原料少量的铁质原料按一定要求的按一定要求的比例配合比例
2、配合生料生料经均化、经均化、粉磨、调粉磨、调配而成。配而成。14501450熟料熟料水泥熟料生产的工艺流程:水泥熟料生产的工艺流程:发生了什么变化?发生了什么变化?6.1 概述概述n 适当成分的生料进入预热器适当成分的生料进入预热器预热预热.n 预热好的生料进入分解炉预热好的生料进入分解炉,碳酸盐碳酸盐分解分解n 分解后的生料进入窑内分解后的生料进入窑内煅烧煅烧成为熟料成为熟料.n 熟料进入冷却机进行熟料进入冷却机进行冷却冷却.关键技术装备关键技术装备n 筒,旋风筒;筒,旋风筒;n 管,换热管道;管,换热管道;n 炉,分解炉;炉,分解炉;n 窑,回转窑;窑,回转窑;n 机,冷却机机,冷却机.6
3、.2 生料在煅烧过程中的物理化学变化生料在煅烧过程中的物理化学变化n干燥(自由水蒸发)干燥(自由水蒸发)吸热吸热n粘土质原料脱水粘土质原料脱水 吸热吸热n碳酸盐分碳酸盐分解解 强吸热强吸热n固相反应固相反应 放热放热n熟料烧结熟料烧结 微吸热微吸热n熟料冷却熟料冷却 放热放热6.2.1 干燥干燥 排除生料中自由水分的工艺过程称为干燥。排除生料中自由水分的工艺过程称为干燥。生料中还有不超过生料中还有不超过1.O1.O的水。的水。自由水分的蒸发温度一般为自由水分的蒸发温度一般为2727150150左右。左右。当温度升高到当温度升高到100100150150时,生料自由水分全部被排除。时,生料自由水
4、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自由水分蒸发热耗大。每千克水蒸发潜热高达2257 kJ(2257 kJ(在在100100下下)。6.2.2 脱水脱水 粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示:粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示:Al Al2 2O O3 32SiO2SiO2 22H2H2 20 0 500600 500600 Al Al2 20 03 3 2SiO2SiO2 2 2H 2H2 2OO 高岭土高岭土 无定形无定形 无定形无定形 水蒸气水蒸气 高岭土进行脱水分解反应属吸热过程。高岭土进行脱水分解反应属吸热过程。生成了非晶生成了非晶质质的无
5、定形偏高岭土的无定形偏高岭土 ,具有具有较较高活性高活性,为下一,为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在步与氧化钙反应创造了有利条件。在 900 900950950,由无定形物,由无定形物质转变为晶体,同时放出热量。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脱水是指粘土矿物分解放出化合水 。层层间间水水在在100100左左右右即即可可排排除除,而而配配位位水水则则必必须须高高达达400400600600以上才能脱去。以上才能脱去。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解1 1、分解反应特点、分解反应特点可逆反应可逆反应:受:受T T、P PCO2CO2影响。影响。TT,有利反应向正方向
6、进行,且分解速率加快,有利反应向正方向进行,且分解速率加快 600600开始分解,开始分解,890890时时P PCO2CO2=1=1个大气压,个大气压,1100-12001100-1200反应迅速。反应迅速。慢慢 加快加快 迅速迅速 -每每T50T50,分解速度约增,分解速度约增1 1倍倍6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解1 1、分解反应特点、分解反应特点可逆反应可逆反应:受:受T T、P PCO2CO2影响。影响。TT,有利反应向正方向进行,且分解速率加快,有利反应向正方向进行,且分解速率加快 T T 废气废气TT、热耗、热耗、预热器、分解炉易堵、结皮;、预热器、分解炉易堵、结皮;加强通风加
7、强通风 P PCO2CO2 有利反应向正方向进行。有利反应向正方向进行。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解1 1、分解反应特点、分解反应特点可逆反应可逆反应:受:受T T、P PCO2CO2影响。影响。强吸热反应强吸热反应:是熟料形成过程中消耗热量最多的一个:是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程。约占预分解窑的工艺过程。约占预分解窑的1/21/2,湿法,湿法1/3 1/3 烧失量大烧失量大:纯:纯CaCOCaCO3 3为为44%44%,一般在,一般在40%40%左右,与石灰质左右,与石灰质原料的品质有关。原料的品质有关。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解1 1、分解反应特点、分解反应特点可逆
8、反应可逆反应:受:受T T、P PCO2CO2影响。影响。强吸热反应强吸热反应烧失量大烧失量大分解温度与分解温度与P PCO2CO2和矿物结晶程度有关和矿物结晶程度有关:P PCO2CO2,则分解,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;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。相反,微晶或隐晶质矿物的分解温度低。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解2 2、碳酸钙的分解过程、碳酸钙的分解过程 五个过程: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;向分解
9、面传热;一个化学反应过程:分解面上的一个化学反应过程:分解面上的CaCOCaCO3 3分解并放出分解并放出COCO2 2;两个传质过程:分解放出的两个传质过程:分解放出的COCO2 2穿过分解层穿过分解层(CaO(CaO层层)向表面扩向表面扩散、表面散、表面COCO2 2向周围介质气流扩散。向周围介质气流扩散。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解2 2、碳酸钙的分解过程、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,所以学反应过程。各过程的阻力不同,所以CaCOCaCO3 3的分解速率受控于的分解
10、速率受控于其中最慢的一个过程。其中最慢的一个过程。回转窑:生料粉粒径小,传质过程快;但物料呈堆积回转窑: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。所以状态,传热面积小,传热系数不高,故传热速率慢。所以CaCOCaCO3 3分解速率取决于传热过程。分解速率取决于传热过程。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解2 2、碳酸钙的分解过程、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,所以学反应过程。各过程的阻力不同,所以CaCOCaCO3 3的分解速率受控于的分解
11、速率受控于其中最慢的一个过程。其中最慢的一个过程。立窑和立波尔窑:生料需成球,由于球径较大,故传立窑和立波尔窑:生料需成球,由于球径较大,故传热速率慢,传质阻力很大,所以热速率慢,传质阻力很大,所以CaCOCaCO3 3分解速率取决于传热和传分解速率取决于传热和传质过程。质过程。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解2 2、碳酸钙的分解过程、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,所以学反应过程。各过程的阻力不同,所以CaCOCaCO3 3的分解速率受控于的分解速率受控于其中最慢的一个过程。其
12、中最慢的一个过程。预热器、预分解炉内:生料处于悬浮状态,传热面积预热器、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,所以大,传热系数高,传质阻力小,所以CaCOCaCO3 3分解速率取决于化学分解速率取决于化学反应速率。反应速率。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解3 3影响碳酸钙分解反应的因素影响碳酸钙分解反应的因素反应条件。反应条件。提高反应温度有利于加快分解反应速率,同时促使提高反应温度有利于加快分解反应速率,同时促使COCO2 2扩散扩散速率加快;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。
13、器和分解炉易结皮、堵塞。加强通风,及时排出反应生成的加强通风,及时排出反应生成的COCO2 2气体,可加速分解反应。气体,可加速分解反应。通风不畅时,废气中通风不畅时,废气中COCO2 2含量增加,不仅影响燃料燃烧,而且使含量增加,不仅影响燃料燃烧,而且使分解速率减慢。分解速率减慢。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解3 3影响碳酸钙分解反应的因素影响碳酸钙分解反应的因素石灰石的种类和物理性质。结构致密、质点排列整齐、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
14、高。质地松软的白垩和内含其他困难,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。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。温度的作用。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解3 3影响碳酸钙分解反应的因素影响碳酸钙分解反应的因素生料细度和颗粒级配。生料细度细,颗粒均匀,粗粒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
15、应。解反应。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解3 3影响碳酸钙分解反应的因素影响碳酸钙分解反应的因素生料悬浮分散程度。生料悬浮分散差,相对地增大了生料悬浮分散程度。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。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:回转窑和分解炉内分解时间比较:回转窑内回转窑内CaCOCaCO3 3分解率为分解率为85-95%(80085-95%(8001000)1000)要要15min15min;而分解炉内而分解炉内(800(800850
16、)850)要要2s2s。6.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解3 3影响碳酸钙分解反应的因素影响碳酸钙分解反应的因素粘土质组分的性质。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容易和分解产物CaOCaO直接进行固相反应生成低钙矿物,可加速直接进行固相反应生成低钙矿物,可加速CaCOCaCO3 3的分解反应。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,则要影响要影响CaCOCaCO3 3的分解速率,由结晶的分解速率,由结晶SiOSiO2 2组成的石
17、英砂的反应活性组成的石英砂的反应活性最低。最低。6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 1 1反应过程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,它与生料中的了游离氧化钙,它与生料中的SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3和和 FeFe2 2O O3 3等通过质点等通过质点的相互扩散而进行固相反应,形成熟料矿物。的相互扩散而进行固相反应,形成熟料矿物。固相反应固相反应:是指固态物质间发生的化学反应,有时也有气: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
18、相。相或液相参与,而作用物和产物中都有固相。6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 1 1反应过程反应过程800 CaO+Al2O3 CaOAl2O3 (CA)CaO+Fe2O3 CaOFe2O3 (CF)2 CaO+SiO2 2 CaO SiO2 (C2S)800900 CaOFe2O3+CaO 2CaOFe2O3(C2F)7 CaOAl2O3+5 CaO 12 CaO7Al2O3(C12A7)90011002 CaO+SiO2+Al2O3 2 CaO Al2O3 SiO2 12 CaO7Al2O3+9 CaO 7(3CaOAl2O3)()(C3A)7(2CaOFe2
19、O3)+2 CaO+12 CaO7Al2O3 7(4CaOAl2O3Fe2O3)(C4AF)11001200 大量形成大量形成C3A C4AF C2S含量达最大值含量达最大值6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 1 1反应过程反应过程约约800800:开始形成:开始形成CACA、CFCF与与C C2 2S S;800-900800-900:开始形成:开始形成C C1212A A7 7、C C2 2F F ;900-1100900-1100:C C2 2ASAS形成后又分解、形成后又分解、C C3 3A A、C C4 4AFAF开始形成开始形成1100-12001100
20、-1200:大量形成:大量形成C C3 3A A、C C4 4AFAF,C C2 2S S含量达最大值含量达最大值 由上可见,水泥熟料矿物的形成是一个复杂的多级反应,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。反应过程是交叉进行的。上述反应为放热反应,用普通原料约放热上述反应为放热反应,用普通原料约放热420-450J/g420-450J/g,足,足以使物料升温以使物料升温300300以上。以上。6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 1 1反应过程反应过程约约800800:开始形成:开始形成CACA、CFCF与与C C2 2S S;800-
21、900800-900:开始形成:开始形成C C1212A A7 7、C C2 2F F ;900-1100900-1100:C C2 2ASAS形成后又分解、形成后又分解、C C3 3A A、C C4 4AFAF开始形成开始形成1100-12001100-1200:大量形成:大量形成C C3 3A A、C C4 4AFAF,C C2 2S S含量达最大值含量达最大值 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是
22、在固体状态下进行的。6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 2 2影响固相反应的主要因素影响固相反应的主要因素生料的细度和均匀性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。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,粉磨电耗相反应的速率
23、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。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。加各组分之间的接触,所以能加速固相反应。6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 2 2影响固相反应的主要因素影响固相反应的主要因素生料的细度和均匀性生料的细度和均匀性硅酸盐水泥生料细度一般控制范围:硅酸盐水泥生料细度一般控制范围:0.2mm(9000.2mm(900孔孔/cm/cm2 2)以上粗粒在以上粗
24、粒在1.0-1.5%1.0-1.5%以下,此时以下,此时0.08mm0.08mm以以上粗粒可以控制在上粗粒可以控制在8-12%8-12%,最高在,最高在15%15%以下;以下;或者使生料中以上粗粒为或者使生料中以上粗粒为0.5%0.5%左右,则左右,则0.08mm0.08mm以上粗粒可以上粗粒可放宽到放宽到15%15%以上,甚至可以达到以上,甚至可以达到20%20%以上。以上。6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 2 2影响固相反应的主要因素影响固相反应的主要因素生料的细度和均匀性生料的细度和均匀性温度和时间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
25、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。全。急剧煅烧:热力梯度大,升温快,使脱水、急剧煅烧:热力梯度大,升温快,使脱水、CaCOCaCO3 3分解重合,分解重合,新生态,活性高。新生态,活性高。6.2.4 固相反应固相反应固相反应固相反应-放热反应放热反应 2
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