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1、第五章 硅酸盐水泥熟料的煅烧,熟料煅烧是硅酸盐水泥生产工艺过程的第二阶段。是指将生料制备过程中制得的生料送入煅烧窑，经高温煅烧，发生一系列物理的、化学的和物理化学变化后形成熟料的工艺过程。虽然生产方法和各种煅烧窑各有不同，但熟料煅烧过程大体相同。 下面以湿法回转窑为例，来说明熟料的煅烧过程：,湿法窑煅烧熟料要经历： 水份蒸发生料预热生料分解熟料煅烧熟料冷却五个阶段。 相应湿法回转窑窑体可分为： 干燥带、预热带、分解带和放热带、烧成带和冷却带。,窑头,窑尾,生料,熟料,废气,一、干燥带（物料温度150） 承担生料中水分的蒸发任务。 湿法窑物料含32-40%的水分，经干燥后，物料水分减到22-26
2、%，浆料失水变成球状。 干法窑由于入窑生料水分小于1%，几乎没有干燥带。 半干法窑的干燥过程在加热机上进行，在回转窑内无干燥带。 预热器窑、窑外分解窑干燥在预热器内进行，因此回转窑内无干燥带。,二、预热带（物料温度150-750） 承担粘土质等原料中化学水的分解脱水任务。 当温度升到400-550时，粘土开始脱水分解出活性SiO2和Al2O3，当温度升到600-700时，MgCO3继续分解。带悬浮预热器和加热机的窑，预热都在窑外进行，回转窑内预热带很短或者没有。 三、分解带（物料温度750-1000） 主要承担MgCO3和CaCO3的分解任务。在预热带未分解完的MgCO3在该带继续分解，但主要
3、是CaCO3的分解。这一带末端，分解产物之间产生固相反应，生成碱性的CA、CF、C2S。,带悬浮预热器和加热机的窑，分解反应有一部分在预热器和加热机内进行，而带窑外分解炉的窑绝大部分的分解反应是在分解炉内进行。 四、放热反应带（物料温度1000-1300） 在分解带分解出的大量Ca0、Si02、Al203等氧化物在该带进行固相反应，生成大量C3A、C4AF和C2S。这些反应是放热反应，故称“放热反应带”。由于固相反应放热，物料温度迅速上升，使该带在窑内占的比例较小。 五、烧成带（物料温度13001450-1300） 该带又称烧结带，是回转窑内温度最高的一带，物料进入这带就出现液相，在液相中C2
4、S和游离氧化钙作用形,成C3S即：Ca0C2SC3S，因此，此带也叫“石灰吸收 带”。为使C3S的生成反应完全，物料在此要有一定的停 留时间，也就是烧成带应有一定长度，因此，要求回转窑 内燃料燃烧的火焰应有一定的长度和温度。 六、冷却带（物料温度13001000） 在烧成带形成的C3S、C2S、C3A、C4AF四种主要矿物的 晶体继续向前运动与温度较低的二次空气相遇，熟料温度 下降，这一区域称为冷却带。在该带快速冷却后，形成含 C3S、C2S、C3A、C4AF圆形颗粒和玻璃体落入冷却机内。,各类窑型比较： 1、立波尔窑：干燥、预热、部分CaCO3的分解在加热机 中进行。 2、立窑:各个阶段均在
5、竖式筒体中进行。 3、预热器窑：预热在预热器中进行。 4、预分解窑：预热在预热器中、CaCO3的分解在分解炉 中进行。 5、湿法回转窑：各带均在回转窑内进行。 1、2为半干法或半湿法；3、4为干法；5为湿法,回转窑内物料温度和气体温度以及各带划分的大致情况图,第一节 生料在煅烧过程中的物理与化学变化,一、干燥与脱水 1、干燥 自由水的蒸发； 各类窑生料的水分：立窑12-15%；湿法窑30-40%；立波尔窑18-22%；预热器、预分解窑1% 2、脱水 主要指粘土类矿物释放结合水，包括100释放吸附水、 400 -600释放结构水。脱水时，可以提高矿物的活性。,二、碳酸盐分解 主要包括碳酸钙和碳酸
6、镁的分解 MgCO3在590开始分解； CaCO3在890开始分解。 MgCO3在生料中含量少，分解温度低，在640- 660之间就分解完，所需的热量不多，对熟料的烧成影响不大。 CaCO3是生料中的主要成分，分解吸收的热量约为窑热耗的一半以上，它的分解时间、速度、分解的完全程度都会影响熟料的煅烧。 CaCO3的分解 1、反应特点 可逆、吸热过程、烧失量大。 2、反应过程 （1)气流向颗粒表面的传热过程；,（2）热量由表面以传导方式向分解面传递的过程； （3) 碳酸钙在一定温度下吸收热量，进行分解并放出CO2的 化学过程； （4）分解放出CO2，并穿过CaO层向表面扩散的传质过程； （5）表面
7、的CO2向周围介质气流扩散的过程； 各个过程阻力不同，碳酸钙的分解速度取决于其中最慢的过程。 3、 CaCO3的分解速度 CaCO3的分解速度取决于分解的五个过程，而这五个过程与生料的粒度、性质状态和煅烧熟料的窑型有关；,d0.03mm：传质、传热过程阻力较小，分解速度和时 间取决于化学反应所需要的时间。 d2mm: 传质、传热过程与分解反应化学过程具有 同样重要的地低位。 d10mm: 传质、传热过程占主要地位，化学过程为 次要低位。 立波尔窑： d10mm,传质、传热 预热、预分解窑: d0.03mm,化学反应 半干法回转窑：粒度虽细，但呈堆积状态，传质、传 热过程与分解反应化学 湿法：取
8、决于粒度大小。,粒 度,窑 型,4、影响碳酸钙分解速度的因素 （1）温度 （2）CO2分压 （3）反应颗粒粗细与分布状态 （4）石灰石的结构与性质 （5）粘土性质 （6）生料悬浮分散程度 三、固相反应 1、反应过程 800 生成CA、CF,开始形成C2S 800 -900 C12A7开始形成,900 -1100 C2AS形成后又分解， C3A C4AF开始形成。 所有CaCO3分解，f-CaO达到最大值。 1100 -1200 C3A C4AF大量形成，C2S达到最大值 1250 -1280 出现液相。 2、特点 有固相参加、反应在表面进行、受扩散的影响，反应 速度慢。 3、影响因素 物质状态
9、、晶体缺陷和杂质、生料的细度和均匀程度、 加入矿化剂情况、温度和升温速度、原料性质等。,四、熟料的烧结 此阶段生料部分熔融出现液相，C2S和CaO在液相中反应生成C3S。随的熟料的烧结后，物料随着温度的降低，液相凝固，固体部分粘结成灰黑、结构致密的固体物料。 熟料烧结过程中，液相生成的温度、液相量及液相性质对C3S的形成有很大影响 1、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的温度。 受组分的性质、数量以及矿化剂、微量元素的影响。,2、液相量 受组分的性质、烧结温度、最低共熔温度的影响。 液相量的多少直接影响熟料的烧结范围。 所谓烧结范围是指生料加热至出现烧结所必需的、最
10、 少的液相量时的温度（开始烧结温度）与开始出现结大块 （超过正常液相量)时温度的差值。 生料中的液相随温度升高而缓慢增加，其烧结范围就 较宽，反之则窄。 3、液相粘度、表面张力、CaO溶于液相的速度,五、熟料的冷却 冷却目的： （1）回收热量，提高窑炉热效率。 （2）提高熟料易磨性和熟料质量。 （3）降低熟料温度，有利于熟料后续工序的进行。 熟料冷却速度对熟料质量以及性能的影响： （1）防止或减少C3S的分解。 （2）避免- C2S 转变成- C2S。 （3）改善水泥安定性。 （4）使熟料C3A晶体减少，提高水泥抗硫酸盐性能。 （5）改善熟料易磨性。 （6）可克服水泥瞬凝或快凝。,六、熟料形成
11、的热化学 生料在煅烧过程中的一系列物理化学变化中，有的吸 收热量属吸热反应，也有的放出热量为放热反应。 游离水蒸发、粘土结合水逸出、分解、液相形成、C3S 形成为吸热过程； 粘土无定形物结晶、固相反应、熟料冷却为放热反应 过程.,第二节 微量元素和矿化剂对熟料煅烧和质量的影响,一、矿化剂 在熟料煅烧过程中，为降低液相出现温度，加速熟料矿物的形成，提高熟料质量，降低能耗，所加入的少量外加物质称矿化剂。 1、种类 含氟化合物：CaF2、MgF2、 NaF及相应的氟硅酸盐等 硫化物：石膏、氟石膏、磷石膏、MnSO4等 氯化物：CaCl2 复合矿化剂：指两种或两种以上的矿化剂一起使用,2、作用 （1）
12、加速CaCO3分解，促进固相反应 （2）降低液相出现的温度和粘度，促进C3S形成 （3）提高水泥产量和质量 （4）降低能耗、电耗 二、微量元素 生产水泥熟料时，即使不掺加任何外加剂，原料和燃料也总是或多或少的带入某些微量组分，这些组分虽然数量不多，但对熟料煅烧和质量有不同程度影响。 熟料中的微量元素主要是：碱、MgO、B2O3和TiO2等。 少量的微量元素有利于熟料煅烧和质量，起到矿化剂作用，但是过高将对熟料煅烧和质量带来影响，因此要合理利用微量组分有利的一面。,作业 7、熟料煅烧过程、影响碳酸钙分解速度的因素及矿化剂在熟料煅烧过程中的作用,第三节 回转窑内的煅烧,煅烧熟料的热工设备有立窑和回
13、转窑，立窑因煅烧的熟 料质量不稳定且不能大型化而逐渐被回转窑取代。 回转窑经过了湿法窑、干法窑、立波尔窑、悬浮预热器窑 到目前的预分解窑，几经改革，将物料的干燥、预热、分解 等加工过程移到窑外设备中进行，而回转窑仍然承担熟料煅 烧这个重要环节。 回转窑是一个长的钢质圆筒，内砌耐火砖衬里，与水平 略呈倾斜，可围绕窑轴线以一定的速度转动。 现代窑的直径可达6m，长度可超过180m，熟料生产能力日 产量可达万吨以上。 回转窑常见的窑体有直筒型、热端扩大型、冷端扩大型和哑铃型。,直筒型,热（冷）端扩大型,哑铃型,回转窑的功能和特征 （1）作为燃料燃烧装置，它具有广阔的空间和热力场，可以供应足够的空气，
14、装设优良的燃烧装置，保证燃料充分燃烧，为水泥煅烧提供必要的热量。 （2）作为热交换装备，它具有比较均匀的温度场，可以满足水泥熟料生产过程各个阶段的换热要求。 （3）作为化学反应器，随着水泥熟料矿物形成不同阶段的不同需要，它既可分阶段地满足不同矿物形成对热量、温度的要求，又可以满足它们对时间的要求。 （4）作为输送设备，它具有更大的潜力。 到目前为止，熟料煅烧的最后烧制过程，仍采用回转窑来完成，尚无可以替代的设备。,回转窑的工作原理 水泥熟料的形成过程，实际上是将石灰质、粘土质、和校正原料中的CaO 、SiO2、Al2O3、和Fe2O3等四种主要组成，通过粉磨成细粉，在高温状态下煅烧，使之发生化
15、学反应，形成C3S、C2S、C3A、C4AF等四种硅酸盐水泥熟料主要矿物的过程。这个过程新型干法回转窑可分为3个带，即过渡带、烧成带和冷却带。熟料在各带的停留时间大约分别为15min、12min和2min；（生料在预热带和分解带的时间约为1min和2min。）这里回转窑主要起到熟料烧结的功能。,一、回转窑内物料流速和窑的煅烧特点 1、流速 在回转窑的斜度和转速不变的情况下，烧成带最慢、 碳酸钙分解带最快。 2、煅烧特点 （1）保持烧成带一定的温度和足够的停留时间。 （2）CaCO3的分解效率是回转窑熟料煅烧过程的重要指标。 （3）降低理论热耗，提高窑的热效率是回转窑煅烧中要解 决的主要问题。
16、（4）回转窑的发热能力与传热之间存在矛盾。 （5）存在热工上的经济范围。（见图1）,产量与单位熟料热耗,熟料形成理论热耗,表面散热损失,熟料带走热损失,废气带走热损失,产量,热 耗,图1 回转窑产量和热耗之间的关系,二、影响回转窑产量、质量和消耗的主要因素 （一）烧成制度 1、正常火焰煅烧 2、短焰急烧 3、高温长带煅烧 4、低温长带煅烧 （二）窑的传热能力 提高回转窑传热能力的措施和方法： 1、链条装置：垂链、花链 2、热交换器：料浆过滤预热器、格子式热交换器、扬料器等 3、窑后装设炉箅子加热机、各种预热器以及窑外分解炉。,垂挂链幕布 花环链幕,陶瓷扬料器,三、降低热耗、提高热效率的措施 1、降低熟料的理论热耗 2、降低蒸发水分的热耗 3、减少废气带走的热耗 4、减少表面散热损失 5、减少熟料和冷却机废气带走的热损失 6、其它,第四节 立波尔窑、预热器窑、和窑外分解窑内的煅烧,一、立波尔窑 立波尔窑是19世纪初发明的，
