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1、2020/9/27,1,水泥工艺基础（二）,2020/9/27,2,硅酸盐水泥熟料的煅烧,2020/9/27,3,回转窑内每一个带段的基本特征,：干燥带，生料浆入窑后至自由水完全蒸发， 150。 ：预热带，粘土矿物脱水分解和石灰石中碳酸镁开始分解，约150750。 ：分解带，碳酸钙分解，SiO2与CaO部分化合，温度约7001100。 ：放热反应带（过渡带、固相反应带），继续固相反应，放热，物料升温速度回升，至12501300。 ：烧成带，于12501280开始出现液相，130014501300之间f-CaO与C2S作用形成C3S，熟料结粒。 ：冷却带，1300，高温熟料遇到窑头二次冷风，迅速
2、降温，同时析出晶体或玻璃体。,2020/9/27,4,生料在煅烧过程中的物理化学变化,一、干燥与脱水 干燥指的是生料中自由水的蒸发， 脱水则指的是生料中粘土矿物内结构水的释放。 不同窑型入窑生料水分： 干法窑：1.0% 立波尔窑、立窑：1215% 湿磨干烧（过滤块）：1822% 湿法窑：3040%,2020/9/27,5,粘土矿物脱水,粘土矿物的结晶水脱除温度一般为400600； 高岭石（Al2O32SiO22H2O）加热过程中脱水分解，一般认为形成了无定形的SiO2和Al2O3； Al2O32SiO22H2O = 2SiO2 + Al2O3 + 2H2O 蒙脱石、伊利石脱水以后形成具有完整晶
3、体结构的无水矿物，与高岭石类粘土相比活性稍差； 高岭石分解后形成的无定形Al2O3和SiO2随着温度的升高会重新转变成结晶态的无水矿物。至9701050时转变成铝硅尖晶石（2Al2O3SiO2），至10001100转变成莫来石（3Al2O32SiO2），从而导致化学活性降低。,2020/9/27,6,二、碳酸盐的分解,MgCO3 = MgO+CO2 （590，Q=10471214kJ/kg） CaCO3 = CaO+CO2 （890，Q=1645kJ/kg） （1）吸热反应， （2）可逆反应，并伴有CO2气体产生， 不同纯度和原始粒度的CaCO3具有不同的分解温度，纯度越高分解温度也就越高。纯
4、的CaCO3在1atm大气压下的分解温度为894。由Ca(OH)2吸收CO2形成的CaCO3的分解温度只有670左右。,2020/9/27,7,碳酸钙分解反应过程的控制因素,（1）气流向碳酸钙颗粒表面的传热 （2）热量通过CaO产物层向反应界面的传递 （3）碳酸钙部分达到分解温度发生分解反应， 放出CO2 （4）分解放出的CO2通过CaO产物层向外扩散 （5）颗粒表面的CO2向周围扩散,2020/9/27,8,不同粒度碳酸钙粒子的分解过程控制机制,根据B. Vosteen的计算，当碳酸钙颗粒尺寸小于30时，传热和传质过程速度很快，整过程的速度主要取决于碳酸钙的分解反应过程； 当碳酸钙颗粒约为0
5、.2cm时，传热、传质和化学反应速度不相上下； 当碳酸钙颗粒尺寸约为1cm时，传热和传质速度很慢，化学反应不再是整个过程的控制因素。,2020/9/27,9,不同形式窑内生料的状态和碳酸钙分解控制机制,回转窑内生料呈堆积状态，生料传热速度很慢。尽管生料中有90%的颗粒小于80，生料中碳酸钙的分解主要取决于传热和传质过程，而不是化学反应过程； 在立窑和立波尔窑内，虽然传热面积大于回转窑，但是由于料球颗粒较大，决定碳酸钙分解过程的因素仍然是传热和传质过程； 只有在分解炉内生料中碳酸钙的分解才取决于化学反应过程。,2020/9/27,10,碳酸钙分解反应动力学方程式,T=d (1-(1- )1/3)
6、/(2kp0) (1/p-1/p0) 式中， d：碳酸钙粒子直径 ：碳酸钙分解率 k：碳酸钙分解常数 T：反应时间 p：碳酸钙实际CO2分压 p0：碳酸钙平衡分解CO2分压,2020/9/27,11,等效粒径,定义：设有一颗粒径为d0的单一碳酸钙，和一组粒径大小不等的粒子组成的集合态碳酸钙颗粒群，它们经过相同的反应时间后达到相同的分解率，称粒径d0为上述颗粒群的等效粒径。 这就是说，上述关于单一碳酸钙颗粒分解动力学公式同样适用于碳酸钙颗粒群的场合。 当碳酸钙分解率接近于1.0时，碳酸钙的分解速度显著变慢，因此，实际生产中分解炉的分解力控制在0.85-0.95，而不是1.0。,2020/9/27
7、,12,三、固相反应,（1）在放热反应发生的主要反应： 800：CA、CF、C2S开始形成； 800900：C12A7开始形成； 9001100：C2AS形成然后又分解； 所有的CaCO3几乎全部分解，f-CaO达最大值,2020/9/27,13,（2）固相反应阶段的特征,生料组分之间的固相反应是一系列放热反应，整个固相反应阶段的发热量约为420500kJ/kg； 理论上放热420kJ/kg时生料体系温度可升高300以上； 所以，在固相反应阶段物料的升温速度比碳酸钙分解带高得多。从而物料在亮度上会产生明显的反差。,2020/9/27,14,生料细度与固相反应,当生料中粒度大于0.2mm的颗粒占
8、4.6%，烧成温度为1400时熟料中f-CaO达4.7%； 当生料中粒度大于0.2mm的颗粒占0.6%，烧成温度为1400时熟料中f-CaO减少到1.5%以下 。,2020/9/27,15,四、液相和熟料的烧结,液相出现之后C2S、f-CaO等一边逐渐溶解于高温液相中，一边相互反应形成C3S： C2S + CaO = C3S（在液相中）,2020/9/27,16,熟料体系的最低共熔温度,2020/9/27,17,最大液相量,假定图5-11中有一原始组成为L的配合生料，位于T2-C3S-C2S-C3A四面体之内，IM1.38。在T2点出现液相时，固相组成由T2L延长线移动，当固相组成到达C3S-
9、C2S-C3A平面时，C4AF消失，液相组成即将离开T2点，对应的液相量即为T2点的最大液相量。,2020/9/27,18,T2点最大液相量的计算,在最低共熔物中Fe2O3的含量为16.5%，则每1%的Fe2O3可以产生的液相量应为：1/16.5100=6.1。 则T2点的最大液相量P可以计算如下： P=6.1F,2020/9/27,19,T2点最大液相量的计算（续）,当生料组成点位于T2-C3S-C2S-C4AF四面体之内时（图5-11M点，IM1.38），加热过程中首先是C3A消失。 用于生成C3A的Al2O3为A-0.64F。而在最低共熔物中，C3A的含量为32.3%，相应的Al2O3含
10、量为12.2%，则生成C3A中的每1%Al2O3可以生成液相量为：1/12.2100=8.20。由此液相量可以计算如下： P=（A-0.64F）/12.2100=8.20A-5.22F,2020/9/27,20,温度高于T2点时体系液相量计算：,1400：P=2.95A+2.2F 1450：P=3.0A+2.25F 当考虑到其他成分时，以上计算公式可以校正为： 1400：P=2.95A+2.2F+MgO+R2O 1450：P=3.0A+2.25F+MgO+R2O,2020/9/27,21,液相量随铝率的变化,2020/9/27,22,烧结温度范围,水泥生料烧结温度范围： T = T开始结大块
11、- T开始烧结 液相量随温度的升高而缓慢增加，该生料的烧结温度范围就宽，否则烧结温度范围就窄； 烧结范围宽的生料在煅烧过程中，当窑内温度发生波动时液相量的变化较小，对窑的操作控制影响较小，不易结大块、结圈； 烧结范围窄的生料在煅烧过程中，当窑内温度发生波动时液相量的变化较大，不利于窑的操作控制； 生料中Fe2O3含量高的生料烧结范围就比较窄； 硅酸盐水泥生料的烧结范围为150左右，铝酸盐水泥生料的烧结温度范围为3070。,2020/9/27,23,液相粘度,（1）粘度与温度 （2）粘度与铝率 （3）粘度外来离子,2020/9/27,24,粘度随温度、铝率的变化关系,2020/9/27,25,粘
12、度与外来离子的关系,2020/9/27,26,液相的表面张力,2020/9/27,27,镁、碱、硫等物质引入液相体系能降低液相的表面张力,2020/9/27,28,氧化钙粒子在高温下的溶解速度,2020/9/27,29,五、熟料的冷却,熟料冷却的温度范围：低于1300 熟料冷却对水泥生产的意义： （1）便于后续工序开展 （2）回收余热 （3）改善熟料岩相结构和矿物组成,2020/9/27,30,冷却过程对熟料矿物组成的影响,2020/9/27,31,冷却方式与熟料中C3S含量变化（IM0.64 ）,2020/9/27,32,冷却方式与熟料中C3S含量变化（IM0.64 ）,2020/9/27,33,冷却方式对熟料C3S含量影响规律,当熟料铝率变化于0.643.5之间时，对于铝率较高或者中等的熟料，快冷所得的熟料中C3S含量较慢冷熟料为高； 对于铝率较低的熟料（IM0.64 ）则慢冷时C3S较多。,2020/9/27,34,冷却速度快慢对其他熟料矿物的影响,（1）-C2S - -C2S（500）； （2）C3S- - C2S + CaO（1250）； （3）MgO 在熟料中的状态和晶粒尺寸； （4）C3S晶体尺寸 ； （5）C3A 在熟料中的状态； （6）熟料易磨性,2020/9/27,35,END,
