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1、第五章 硅酸盐水泥熟料的煅烧The calcining of Portland cement clinker 新型干法水泥生产(new type dry-process cement production)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，掌握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。 本章学习要点： Learning point:预分解窑 (predecompose kiln) 生产流程图预分解窑工艺流程水泥的产量、质量 、燃料与衬料的消 耗以及窑的安全运 转。 5.1 概 述：熟料的煅烧过程以悬浮预热和
2、窑外分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产成果，广泛用于水泥生产全过程，使水泥生产具有高效、优质、低耗、符合环保要求和大型化、自动化为特征的现代水泥生产方法，并具有现代化的水泥生产新技术和与之相适应的现代管理方法。 新型干法水泥生产： 关键技术装备旋风筒(CC)连接管道分解炉回转窑冷却机预 热(Preheat)分解(decompose)烧成(burn)冷却(cooling)回转窑内物料温度与气体温度以及各带划分的情况预分解窑内物料煅烧进程 5.2生料在煅烧过程中的物理化学变化干燥（自由水蒸发）吸热 100150 粘土质原料脱水 吸热 450 碳酸盐分解 强吸热 900 固相反应 放热 800
3、1200 熟料烧结 微吸热 130014501300 熟料冷却 放热 1300Physical chemistry change干 燥生料中都含有一定量的自由水分，随着物 料温度逐渐升高，物料中的水分被蒸发，当温 度升高到100150时，生料中的自由水分全 部被排除，这一过程称为干燥过程。新型干法水泥生料水分小于1%，此过程在 预热器内瞬间即可完成。l脱水是指粘土矿物分解放出化合水 。l层间水在100左右即可排除，而配位水则必须高达400600以上才能脱去。 l粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示：Al2O32SiO22H20 Al2032SiO2 + 2H2O高岭土 无水铝硅酸盐
4、(偏高岭土) 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。 脱 水碳酸盐分解反应式：MgCO3MgO+CO2-QCaCO3CaO +CO2-Q反应温度：MgCO3 分解始于402408，最高750 。CaCO3 分解从600 开始，900 快速分解 。碳酸盐的分解速度与反应温度和周围气体中 CO2的分压有关，温度越高，速度越大；分压越 大，分解速度越小。碳酸钙分解反应特点：u可逆反应，强吸热反应u烧失量大u分解温度与 CO2分压和矿 物结晶程度有关影响反应速度的因素u石灰质原料的特性 u生料细度和颗粒级配 u生料悬浮分散程度 u温度 u窑系统的CO2分
5、压 u生料中粘土质组分的性 质热气流向颗粒表面传进分解所需要的热量； 热量以传导方式由表面向分解面传递的过程；在一定温度下碳酸钙吸收热量，进行分解并放出CO2的化学过程；分解放出的CO2，穿过CaO层，向表面扩散传质；表面的CO2向周围气流介质扩散。分解速度或者分解所需的时间将决定于化学反应所需时间，即反应生成的CO2通过表面CaO层的扩散是整个碳酸钙分解过程中的速度控制过程。 碳酸钙的分解过程 CaCO3CO2CaO颗粒表面 固相反应 Solid Reaction反应特点：多级反应放热反应影响因素：生料细度及均匀程度原料性质温度矿化剂反应产物：C2S、C3A、C4AF800900 CaO+
6、Al2O3 CaOAl2O3 (CA)CaO+Fe2O3 CaOFe2O3 (CF) 2CaO+ SiO2 2CaOSiO2 (C2S)开始形成9001100 7(CaOAl2O3)+5CaO 12CaO7Al2O3 (C12A7)11001300 2CaO+Al2O3+Si02 2CaOAl2O3SiO2 (C2AS)形成后又分解12CaO7Al2O3+9CaO 7(3CaOAl2O3) (C3A)开始形成7(2CaOFe2O3)+2CaO+12CaO7Al2O3 7(4CaOAl2O3Fe2O3)(C4AF)开始形成1100l200 大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。固相反应过
7、程熟料烧结过程当物料温度升高到最低共熔温度（1300）后，C3A 、C4AF、MgO、R2O等熔融成液相。C2S、CaO逐步溶解于液 相中， C2S吸收CaO形成C3S。反应式： C2S+ CaO C3S随着温度的升高和时间延长，液相量增加，液相粘 度降低， C2S、CaO不断溶解、扩散， C3S晶核不断形成 ，并逐渐发育、长大，形成几十微米大小、发育良好的阿 利特晶体。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。C3S 的 形 成熟料烧结 熟料烧结 Clinker SinterC3S形成条件：温度 130014501300液相量22%26%时间1525mi
8、n影响熟料烧结过程的因素 最低共熔温度 液相量 液相粘度 液相的表面张力 CaO溶于液相的速率 熟料烧结Clinker Sinter 冷却目的：改善熟料质量与易磨性；降低熟料的温度，便于运输、储存和粉磨回收热量，预热二次空气，降低热耗、提高热利用率。冷却方式： 急冷 熟料冷却 clinker cooling 快冷对改善熟料质量的作用：u 防止或减少C3S的分解； u避免-C2S转变成 -C2S ； u改善了水泥安定性； u使熟料晶体减少，提高水泥抗硫酸盐性能； u改善熟料易磨性； u 可克服水泥瞬凝或快凝。C2S的多晶转变 -C2S - C2S - C2S - C2S500常温下，有水硬性，不
9、稳定几乎无水硬性密度(g/cm3):3.28 2.97体积膨胀10%，熟料粉化三方或六方斜方单斜斜方 热耗：烧成1熟料所消耗的热量（KJ/kg）。 热效率：理论热耗：1630-1800 KJ/kg ；实际热耗：3400-7500KJ/kg实际热耗理论热耗：因为有各种热损失。 熟料形成热 forming thermal 熟料形成热熟料形成热：在一定生产条件下，用某一 基准温度（一般为0或20 ）的干燥物料在 没有任何物料损失和热量损失的条件下，制成 1Kg同温度的熟料所需要的热量。它是熟料形 成在理论上消耗的热量。 熟料形成热水泥煅烧过程中的物理化学变化及热效应温度/阶段物理化学变化热效应100
10、干燥物理水的蒸发225KJ/Kg-水（吸热）450预热黏土脱去结晶水922 KJ/Kg-高岭土（吸热）650预热MgCO3分解1420 KJ/Kg- MgCO3或2458 KJ/Kg- MgO（吸 热） 900分解黏土中无定形物质 结晶260285 KJ/Kg-高岭土（放热）900分解CaCO3分解1655 KJ/Kg- CaCO3或2985 KJ/Kg- CaO（吸 热） 9001200固相反应固相反应生成矿物420500 KJ/Kg-熟料（放热）12501280固相反应生成部分液相105 KJ/Kg-熟料（吸热）13001450液相反应液相反应 C2S+CaOC3S8.6 KJ/Kg- C
11、3S（微吸热） 5.3.1悬浮预热技术及其优越性 5.3.2悬浮预热器的构成及功能 5.3.3旋风预热器是主要的预热设备 5.3悬浮预热技术是指低温粉状物料均匀分散在高温气流之中，在悬浮状态下进行热交换，使物料得到迅速加热升温的技 术。 5.3.1悬浮预热技术定义优越性物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，传热、传质迅速,可大幅度提高生产效率和热效率。 5.3.2悬浮预热器的构成及功能 （旋风式）旋风筒连接管道(换热管道) 构成及功能构成：功能：使气、固两相能充分分散均布迅速换热高效分离 旋风预热器是由旋风筒和连接 管道组成的热交换器。 换热管道除管道本身外还装设 有下料管、撒料器、
12、锁风阀等装 备，它们同旋风筒一起组合成一 个换热单元。 5.3.3 旋风预热器进行热交换，约80以上。 对管道的设计十分重要 管道风速太低，热交换时间 延长，不仅影响传 热效率，甚至会使生料难以悬浮而沉降积聚，并 且使管道面积过大 风速过高，则增大系统阻力，增加电耗，并影 响旋风筒的分离效率 正确确定换热管道尺寸，必须首先确定合适的管道风速：一般1218m/s。 连接管道作 用：热交换方式： 对流传热主要是气固分离，传热只占6%12.5%。 旋风筒作 用性能评价原 理物料悬浮于气流中从切线进入旋风筒，产生离心力 ，料气特性不同，料离心碰壁下行，气不受影响向 上。分离效率 阻力损失分离效率愈高，
13、生料在系统 内、外循环量就愈少，收尘 负荷减小，热效率提高阻力损失越小， 电耗越低？一级旋风筒一 般为并联的双旋风 筒。必须采取的措施： 锁风阀作用：下料、锁风类型：单、双翻板阀 选择生料进入管道的合适方位，使生料逆 气流方向进入管道，以提高气固相的相对速 度和生料在管道内停留时间。 两级旋风筒之间的管道必须有足够的长度 ，以保证生料悬浮起来，并在管道内有足够 的停留运行距离，充分发挥管道传热的优势 。 其他措施 撒料器板式撒料 器箱式撒料器作用：防 止下料管 下行物料 进入换热 管道时的 向下冲料 ，并促使 下冲物料 冲至下料 板后飞溅 、分散。定义：将已经过悬浮预热后的水泥生料，在达到分解
14、温度前，进入到分解炉内与进入炉内的燃料混合，在悬浮状态下迅速吸收燃料燃烧热，使生料中的碳酸钙迅速分解成氧化钙的技术。 5.4 预分解技术.在悬浮预热器与回转窑之间增设一个分解炉。.装设燃料喷入装置，喷入煅烧所需的60%左右的燃料。.使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程，在分解炉中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行，.使入窑生料的分解率达到85%95%。.减轻窑内煅烧带的热负荷，有利于缩小窑的规格及生产大型化，并且可以节约单位建设投资，延长衬料寿命，大幅度提高了窑系统的生产效率，有利于减少大气污染。 预分解窑特点 分解炉内的气流运动基本型式：即涡旋式、喷腾式、悬浮式及流化床式。 功能：
15、在这四种型式的分解炉内，生料及燃料分别依靠“涡旋效应”、“喷腾效应”、“悬浮效应”和“流态化效应”分散于气流之中。由于物料之间在炉内流场中产生相对运动，从而达到高度分散、均匀混合和分布、迅速换热、延长物料在炉内的滞留时间，达到提高燃烧效率、换热效率和入窑物料碳酸盐分解率的目的。 分解炉 以SF型为代表： SF型 NSF型旋流-喷腾式分解炉 旋流式分解炉NSF型以FLS (FLSmidth)型为例，如图所示 喷腾式分解炉 spurt precalciner以MFC(Mitsubish Fluidized Calciner)型为代表， 沸腾式分解炉Fluidized CalcinerMFC型 分解炉适当扩大炉容，延长气流在炉内的滞留时间；改进炉的结构，延长物料在炉内滞留时间；(3) 保证向炉内均匀喂料，且料入炉
