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1、第四章第四章 硅酸盐水泥熟料煅烧硅酸盐水泥熟料煅烧 4.1 4.1 概述概述概述概述 硅酸盐水泥主要由熟料所组成。熟料硅酸盐水泥主要由熟料所组成。熟料的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。 生料制备是基础，煅烧是关键。生料制备是基础，煅烧是关键。水泥工艺水泥工艺 煅烧熟料的设备煅烧熟料的设备 立窑立窑 普通立窑和机械化立窑普通立窑和机械化立窑 中空式窑中空式窑 窑窑 湿法回转窑湿法回转窑 带热交换装置的窑带热交换装置的窑 带余热锅炉的窑带余热锅炉的窑 回转窑回转窑 干法回转窑干法回转窑 带预热
2、器的窑带预热器的窑 带分解炉的窑带分解炉的窑 半干法回转窑半干法回转窑 立波尔窑立波尔窑 水泥工艺水泥工艺 新新型型干干法法水水泥泥生生产产，是是以以悬悬浮浮预预热热和和窑窑外外分分解解技技术术为为核核心心，把把现现代代科科学学技技术术和和工工业业生生产产成成果果，广广泛泛用用于于水水泥泥生生产产全全过过程程，使使水水泥泥生生产产具具有有高高效效、优优质质、低低耗耗、符符合合环环保保要要求求和和大大型型化化、自自动动化化为为特特征征的的现现代代水水泥泥生生产产方方法法，并并具具有有现现代代化化的的水水泥泥生生产产新新技技术术和和与与之相适应的现代管理方法。之相适应的现代管理方法。水泥工艺水泥工
3、艺 生料回 转窑预热器窑气 悬悬浮浮预预热热、窑窑外外分分解解技技术术，从从根根本本上上改改变变了了物物料料的的预预热热、分分解解过过程程的的传传热热状状态态，将将窑窑内内物物料料堆堆积积状状态态的的预预热热和和分分解解过过程程，分分别别移移到到悬悬浮浮预预热热器和分解炉内进行。器和分解炉内进行。水泥工艺水泥工艺 4.2 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 生料送入煅烧窑，经高温煅烧，发生生料送入煅烧窑，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。虽然生产方法和各形成熟料的工艺过程。虽然生产方法和各种煅烧
4、窑各有不同，但熟料煅烧过程大体种煅烧窑各有不同，但熟料煅烧过程大体相同。熟料煅烧物料可分为：水分蒸发相同。熟料煅烧物料可分为：水分蒸发生料预热生料预热生料分解生料分解熟料煅烧熟料煅烧熟料冷熟料冷却五个功能单元却五个功能单元, ,相应分为相应分为干燥带、预热干燥带、预热带、分解带和放热带，烧成带和冷却带带、分解带和放热带，烧成带和冷却带。 水泥工艺水泥工艺 4.2.1 干燥干燥u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u湿法窑物料含湿法窑物料含32-40%32-40%的水分，经干燥后，减的水分，经干燥后，减到到22-26%22-26%，浆料失水变成球状。，浆料失水
5、变成球状。u干法窑由于入窑生料水分小于干法窑由于入窑生料水分小于1%1%，几乎没有，几乎没有干燥带。干燥带。u预热器窑、窑外分解窑干燥在预热器内进行，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。因此回转窑内无干燥带。水泥工艺水泥工艺 4.2.2 脱水脱水 u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。 100100高岭土高岭土 失去自由水失去自由水 400-600400-600 偏高岭土（偏高岭土（SiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3）+ 2H+ 2H2 2O O 加热加热 SiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3（非晶质、高分散、活性高）（非
6、晶质、高分散、活性高）u带悬浮预热器窑，预热都在窑外进行，回转窑内预热带悬浮预热器窑，预热都在窑外进行，回转窑内预热带很短或者没有。带很短或者没有。水泥工艺水泥工艺 4.2.3 4.2.3 碳酸盐分解碳酸盐分解u生料中的碳酸钙和夹杂的少量碳酸镁在煅生料中的碳酸钙和夹杂的少量碳酸镁在煅烧过程中分解并放出烧过程中分解并放出COCO2 2的过程称碳酸盐分解的过程称碳酸盐分解。MgC03 MgO + CO2(10471214)J/gCaC03 CaO + CO21645 J/gu带悬浮预热器，分解反应有一部分在预热带悬浮预热器，分解反应有一部分在预热器内进行，而带窑外分解炉的窑绝大部分的器内进行，而带
7、窑外分解炉的窑绝大部分的分解反应是在分解炉内进行。分解反应是在分解炉内进行。水泥工艺水泥工艺 4.2.3.1 4.2.3.1 碳酸钙分解反应的特点碳酸钙分解反应的特点 可逆反应可逆反应强吸热反应强吸热反应 熟熟料料形形成成过过程程中中消消耗耗热热量量最最多多的的一一个个工工艺艺过过程程, ,分分解解所所需需总总热热量量约约占占预预分分解解窑窑的的二二分分之一。之一。烧失量大烧失量大分解温度与分解温度与COCO2 2分压和矿物结晶程度有关分压和矿物结晶程度有关 水泥工艺水泥工艺 4.2.3.2 4.2.3.2 碳酸钙的分解过程碳酸钙的分解过程颗粒内部反应过程颗粒内部反应过程气流向颗粒表面传热气流
8、向颗粒表面传热热量由表面向分解面传热热量由表面向分解面传热化学反应化学反应COCO2 2由分解面向颗粒表面传质由分解面向颗粒表面传质COCO2 2由表面向气流传质由表面向气流传质（四个物理过程，一个化学反应过程）（四个物理过程，一个化学反应过程）水泥工艺水泥工艺 颗粒内部反应控制过程颗粒内部反应控制过程 受控于其中最慢的过程受控于其中最慢的过程 30um 30um 化学反应主导化学反应主导 0.2cm 0.2cm 相当相当 1.0cm 1.0cm 传热、传质主导传热、传质主导 水泥工艺水泥工艺 回转窑内回转窑内传热控制传热控制粒径粒径30 um30 um左右，但呈堆积状态，而分解反应需左右，但
9、呈堆积状态，而分解反应需大量热。大量热。悬浮预热器和预分解窑内悬浮预热器和预分解窑内反应控制反应控制传热系数比回转窑高倍传热系数比回转窑高倍传热面积比回转窑大传热面积比回转窑大1300-40001300-4000倍倍在回转窑内在回转窑内CaCOCaCO3 3分解大于分解大于15min(800-1100)15min(800-1100)在分解炉内在分解炉内CaCOCaCO3 3分解只需几秒钟分解只需几秒钟(850(850左右左右) )水泥工艺水泥工艺 4.2.3.3 4.2.3.3 影响碳酸钙分解速度的因素影响碳酸钙分解速度的因素石灰质原料的特性石灰质原料的特性 生料细度和颗粒级配生料细度和颗粒级
10、配 生料悬浮分散程度生料悬浮分散程度 温度温度系统中系统中COCO2 2分压分压生料中粘土质组分的性质生料中粘土质组分的性质水泥工艺水泥工艺 固相反应固相反应 生料中生料中CaOCaO、SiOSiO2 2、FeFe2 2O O3 3、AlAl2 2O O3 3等通过质等通过质点的相互扩散而进行反应，形成熟料矿物。点的相互扩散而进行反应，形成熟料矿物。 -800 CA、CF、C2S形成 800-900 C12A7开始形成 900-1100 C3A 、C4AF开始形成 1100-1200 C3A 、C4AF大量形成， C2S达到最大值水泥工艺水泥工艺 u放热反应放热反应 反应放热反应放热420-5
11、00 J/g420-500 J/g理论上物料温度升高理论上物料温度升高300300以上以上u影响固相反应的主要因素影响固相反应的主要因素生料细度生料细度 反应速度反应速度 1/d1/d2 2生料的均匀性生料的均匀性温度温度 升温速度升温速度 温度梯度温度梯度，反应速度，反应速度原料性质原料性质 结晶结晶SiOSiO2 2和结晶方解石反应慢和结晶方解石反应慢矿化剂等矿化剂等 水泥工艺水泥工艺 * *新生态物质新生态物质 固态物质状态改变对固相反应速度有极固态物质状态改变对固相反应速度有极大的促进作用。大的促进作用。 如：如：CaSOCaSO4 4 + BaO BaSO + BaO BaSO4 4
12、 + CaO + CaO CaSO CaSO4 4发生分解时，反应速度迅发生分解时，反应速度迅速增加。速增加。* *急烧理论、热力活化急烧理论、热力活化 在熟料矿物形成时，升温速度很快，在熟料矿物形成时，升温速度很快，SiOSiO2 2晶型转变、粘土脱水、晶型转变、粘土脱水、CaCOCaCO3 3分解的分解的反应基本重叠，反应基本重叠，CaO CaO 、SiOSiO2 2与与AlAl2 2O O3 3为新为新生态物质，则大大促进固相反应。生态物质，则大大促进固相反应。 水泥工艺水泥工艺 4.2.5 4.2.5 熟料烧结熟料烧结 在高温液相作用下，固相硅酸二钙和氧化钙在高温液相作用下，固相硅酸二
13、钙和氧化钙都逐步溶解于液相中，硅酸二钙吸收氧化钙都逐步溶解于液相中，硅酸二钙吸收氧化钙形成硅酸盐水泥的主要矿物形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙。硅酸三钙。 C C2 2S + CaO S + CaO C C3 3S S 高温液相高温液相反应空间反应空间 液相液相13001450水泥工艺水泥工艺 u影响熟料烧结过程的因素影响熟料烧结过程的因素 最低共熔温度最低共熔温度与组分性质、组分数目、升温速度等有关与组分性质、组分数目、升温速度等有关 液相量液相量与组分性质、组分含量、煅烧温度有关与组分性质、组分含量、煅烧温度有关 液相粘度液相粘度 与组成、温度、次要氧化物与组成、温度、次要氧化物和杂质、升
14、温速度等有关和杂质、升温速度等有关液相的表面张力液相的表面张力 水泥工艺水泥工艺 、熟料冷却、熟料冷却u从从烧烧成成温温度度开开始始下下降降至至常常温温，熔熔体体晶晶化化、凝凝固固，熟熟料料熟熟料料颗颗粒粒结结构构形形成成，并并伴伴随随熟熟料料矿矿物物相变的过程。相变的过程。u冷却的目的冷却的目的降低熟料温度，便于熟料的运输、储存和粉磨；降低熟料温度，便于熟料的运输、储存和粉磨；改善熟料质量与易磨性；改善熟料质量与易磨性；回收熟料出窑带走的热量，提高热利用率。回收熟料出窑带走的热量，提高热利用率。水泥工艺水泥工艺 5001250u冷却冷却对对熟料熟料矿矿物物组组成的影响成的影响冷却方式对组成的
15、影响冷却方式对组成的影响 平衡冷却平衡冷却 淬冷淬冷 形成形成玻璃体玻璃体 独立结晶独立结晶 不通过固液相反应，液相单独结晶不通过固液相反应，液相单独结晶冷却过程中的冷却过程中的C C2 2S S相变和相变和C C3 3S S分解分解 - C2S - C2SC3S C2S + CaO 水泥工艺水泥工艺 u急冷对改善熟料质量的作用急冷对改善熟料质量的作用 防止或减少防止或减少C C3 3S S的分解的分解避免避免-C-C2 2S S转变成转变成-C-C2 2S S减方镁石结晶细小，改善了水泥安定性减方镁石结晶细小，改善了水泥安定性使熟料使熟料C C3 3A A晶体减少，提高抗硫酸盐性能晶体减少，
16、提高抗硫酸盐性能提高熟料内应力，改善易磨性提高熟料内应力，改善易磨性 水泥工艺水泥工艺 4.2 回转窑回转窑 4.2.1 4.2.1 回转窑的结构回转窑的结构u回转窑由筒体、轮带托轮、传动装置和回转窑由筒体、轮带托轮、传动装置和窑头窑尾密封装置等部分组成。窑头窑尾密封装置等部分组成。u 筒体为回转窑的主要组成部分，它筒体为回转窑的主要组成部分，它是一个钢质圆筒是一个钢质圆筒, , 内部镶砌耐火材料，内部镶砌耐火材料，以保护筒体。筒外面套装几道轮带，筒以保护筒体。筒外面套装几道轮带，筒体成一定斜度，坐落在托轮上体成一定斜度，坐落在托轮上。水泥工艺水泥工艺 4.2.1 4.2.1 回转窑的功能回转窑的功能u回转窑是水泥熟料煅烧的关键设备，回转窑是水泥熟料煅烧的关键设备，兼有多种功能。兼有多种功能。燃料燃烧功能燃料燃烧功能热交换功能热交换功能化学反应功能化学反应功能物料输送功能物料输送功能水泥工艺水泥工艺 水泥工艺水泥工艺 水泥工艺水泥工艺 水泥工艺水泥工艺 4.3.1 4.3.1 熟料的热化学特性熟料的热化学特性 熟料的理论热耗熟料的理论热耗 1670-1800 J/g1670-1800
