水泥工艺学第五章水泥熟料的煅烧

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；
d≤0.03mm：传质、传热过程阻力较小，分解速度和时
粒 度 间取决于化学反应所需要的时间。
d≈2mm:
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。 次要低位。
d≈10mm: 传质、传热过程占主要地位，化学过程为
热 耗
产量与单位熟料热耗
熟料形成理论热耗 废气带走热损失 熟料带走热损失
表面散热损失
产量
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。
（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
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，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。
窑 型
立波尔窑： d≈10mm,传质、传热 预热、预分解窑: d≤0.03mm,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：取决于粒度大小。
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
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。
窑尾 窑头 生料 废气
熟料
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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%，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。
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。 （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）
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。
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。
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、 C2 S。
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。
二、碳酸盐分解
主要包括碳酸钙和碳酸镁的分解 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；
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。
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C2S和游离氧化钙作用形
成C3S即：Ca0＋C2S→C3S，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1300—1000℃） 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。
六、熟料形成的热化学 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
一、矿化剂
微量元素和矿化剂对熟料煅烧 和质量的影响
（1）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。
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
3、影响因素 物质状态、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。
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1300－1450℃-1300℃）
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 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
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
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β - C2S 转变成γ - 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。
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℃）
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：
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。
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，它是基于提高 窑的传热能力，使烧结能力与预热能力相适应， 提高热利用率的煅烧设备的一个重要发展。