1、會計學1水泥熟料形成水泥熟料形成(xngchng)過程過程第一頁，共30頁。 水泥熟料煅燒是個復雜(fz)的氣固、液固和固固相之間的高溫反應(yīng)過程。既有某些天然礦物的分解，又有眾多氧化物之間的合成。 最終所形成的礦物，即熟料，其品種、數(shù)量和特征都要合乎規(guī)范的要求，才能保證成品達到(d do)既定的性能指標。 雖然煅燒過程總的理論耗熱量不是很多，但因所要求的反應(yīng)溫度很高，因此單位產(chǎn)品實際燃料消耗量卻比較多。 自從水泥生產(chǎn)工業(yè)化以來，煅燒熟料的主要設(shè)備是立窯和回轉(zhuǎn)窯。但本世紀下半葉以來，回轉(zhuǎn)窯上預(yù)熱和預(yù)分解技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，無論是在生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)指標和產(chǎn)品質(zhì)量以及相應(yīng)科學技術(shù)水平方面，都有重大進展與突

2、破。本章主要介紹新型干法水泥生產(chǎn)過程中的熟料煅燒技術(shù)以及煅燒過程中的物理化學變化，以旋風筒換熱管道分解爐回轉(zhuǎn)窯冷卻機為主線，著重介紹當代水泥工業(yè)發(fā)展的主流和最先進的煅燒工藝及設(shè)備、生產(chǎn)過程的控制調(diào)節(jié)等。第2頁/共30頁第二頁，共30頁。 第一節(jié) 水泥熟料(sh lio)的形成過程硅酸鹽水泥的生產(chǎn)(shngchn)方法硅酸鹽水泥生產(chǎn)(shngchn)過程生料制備熟料煅燒水泥粉磨生產(chǎn)方法(按生料制備按生料制備方法不同分方法不同分)干法：將原料同時烘干與粉磨或先烘干后粉磨成生料粉，而后喂入干法窯內(nèi)煅燒成熟料。 濕法 ：將原料加水粉磨成，生料漿后喂入濕法回轉(zhuǎn)窯煅燒成熟料 。可為新型干法、半干法可為傳統(tǒng)

3、濕、濕磨干燒第3頁/共30頁第三頁，共30頁。硅酸鹽水泥(shun)的生產(chǎn)工藝流程 工藝流程:生料(shnglio)粉磨 熟料煅燒 熟料粉磨 礦山(kungshn)破碎預(yù)均化粉磨粉磨貯存貯存煤粉制備煤粉制備熟料燒成熟料燒成水泥粉磨及貯存水泥粉磨及貯存第4頁/共30頁第四頁，共30頁。硅酸鹽水泥熟料(sh lio)的煅燒 熟料的煅燒過程直接決定水泥的產(chǎn)量、質(zhì)量、燃料與襯料的消耗以及窯的安全運轉(zhuǎn)。水泥窯有多種功能：反應(yīng)爐、熔爐(rngl)、燃燒爐和傳熱設(shè)備、物料和氣體的輸送設(shè)備。 石灰石、粘土質(zhì)和少量鐵質(zhì)原料，按一定要求的比例（大體上75：20：5）配合，經(jīng)過均化、粉磨、調(diào)配以后即制成生料。由于制

4、備方法不同，生料可制成料漿（含水份約3240）、料球（成球水份約1214）和料粉（含水份1）。喂入水泥窯系統(tǒng)內(nèi)，相應(yīng)經(jīng)烘干、預(yù)熱、預(yù)煅燒（包括預(yù)分解）、最后燒制成熟料的全過程統(tǒng)稱煅燒過程統(tǒng)稱煅燒過程。第5頁/共30頁第五頁，共30頁。生料(shnglio)煅燒過程中的物理、化學變化 盡管煅燒過程因窯型不同而有所差異，但物理、化學變化過程基本(jbn)相似.其過程可概括為：干燥(gnzo)與脫水碳酸鹽分解固相反應(yīng)液相和熟料的燒結(jié)熟料的冷卻第6頁/共30頁第六頁，共30頁。熟料熟料(sh lio)煅燒過程概煅燒過程概述如下：述如下：150150以前以前(yqin)(yqin)生料中物理生料中物理(

5、wl)(wl)水蒸發(fā)水蒸發(fā)500500左右左右粘土質(zhì)原料釋放出化合水；并開始分解為單獨氧化物如粘土質(zhì)原料釋放出化合水；并開始分解為單獨氧化物如SiO2，Al2O3；900900左右左右碳酸鹽分解放出碳酸鹽分解放出CO2和新生態(tài)和新生態(tài)CaO；90090012001200粘土的無定形脫水產(chǎn)物結(jié)晶，各種氧化物間進行固相粘土的無定形脫水產(chǎn)物結(jié)晶，各種氧化物間進行固相反應(yīng)；反應(yīng)；1250125012801280所產(chǎn)生的礦物部分熔融出現(xiàn)液相；所產(chǎn)生的礦物部分熔融出現(xiàn)液相；1280128014501450液相量增多，液相量增多，C2S通過液相吸收通過液相吸收CaO形成形成C3S。直至熟。直至熟料礦物全部形

6、成；料礦物全部形成；1450145013001300熟料礦物冷卻。熟料礦物冷卻。第7頁/共30頁第七頁，共30頁。生料(shnglio)的干燥與脫水干燥(gnzo) 自由水的蒸發(fā)。這一過程由于煅燒方式的不同而有所差異。干法窯生料含水量一般不超過1.0；半干法立波爾窯和立窯為便于(biny)生料成球，通常含水12-15%，半濕法立波爾窯過濾水分后的料塊通常為18-22%；濕法為保證料漿的可泵性則通常為30-40%。自由水蒸發(fā)熱耗： 100時，2257kJ/kgH2O（539kCal/kg）第8頁/共30頁第八頁，共30頁。脫水指黏土礦物分解釋放化學(huxu)結(jié)合水。 層間水在100左右即可排除

7、，而配位水則必須高達(o d)400600以上才能脫去。（2）蒙脫石脫水）蒙脫石脫水(tu shu) Al2O3.4SiO2.mH2OAl2O3.4SiO2+m H2O (晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)活性低活性低)（3）伊利石脫水）伊利石脫水 產(chǎn)物也是晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)物也是晶體結(jié)構(gòu),伴隨體積膨脹伴隨體積膨脹 （1）高嶺石脫水）高嶺石脫水粘土礦物的化合水存在形式： 層間水：以水分子形式吸附于晶層結(jié)構(gòu)中。 配位水：以O(shè)H狀態(tài)存在于晶體結(jié)構(gòu)中。第9頁/共30頁第九頁，共30頁。 二、碳酸鹽分解反應(yīng)(fnyng)機制 碳酸鹽的分解主要(zhyo)為碳酸鈣和碳酸鎂的分解，其化學反應(yīng)式為：1、碳酸鹽分解、碳酸鹽分解(fnj

8、i)反應(yīng)反應(yīng) 碳酸鹽（主要是碳酸鈣、少量碳酸鎂）的分解反應(yīng)是典型碳酸鹽（主要是碳酸鈣、少量碳酸鎂）的分解反應(yīng)是典型的縮核型強吸熱的氣固相反應(yīng)。的縮核型強吸熱的氣固相反應(yīng)。第10頁/共30頁第十頁，共30頁。分解(fnji)過程分五步進行： （1）氣流向顆粒(kl)表面的傳熱過程； （2）熱量由表面以熱傳導方式向分解面?zhèn)鬟f過程； （3）碳酸鹽在一定溫度下吸收熱量，進行分解并放出(fn ch)CO2的化學過程； （4）分解出的CO2，穿過CaO層面向表面擴散的傳質(zhì)過程； （5）表面的CO2向周圍介質(zhì)氣流擴散過程CaOCaCO3 第11頁/共30頁第十一頁，共30頁。 碳酸鈣分解反應(yīng)的動力學表達式，

9、根據(jù)碳酸鈣分解反應(yīng)的動力學表達式，根據(jù)A Mlle大量試驗結(jié)大量試驗結(jié)果，將溫度、粒度尺寸及環(huán)境條件考慮果，將溫度、粒度尺寸及環(huán)境條件考慮(kol)在內(nèi)，有如下實在內(nèi)，有如下實用關(guān)系：用關(guān)系：2/1111122310pCOeqCORTEdPPeAe環(huán)境式中：式中：0e碳酸鈣分解碳酸鈣分解(fnji)率，率，%； A反應(yīng)的頻率因子，反應(yīng)的頻率因子，3.05106Pam/s；E反應(yīng)活化能，反應(yīng)活化能，171.850J/molK；第12頁/共30頁第十二頁，共30頁。R氣體氣體(qt)常數(shù)，常數(shù)，8.314 J/molK；T反應(yīng)反應(yīng)(fnyng)溫度，溫度，；pd顆粒顆粒(kl)直徑，直徑，m； e

10、qCOP2碳酸鈣分解時，碳酸鈣分解時，CO2平衡壓力，其值是溫度函數(shù)，平衡壓力，其值是溫度函數(shù)，Pa；環(huán)境2COP環(huán)境介質(zhì)中環(huán)境介質(zhì)中CO2分壓，包括分解產(chǎn)生的分壓，包括分解產(chǎn)生的CO2和燃氣和燃氣中中CO2之和，之和，Pa。第13頁/共30頁第十三頁，共30頁。 上式很明確表達上式很明確表達(biod)了影響碳酸鈣分解的諸因素及了影響碳酸鈣分解的諸因素及其相互聯(lián)系。其相互聯(lián)系。u 根據(jù)根據(jù)(gnj)粗略估算：反應(yīng)溫度每升高粗略估算：反應(yīng)溫度每升高10，反應(yīng)時，反應(yīng)時間可縮短間可縮短50%；u 環(huán)境中環(huán)境中CO2分壓每降低分壓每降低2%，反應(yīng)時間可縮短，反應(yīng)時間可縮短10%。u 顆粒的粗細，愈

11、細，分解愈快。顆粒的粗細，愈細，分解愈快。其他因素略。其他因素略。第14頁/共30頁第十四頁，共30頁。影響碳酸鹽分解(fnji)速率的因素30(11)11()dtKpP溫度溫度 隨溫度升高，分解速率常數(shù)和壓力隨溫度升高，分解速率常數(shù)和壓力(yl)倒數(shù)差倒數(shù)差相應(yīng)增大，分解速率和時間縮短；相應(yīng)增大，分解速率和時間縮短； (單個顆粒碳酸鹽分解單個顆粒碳酸鹽分解(fnji)動力學方程動力學方程) 式中：式中： t分解時間；分解時間；K分解常數(shù)；分解常數(shù)； PCO2的分壓；的分壓；分解率分解率 d生料等效粒徑；生料等效粒徑；第15頁/共30頁第十五頁，共30頁。 窯系統(tǒng)的CO2分壓 通風良好, CO

12、2分壓較低,有利于碳酸鹽分解; 生料細度和顆粒(kl)級配 生料細度細,顆粒(kl)均勻,粗粒少,分解速率快; 生料懸浮程度 生料懸浮分散良好,相對減小顆粒(kl)尺寸,增大了傳熱面積,提高了碳酸鹽分解速率; 石灰石的種類和物理性質(zhì) 結(jié)構(gòu)致密,結(jié)晶粗大的石灰石,分解速率慢; 生料中粘土質(zhì)組分和性質(zhì) 粘土質(zhì)中的礦物組分的活性依次按高嶺土、蒙脫石、伊利石、石英降低.粘土質(zhì)原料活性越大，可加速碳酸鹽的分解過程.第16頁/共30頁第十六頁，共30頁。在碳酸鹽分解(fnji)的同時，石灰質(zhì)與粘土質(zhì)組分間進行固相反應(yīng)，其過程如下： 800：CaOAl2O3，CaOFe2O3與2CaOSiO2開始形成； 8

13、00 900 ：開始形成12CaO7Al2O3(C12A7); 900 1000 : 2CaO Al2O3SiO2(C2AS)形成后又分解。開始形成3CaOAl2O3(C3A)和4CaO Al2O3Fe2O3(C4AF)。所有碳酸鹽均分解,游離(yul)氧化鈣達到最高值。 1100 1200:大量形成C3A和C4AF，C2S含量達最大值。三、熟料三、熟料(sh lio)礦物形礦物形成成第17頁/共30頁第十七頁，共30頁。影響(yngxing)固相反應(yīng)的因素生料的細度 生料愈細，比表面積越大，組分接觸(jich)面越大，同時表面質(zhì)點的自由能越大，使擴散和反應(yīng)能力增強，因而反應(yīng)速率加快； 生料的

14、均化程度 生料的均勻混合，可增加各組分間接觸(jich)，也有利于加速反應(yīng)； 壓力 在固相反應(yīng)中，增大壓力可加速物質(zhì)的傳遞過程.但熟料燒結(jié)過程是多相共存、多反應(yīng)同時進行的過程.因此，提高壓力有時并不表現(xiàn)出積極作用； 礦化劑 礦化劑可通過與反應(yīng)物形成固溶體使晶格活化，反應(yīng)能力加強；也可以形成低共熔物，使物料在較低溫度下形成液相，從而加速擴散和和固相的溶解作用第18頁/共30頁第十八頁，共30頁。液相的形成(xngchng)與熟料的燒結(jié)液相的組成(z chn)：由氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂和堿及其他組分。最低共熔溫度：物料在加熱過程中，兩種或兩種以上(yshng)組分開始出現(xiàn)液相的溫度稱為最低

15、共熔溫度。其大小與組分的性質(zhì)與數(shù)目有關(guān)。液相量：液相量與組分的性質(zhì)、含量、溫度等因素有關(guān)(一般為2030%) 。對CSAF四元系統(tǒng)，在不同溫度下的液相量（L）可按下式計算：p液相的形成 燒結(jié)范圍：指水泥生料加熱至出現(xiàn)燒結(jié)所必需的、最少的液相量時的溫度(開始燒結(jié)溫度)與開始出現(xiàn)結(jié)大塊(超過正常液相量)時的溫度差值第19頁/共30頁第十九頁，共30頁。液相的粘度(zhn d)：它直接影響硅酸三鈣的形成速率及晶體發(fā)育。其大小與液相的組分性質(zhì)與溫度有關(guān)。溫度越高，粘度(zhn d)越低；鋁率越高，粘度(zhn d)越大；多數(shù)微量元素可降低液相粘度(zhn d)。1400L2.95Al2O32.20Fe

16、2O3 +R 1450L3.00Al2O32.25Fe2O3 +R 1500 L3.30Al2O32.60Fe2O3 +R可以認為水泥熟可以認為水泥熟料中的其它組分料中的其它組分全部進入液相。全部進入液相。不同不同(b tn)溫度下，液相的計算公溫度下，液相的計算公式：式： 第20頁/共30頁第二十頁，共30頁。a) SiO2主要離解為SiO44-陰離子團。Si-O價鍵較強，在粘滯流動時，不易斷裂，因而(yn r)液相粘度較高；b) Al2O3和Fe2O3為兩性化合物，可同時離解成MeO45-和Me3+離子，兩者的比例視各自金屬離子半徑和液相酸堿度而異。以MeO45-離子狀態(tài)存在(cnzi)時

17、，有4個O2-配位，構(gòu)成較緊密的四面體，Me-O價鍵較強，在粘滯流動時，不易斷裂，因而液相粘度較高； 以Me3+離子狀態(tài)存在時，有6個O2-配位(pi wi)，構(gòu)成松散的八面體，Me-O價鍵較弱，在粘滯流動時，易于斷裂，因而液相粘度較低。第21頁/共30頁第二十一頁，共30頁。. 液相堿性較弱時，例如有MgO、SO3時，則Me2O3呈堿性，更多地離解成Me3+離子(lz)，因而液相粘度降低；當液相堿性較強，例如有Na2O、K2O時，則Me2O3呈酸性，更多地離解成MeO45-離子(lz)，因而液相粘度提高。. Al3+半徑(bnjng)Fe3+，趨向于構(gòu)成較多的MeO45-離子，因而提高IM，

18、則粘度；第22頁/共30頁第二十二頁，共30頁。第23頁/共30頁第二十三頁，共30頁。物理化學變化過程：隨著時間延長和溫度升高，液相量逐漸增加，氧化鈣、硅酸二鈣不斷溶解、擴散，硅酸三鈣晶核不斷形成，小晶體逐漸發(fā)育長大(chn d)，最終形成幾十微米大小、結(jié)晶良好的阿利特晶體。硅酸(u sun)三鈣的形成：影響因素：物料的化學組成、煅燒方法(fngf)、升溫速率、礦化劑與其他微量元素等。23C SC SCaO 液液相相p熟料的燒結(jié) 第24頁/共30頁第二十四頁，共30頁。熟料(sh lio)的冷卻 減少C3S分解；防止-C2S向-C2S轉(zhuǎn)化，提高熟料質(zhì)量(zhling)；防止方鎂石晶體長大，有

19、利于水泥安定性；急冷熟料晶粒小，活性高；C3A主要呈玻璃體，抗硫酸鹽性能提高；易磨性好等。目的：回收熟料帶走的熱量，預(yù)熱二次空氣，提高窯的熱效率；改善熟料質(zhì)量與易磨性；便于(biny)熟料運輸、貯存與粉磨。過程：液相的凝固和相變兩個過程.熟料為何要急冷？第25頁/共30頁第二十五頁，共30頁。溫度（溫度（） 反應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)熱效應(yīng) 數(shù)值數(shù)值100150游離水蒸發(fā)游離水蒸發(fā)吸熱吸熱2249kJ/kg水水450粘土結(jié)合水逸出粘土結(jié)合水逸出吸熱吸熱932kJ/kg-kao600MgCOMgCO3 3分解分解吸熱吸熱1421kJ/kg-MC900粘土無定形脫水產(chǎn)物結(jié)晶粘土無定形脫水產(chǎn)物結(jié)晶放熱放熱259-284kJ/kg-meta-kao900碳酸鈣分解碳酸鈣分解吸熱吸熱1655kJ/kg-CC900-1200固相反應(yīng)固相反應(yīng)放熱放熱418-502kJ/