《无机材料工学教学课件》4-水泥熟料煅烧.ppt

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1、第四章 硅酸盐水泥熟料煅烧,4.1 概述,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、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。,水泥工艺,煅烧熟料的设备 立窑 普通立窑和机械化立窑 中空式窑 窑 湿法回转窑 带热交换装置的窑 带余热锅炉的窑 回转窑 干法回转窑 带预热器的窑 带分解炉的窑 半干法回转窑 立波尔窑,水泥工艺,新型干法水泥生产，是以悬浮预热和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

2、应的现代管理方法。,水泥工艺,悬浮预热、窑外分解技术，从根本上改变了物料的预热、分解过程的传热状态，将窑内物料堆积状态的预热和分解过程，分别移到悬浮预热器和分解炉内进行。,水泥工艺,4.2 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。熟料煅烧物料可分为：水分蒸发生料预热生料分解熟料煅烧熟料冷却五个功能单元,相应分为干燥带、预热带、分解带和放热带，烧成带和冷却带。,水泥工艺,4.2.1 干燥,排除生料中自由水分的工艺过程称为干燥湿法窑物料含32-40%的水分，经干

3、燥后，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。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。,水泥工艺,4.2.2 脱水,脱水是指粘土矿物分解放出化合水。100高岭土 失去自由水 400-600 偏高岭土（SiO2Al2O3）+2H2O 加热 SiO2Al2O3（非晶质、高分散、活性高）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。,水泥工艺,4.2.3 碳酸盐分解,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CO2的过程称碳酸盐分解。MgC03 MgO+CO2(10471214)J/gCaC03 CaO+C

4、O21645 J/g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分解反应是在分解炉内进行。,水泥工艺,4.2.3.1 碳酸钙分解反应的特点,可逆反应强吸热反应 熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程,分解所需总热量约占预分解窑的二分之一。烧失量大分解温度与CO2分压和矿物结晶程度有关,水泥工艺,4.2.3.2 碳酸钙的分解过程,颗粒内部反应过程气流向颗粒表面传热热量由表面向分解面传热化学反应CO2由分解面向颗粒表面传质CO2由表面向气流传质（四个物理过程，一个化学反应过程）,水泥工艺,颗粒内部反应控制过程 受控于其中最慢的过程 30um 化学反应主导 0.2cm

5、 相当 1.0cm 传热、传质主导,水泥工艺,回转窑内传热控制粒径30 um左右，但呈堆积状态，而分解反应需大量热。悬浮预热器和预分解窑内反应控制传热系数比回转窑高2.5-10倍传热面积比回转窑大1300-4000倍在回转窑内CaCO3分解大于15min(800-1100)在分解炉内CaCO3分解只需几秒钟(850左右),水泥工艺,4.2.3.3 影响碳酸钙分解速度的因素,石灰质原料的特性 生料细度和颗粒级配 生料悬浮分散程度 温度系统中CO2分压生料中粘土质组分的性质,水泥工艺,固相反应,生料中CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3等通过质点的相互扩散而进行反应，形成熟料矿物。-800 C

6、A、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,放热反应 反应放热420-500 J/g理论上物料温度升高300以上影响固相反应的主要因素生料细度 反应速度 1/d2生料的均匀性温度 升温速度 温度梯度，反应速度原料性质 结晶SiO2和结晶方解石反应慢矿化剂等,水泥工艺,*新生态物质 固态物质状态改变对固相反应速度有极大的促进作用。如：CaSO4+BaO BaSO4+CaO CaSO4发生分解时，反应速度迅速增加。*急烧理论、热力活化 在熟料矿物形成时，升温速度很快，

7、SiO2晶型转变、粘土脱水、CaCO3分解的反应基本重叠，CaO、SiO2与Al2O3为新生态物质，则大大促进固相反应。,水泥工艺,4.2.5 熟料烧结,在高温液相作用下，固相硅酸二钙和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硅酸三钙。C2S+CaO C3S 高温液相反应空间,液相,13001450,水泥工艺,影响熟料烧结过程的因素 最低共熔温度与组分性质、组分数目、升温速度等有关 液相量与组分性质、组分含量、煅烧温度有关 液相粘度 与组成、温度、次要氧化物和杂质、升温速度等有关液相的表面张力,水泥工艺,、熟料冷却,从烧成温度开始下降至常温，熔体晶化、凝固，熟料熟料

8、颗粒结构形成，并伴随熟料矿物相变的过程。冷却的目的降低熟料温度，便于熟料的运输、储存和粉磨；改善熟料质量与易磨性；回收熟料出窑带走的热量，提高热利用率。,水泥工艺,500,1250,冷却对熟料矿物组成的影响冷却方式对组成的影响 平衡冷却 淬冷 形成玻璃体 独立结晶 不通过固液相反应，液相单独结晶冷却过程中的C2S相变和C3S分解,-C2S-C2S,C3S C2S+CaO,水泥工艺,急冷对改善熟料质量的作用,防止或减少C3S的分解避免-C2S转变成-C2S减方镁石结晶细小，改善了水泥安定性使熟料C3A晶体减少，提高抗硫酸盐性能提高熟料内应力，改善易磨性,水泥工艺,4.2 回转窑,4.2.1 回转

9、窑的结构回转窑由筒体、轮带托轮、传动装置和窑头窑尾密封装置等部分组成。筒体为回转窑的主要组成部分，它是一个钢质圆筒,内部镶砌耐火材料，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。,水泥工艺,4.2.1 回转窑的功能回转窑是水泥熟料煅烧的关键设备，兼有多种功能。燃料燃烧功能热交换功能化学反应功能物料输送功能,水泥工艺,水泥工艺,水泥工艺,水泥工艺,4.3.1 熟料的热化学特性,熟料的理论热耗 1670-1800 J/g主要消耗在碳酸盐分解固相反应为放热反应C2S+CaO C3S 微吸热,4.3 熟料的热化学及回转窑的热工特性,水泥工艺,烧成带需要热量不多，但需要高温和反应时间干

10、燥预热带、分解带需要大量热量，温度则不需要很高存在窑发热能力与传热能力之间的矛盾 回转窑作为烧成设备是合适的 回转窑作为传热设备则不合适碳酸盐分解是影响煅烧的主要矛盾,4.3.1 回转窑的热工特性,水泥工艺,4.4.1 湿法窑 冷端加入生料浆 链条装置强化传热 4.4.2 中空干法窑 生料粉 水分1%左右 窑尾气体温度高 600-800*余热利用余热发电,4.4 回转窑煅烧系统,水泥工艺,4.4.3 悬浮预热窑,悬浮预热窑特点 一台回转窑+一组悬浮预热器 预热与部分碳酸盐分解移到预热器上进行,水泥工艺,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，传热速度极快，传热效率很高。传热

11、系数比回转窑高2.5-10倍传热面积比回转窑大1300-4000倍烟气1000 350生料由室温 800左右CaCO3分解率40%左右，10-20 S完成,水泥工艺,悬浮（旋风）预器的构成与工作原理,旋风预热器的热交换单元构成旋风筒连接管道(换热管道)旋风预热器的功能料粉的分散与悬浮 气固相间换热 气固相分离、料粉收集 热量交换80%在管道旋风筒的作用主要是气固分离,水泥工艺,旋风预热器的工作原理,水泥工艺,水泥工艺,撒料板装置,水泥工艺,锁风阀,水泥工艺,窑外分解窑特点在悬浮预热器与回转窑之间增设一个分解炉增加一个新的热源（第二把火）有燃料喷入装置，喷入煅烧60%左右的燃料碳酸盐分解反应在分解炉中极其迅速地进行悬浮或沸腾状态下，边燃烧、边传热、边分解无焰燃烧生料温度820-860入窑CaCO3分解率85-95%,4.4.3 窑外分解（预分解、新型干法）窑,回转窑热负荷大大降低具有高效、优质、低耗等一系列优良性能产量大大提高熟料质量提高热耗下降NOX排放减少可使用较差燃料延长衬料寿命,水泥工艺,分解炉工作原理,涡流燃烧式分解炉,水泥工艺,喷腾式分解炉,水泥工艺,