水泥熟料的形成過程第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

水泥熟料的形成1、新型干法水泥熟料煅燒工藝過程

2、煅燒過程物理化學變化

3、熟料形成熱

4、熟料在回轉窯內煅燒

5、回轉窯熱經(jīng)濟分析第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日1、新型干法水泥熟料煅燒工藝過程新型干法水泥生產(chǎn)采用預分解窯煅燒熟料，預分解窯系統(tǒng)由懸浮預熱器、分解爐、回轉窯、冷卻機等組成。生料均化庫中的生料經(jīng)卸料、計量、提升、定量喂料后由氣力提升泵或提升機送至窯尾懸浮預熱器，經(jīng)預熱和分解后的物料進入回轉窯煅燒成熟料。回轉窯和分解爐所用燃料煤由原煤經(jīng)烘干兼粉磨后，制成煤粉并儲存在煤粉倉中供給。熟料經(jīng)篦式冷卻機冷卻后，由鏈斗輸送機送入熟料庫內儲存。第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日新型干法水泥熟料煅燒工藝流程圖第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2、煅燒過程物理化學變化水泥熟料的形成過程，是對合格的水泥生料進行煅燒，使其連續(xù)被加熱，經(jīng)過一系列的物理化學反應，形成熟料，再進行冷卻的過程。生料在加熱過程中，依次發(fā)生自由水的蒸發(fā)、粘土質原料脫水與分解、碳酸鹽分解、固相反應、熟料的燒結及熟料的冷卻等重要的物理化學反應。這些反應過程的反應溫度、反應速度及反應產(chǎn)物不僅受原料的化學成分和礦物組成的影響，還受反應時的物理因素諸如生料粒徑、均化程度、氣固相接觸程度等的影響。第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.1自由水的蒸發(fā)排除生料中自由水分的工藝過程也稱之為干燥。生料都含有一定量的自由水分，隨著溫度的升高，物料中的水分被蒸發(fā)，當溫度升高到100～150℃時，生料中的自由水分全部被排除，這一過程稱為干燥過程。新型干法水泥生料水分小于1%，在預熱器內瞬間完成。第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.2粘土質原料脫水和分解脫水是指粘土礦物分解放出化合水。粘土礦物的化合水有兩種：一種是以OH一離子狀態(tài)存在于晶體結構中，稱為晶體配位水(也稱結構水)；另一種是以水分子狀態(tài)吸附于晶層結構間，稱為晶層間水或層間吸附水。所有的粘土都含有配位水；多水高嶺土、蒙脫石還含有層間水；伊利石的層間水因風化程度而異。層間水在100℃左右即可排除，而配位水則必須高達400～600℃以上才能脫去

第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日當溫度升到450℃時，粘土中的主要礦物高嶺土發(fā)生脫水分解反應如下式所示：Al2O3·2SiO2·2H2O→Al2O3·2SiO2+2H2O↑高嶺土無水鋁硅酸鹽(偏高嶺土)水蒸氣Al2O3·2SiO2→Al2O3+2SiO2高嶺土進行脫水分解反應屬吸熱過程。高嶺土在失去化合水的同時，本身晶體結構遭受破壞，生成了非晶質的無定形偏高嶺土(脫水高嶺土)，由于偏高嶺土中存在著因OH一基跑出后留下的空位，故可以把它看成是無定型的SiO2和Al2O3，這些無定形物具有較高活性，為下一步與氧化鈣反應創(chuàng)造了有利條件。第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.3碳酸鹽分解生料中的碳酸鈣和夾雜的少量碳酸鎂在煅燒過程中分解并放出CO2的過程稱碳酸鹽分解。碳酸鹽的分解速度隨著溫度升高而加快，在600～700℃時碳酸鎂已開始分解，加熱到750℃分解劇烈進行；碳酸鈣分解溫度較高，在600℃時只有微弱分解發(fā)生，但快速分解溫度在812～928℃之間變化。

第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日MgCO3在600℃、CaCO3在890℃時的分解反應式如下：MgCO3－MgO+CO2↑(1047～1214)J/gCaCO3－CaO+CO2↑1645J/g其中，碳酸鈣在水泥生料中所占比例80%左右，其分解過程需要吸收大量的熱，是熟料煅燒過程中消耗熱量最多的一個過程，因此，它是水泥熟料煅燒過程重要的一環(huán)。第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.3.1碳酸鈣分解反應的特點1．可逆反應碳酸鈣的分解過程受系統(tǒng)溫度、周圍介質中CO2的分壓影響較大。升高溫度并供給足夠的熱量，及時排出周圍介質中的CO2可使碳酸鈣的分解速度加快。2．強吸熱反應每1kg純碳酸鈣在890℃時分解吸收熱量為1645J/g，是熟料形成過程中消耗熱量最多的一個工藝過程，其分解過程中消耗的熱量約占干法窯熱耗的一半以上。第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3．燒失量大每100kg的純CaCO３分解后排出揮發(fā)性CO２氣體44kg，燒失量占44%。4.分解溫度與CO2分壓和礦物結晶程度有關第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.3.2碳酸鈣的分解過程一顆正在分解的CaCO3顆粒，顆粒內部的分解反應可分為下列5個過程：①熱氣流向顆粒表面?zhèn)鬟M分解所需要的熱量Qi；②熱量以傳導方式由表面向分解面?zhèn)鬟f的過程；③在一定溫度下碳酸鈣吸收熱量，進行分解并放出CO2的化學過程；④分解放出的CO2，穿過CaO層，向表面擴散傳質；⑤表面的CO2向周圍氣流介質擴散。第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日在這5個過程中，有4個是物理傳熱傳遞過程，唯獨碳酸鈣吸收熱量分解放出CO2的過程是一個化學反應過程。在顆粒開始分解與分解面向顆粒內部深入時，各過程對分解的影響程度不相同，哪個過程最慢，哪個便是主控過程。即碳酸鈣的分解速度受控于其中最慢的一個過程。分解速度或者分解所需的時間將決定于化學反應所需時間，即反應生成的CO2通過表面CaO層的擴散是整個碳酸鈣分解過程中的速度控制過程。第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.3.3影響碳酸鈣分解速度的因素1．石灰質原料的特性以最常見的石灰石為例，當石灰石中伴生有其他礦物和雜質一般具有降低分解溫度的作用。2．生料細度和顆粒級配生料粉磨得細，且顆粒均勻、粗粒少，生料比表面積增加，使傳熱和傳質速度加快，有利于分解反應進行。第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3．生料懸浮分散程度生料懸浮分散差，相對地增大了顆粒尺寸，減少了傳熱面積，降低了碳酸鈣的分解速度。4．溫度提高反應溫度，分解反應的速度加快，分解時間縮短。但應注意溫度過高，將增加廢氣溫度和熱耗，預熱器和分解爐結皮、堵塞的可能性亦大。第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日5．系統(tǒng)中CO2分壓通風良好CO2分壓較低，有利于CO2的擴散和加速碳酸鈣的分解。6．生料中粘土質組分的性質如果粘土質原料的主導礦物是高嶺土，由于其活性大，在800℃下能和氧化鈣或直接與碳酸鈣進行固相反應，生成低鈣礦物，可以促進碳酸鈣的分解過程。反之，如果粘土主導礦物是活性差的蒙脫石和伊利石，則CaCO3的分解速度就慢。在懸浮預熱器和分解爐內，由于生料懸浮于氣流中，基本上可以看作是單顆粒，其傳熱系數(shù)較大，特別是傳熱面積非常大，分解過程的速率受化學反應過程所控制。在分解爐(物料溫度850℃左右)，只需幾秒鐘即可使碳酸鈣分解率達到85%～95%。第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.4固相反應2.4.1反應過程通常在碳酸鈣分解的同時，分解產(chǎn)物CaO與生料中的SiO2、Fe2O3、Al2O3等通過質點的相互擴散而進行固相反應，形成熟料礦物。水泥熟料礦物C3A和C4AF、C2S的形成是一個復雜的多級反應，反應過程是交叉進行的。水泥熟料礦物的固相反應是放熱反應，固相反應的放熱量約為420～500J/g。第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日其過程大致如下：800～900℃CaO+Al2O3→CaO·Al2O3(CA)CaO+Fe2O3→CaO·Fe2O3(CF)900～1100℃2CaO+Al2O3+SiO2→2CaO·Al2O3·SiO2(C2AS)形成后又分解

2CaO+SiO2→2CaO·SiO2(C2S)7(CaO·Al2O3)+5CaO→12CaO·7Al2O3(C12A7)1100～1300℃12CaO·7Al2O3+9CaO→7(3CaO·Al2O3)(C3A)7(2CaO·Fe2O3)+2CaO+12CaO·7Al2O3→7(4CaO·Al2O3·Fe2O3)(C4AF)第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日固相反應通常需要在較高溫度下進行，影響固相反應的主要因素主要有以下幾點：（1）生料細度及均勻程度生料的均勻混合，使生料各組分之間充分接觸，有利固相反應進行。（2）原料性質在原料選擇時，力求避免采用粗晶石英，如不得已而必須使用時，可將其單獨粉磨，務求配制粉磨能耗最低但反應活性最佳的生料顆粒級配。3）溫度提高反應溫度，質點能量增加，增加了質點的擴散速度和化學反應速度，可加速固相反應。第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.5熟料燒結當物料溫度升高到最低共熔溫度后，固相反應形成的鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣熔劑性礦物及氧化鎂、堿等熔融成液相。在高溫液相作用下，固相硅酸二鈣和氧化鈣都逐步溶解于液相中，硅酸二鈣吸收氧化鈣形成硅酸鹽水泥的主要礦物—硅酸三鈣，其反應式如下：

C2S+CaO→C3S第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日隨著溫度的升高和時間延長，液相量增加,液相粘度降低，氧化鈣、硅酸二鈣不斷溶解、擴散，硅酸三鈣晶核不斷形成，并逐漸發(fā)育、長大，最終形成幾十微米大小、發(fā)育良好的阿利特晶體。與此同時，晶體不斷重排、收縮、密實化，物料逐漸由疏松狀態(tài)轉變?yōu)樯珴苫液凇⒔Y構致密的孰料，我們稱以上過程為熟料的燒結過程，簡稱熟料燒結。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日在配合生料適當，生料成分穩(wěn)定的條件下，硅酸鹽水泥熟料在1250～1280℃開始出現(xiàn)液相，1300℃左右時Ca0和C2S溶入液相中開始大量生成C3S，這一過程也稱為石灰吸收過程。一直到1450℃液相量繼續(xù)增加，游離氧化鈣被充分吸收。故通常把1300～1450～1300℃稱為熟料的燒結溫度。在此溫度范圍內大致需要10～20min完成熟料燒結過程。第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.5.1影響熟料燒結過程的因素熟料的燒結在很大程度上取決于液相含量及其物理化學性質。因此，控制液相出現(xiàn)的溫度、液相量、液相粘度、液相表面張力和氧化鈣、硅酸二鈣溶于液相的速率，并努力改善它們的性質至關重要。第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日1．最低共熔溫度系統(tǒng)組分數(shù)目越多，其最低共熔溫度越低，即液相初始出現(xiàn)的溫度越低。2．液相量熟料的燒結必須要有一定數(shù)量的液相。液相是硅酸三鈣形成的必要條件，適宜的液相量有利于C3S形成，并保證熟料的質量。液相量太少，不利于C3S形成，反之，過多的液相易使熟料結大塊，給煅燒操作帶來困難。液相量與組分的性質、含量及熟料燒結溫度等有關。因此，不同的生料成分與煅燒溫度等對液相量有很大影響。一般水泥熟料燒成階段的液相量大約為20%～30%。第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3．液相粘度液相粘度對硅酸三鈣的形成影響較大。粘度小，液相中質點的擴散速度增加，有利于硅酸三鈣的形成。而液相的粘度又隨溫度與組成(包括少量氧化物)而變化。提高溫度，液相內部質點動能增加，削弱了相互間作用力，因而降低了液相粘度。提高鋁率時，液相粘度增大，而降低鋁率則液相粘度減小。MgO、SO3的存在可使液相粘度降低。Na2O、K2O使液相粘度增大,而Na2SO4或K2SO4則使液相粘度降低。第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日4．液相的表面張力液相的表面張力愈小，愈易潤濕固相物質或熟料顆粒，有利于固液反應，促進C3S的形成。5．氧化鈣和硅酸二鈣溶于液相的速率C3S的形成過程也可以視為CaO和C2S在液相中的溶解過程。CaO和C2S的溶解速率大，C3S的成核與發(fā)育越快。因此，要加速C3S的形成實際上就是提高CaO與C2S的溶解速率，而這個速率大小受CaO顆粒大小和液相粘度所控制。第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.6熟料冷卻2.6.1熟料冷卻過程及目的熟料燒結過程完成之后，C3S的生成反應結束，熟料從燒成溫度開始下降至常溫，熔體晶化、凝固，熟料顆粒結構形成，并伴隨熟料礦物相變的過程稱為熟料的冷卻。冷卻的目的在于：改善熟料質量與提高熟料的易磨性；降低熟料溫度，便于熟料的運輸、儲存和粉磨；回收熟料余熱，從而降低熟料熱耗，提高熱利用率。第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.6.2熟料冷卻速度對熟料質量的影響熟料冷卻的速度影響著熟料的礦物組成、結構以及易磨性。冷卻速度不同，所得到的熟料礦物組成與性能也會不同。如果以18～20℃/min左右的急速降溫速率對熟料進行冷卻時，則可以發(fā)現(xiàn)C3S的分解、C2S的轉化、過大的方鎂石晶體及全部的C3A、C4AF結晶態(tài)不復存在，即急速降溫速率(急冷)優(yōu)于緩慢冷卻(慢冷)。第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2.6.3、急冷對改善熟料質量的作用1．防止或減少C3S的分解。2．避免β-C2S轉變成γ-C2S。3．可使MgO凝結于玻璃體中或以細小的晶體析出，改善了水泥安定性。4．使熟料C3A晶體減少，可克服水泥瞬凝或快凝，并有利于水泥抗硫酸鹽性能的提高。5．可防止C3S晶體長大或熟料完全變成晶體，改善熟料易磨性。第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3、熟料形成熱

熟料形成熱的概念：所謂熟料形成熱是指在一定生產(chǎn)條件下，用某一基準溫度（一般是0℃或者20℃）的干燥物料，在沒有任何物料和熱量損失的條件下，制成1Kg同溫度的熟料所需要的熱量。熟料的單位熱耗：是指實際生產(chǎn)過程中每形成1Kg熟料所消耗的熱量。第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3.1水泥熟料的反應溫度和熱效應

溫度（。C）反應熱性質相應溫度下1kg物料熱效應100~150自由水蒸發(fā)吸熱2249kJ/kg水450黏土脫水吸熱932kJ/kg高嶺石600MgCO3分解吸熱1421kJ/kgMgCO3900黏土中無定形物轉變成晶體放熱259~284kJ/kg脫水高嶺石900CaCO3分解吸熱1655kJ/kgCaCO3900~1200固相反應生成礦物放熱418~502kJ/kg熟料1250~1280生成部分液相吸熱105kJ/kg熟料1300~1450C2S+CaO→C3S微吸熱8.6kJ/kg熟料第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

3.2水泥熟料形成熱的計算方法

水泥熟料在形成過程中發(fā)生一系列物理化學變化，有些是吸熱反應。有些是放熱反應，將全過程的總吸熱量，減去總的放熱量，并換算為每生成1kg熟料所需要的凈熱量就為熟料的形成熱。煅燒1kg熟料，在理論上要消耗1650~1800kJ/kg的熱量，實際上要消耗3400~7500kJ/kg的熱量。熟料的單位熱耗越接近熟料的形成熱，煅燒設備的熱效率越高。(393-429)(810-1786)(393-429)第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

4、熟料在回轉窯內煅燒

4.1回轉窯的作用A.回轉窯是一個物料輸送設備。B.回轉窯是一個燃燒設備，可使用固體、液體、氣體三種不同類型的燃料，我國水泥廠主要以煤粉作燃料。C.回轉窯是一個傳熱設備，高溫氣體和物料在筒體內是相向運動的，在運動過程中進行熱量交換，物料接受高溫氣體和高溫火焰?zhèn)鹘o的熱量。

第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日4.2煤粉在回轉窯內的燃燒過程4.2.1、著火與著火溫度任何燃料的燃燒過程都有著火及燃燒兩個階段，由緩慢的氧化反應轉變?yōu)閯×业难趸磻慈紵┑乃查g叫著火，轉變時的最低溫度叫著火溫度。在大氣壓下無煙煤的著火溫度為350~500℃，煙煤的著火溫度為250~400℃。

4.2.2、燃燒過程回轉窯內的煤粉是以分散的狀態(tài)噴入高溫帶處，正常生產(chǎn)時高溫帶溫度很高，煤粉易著火燃燒；第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

當開窯點火時，窯內無熱源，必須在距窯口3~5米處放置木柴、廢油、棉紗等，將易燃物點火燃燒，使該處溫度上升到煤粉的著火溫度，然后再噴進煤粉進行燃燒。煤粉受熱后先是被干燥，將煤中所含1%~2%的水分排出，溫度升到450~500℃時，煤粉里的揮發(fā)分開始逸出，在700~800℃時將全部逸出，當揮發(fā)分遇到熾熱的空氣時便著火燃燒，生成氣態(tài)的CO2和H2O，而固定碳粒的燃燒較緩慢，它的燃燒速度與溫度、氣體的擴散速度有關。第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

煤粉由噴嘴噴出。經(jīng)過一段距離后才能燃燒，煤粉自噴嘴噴出至開始燃燒的這段距離稱為黑火頭。煤粉燃燒形成的火焰既有一個向窯尾方向運動的速度，又有向后傳播的速度，當噴出速度過大，火焰來不及向后傳播時，燃燒將中斷，火焰熄滅；當噴出速度過小，火焰不斷向后傳播，直至傳入噴煤管內，這稱“回火”，若發(fā)生“回火”將會引起爆炸的危險，所以噴出速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣纫浜虾谩５谌隧摚菜氖捻摚庉嬘?023年，星期日

火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c煤粉的揮發(fā)分、水分、細度、風煤混合程度等因素有關，當煤粉揮發(fā)分大、水分少、細度細，風煤混合均勻，火焰?zhèn)鞑ニ俣染涂欤駝t相反。4.2.3、一次風的作用煤粉借助一次風的風力自窯噴煤管噴入窯內，一次風不但對煤粉起輸送作用，同時還供給煤的揮發(fā)分燃燒所需的氧氣。一次風量占總空氣的比例不宜過多（8%~30%）第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日4.2.4、二次風的作用

⑴、由于二次風先經(jīng)過冷卻機與熟料進行熱交換（二次風被預熱到400~800℃），因此可得到較高的燃燒溫度。⑵、提供煤粉燃燒所需要的氧氣。⑶、由于一、二次風分別入窯，二次風對氣流能產(chǎn)生強烈的擾動作用，以增加氣體的擴散速度，加速固定碳的燃燒。

第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日4.3、窯外分解技術

水泥煅燒窯外分解技術，是20世紀70年代發(fā)展起來的新技術，它是帶懸浮預熱器回轉窯的進一步發(fā)展，在懸浮預熱器和回轉窯之間增加了一個新的熱源--分解爐，把煅燒熟料的三個主要工藝過程，分