第15-18课时水泥硅酸盐水泥熟料及其煅烧

1、第第2节节 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 及其煅烧及其煅烧硅酸盐水泥的生产技术概述硅酸盐水泥的生产技术概述绪论绪论特性水泥和专用水泥特性水泥和专用水泥本章内容本章内容硅酸盐水泥熟料及其煅烧硅酸盐水泥熟料及其煅烧硅酸盐水泥的制成硅酸盐水泥的制成硅酸盐水泥的水化和硬化硅酸盐水泥的水化和硬化硅酸盐水泥生料及其制备硅酸盐水泥生料及其制备硅酸盐水泥熟料的组成硅酸盐水泥熟料的组成硅酸盐水泥熟料矿物组成及计算硅酸盐水泥熟料矿物组成及计算硅酸盐水泥熟料的煅烧硅酸盐水泥熟料的煅烧熟料矿物组成计算熟料矿物组成计算熟料的率值熟料的率值新型干法窑工艺流程新型干法窑工艺流程干燥与脱水干燥与脱水其他组分的作用其他组分的作

2、用熟料的烧结熟料的烧结熟料的冷却熟料的冷却熟料热耗熟料热耗固相反应固相反应本本讲讲内内容容n干燥n100150，生料中物理水蒸发；n粘土质原料脱水：n500左右，粘土质原料失去化合水，并开始分解氧化物；n碳酸盐分解：n900左右，碳酸盐分解释放出CO2和新生态CaO；n固相反应n9001200，粘土的无定形脱水产物结晶，各种氧化物间进行固相反应；n熟料烧结n120012801450，出现液相，C2S通过液相吸收CaO形成C3S；n熟料冷却熟料矿物冷却。硅酸盐水泥熟料的煅烧过程硅酸盐水泥熟料的煅烧过程n干法窑生料水分不超过1%n立窑和立波尔窑生料约含水分12-15n湿法

3、窑的料浆水分通常为30-40n100-150，脱分子水。包括吸附水和层间水。n温度在100左右可脱吸附水；nT=400-600，粘土矿物脱羟基水。n高岭土在500左右发生脱水分解反应： Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2+2H2O 生成活性较高的无定形偏高岭土，然后在970-1050时结晶成莫来石，并放热；n蒙脱石、伊利石脱水仍具有晶体结构，活性比高岭土差；n高岭土和蒙脱石脱水时伴随着体积收缩，而伊利石脱水时膨胀。因此伊利石不易作原料。对于立窑和立波尔窑，因其用料球，会炸裂，热稳定性差。粘土矿物中的水晶体配位水：以OH-状态存在吸附水：以水分子状态存在l温度在600-900时，生

4、料中的碳酸盐分解。lCaCO3CaOCO2lMgCO3MgOCO2lCaMg(CO3)2CaO MgO CO2l可逆反应。因此，要保证较高的反应温度，同时降低CO2浓度；l强吸热反应。 熟料形成过程中耗热量最多的工艺过程；l 反应的起始温度较低。约600，此时分解速度慢。T=900，分解加快。以后每增加50，速度加快一倍。石灰石颗粒分解过程 l传热（气流颗粒表面分解面）2个l分解，分解面碳酸钙分解并CO2l传质，CO2穿过分解层向表面扩散，表面CO2大气中扩散，2个l回转窑，传热面积小，传热系数低，分解速度取决于传热过程；l立窑和立波尔窑除传热慢，传质阻力也很大，分解速度取决于传热和传质过程；

5、l新型干法，生料粉悬浮，传热快，传质阻力小，分解速度取决于化学反应速度。l石灰石结构和物理性质：致密、晶体粗大（大理石）分解反应困难，灰岩、泥灰岩分解容易；l生料细度：越细，越均匀，越有利于分解；l反应条件：温度。 CO2；促使CO2迅速扩散；l生料悬浮扩散程度：分散好，分解快；l粘土成分，高岭土活性大，利于分解，伊利石和蒙脱石活性差影响分解，结晶的石英砂的反应活性最低。 lT=800： CaOAl2O3CaOAl2O3 (CA) CaO Fe2O3CaOFe2O3 (CF) 2CaO SiO22 CaOSiO2 (C2S)lT=800-900： 7(CA)5 CaO12(C12A7) (CF

6、) CaO2 (C2F)lT=900-1100： 2 CaO Al2O3SiO2(C2AS) 12 CaO7 Al2O39 CaO7(C3A) 7(2CaOFe2O3)CaO12CaO7Al2O37(C4AF)lT=1100-1200： 大量形成C3A、C4AF、C2S。l生料细度和均匀性：粒度越小，比表面积越大，各组分之间的接触面积越大，同时表面的自由能越大，反应和扩散能力越强，反应速度越快。但熟料过细，磨机产量大大减低，窑尾收尘量增大，增加熟料热耗。l温度和时间：提高温度可加速固相反应；保证一定的时间使固相反应进行完全；l原料性质：原料中含结晶SiO2(如石英砂）或结晶CaCO3（如方解石

7、），破坏晶格相对困难，会降低反应速度。l矿化剂：加入少量能使晶体生成速度加快，生料易烧的物质称为矿化剂。l通过与反应物形成固溶体而使晶格活化，从而增加反应能力；l与反应物形成低共熔物，使物料在较低温度下出现液相；l可促使反应物断键而提高其反应速度。当温度升高到1250-1280，达到最低共熔温度，出现以氧化铝、氧化钙、氧化铁为主的熔体。溶解于液相中的C2S和CaO发生反应不断生成C3S，C2SCaOC3S，小晶体逐渐发育长大，最终形成几十微米大小的阿利特晶体，物料逐渐由疏松状变为色泽灰黑、结构致密的熟料，并伴随着体积收缩。n最低共熔温度n两种或两种以上组分开始出现液相的温度；n组分性质和含量影

8、响相同的最低共熔温度；n水泥熟料的最低共熔温度约为1250-1280；n液相量n液相量越多，C3S形成越快，但过多易结块。n液相量与组分的性质、组分的含量以及烧结温度有关。n可根据Al2O3、Fe2O3、MgO含量和碱含量R计算。 1400：P=2.95A+2.2F+M+Rn液相粘度n粘度小，质点扩散速度大，则有利于C3S形成。n粘度随温度和组成而变化。温度高，粘度小；铝率增加，液相粘度增大。n液相的表面张力n液相的表面张力越小，越容易润湿熟料颗粒或固相物质，有利于固相反应和固液相反应，促进C3S的形成；n温度升高，液相的表面张力降低；n熟料中含有镁、碱、硫等物质时，会降低液相的表面张力。nC

9、aO溶解于熟料液相的速率nCaO颗粒越小，溶解速度越快；n煅烧温度越高，溶解速度越快。n反应物存在的状态n颗粒越细，活性大，易溶于液相中，反应能力强，有利于C3S的形成；n温度梯度越大，粘土矿物的脱水、碳酸盐的分解、固相反应、固液相反应几乎重合，反应物处于新生的高活性状态，加快反应速度，促使阿利特快速形成。n定义：一般的冷却过程是指液相凝固(1300)以后，严格意义上，温度低于1450就算冷却。n含有凝固和相变两个过程，冷却的作用：n提高熟料的质量nC3S(1250)C2Sf-CaO，慢冷-C2S转化成-C2S(无水硬性)，同时体积膨胀，发生“粉化”。所以要提高冷却速度；n提高冷却速度可以使M

10、gO来不及结晶而存在于玻璃体中，或使结晶细小而分散，减少方镁石晶体对水泥安定性的影响；n快速冷却可使C3A呈玻璃体，提高水泥的抗硫酸盐性。n改善熟料的易磨性：快冷晶体小易磨。n回收余热：提高窑炉的热效率。n利于熟料的输送、储存和粉磨：使温度T100。氟化钙(CaF2，萤石) ：萤石是一种使用最广泛，效果最好的矿化剂。n 机理： CaF2H2O（高温）CaO2HF 4HFSiO2（Q）=SiF42H2O 2HFCaCO3CaF2H2OCO2n 作用：n加速SiO2、CaCO3和钾长石分解。n降低液相生成温度。n加速C3S形成。 硫化物在氧化气氛中被氧化成SO3.硫酸盐：CaSO4CaOSO3 B

11、aSO4BaOSO3作用：SO3能降低液相粘度，增加液相量。利于C3S形成。效果更好，但有时会出现不正常凝结现象。来源于原料。 优点：能降低最低共熔温度，起助熔作用。缺点：易形成钾石膏（K2SO4.CaSO4.H2O)使水泥快凝、结块、起霜,局部膨胀裂开。同时，碱的出现会生成KC23S12、NC8A3,导致fCaO增多。 通常（K2ONa2O）1%l来源于白云石。 l优点：助熔、降低粘度、增加液相、改善水泥色泽。l 缺点：方镁石过多会影响水泥的安定性。l 熟料MgO2%l来源于磷灰石矿化剂。l含量极少。0.10.3%时，P2O5可与C2S固熔，但太高会因消耗过多的C2S导致C3S分解，可加入适

12、量萤石促进C3S的形成，以减小P2O5的不良影响。l来源于粘土。l粘土中，一般含量0.3%，它可形成固溶体对C2S起稳定作用，但太高会影响水泥强度，熟料中一般应1%新型干法窑是以悬浮预热技术和预分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产最新成就，如原料矿山计算机控制网络化开采、原料预均化、生料均化、挤压粉磨，新型耐热、耐磨、耐火、隔热材料以及IT技术等广泛应用于水泥干法生产全过程，使水泥生产具有高效、优质、节约资源、清洁生产、符合环境保护要求和大型化、自动化、科学管理特征的现代化水泥生产方法。悬浮预热窑和预分解窑的作用是将大量吸热的干燥及碳酸盐分解反应过程从窑内传热速率较低的区域移到单独的悬浮预

13、热窑和预分解窑中进行。在悬浮预热窑和预分解窑中生料颗粒分散呈悬浮或沸腾状态，以最小的温度差在燃料无焰燃烧的同时，进行高速传热过程，使生料迅速完成干燥和分解过程，从而大大减少了回转窑的热负荷，使窑的产量成倍增加，同时延长了耐火衬的寿命，提高了窑的运转周期。另外，窑内进行的固相反应和烧结反应也比较彻底，产品的质量也得以提高。余热重复利用也降低了成本。 悬浮预热器预分解炉回转窑熟料冷却机工作原理：将生料粉与从回转窑尾排出的烟气混合，并使悬浮在热气中进行热交换。这样可大大提高传热面积和传热系数(物料堆积在窑底部，热气流从料层表面流过，传热面积与传热效率均低） 。生料颗粒在悬浮气流中的加热时间与粒度的关

14、系 据经验计算，传热面积比回转窑内提高了2400倍而传热系数也提高了13-23倍。生料颗粒干燥的程度与颗粒的大小直接相关，见右图。预分解窑的热耗比一般悬浮预热器窑低，成本也较低。入窑物料的分解率可由30%提高到90%。窑外分解系统生产流程图 窑外预分解技术：将已经过悬浮预热后的水泥生料，在达到分解温度前，进入到分解炉内与进入炉内的燃料混合，在悬浮状态下迅速吸收燃料燃烧热，使生料中的碳酸钙迅速分解成氧化钙的技术。n窑外预热分解回转窑的特点：n温度变化速度快，熟料易磨性好；n回转窑的长径比大，烧成带长，产品质量高；n操作稳定，产量大。 回转窑是利用一个倾斜的回转钢圆筒，斜度一般为3-5%，生料由窑

15、尾（高端）加入，熟料由窑头（低端）输出。1、窑内带的划分物料进入回转窑后，在高温作用下，进行一系列的物理化学反应后形成熟料，按照不同反应在回转窑内所占有的空间，被称为“带”。窑内各带的划分情况如图。 n 干燥带n物料温度20-150，气体温度200-400。n 预热带n物料温度150-750，气体温度400-1000。有机物分解与结构水脱除。n 碳酸盐分解带n物料温度 750-1000，气体温度1000-1400。大量吸热，温度上升慢。n 放热反应带（固相反应放热）n物料温度1000-1300，气体温度1400-1600。固相反应放热加上火焰传热，物料温度迅速上升。n 烧成带n物料直接受火焰加

16、热，温度1300-1450-1300。液相出现且液相量持续增加。n 冷却带n液相凝固后进入冷却机继续冷却。尽量快冷2、窑内的热工特点n 不同类型、不同规模的回转窑内在不同阶段产生的热效应不同，但总体上为：n 1烧成带内：C2SC3S 热效应0n 2分解带内：大量吸热n 3固相反应：放热n 4降低热耗：变湿法为干法，减少废气。n 5提高传热能力：提高气流温度，控制废气。n 6发热能力与传热能力协调。可采用预热、分解窑。 1、对冷却机的要求n 尽可能多的回收熟料的热量。n 缩短冷却时间，提高熟料质量。n 耗空气量尽量少，以提高二次空气（空气经预热后再入窑）温度。n 结构简单，操作方便。 n 筒式冷

17、却机：n单筒式n多筒式n立筒式n 篦式冷却机：n推动式n震动式n回转式2、冷却机的种类单筒冷却机单筒冷却机 l图图68 单筒冷却机单筒冷却机l1卸料篦子；卸料篦子；2扬料板；扬料板；3大牙轮；大牙轮；4轮带；轮带；5耐火砖；耐火砖；6筒体；筒体；7密封装置；密封装置；8窑头；窑头；9热烟室；热烟室；10通料口；通料口；11溜子；溜子；12风道；风道；13清理积料门清理积料门多筒冷却机多筒冷却机l图图69 多筒冷却机多筒冷却机l1- 回转窑筒体；回转窑筒体；2-冷却机筒体；冷却机筒体； 3-冷却机接料管；冷却机接料管； 4-托轮与轮托轮与轮带；带； 5-看火隧道看火隧道篦式冷却机篦式冷却机 目前

18、新干法生产中，采用第三代推动篦式冷却机及从窑罩抽取三次风，可认为最佳方案。 中央控制室是指能够把全厂所有操作功能集中起来，并把生产过程集中进行监视和控制的一个中心场所。在中控室里，通过计算机等技术能将整个生产过程参数、设备运行情况等全面迅速反映出来，并能对过程参数实现及时、准确的控制。因此，中央控制室是全厂的控制枢纽和指挥中心控制枢纽和指挥中心。把生产过程集中在中控室内进行显示、报警、操作和管理，可以使操作人员对全厂的生产情况一目了然，便于针对生产过程中出现的问题及时进行调度指挥，从而有利于优化操作、实现高产、优质、低消耗。1.世界超大型水泥熟料预分解窑的发展状况世界超大型水泥熟料预分解窑的发展状况 世界10大水泥集团水泥生产能力已达6亿吨以上，其中，最大的拉法基集团通过兼并，生产能力已达2亿吨t以上；新型干法生产线单线最大的生产能力已达12000t/d熟料；德国自1996年兴建的3条5000t/d级生产线，美国及瑞士2000年新建了5400t/d 、6000t/d、10000t/d熟料生产线，还采用多级燃烧分解炉、BAT技术及网络技术平台，并且均可采用可燃废料替代天然优质燃料等。 2.我国超大型水泥生产技术的发展 国家有关部门已制订了4000 t/d以上级生产线的发展规划，许多大型集团亦把建设5000t/d以上级生产线作为