第五章硅酸盐水泥煅烧

第五章硅酸盐水泥熟料的煅烧高淑雅王程5.1水泥熟料形成过程水分蒸发生料粘土矿物脱水碳酸钙分解固相反应熟料的烧结100～150℃400～600℃600℃以上800～1200℃1300～1450℃～1300℃熟料的冷却＜1450℃自由水的脱除化学结合水的去除两个传热、一个化学反应、两个传质CA、CF、C2SC12A、C2FC3A、C4AFC3A、C4AF、C2SC2S+CaOC3S石灰石结构生料细度反应条件悬浮程度粘土质性质生料的细度均匀性温度和时间原料性质矿化剂最低共熔温度液相量液相粘度液相表面张力氧化钙溶解速率反应物存在状态提高熟料的质量改善熟料的易磨性回收余热易于熟料的输送、储存和粉磨5.2熟料形成的热化学熟料形成热（理论热耗量）=支出热量-收入热量，1630～1800kJ/kg实际热耗量：3400～7500kJ/kg生产方法与窑型；废气余热和利用；生料组成、细度及生料易烧性；燃料的燃烧情况；窑体的散热损失；矿体剂及微量元素的作用。矿化剂作用矿化剂分类含氟化合物：常用萤石（CaF2）硫化物：常用石膏（天然石膏、工业副产石膏）氯化物：CaCl2其他：铜矿渣、磷矿渣等萤石：氟离子破坏晶格；降低液相生成温度；降低液相粘度硫化物：能降低液相出现温度,降低液相粘度和表面张力复合矿化剂（萤石-石膏、萤石-重晶石）晶种：硅酸盐水泥熟料5.3矿化剂晶种5.4挥发性组分及其它微量组分的影响挥发性组分：碱、氯、硫结皮、堵塞、结块、结圈非挥发性组分：氧化镁、氧化磷、氧化钛、氧化钒少量存在时，对水泥生产有好处，多了有副作用。5.5水泥熟料的煅烧方法及设备湿法立波尔（窑尾带加热机，半干法）干法新型干法（悬浮预热、窑外分解）土立窑机立窑回转窑立窑5.5水泥熟料的煅烧方法及设备传动大齿轮高端窑尾冷端低端窑头热端倾斜钢筒体，内部耐火材料，保温，保护燃料生料熟料废气5.5.1回转窑内熟料的煅烧干燥带预热带分解带放热反应带烧成带冷却带物料(℃)气体~150250~400150~7501000750~100014001000~130016001300~1450~130017001300~1000主要反应自由水蒸发粘土质原料脱水碳酸盐分解固相反应熟料烧成熟料的冷却湿法回转窑干法回转窑干法回转窑干法回转窑干法回转窑分解炉悬浮预热器悬浮预热器加热机回转窑内熟料的煅烧过程5.5.2带悬浮预热器回转窑内熟料的煅烧熟料煅烧特点1.传热面积大（1kg生料在窑内的传热面积是0.157㎝2，在悬浮预热器里是1250㎝2，后者是前者的8000倍）；2.传热效率提高，传热速率增大（在窑内仅为5.8℃/min,立波尔窑的加热机,其速率也只有50℃/min，而悬浮预热器内的速率可达1000℃/min）；3.总体物料与气流是逆向运动，而在管道和旋风筒内则是顺流运动。传热主要是在管道中进行（约占80%），旋风筒主要起气固相分离作用，传热较少（约占20%）4.入窑物料碳酸钙分解率达30～40%，从而减轻了回转窑的负荷，使窑的长度缩短。5.窑内没有干燥带、预热带，只有其余四个带。5.5.3预分解窑内熟料的煅烧熟料煅烧特点1.分解炉中，温度为820～900℃时，分解率可达85～95%，分解时间4～10s，而在窑内分解需30多分钟。2.碳酸钙的分解到窑外，窑长缩短，降低占地面积。3.悬浮状态，传热面积大，传热速率高，熟料单位热耗降低。4.熟料密度小，颗粒细。5.窑内分三个带：过渡带（主要是少量分解反应、固相反应）、烧成带、冷却带。5.5.4熟料冷却机熟料冷却机：将高温熟料向低温气体传热的热交换装置。1.对冷却机要求:（1）尽可能多地回收熟料的热量，以提高入窑二次空气温度，降低熟料热耗。（2）缩短熟料的冷却时间，以提高熟料质量，改善易磨性。（3）冷却单位质量熟料的空气消耗量要小，以便提高二次空气温度，减少粉尘飞扬，降低电耗。（4）结构简单，操作方便，维修容易，运转率高。2.分类：水泥熟料冷却机筒式冷却机篦式冷却机单筒式多筒式立筒式推动式振动式回转式单筒冷却机外形和回转窑相似，安装在回转窑的下方，由单独传动机构带动。传热方式：以对流方式为主的逆流热交换过程，预热后的空气全部入窑。优点：热效率高(熟料可冷却到200℃，二次空气可预热到600~700℃，热效率可达70%)缺点：熟料冷却速度慢，金属消耗量大，占地面积大，空间高度较大，使土建投资增多。适用于日产2000~2500t熟料的窑使用。多筒冷却机组成：由环绕在回转窑胴体上若干个(6~14个)圆筒所构成，和回转窑连成一体。优点：结构简单，不用单独传动，易于管理，没废气处理问题。缺点：筒体较短，散热条件较差，出口熟料温度高(250~400℃)，二次空气(350~600℃，55~65%)，冷却能力受限。适用于日产2000~2500t熟料的窑使用。篦式冷却机特点：冷却熟料用的冷风由专门的风机供给，熟料以一定厚度铺在篦子上随炉篦的运动而不断前进，冷空气则由篦下向上垂直于熟料运动方向传过料层而流动，因此热效率高。振动篦式冷却机：速度快(5~10min)，熟料温度60~120℃；二次空气350~500℃，50~60%。推动篦式冷却机：料层厚，速度慢，机身短，冷却时间短(100℃以下，20~30min熟料温度80~150℃；二次空气600~900℃，65~75%，热效率高。回转篦式冷却机：篦子作缓慢回转运动，热端不长期接触高温物料，可用球墨铸铁代替耐热钢板，结构复杂。篦式冷却机的发展第一代薄料层篦式冷却机（60年代）第二代厚料层篦式冷却机（80年代）第三代充气梁高效篦式冷却机（90年代）第四代行进式稳流篦式冷却机（21世纪）TCFC型冷却机具有“三高一低”的性能，即高冷却效率、高输送效率、高运转率、低磨损。主要技术性能指标如下：单位篦面积产量：44～46t/m2·d单位冷却风量：1.7～1.9Nm3/kg熟料热回收率：～75%运转率：＞98%出料温度：65℃+环境温度（粒度≤25mm）行进式稳流篦式冷却机主要部件包括上壳体、下壳体、篦床、液压传动系统、熟料破碎机等。篦床由几列纵向排开的篦板组成，纵向单元均由液压控制，运行速度可以调节，进料段保持可控气流冷却机固定倾斜篦板，此结构可以消除“堆雪人”的危害；熟料堆积在位于水平输送段的槽型活动充气不漏料篦床上，熟料随活动篦床输送向前运行，冷风透过料层达到冷却熟料的目的。5.5.4立窑水泥生产技术立窑：坚式固定床煅烧设备。煅烧水泥熟料的窑筒体是立置不转动。分类：普通立窑和机立窑过程：生料粉和燃料混合，加入12%~14%水分，经成球设备制成5~15mm的含煤料球，从窑顶喂入窑内，物料借自重自上而下移动，空气从下部用高压风机鼓入，燃料的燃烧和物料的煅烧同时进行。主要优点：投资省；熟料热耗较低；吨水泥电耗低；对原燃材料要求低；可以合理利用多种工业废渣。缺点：单机产量低；熟料质量不稳定。1.概述2.立窑水泥的生产工艺流程生料制备：原料和煤经破碎后，按一定的比例配合、磨细并调配为成分合适、质量均匀的生料。生料成球：均匀合格的生料，加水在成球盘内制成具有一定水分、一定大小、一定强度、一定孔隙的生料球。熟料的烧成：生料球通过布料器从窑顶加入，燃料燃烧所需空气从窑底鼓入，生料球通过生料球内煤的燃烧，在从窑面自上而下的过程中烧成熟料。水泥的制成：熟料破碎后加入适量石膏、混合材料共同磨细成为水泥。机械化立窑水泥生产工艺流程现代化立窑水泥企业八项指标:i.企业规模：年产水泥30万吨以上。ii.工艺设备完善，全面应用先进适用的现代立窑新技术，生产关键环节实现自动化控制及计算机管理。iii.产品质量：能够稳定生产42.5等级水泥。Ⅳ.水泥质量均匀稳定，均匀性不大于1.1R(R为同品种不同强度等级水泥28d抗压强度上月平均值)。V.环境保护：粉尘排放浓度及车间岗位粉尘浓度全面达到国家标准，逐步实现环保认证。Ⅵ.能耗指标：可比熟料热耗900x4.18kJ／kg以下，可比水泥综合电耗80kW·h／t以下。Vii.全员实物劳动生产率：1000t／(人·年)以上(不含矿山)。Ⅷ.企业管理：建立起现代企业管理机制，追求技术进步，坚持文明安全生产，并形成具有特色的企业文化，通过ISO9001质量管理体系认证。3.立窑对原燃料的选择

（1）立窑对原料的选择原料的品质是制备成分合适而稳定生料的基础条件。因此，加强对矿山开采和进厂原料的质量控制、堆放、取用等的管理是相当重要的。原料中燧石、石英、碱、MgO等有害成分要低，应在要求控制范围之内；机立窑由于生料需成球，因此，要求黏土的可塑性指数>13％。机械化立窑可采用工业废渣代替部分原料和作矿化剂(如钢渣、铜渣、铅渣、锑渣、锡渣、铁锌渣、硫磺渣等可代替铁质原料)，可采用氟化物、硫酸盐、氯化物等作矿化剂。（2）立窑对燃料的选择机立窑煅烧水泥熟料所用燃料是与生料均匀混合在一起的，成球后它们一起在窑内由温度较低和缺氧的环境下移到氧气较多的高温带燃烧。煤中的挥发分是在低温(200～600℃)缺氧的条件下挥发逸出的，而煤在立窑中的燃点一般达700～800℃，即煤尚未着火，挥发分已逸出，造成了很大的热损失。因此立窑一般用挥发分含量低的无烟煤和焦炭末作燃料。4.生料的成分

生料的化学成分一般是通过控制熟料成分来控制的，即控制熟料的三个率值。确定熟料的三个率值时，尽可能使熟料达到优质、高产、低消耗，同时有利于立窑的煅烧操作。石灰饱和系数KH的选择一般情况下，KH值高，则生成的C3S多，熟料强度高，凝结时间等质量指标较好。但KH值过高，生料易烧性差，易使熟料f-CaO含量增高，安定性差，且f-CaO含量过高，会引起熟料抗折、抗压强度降低。因此，一般在有效控制f-CaO含量、确保安定性合格的前提下，适当提高KH值。铝率IM的选择IM增高，熟料中C3A含量增多，除C3A本身早期强度发挥快外，C3A还有利于C3S早期强度的更好发挥，因此，熟料早期强度高，凝结时间缩短；IM增高，液相黏度增大，底火厚实，烧成范围变宽，利于操作。但如果IM值过高，液相黏度过大，不利于质点的运动，即不利于熟料矿物的形成，导致f-CaO含量较大增加，影响熟料的煅烧和熟料的产量与质量。IM值一般控制在1.4±0.1，若加矿化剂时，还可根据情况适当提高。

硅率SM的选择SM值增加，硅酸盐矿物总量增加，在同等KH值情况下，C2S含量增加，熟料的后期强度增加；当f-CaO吸收较完全时，C3S的含量不一定会降低。但SM值过高，则液相量过少，料发散，不易形成稳定的底火，影响立窑的产量和质量。因此，SM值选择适当，对熟料的早、后期强度均有利；而且SM值适当，则液相量适当，有利于窑内的通风和煅烧操作。SM值一般控制在2.1±0.1比较合适。其它成分的选择熟料除控制三个率值外，还应控制A12O3和Fe2O3的含量，一般Al2O3含量控制在6.2％±0.2％，Fe2O3含量控制在4.2％±0.2％。当加矿化剂时，Fe2O3的含量可控制更低，很多立窑企业控制在3.8％左右。5.立窑内熟料的煅烧过程预热由表及里传热、温度由表及里升高，熟料的形成也是由表及里沿窑高度方向大致分为三个阶段：预热带、烧成带、冷却带机立窑各带划分示意图1一预热带；2一烧成带；3一冷却带预热带：料层厚度约0.5～1.0m，其料层温度小于1000℃。一般预热带约占全窑高的5％～10％。烧成带(俗称“底火”)：料层为0.6～1.0m，温度1000～1450～1300℃。烧成带约占全窑高度的10％～15％。冷却带：冷却带的位置处于烧成带以下至窑底，约占全窑高度的70％左右，物料平均温度在1300℃以下。123（1）煅烧过程的物理化学变化机立窑煅烧所需燃料不是单独燃烧后再将热量传给生料的，而是与生料混在一起制成料球，再入窑煅烧。助燃空气通过料球之间空隙流通与料球表面接触，所以燃料燃烧与物料煅烧是从料球表面开始的。首先，热气流向料球表面传热，使表面水分逐渐蒸发，并预热料球，随着热量逐渐由表向里传递，料球内部水分也随之蒸发，并向表面扩散。其次，料球表面煤粒达到燃点，与气流中的氧气反应燃烧，随着氧气自料球表面向内部扩散，燃料不断燃烧，料球温度逐渐升高，燃料燃烧与生料碳酸钙盐的分解同时进行。第三，碳酸盐分解的CO2与产物CO、CO2等由内部向表面扩散到气流中。第四，随着碳酸钙的分解和燃料的燃烧，温度继续升高，固相反应也同样由料球表面向中心推进，逐渐完成熟料的烧成过程。因此，在料球从上到下的运动过程中，仍经历了生料的干燥、预热、分解、固相反应、烧成、冷却等阶段。不过，在同一时间内，料球内外煅烧不是均匀一致的。

第五，烧成的熟料遇到冷空气，同时进行熟料的冷却与空气的预热。（2）物料与气流在机立窑内的运动物料在机立窑内的运动机立窑的窑体是固定不动的，料球从上到下运动的原因是由于熟料的卸出和料球在煅烧过程中产生体积收缩引起的。由于机立窑不转动，因而物料在立窑内除自上而下作垂直运动外，几乎没有翻滚运动，物料相互之间很少混合，这也是立窑熟料质量不均的原因之一。气体在机立窑内的运动机立窑内充满物料，气流只能通过物料间的空隙流通，在流动的同时还伴随着温度、密度的变化和化学反应，而且物料间空隙率也在不断变化等。因此立窑内通风阻力很大而且不均匀，这是立窑的主要缺点。（3）燃料的燃烧生料球入窑后，被高温废气加热，燃料中挥发分逸出，因废气中氧气很少，不能燃烧，而排出窑外，造成热损失。随着料球向下运动，温度不断升高，当达600～800℃时，废气中CO2和少量的氧与料球表面的碳发生包氏反应。CO2+C→2CO

C+1/2O2→CO随料球不断向下运动，温度不断升高，当达到燃点并有充足氧气时，就开始立窑内的主要反应——燃烧反应，因燃烧过程不能和煅烧过程分开来研究，这使立窑内燃烧过程复杂化。但一般认为，高温带料球内部以郝氏反应为主。其反应式如下：

CaCO3→CaO+CO2CO2+C→2COCaCO3+C→CaO+2CO在氧气浓度较低，碳酸钙分解产生的CO2和燃烧产物CO2遇到灼热的煤时，将发生包氏反应，生成CO随废气排出。在氧气浓度较高时，氧气与料层表面的煤以及因郝氏反应和包氏反应生成的CO，将发生下列反应：C+O2→CO22CO+O2→2CO2

由此可见，加强窑内通风，提高气体中氧的含量，是保证燃料燃烧的关键所在。由于料球内燃料的燃尽、物料中水分的蒸发、黏土脱水和碳酸盐分解的CO2的逸出，使料球形成疏松多孔状。空气通过这些孔隙，进一步向料球内部扩散，使料球中的碳在小孔中燃烧，这种在多孔内进行的燃烧，看不见火焰，称为“无焰燃烧”。无焰燃烧能在很小的过剩空气系数(通常a=1.05～1.10)下达到完全燃烧，燃烧热量直接进行加热，因此，传热效率高，很快达到烧成温度，直到燃料烧完为止。6.立窑的煅烧方法（2）全黑生料法煅烧用煤全部入磨与原料混合粉磨，再成球入窑，粉磨后的生料因有煤而呈黑色，故称为全黑生料法。该法是目前最普遍采用的方法。（1）白生料法不含煤的生料单独粉磨，再与粉碎后的粗粒煤按一定比例混合成球入窑煅烧。此方法存在很多缺点，现少用。（3）差热煅烧法根据机立窑边部和中部物料耗热量的不同，把人窑物料配成边料和中料(中料配煤量适当减少)，加料时按窑内区域比例分别加料，以使整个窑面物料能获得比较均衡的热量，这就是差热煅烧法。该方法看火操作复杂，加料时中料、边料交换频繁，易将中料和边料搞混，所以使用的企业不多。（4）半黑生料法煅烧所需的煤一部分(需总煤量的50％左右)和原料共同粉磨而制得生料，而另一部分破碎成细煤粒再与制得的生料均匀混合，制成料球，入窑煅烧。由于半黑生料法比全黑生料法工艺复杂，因此不如全黑生料法应用广泛。（5）等温煅烧法主要方法是高温带边部多带走的热损失以电热来弥补。电热功率30~60kW。（6）细粒煤煅烧法将细粒煤(0.05mm<粒径<0.5mm)掺入到白生料中,然后成球的一种方法;或配一部分煤与原料一起入磨制成黑生料,再掺入需要的细粒煤,然后成球入窑。它克服了白生料法和全黑生料法的缺点，发挥了它们的优点，是实现机立窑闭门操作而产生的一种煅烧方法。6.料球质量要求

（1）料球热稳定性良好。800～900℃时，爆破极少（2）粒度均匀、料球间空隙率大,流体阻力低。（3）料球本身空隙率高。32％～35％（4）粒度大小适宜，粒度小，有利于提高煅烧速度，但通风阻力大，料球直径一般控制在5～8mm。（5）料球强度高，不易碎裂，不易炸裂。（6）水分适宜，分布均匀。12％～14％5.5.5水泥熟料煅烧技术的发展一、五级、六级预分解窑煅烧技术节能，降低阻力，废气温度下降二、两级分解炉的预分解窑三、水泥窑低温余热发电CO2分压下降，分解率提高水泥工业是资源性产业，也是节能减排潜力最大、消纳各种工业固体废弃物最多、发展循环经济前景最好的行业之一。水泥窑