新型干法水泥熟料煅烧过程

1 新型干法水泥熟料煅烧工艺过程

1.1 水泥熟料的形成过程

水泥熟料的形成过程，是对合格的水泥生料进行煅烧，使其连续被加热，

经过一系列的物理化学反应，形成熟料，再进行冷却的过程。

生料在加热过程中，依次发生干燥、粘土矿物脱水、碳酸盐分解、固相

反应、熟料烧结及熟料冷却结晶等重要的物理化学反应。这些反应过程的反

应温度、反应速度及反应产物不仅受原料的化学成分和矿物组成的影响，还

受反应时的物理因素诸如生料粒径、均化程度、气固相接触程度等的影响。

1.1.1 干燥

排除生料中自由水分的工艺过程称为干燥。

生料都含有一定量的自由水分，随着温度的升高，物料中的水分被蒸发，

当温度升高到100～150℃时，生料中的自由水分全部被排除，这一过程称为

干燥过程。新型干法水泥生料水分小于1%，在预热器内瞬间完成。

1.1.2 脱水

脱水是指粘土矿物分解放出化合水。

粘土矿物的化合水有两种：一种是以OH 一离子状态存在于晶体结构中，

称为晶体配位水(也称结构水)；另一种是以水分子状态吸附于晶层结构间，

称为晶层间水或层间吸附水。所有的粘土都含有配位水；多水高岭土、蒙脱

石还含有层间水；伊利石的层间水因风化程度而异。层间水在100℃左右即

可排除，而配位水则必须高达400～600℃以上才能脱去。

粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示：

Al2O3

2SiO2

2H20

Al203

2SiO2 + 2H2O↑

高岭土无水铝硅酸盐(偏高岭土) 水蒸气

Al203

2SiO2

Al203 + 2SiO2

高岭土进行脱水分解反应属吸热过程。高岭土在失去化合水的同时，本身

晶体结构遭受破坏，生成了非晶质的无定形偏高岭土(脱水高岭土)，由于偏高岭

土中存在着因

OH 一基跑出后留下的空位，故可以把它看成是无定型的SiO2 和

Al2O3，这些无定形物具有较高活性。

1.1.3 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。

碳酸镁的分解温度始于402～480℃左右，最高分解温度700℃左右；碳酸钙

在600℃时就有微弱分解发生，但快速分解温度在812～928℃之间变化。MgCO3 在590 ℃、CaCO3 在890℃时的分解反应式如下：

MgC03

MgO + CO2↑－(1047～1 214)J/g

CaC03

CaO + CO2↑－1645 J/g

其中，碳酸钙在水泥生料中所占比例80%左右，其分解过程需要吸收大量的

热，是熟料煅烧过程中消耗热量最多的一个过程，因此，它是水泥熟料煅烧过程

重要的一环。

1.1.3.1 碳酸钙分解反应的特点

1．可逆反应

2．强吸热反应

每1 kg纯碳酸钙在890℃时分解吸收热量为1645J/g，是熟料形成过程中消

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。

3．烧失量大

每100 kg的纯CaCO３分解后排出挥发性CO２气体44 kg，烧失量占44%。

4．分解温度与CO 2 分压和矿物结晶程度有关

在常压(101325 Pa)和分解出

的CO 2 分压达1个大气压(即平衡

分解压力101325Pa) 的环境

中，纯碳酸钙的分解温度为

800℃。平衡分压增大，分解

温度增高，环境C02 的浓度和

压力对碳酸钙分解温度的影响见

图1-1所示

1.1.3.2、碳酸钙的分解过程

一颗正在分解的CaCO3 颗粒，颗粒内部的分解反应可分为下列5个过程：

①热气流向颗粒表面传进分解所需要的热量Qi；

②热量以传导方式由表面向分解面传递的过程；

③在一定温度下碳酸钙吸收热量，进行分解并放出CO2 的化学过程；

④分解放出的CO2，穿过CaO层，向表面扩散传质；

⑤表面的CO2 向周围气流介质扩散。

在这5个过程中，有4个是物理传热传递过程，唯独碳酸钙吸收热量分解放

出CO2 的过程是一个化学反应过程。在颗粒开始分解与分解面向颗粒内部深入时，各过程对分解的影响程度不相同，哪个过程最慢，哪个便是主控过程。即碳酸钙

的分解速度受控于其中最慢的一个过程。

分解速度或者分解所需的时间将决定于化学反应所需时间，即反应生成的

CO2 通过表面CaO层的扩散是整个碳酸钙分解过程中的速度控制过程。

在悬浮预热器和分解炉内，由于生料悬浮于气流中，基本上可以看作是单

颗粒，其传热系数较大，特别是传热面积非常大，分解过程的速率受化学反应

过程所控制。在分解炉(物料温度850℃左右)，只需几秒钟即可使碳酸钙分解

率达到85%～95%。

1.1.3.3、影响碳酸钙分解速度的因素

1．石灰质原料的特性

以最常见的石灰石为例，当石灰石中伴生有其他矿物和杂质一般具有降

低分解温度的作用，

2．生料细度和颗粒级配

生料粉磨得细，且颗粒均匀、粗粒少，生料比表面积增加，使传热和传质

速度加快，有利于分解反应进行。

3．生料悬浮分散程度

生料悬浮分散差，相对地增大了颗粒尺寸，减少了传热面积，降低了碳酸

钙的分解速度。

4．温度

提高反应温度，分解反应的速度加快，分解时间缩短。但应注意温度过高，

将增加废气温度和热耗，预热器和分解炉结皮、堵塞的可能性亦大。

5．系统中CO2分压

通风良好CO2 分压较低，有利于CO2 的扩散和加速碳酸钙的分解。

6．生料中粘土质组分的性质

如果粘土质原料的主导矿物是高岭土，由于其活性大，在800℃下能和氧

化钙或直接与碳酸钙进行固相反应，生成低钙矿物，可以促进碳酸钙的分解过程。反之，如果粘土主导矿物是活性差的蒙脱石和伊利石，则CaCO3的分解速度就慢。

1.1.4、固相反应

1.1.4.1、反应过程

通常在碳酸钙分解的同时，分解产物CaO与生料中的SiO2、Fe2O3、Al2O3等通过质点的相互扩散而进行固相反应，形成熟料矿物。固相反应的过程比较复

杂，其过程大致如下：

～800℃CaO+ Al2O3

CaO·Al2O3 (CA)

Ca0+Fe2O3

CaO·Fe2O3 (CF)

2Ca0+ Si02

2CaO·Si02 (C2S)开始形成

800～900℃7(CaO·Al2O3)+5CaO

12CaO·7Al2O3 (C12A7)

900～1100℃2CaO+Al2O3+Si02

2CaO·Al2O3·Si02 (C2AS)形成后又分解

12CaO·7 Al2O3+9CaO——7(3CaO·Al2O3) (C3A)开始形成

7(2CaO·Fe2O3)+2CaO+12CaO·7 Al2O3

7(4CaO·Al2O3·Fe2O3)

(C4AF)开始形成

1100～l200℃大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。

水泥熟料矿物C3A和C4AF、C2S的形成是一个复杂的多级反应，反应过程是交叉进行的。水泥熟料矿物的固相反应是放热反应，固相反应的放热量约为420～500J/g。

固相反应通常需要在较高温度下进行，影响固相反应的主要因素主要有以下

几点：

（1）生料细度及均匀程度

生料的均匀混合，使生料各组分之间充分接触，有利固相反应进行。

（2）原料性质

当原料中含有结晶Si02 (如燧石、石英砂)和结晶方解石时，由于破坏其晶

格困难，晶体内的分子很难离开晶体而参加反应，所以使固体反应的速度明显降