浙大无机材料-4-水泥熟料煅烧

100℃
高岭土
失去自由水
400-600℃
偏高岭土（SiO2·Al2O3）+ 2H2O
加热
SiO2·Al2O3（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↑－(1047～ 1214)J/g
CaC03 → CaO + CO2↑－1645 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。
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4.2.3.1 碳酸钙分解反应的特点
➢可逆反应 ➢强吸热反应
➢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 熟料的热化学及回转窑的热工特性 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
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 烟气1000℃ → 350℃ 生料由室温 → 800℃左右 CaCO3分解率40%左右，10-20 S完成
➢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
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
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4.4.3 悬浮预热窑
Ⅰ
➢ 悬浮预热窑特点
预热器
一台回转窑 + 一组悬浮
预热器
Ⅲ
预热与部分碳酸盐分解移 到预热器上进行
回转窑
窑气
水泥工艺
生料
Ⅱ
Ⅳ
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。
带分解炉的窑
半干法回转窑 立波尔窑
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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 之相适应的现代管理方法。
在回转窑内CaCO3分解大于15min(8001100℃) 在分解炉内CaCO3分解只需几秒钟(850℃左 右)
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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
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4.2.4 固相反应
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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。
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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
Hale Waihona Puke Baidu回转窑 干法回转窑 带预热器的窑
➢ 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 ➢ 矿化剂等
结晶SiO2和结晶方解石反应慢
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*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， 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。
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4.2.5 熟料烧结
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%
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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
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4.2 回转窑
4.2.1 回转窑的结构
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。
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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。
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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
＜500℃
β- C2S
γ- C2S
＜1250℃
C3S
C2S + CaO
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急冷对改善熟料质量的作用
➢防止或减少C3S的分解 ➢避免β-C2S转变成γ-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
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
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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）
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➢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 相当 ≈1.0cm 传热、传质主导
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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 液相 C3S
1300~1450℃
高温液相—反应空间
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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
热量交换80%在管道 旋风筒的作用主要是气固分离
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✓旋风预热器的工作原理
水泥工艺
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撒料板装置
水泥工艺
锁风阀
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4.4.3 窑外分解（预分解、新型干法）窑
➢ 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
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4.3.1 回转窑的热工特性
➢ 烧成带需要热量不多，但需要高温和反应 时间
➢ 干燥预热带、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
4.4 回转窑煅烧系统
4.4.1 湿法窑
4.2.1 干燥
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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。
4.2.2 脱水
水泥工艺
脱水是指粘土矿物分解放出化合水。
水泥工艺
悬浮预热、窑外分解技术，
生
Ⅰ
料
从根本上改变了物料的预热、 预热器
Ⅱ
分解过程的传热状态，将窑
Ⅲ
内物料堆积状态的预热和分
Ⅳ
解过程，分别移到悬浮预热
器和分解炉内进行。
回转 窑
窑 气
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。
➢ 分解炉工作原理
水泥工艺
涡 流 燃 烧 式 分 解 炉
水泥工艺
喷腾 式分 解炉
➢ 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
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4.2.6、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。
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℃ CA、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
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放热反应