水泥工艺学第五章 硅酸盐水泥熟料的煅烧

干燥与脱水1 生料的干燥与脱水
✓ 干燥
即物料中自由水的蒸发。这一过程由于煅 烧方式的不同而有所差异。干法窑生料含水量 一般不超过1.0％；半干法立波尔窑和立窑为便 于生料成球，通常含水12-15%，半湿法立波尔 窑过滤水分后的料块通常为18-22%；湿法为保 证料浆的可泵性则通常为30-40%。
自由水蒸发热耗：
100℃时，2257kJ/kgH2O（539kCal/kg）
✓ 脱水:指黏土矿物分解释放化学结合水。
粘土矿物的化合水存在形式： 层间水：以水分子形式吸附于晶层结构中，
称为晶层间水或层间吸附水。 配位水：以OH－状态存在于晶体结构中，
称为晶体配位水。
所有粘土矿物都含有配位水,多水高岭石,蒙脱 石还含有层间水，伊利石的层间水因风化程度 而异。
（3）伊利石脱水 产物也是晶体结构，伴随体积膨胀
蒙脱石、伊利石脱水后，仍然具有晶体结构， 活性较高岭石差。
粘土矿物脱水的特点：
➢蒙脱石和伊利石脱水后，仍然具有晶体结构。 因而它们的活性较高岭土差。
➢伊利石脱水时还伴随有体积膨胀，立窑和立波 尔窑生产时，不宜采用以伊利石为主导矿物的粘 土，否则料球的热稳定性差，入窑后会引起炸裂、 严重影响窑内通风。
不同粘土矿物的化学式：
1.高岭石 Al2O3·2SiO2·2H2O 2.多水高岭石 Al2O3·2SiO2·4H2O 3.蒙脱石 Al2O3·4SiO2·H2O·nH2O 4.伊利石 K2O·3AI2O3·6SiO2·2H2O·nH2O
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。
研究方法： 在实验室内进行，通过观察与测定物料在高温 下的变化来研究熟料的形成机理； 在试验窑与生产窑上进行，通过测定各种工艺、 热工参数并分析物料成分，或通过模化试验等来 研究窑内的煅烧过程及其机理。
5.1 生料煅烧过程中的物理、化学变化
尽管煅烧过程因窑型不同而有所差异，但物理、 化学变化过程基本相似,其过程可概括为：
900 ~ 1100 ℃: 2CaO• Al2O3•SiO2(C2AS)形成后又分解。 开始形成3CaO•Al2O3(C3A)和4CaO• Al2O3•Fe2O3(C4AF)。所有碳酸盐均分解，游离氧化钙 达到最高值。 1100 ~ 1200℃:大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大 值。
➢水泥熟料矿物C3A和C4AF及C2S的形成是一个复 杂的多级反应，反应过程是交叉进行的。
➢粘土矿物脱水分解反应是个吸热过程，脱水吸 热在20℃蒸发为水蒸气作基准时，高岭石脱水吸 热为1097J/g；蒙脱石为396J/g；伊利石为354J/g； 但因粘土质原料在配合料中的含量较少，所以其 吸热反应不显著。
5.1.2碳酸盐分解
碳酸盐的分解主要为碳酸钙和碳酸镁的分解， 其化学反应式为：
碳酸盐分解反应的特点： ➢可逆反应：受系统温度和周围介质中CO2的 分压影响较大。
影响固相反应的主要因素
生料的细度和均匀性:生料愈细，比表面积越大，组分接触 面越大，同时表面质点的自由能越大，使扩散和反应能力 增强，因而反应速率加快；生料的均匀混合，可增加各组 分间接触，也有利于加速反应； 温度和时间:当温度较低时，固体的化学活性低，质点的扩 散和迁移速度很慢。提高温度，加速离子的扩散和迁移， 促进固相反应的进行。
第五章 硅酸盐水泥熟料的煅烧 本章主要内容
5.1 生料在煅烧过程中的物理与化学变化 5.2 矿化剂和微量元素对熟料煅烧和质量的影响 5.3 悬浮预热器窑和窑外分解窑内物料的煅烧
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。在水泥熟 料的煅烧过程中，水泥窑有多种功能：反应炉、 熔炉、燃烧炉和传热设备、物料和气体的输送设 备。
石灰石的种类和物理性质:结构致密,结晶粗大的石 灰石,分解速率慢;
生料细度和颗粒级配:生料细度细,颗粒均匀,粗粒 少,分解速率快;
反应条件:提高反应温度，分解反应的速度加快， 同时促使CO2扩散速度加快，加强通风，及时地排 出反应生成的CO2气体，则可加速分解反应。
生料悬浮程度:生料悬浮分散良好,相对减小颗粒尺 寸,增大了传热面积,提高了碳酸盐分解速率;
➢反应的起始温度较低
✓约在600℃时，有部分CaCO3进行分解反应， 但速度非常缓慢。
✓至894℃时，分解放出的CO2分压达0.1MPa、 分解速度加快，
✓1100~1200℃时，分解速度极为迅速
✓由试验可知，温度每增加50℃，分解速度常 数约增加1倍，分解时间约缩短50%。
影响碳酸盐分解速率的因素
➢强吸热反应：碳酸盐分解时，需要吸取大量的热量， 是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程，每 1kg纯碳酸钙在20℃时分解吸热为1767kJ，900℃时为 1658kJ。
碳酸钙分解所需热量约占湿法生产总热耗的1/3，约占 悬浮预热预分器或预分解窑的1/2，因此，为保证碳酸 钙分解反应能完全地进行，必须供给足够的热量。
（1）高岭石脱水
或
➢高岭石于500-600℃脱水分解。脱水前有高岭土X 射线衍射峰，600℃后，高岭石峰消失，说明脱水 结束，在高岭石峰消失的同时，并未产生新的衍 射峰，其他峰值也未变化，说明高岭石脱水后的 产物为无定形物质；
（2）蒙脱石脱水 Al2O3.4SiO2.m H2O→Al2O3.4SiO2+m H2O (晶体结构—活性低)
生料中粘土质组分和性质:粘土质中的矿物组分的 活性依次按高岭土、蒙脱石、伊利石、石英降低. 粘土质原料活性越大，可加速碳酸盐的分解过程.
5.1.3 固相反应 反应过程
在碳酸盐分解的同时，石灰质与粘土质组分间进行固相 反应，其过程如下：
~800℃：CaO•Al2O3、CaO•Fe2O3与2CaO•SiO2开始形 成； 800 ~ 900 ℃：开始形成12CaO•7Al2O3(C12A7)和 2CaO•Fe2O3;
➢水泥熟料矿物的固相反应是放热反应，若采用普 通原料时，固相反应的放热量约为420-500J/g。
➢由于固体质点（原子、分子或离子）之间具有很 大的作用力，因而固相反应的反应活性较低，反应 速度较慢。
➢固相反应总是发生在两组分界面上，为非均相反 应，对于粒状物料，反应首先是通过颗粒间的接触 点或面进行，随后是反应物通过产物层进行扩散迁 移，因此固相反应一般包括界面上的反应和物质迁 移两个过程。