水泥熟料形成过程.课件.ppt
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- 水泥 熟料 形成 过程 课件
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1、化学组成化学组成:主要由氧化钙:主要由氧化钙(CaO)、二氧化硅(、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝、三氧化二铝(A12O3)和三氧化二铁和三氧化二铁(Fe2O3)四种氧化物组成,通常占四种氧化物组成,通常占熟料的熟料的95以上,同时,含有以上,同时,含有5以下的少量氧化物,以下的少量氧化物,如氧化镁如氧化镁(MgO)、三氧化硫、三氧化硫(SO3)、二氧化钛、二氧化钛(TiO2)、五、五氧化二磷氧化二磷(P2O5)、以及碱、以及碱(K2O和和Na2O)等。等。 据统计,四种主要氧化物的波动范围一般为:据统计,四种主要氧化物的波动范围一般为:CaO:62-67;SiO2:20-24;Al2O3:
2、4-7;Fe2O3:2.5-6.0。 硅酸盐水泥熟料的化学组成硅酸盐水泥熟料的化学组成 在硅酸盐水泥熟料中,氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁并不是以在硅酸盐水泥熟料中,氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁并不是以单独的氧化物存在,而是经高温燃烧后,以两种或两种以上的氧化单独的氧化物存在,而是经高温燃烧后,以两种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体,其结晶细小,通常,在硅酸盐水泥物反应生成的多种矿物集合体,其结晶细小,通常,在硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物;熟料中主要形成四种矿物; 硅酸三钙硅酸三钙 3CaO3CaOSiOSiO2 2,可简写为,可简写为C C3 3S S,38-55%38-55
3、%; 硅酸二钙硅酸二钙 2CaO2CaOSiOSiO2 2,可简写为,可简写为C C2 2S S,20-33% 20-33% 铝酸三钙铝酸三钙 3CaO3CaOAlAl2 2O O3 3:可简写为:可简写为C C3 3A:4-15% A:4-15% 铁相固溶体铁相固溶体 通常以铁铝酸四钙通常以铁铝酸四钙4CaO4CaO Al Al2 2O O3 3 Fe Fe2 2O O3 3代替,可简写为代替,可简写为C C4 4AF:10-18%AF:10-18%。 另外,还有少量的游离氧化钙另外,还有少量的游离氧化钙( (f-CaOf-CaO) )、方镁石、方镁石( (结晶氧化镁结晶氧化镁f-MgOf-
4、MgO) )、合碱矿物以及玻璃体等。合碱矿物以及玻璃体等。 硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的矿物组成 水泥熟料煅烧是个复杂的气固、液固和固固相之间的高温反应过程。既有某些天然矿物的分解,又有众多氧化物之间的合成。 最终所形成的矿物,即熟料,其品种、数量和特征都要合乎规范的要求,才能保证成品达到既定的性能指标。 虽然煅烧过程总的理论耗热量不是很多,但因所要求的反应温度很高,因此单位产品实际燃料消耗量却比较多。 自从水泥生产工业化以来,煅烧熟料的主要设备是立窑和回转窑。但本世纪下半叶以来,回转窑上预热和预分解技术的开发应用,无论是在生产规模、生产指标和产品质量以及相应科学技术水平方面,都有
5、重大进展与突破。本章主要介绍新型干法水泥生产过程中的熟料煅烧技术以及煅烧过程中的物理化学变化,本章主要介绍新型干法水泥生产过程中的熟料煅烧技术以及煅烧过程中的物理化学变化,以旋风筒以旋风筒换热管道换热管道分解炉分解炉回转窑回转窑冷却机为主线,着重介绍当代水泥工业发展的冷却机为主线,着重介绍当代水泥工业发展的主流和最先进的煅烧工艺及设备、生产过程的控制调节等主流和最先进的煅烧工艺及设备、生产过程的控制调节等。 第一节第一节 水泥熟料的形成过程水泥熟料的形成过程硅酸盐水泥的生产方法硅酸盐水泥的生产方法硅酸盐水泥生产过程硅酸盐水泥生产过程生料制备生料制备熟料煅烧熟料煅烧水泥粉磨水泥粉磨生产方法生产方
6、法(按生料制备按生料制备方法不同分方法不同分)干法:干法:将原料同时烘干与粉磨或先烘干将原料同时烘干与粉磨或先烘干后粉磨成生料粉,而后喂入干法后粉磨成生料粉,而后喂入干法窑内煅烧成熟料。窑内煅烧成熟料。 湿法湿法 :将原料加水粉磨成,生料浆后将原料加水粉磨成,生料浆后喂入湿法回转窑煅烧成熟料喂入湿法回转窑煅烧成熟料 。可为新型干法、可为新型干法、半干法半干法可为传统湿、湿可为传统湿、湿磨干烧磨干烧硅酸盐水泥的生产工艺流程硅酸盐水泥的生产工艺流程 工艺流程:生料粉磨 熟料煅烧 熟料粉磨 矿山破碎预矿山破碎预均化均化粉磨粉磨贮存贮存煤粉制备煤粉制备熟料烧成熟料烧成水泥粉磨及贮存水泥粉磨及贮存硅酸盐
7、水泥熟料的煅烧硅酸盐水泥熟料的煅烧 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。水泥窑有多种功能:反应炉、的消耗以及窑的安全运转。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。熔炉、燃烧炉和传热设备、物料和气体的输送设备。 石灰石、粘土质和少量铁质原料,按一定要求的比例(大体上75:20:5)配合,经过均化、粉磨、调配以后即制成生料。由于制备方法不同,生料可制成料浆(含水份约3240)、料球(成球水份约1214)和料粉(含水份1)。喂入水泥窑系统内,相应经烘干、预热、预煅烧(包括预分解)、
8、最后烧制成熟料的全过程统称煅烧过程统称煅烧过程。生料煅烧过程中的物理、化学变化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理、化学变化过程基本相似.其过程可概括为:其过程可概括为:干燥与脱水干燥与脱水碳酸盐分解碳酸盐分解固相反应固相反应液相和熟料的烧结液相和熟料的烧结熟料的冷却熟料的冷却熟料煅烧过程概述如下:熟料煅烧过程概述如下:150150以前以前生料中物理水蒸发生料中物理水蒸发500500左右左右粘土质原料释放出化合水;并开始分解为单独氧化粘土质原料释放出化合水;并开始分解为单独氧化物如物如SiO2,A
9、l2O3;900900左右左右碳酸盐分解放出碳酸盐分解放出CO2和新生态和新生态CaO;90090012001200粘土的无定形脱水产物结晶,各种氧化物间进行固粘土的无定形脱水产物结晶,各种氧化物间进行固相反应;相反应;1250125012801280所产生的矿物部分熔融出现液相;所产生的矿物部分熔融出现液相;1280128014501450液相量增多,液相量增多,C2S通过液相吸收通过液相吸收CaO形成形成C3S。直。直至熟料矿物全部形成;至熟料矿物全部形成;1450145013001300熟料矿物冷却。熟料矿物冷却。生料的干燥与脱水生料的干燥与脱水干燥干燥 自由水的蒸发。这一过程由于煅烧方
10、式的不同而有自由水的蒸发。这一过程由于煅烧方式的不同而有所差异。所差异。干法窑干法窑生料含水量一般生料含水量一般不超过不超过1.0;半干法立;半干法立波尔窑和立窑为便于生料成球,通常含水波尔窑和立窑为便于生料成球,通常含水12-15%,半湿,半湿法立波尔窑过滤水分后的料块通常为法立波尔窑过滤水分后的料块通常为18-22%;湿法为保;湿法为保证料浆的可泵性则通常为证料浆的可泵性则通常为30-40%。自由水蒸发热耗:自由水蒸发热耗: 100时,时,2257kJ/kgH2O(539kCal/kg)脱水脱水指黏土矿物分解释放化学结合水。指黏土矿物分解释放化学结合水。 层间水在层间水在100左右即可排除
11、,而配位水则必须左右即可排除,而配位水则必须高达高达400600以上才能脱去。以上才能脱去。(2)蒙脱石脱水)蒙脱石脱水 Al2O3.4SiO2.mH2OAl2O3.4SiO2+m H2O (晶体结构晶体结构活性低活性低)(3)伊利石脱水)伊利石脱水 产物也是晶体结构产物也是晶体结构,伴随体积膨胀伴随体积膨胀 (1)高岭石脱水)高岭石脱水粘土矿物的化合水存在形式:粘土矿物的化合水存在形式: 层间水层间水:以水分子形式吸附于晶层结构中。:以水分子形式吸附于晶层结构中。 配位水配位水:以:以OH状态存在于晶体结构中。状态存在于晶体结构中。 二、碳酸盐分解反应机制二、碳酸盐分解反应机制 碳酸盐的分解
12、主要为碳酸钙和碳酸镁的分解,其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:化学反应式为:1、碳酸盐分解反应、碳酸盐分解反应 碳酸盐(主要是碳酸钙、少量碳酸镁)的分解反碳酸盐(主要是碳酸钙、少量碳酸镁)的分解反应是典型的缩核型强吸热的气固相反应。应是典型的缩核型强吸热的气固相反应。分解过程分五步进行:分解过程分五步进行: (1)气流向颗粒表面的传热过程;)气流向颗粒表面的传热过程; (2)热量由表面以热传导方式向分解面传递过程;)热量由表面以热传导方式向分解面传递过程; (3)碳酸盐在一定温度下吸收热量,进行分解并放出)碳酸盐在一定温度下吸收热量,进行分解并放出CO2的化学过程;的化
13、学过程; (4)分解出的)分解出的CO2,穿过,穿过CaO层面向表面扩散的传质层面向表面扩散的传质过程;过程; (5)表面的)表面的CO2向周围介质气流扩散过程向周围介质气流扩散过程CaOCaCO3 碳酸钙分解反应的动力学表达式,根据碳酸钙分解反应的动力学表达式,根据A Mlle大量试验结果,将温度、粒度尺寸及环境条件考虑在大量试验结果,将温度、粒度尺寸及环境条件考虑在内,有如下实用关系:内,有如下实用关系:2/1111122310pCOeqCORTEdPPeAe环境式中:式中:0e碳酸钙分解率,碳酸钙分解率,%; A反应的频率因子,反应的频率因子,3.05106Pam/s;E反应活化能,反应
14、活化能,171.850J/molK;R气体常数,气体常数,8.314 J/molK;T反应温度,反应温度,;pd颗粒直径,颗粒直径,m; eqCOP2碳酸钙分解时,碳酸钙分解时,CO2平衡压力,其值是温度函平衡压力,其值是温度函数,数,Pa;环境2COP环境介质中环境介质中CO2分压,包括分解产生的分压,包括分解产生的CO2和和燃气中燃气中CO2之和,之和,Pa。 上式很明确表达了影响碳酸钙分解的诸因素及其上式很明确表达了影响碳酸钙分解的诸因素及其相互联系。相互联系。u根据粗略估算:反应温度每升高根据粗略估算:反应温度每升高10,反应时间可,反应时间可缩短缩短50%;u环境中环境中CO2分压每
15、降低分压每降低2%,反应时间可缩短,反应时间可缩短10%。u颗粒的粗细,愈细,分解愈快。颗粒的粗细,愈细,分解愈快。其他因素略。其他因素略。影响碳酸盐分解速率的因素影响碳酸盐分解速率的因素30(11)11()dtKpP温度温度 随温度升高,分解速率常数和压力倒数差相随温度升高,分解速率常数和压力倒数差相应增大,分解速率和时间缩短;应增大,分解速率和时间缩短; (单个颗粒碳酸盐分解动力学方程单个颗粒碳酸盐分解动力学方程) 式中:式中: t分解时间;分解时间;K分解常数;分解常数; PCO2的分压;的分压;分解率分解率 d生料等效粒径;生料等效粒径; 窑系统的窑系统的CO2分压分压 通风良好通风良
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