水泥熟料的烧成课件.pptx

1、第六章 水泥熟料的烧成第1页/共45页章节主要内容1 水泥熟料的形成过程2 水泥熟料的形成热重点：水泥熟料的煅烧形成过程；水泥熟料形成热及热耗。难点：水泥熟料形成热及热耗。第2页/共45页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，经过一系列物理化学反应，变成熟料，再进行冷却的过程。主要物理化学反应经历了六个过程：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。生料干燥原料脱水碳酸盐分解固相反应烧结反应熟料冷却第3页/共45页 生料干燥 生料都含有

2、一定量的自由水分，随着物料温度升高，物料中水分被蒸发，当温度升高到100150时，生料中的自由水分全部被排除，这一过程称为生料干燥过程。新型干法水泥生料水分小于1%，此过程在预热器内瞬间即可完成。自由水分蒸发热耗大。每千克水蒸发潜热高达2257 kJ(在100下)。第4页/共45页 原料脱水脱水指黏土矿物分解释放化学结合水。粘土矿物中化合水的存在形式：层间水、配位水。层间水：以水分子形式吸附于晶层结构中。配位水：以OH状态存在于晶体结构中。层间水在100左右即可排除，而配位水则必须高达400600以上才能脱去。第5页/共45页 原料脱水当入窑物料的温度升高到450，粘土中的主要组成高岭土（Al

3、2O32SiO22H2O）发生脱水反应，脱去其中的化学结合水。此过程是吸热过程。Al2O32SiO22H2O Al2O3+2SiO2+2H2O (无定形)(无定形)脱水后变成无定形的三氧化三铝和二氧化硅，这些无定形物具有较高的活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在 900950，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。第6页/共45页 原料脱水蒙脱石脱水Al2O3.4SiO2.mH2OAl2O3.4SiO2+mH2O (晶体结构的活性低)伊利石脱水 产物也是晶体结构，伴随体积膨胀 第7页/共45页 原料脱水影响脱水的因素：1生料水分2粘土矿物 不同粘土矿物脱水温度不一样。3粘土脱水产物活性

4、 一般结构疏松、无定形(非晶态)、新生态、细小的 活性高，易与CaO结合。高岭石 蒙脱石、伊利石 长石、水云母第8页/共45页 原料脱水影响脱水的因素：4急烧：粘土脱水后，随着温度的逐渐升高，无定形态会结晶或晶型转变，导致活性下降；急烧可使脱水产物来不急进行上述转变，就已进入碳酸钙分解温度，和分解出的CaO均处于高活性状态，从而易于反应，有利于熟料的形成。5粘土颗粒大小：粘土脱水首先在表面，再向粒子中心扩散，扩散过程较慢。内部脱水速度控制整个脱水过程，所以黏土颗粒越细越好。第9页/共45页 碳酸盐分解当物料温度升高到600时，石灰石中的碳酸钙和原料中夹杂的碳酸镁开始进行分解，化学反应式如下：碳

5、酸钙的分解过程是一个强吸热过程（1645 kJ/kg），是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程；该过程的烧失量大，在分解过程中放出大量的CO2气体，使CaO疏松多孔，强化固相反应。1321321645890gg1047 1214590CaCOCaOCOJ gM COM OCOJ g第10页/共45页 可逆反应：受温度、CO2分压影响。温度升高有利反应向正方向进行，且分解速率加快。600开始分解较慢，890、PCO2=1个大气压时反应加快，11001200反应迅速。温度每升高50，分解速度约增1倍。分解温度过高会使废气温度上升，热耗增加，预热器、分解炉易堵、结皮；加强通风可使PCO2下降，从

6、而有利反应向正方向进行。第11页/共45页 可逆反应：受温度、CO2分压影响。强吸热反应：是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程，约占预分解窑的1/2。烧失量大：纯CaCO3为44%，一般在40%左右，与石灰质原料的品质有关。分解温度与PCO2和矿物结晶程度有关：PCO2，则分解温度增高。方解石的结晶程度高，晶粒粗大，则分解温度高；相反，微晶或隐晶质矿物的分解温度低。第12页/共45页分解过程分五步进行：气流向颗粒表面的传热过程；热量由表面以热传导方式向分解面传递过程；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；分解出的CO2，穿过CaO层面向表面扩散的传质过程；表面的CO

7、2向周围介质气流扩散过程。两个传热过程、一个化学反应过程、两个传质过程。CaOCaCO3 第13页/共45页u五个过程中，传热和传质皆为物理传递过程，仅有一个化学反应过程。各过程的阻力不同，所以CaCO3的分解速率受控于其中最慢的一个过程。回转窑：生料粉粒径小，传质过程快；但物料呈堆积状态，传热面积小，传热系数不高，故传热速率慢。所以CaCO3分解速率取决于传热过程。预热器、预分解炉内：生料处于悬浮状态，传热面积大，传热系数高，传质阻力小，所以CaCO3分解速率取决于化学反应速率。第14页/共45页 反应条件 提高反应温度有利于加快分解反应速率，同时促使CO2扩散速率加快；但应注意温度过高，将

8、增加废气温度和热耗，预热器和分解炉易结皮、堵塞。加强通风，及时排出反应生成的CO2气体，可加速分解反应。通风不畅时，废气中CO2含量增加，不仅影响燃料燃烧，而且使分解速率减慢。第15页/共45页 反应条件 石灰石的种类和物理性质 结构致密、质点排列整齐、结晶粗大、晶体缺陷少的石灰石不仅质地坚硬，而且分解反应困难，如大理石的分解温度较高。质地松软的白垩和内含其他较多的泥灰岩，则分解所需的活化能较低，分解反应容易。当石灰石中伴生有其他矿物和杂质时，一般具有降低分解温度的作用。第16页/共45页 反应条件 石灰石的种类和物理性质 生料细度和颗粒级配 生料细度细，颗粒均匀，粗粒少，物料的比表面积大，可

9、使传热和传质速率加快，有利于分解反应。第17页/共45页 反应条件 石灰石的种类和物理性质 生料细度和颗粒级配 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。悬浮分散性是决定分解速度的一个非常重要因素。转窑内CaCO3分解率为85-95%(8001000)要15min；而分解炉内(800850)要2s。第18页/共45页 反应条件 石灰石的种类和物理性质 生料细度和颗粒级配 生料悬浮分散程度 粘土质组分的性质 若粘土质原料的主导矿物是活性活性大的高岭土，由于其容易和分解产物CaO直接进行固相反应生成低钙矿物，可加速CaCO3的分解反应。反之，若

10、粘土的主导矿物是活性差的蒙脱石、伊利石，则要影响CaCO3的分解速率，由结晶SiO2组成的石英砂的反应活性最低。第19页/共45页 固相反应（放热过程）固相反应是指固态物质间发生的化学反应，有时也有气相或液相参与，而作用物和产物中都有固相。在熟料形成过程中，从碳酸钙开始分解起，物料中便出现了游离氧化钙，它与生料中的SiO2、Al2O3和 Fe2O3等通过质点的相互扩散而进行固相反应，形成熟料矿物。第20页/共45页熟料形成过程的固相反应比较复杂，其过程大致如下：9001100：形成C2S、C12A7、C2F1100-1300：形成C3A、C4AF，C2S含量达最大值2323CaOAl OCaO

11、 Al OCA2323CaOFe OCaO Fe OCF22222CaOSiOCaO SiOC S232312775127CaO Al OCaOCaOAl OC A232322CaO Fe OCaOCaO Fe OC F2323312797 3CaOAl OCaOCaO Al OC A2323232347 221277 4CaO Fe OCaOCaOAl OCaO Al OFe OC AF第21页/共45页水泥熟料矿物的形成是一个复杂的多级反应，反应过程是交叉进行的。以上化学反应的温度都小于反应物和生成物的熔点，也就是说物料在以上这些反应过程中都没有熔融状态物出现，反应是在固体状态下进行的。由

12、于固体原子、分子或离子之间具有很大的作用力，因此固相反应的反应活性较低，反应速率较慢。通常，固相反应总是发生在两组分界面上，为非均相反应。对于对于粒状物料，反应首先是通过颗粒间的接触点或面进行，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，随后是反应物通过产物层进行扩散迁移，因此，固相反固相反应一般包括界面上的反应和物质迁移两个过程应一般包括界面上的反应和物质迁移两个过程。第22页/共45页固相反应为放热反应，放热量约为420-500J/g，足以使物料升温300以上，达到烧结温度，使进入烧成带的物料得到充分预烧，保证了窑内热工制度稳定。生料在分解炉内

13、迅速分解，新生CaO晶体平均尺寸比其他窑型缓慢分解的晶体颗粒小很多，细小的CaO颗粒不仅有助于固相反应，也是C2S的形成反应为多质点进行，生成的C2S晶体尺寸细小，易溶于熔剂矿物，且扩散、迁移速度快，反应能力强。第23页/共45页 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；生料均匀混合，可增加各组分间接触，有利于加速反应。第24页/共45页 生料的细度 和均匀性 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率很慢，因此固相反应通常需要在较高的温度下进行。提高反应温度，可加速固相反应。由于固相反

14、应时离子的扩散和迁移需要时间，所以，必须要有一定的时间才能使固相反应进行完全。急剧煅烧：热力梯度大，升温快，使脱水、CaCO3分解重合，新生态，活性高。第25页/共45页 生料的细度 和均匀性 温度和时间 原料性质当原料中含有如燧石、石英砂等结晶SiO2或方解石结晶粗大时，因破坏其晶格困难，所以固相反应的速率明显降低，特别是当原料中含有粗粒石英砂时，其影响更大。第26页/共45页 生料的细度和均匀性 温度和时间 原料性质 矿化剂矿化剂可通过与反应物形成固溶体使晶格活化，反应能力加强；也可以形成低共熔物，使物料在较低温度下形成液相，从而加速扩散和和固相的溶解作用。第27页/共45页 烧结反应当物

15、料温度升高到12501280时，即达到其最低共熔温度，开始出现以氧化铝、氧化铁为主的液相，液相的组分中还有氧化镁和碱等。最低共熔温度：物料在加热过程中，两种或两种以上组分开始出现液相的温度称为最低共熔温度。其大小与组分的性质与数目有关。液相量：液相量与组分的性质、含量、温度等因素有关(一般为2030%)。液相的粘度：它直接影响硅酸三钙的形成速率及晶体发育。其大小与液相的组分性质与温度有关。温度越高，粘度越低；铝率越高，粘度越大；多数微量元素可降低液相粘度。第28页/共45页随着温度的升高和时间延长，液相量增加，液相粘度降低，氧化钙、硅酸二钙不断溶解、扩散，硅酸三钙晶核不断形成，并逐渐发育、长大

16、，最终形成几十微米大小、发育良好的阿利特晶体。与此同时，晶体不断重排、收缩、密实化，物料逐渐由疏松状态转变为色泽灰黑、结构致密的孰料。我们称以上过程为熟料的烧结过程。C3S形成：该反应称为烧结反应，它是在130014501300范围进行，该温度范围称为烧成温度范围；在1450时反应迅速，称该温度为烧成温度。为使反应完全，反应时间一般1525min。22323CaO SiOCaOCaO SiOC S 液相第29页/共45页 最低共熔温度最低共熔温度：物料在加热过程中，两种或两种以上组分开始出现液相时的温度。组分性质与数目都影响系统的最低共熔温度。矿化剂和微量元素对降低共熔温度有一定作用。第30页

17、/共45页 最低共熔温度 液相量液相量，液相中能溶解的C2S、CaO，形成C3S加快；液相量，易结大块，回转窑内结圈；液相量，CaO不易被吸收完全，导致熟料中f-CaO，影响熟料质量，或降低窑产量和增加燃料消耗。第31页/共45页 最低共熔温度 液相量烧结范围：是指水泥生料加热至出现烧结所必需的、最少的液相量时的温度(开始烧结温度)与开始出现结大块(超过正常液相量)时的温度差值。生料中的液相量随温度升高而缓慢增加，其烧结范围就较宽；如生料中液相量随温度升高而增加很快，则其烧结范围就较窄。烧结范围对熟料烧成影响较大，如烧结范围宽的生料，窑内温度波动时，不易发生生烧或烧结成大块的现象。第32页/共

18、45页 最低共熔温度 液相量含铁量较高的硅酸盐水泥，其烧结范围就较窄；降低铁的含量，增加铝的含量，烧结范围就变宽。烧结范围还和液相粘度、表面张力及这些性质随温度而变化的情况有关。通常硅酸盐水泥熟料的烧结范围约为150。第33页/共45页 最低共熔温度 液相量 液相粘度液相粘度直接影响硅酸三钙的形成速率和晶体的尺寸，粘度小，则粘滞阻力小，液相中质点的扩散速率增加，有利于硅酸三钙的形成和晶体的发育成长；粘度大，则粘滞阻力大，液相中质点的扩散速率降低，则使硅酸三钙形成困难。第34页/共45页 最低共熔温度 液相量 液相粘度 液相的表面张力液相表面张力愈小，愈容易润湿熟料颗粒或固相物质，有利于固相反应

19、与固液相反应，促进熟料矿物特别是C3S的形成。T上升，液相表面张力下降；熟料中含镁、碱、硫等物质时，液相表面张力下降。第35页/共45页 最低共熔温度 液相量 液相粘度 液相的表面张力 氧化钙溶解于熟料液相的速率C3S的形成主要是在液相中，由f-CaO和C2S形成，因而溶于液相速率对C3S形成有重要影响。T上升，氧化钙溶解速率上升；粒径减小，氧化钙溶解速率上升。第36页/共45页 最低共熔温度 液相量 液相粘度 液相的表面张力 氧化钙溶解于熟料液相的速率总结影响熟料烧结的根本因素为：物料的化学组成、矿化剂与其他微量元素、煅烧方法、升温速率、生料粒径等。第37页/共45页 熟料冷却熟料冷却的目的

20、：回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑的热效率；改善熟料质量与易磨性；便于熟料运输、贮存与粉磨。熟料的冷却并不是简单的温度降低，而是伴随着一系列的物理化学变化，如液相凝固、相变等，冷却的方法、速度不同，则发生的物理化学变化过程不一样，对熟料的质量、易磨性的影响也不一样。平衡冷却(慢冷)：冷却速度非常慢，使固液相反应充分进行。淬冷：冷却速度快，使高温下形成的液相来不及结晶而冷却成玻璃相。第38页/共45页 为了防止C3S在1250分解出现二次游离氧化钙（对水泥安定性没大影响），降低熟料的强度；为了防止C2S在500时发生晶型转变（-C2S -C2S），产生“粉化”现象，提高熟料质量；减少Mg

21、O晶体析出，使其凝结于玻璃体中，避免造成水泥安定性不良；减少C3A晶体析出，不使水泥出现快凝现象，并提高水泥的抗硫酸盐性能；防止C3S晶体长大而强度降低且难以粉磨；使熟料产生应力，增大熟料的易磨性。第39页/共45页2 2 水泥熟料的形成热 定义：在一定生产条件下，用某一基准温度（一般0或20）的干燥物料，在没有任何物料损失和热量损失的条件下，制成1kg同温度的熟料所需要的热量。影响因素：熟料形成热是熟料形成在理论上消耗的热，它仅与原燃料的品种、性质及熟料的化学成分与矿物组成、生产条件有关。计算熟料形成热的目的：估算原燃料用量，为设备选型、熟料烧成制度设计提供依据第40页/共45页温度()物理

22、化学变化热效应 数值100自由水蒸发吸热2250kJ/kg-水450粘土化学结合水逸出吸热922kJ/kg-高岭土650MgCO3分解吸热1420kJ/kg-MC900粘土无定形脱水产物结晶 放热260-285kJ/kg-高岭土900CaCO3分解吸热1645kJ/kg-CC900-1200固相反应放热420-500kJ/kg-熟料1250-1280 形成部分液相吸热105kJ/kg-熟料1300-1450 硅酸三钙形成微吸热 8.6kJ/kg-C3S第41页/共45页理论热耗=吸收的总热量放出的总热量，一般为16501800 kJ/kg-熟料。计算假定条件：生产1.0 kg熟料所需的生料量为

23、1.55 kg，石灰石和粘土的比例为78:22。据此，按物料在加热过程中的化学反应热和物理热，计算所得。由于原料不同，各计算所得略有出入。实际生产中形成的熟料和废气不可能冷却到0，因而必然带走一部分热量；生产过程不可能没有物料损失及物料循环的存在，其煅烧设备还要向外散失热量，因此，实际生产每1 kg熟料消耗的热量，必然比熟料形成热要大得多，根据生产方法和使用的设备不同，一般在28007500 kJ/kg范围内，这就是熟料的单位热耗。熟料的单位热耗越接近熟料形成热，煅烧设备的热效率越高。第42页/共45页 第43页/共45页课外作业1、水泥熟料的形成包括哪几个过程？2、水泥熟料形成的固相反应阶段主要生成哪些矿物？3、C3S的形成条件有哪些？4、水泥熟料的冷却过程为什么要采用急冷？第44页/共45页感谢观看！第45页/共45页