课件：硅酸盐水泥熟料的煅烧与冷却.ppt

5 硅酸盐水泥熟料的煅烧,学习要点 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，以旋风筒换热管道分解炉回转窑冷却机为主线，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。,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：,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、熔炉、燃烧炉和传热设备、物料和气体的输送设备。,5.1.1 生料的干燥与脱水,干燥,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）,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。 配位水：以OH状态存在于晶体结构中。,脱水 指黏土矿物分解释放化学结合水。,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。,（2）蒙脱石脱水 Al2O3.4SiO2.m H2OAl2O3.4SiO2+m H2O (晶体结构活性低),（3）伊利石脱水 产物也是晶体结构,伴随体积膨胀,（1）高岭石脱水,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：,分解过程分五步进行： （1）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； （3）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； （4）分解出的CO2，穿过CaO层面向表面扩散的传质过程； （5）表面的CO2向周围介质气流扩散过程,影响碳酸盐分解速率的因素,温度 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；,(单个颗粒碳酸盐分解动力学方程),式中： t分解时间；K分解常数； PCO2的分压；分解率 d生料等效粒径；,窑系统的CO2分压 通风良好, CO2分压较低,有利于碳酸盐分解; 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; 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; 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.,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：CaOAl2O3，CaOFe2O3与2CaOSiO2开始形成； 800 900 ：开始形成12CaO7Al2O3(C12A7); 900 1000 : 2CaO Al2O3SiO2(C2AS)形成后又分解。开始形成3CaOAl2O3(C3A)和4CaO Al2O3Fe2O3(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。,5.1.3固相反应,影响固相反应的因素,生料的细度 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； 生料的均化程度 生料的均匀混合，可增加各组分间接触，也有利于加速反应； 压力 在固相反应中，增大压力可加速物质的传递过程.但熟料烧结过程是多相共存、多反应同时进行的过程.因此，提高压力有时并不表现出积极作用； 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,液相的形成,5.1.4 液相的形成与熟料的烧结,液相的组成：由氧化铁、氧化铝、氧化钙、氧化镁和碱及其他组分。,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。（见表141）,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%) 。对CSAF四元系统，在不同温度下的液相量（P）可按下式计算：,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。,液相的表面张力：其大小与组分性质、温度有关。它影响着液相能润湿固相的程度，表面张力越小，润湿性越好，有利于C3S的形成。,1400 P2.95A2.20F 1450 P3.00A2.25F 1500 P3.30A2.60F,不同温度下，液相的计算公式：,物理化学变化过程：随着时间延长和温度升高，液相量逐渐增加，氧化钙、硅酸二钙不断溶解、扩散，硅酸三钙晶核不断形成，小晶体逐渐发育长大，最终形成几十微米大小、结晶良好的阿利特晶体。,硅酸三钙的形成：,影响因素：物料的化学组成、煅烧方法、升温速率、矿化剂与其他微量元素等。,熟料的烧结,目的：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。,过程：液相的凝固和相变两个过程.,熟料为何要急冷？,减少C3S分解；防止-C2S向-C2S转化，提高熟料质量；防止方镁石晶体长大，有利于水泥安定性；急冷熟料晶粒小，活性高；C3A主要呈玻璃体，抗硫酸盐性能提高；易磨性好等。,生料在加热过程中所发生的物理化学变化有吸热和放热反应,水泥熟料形成各反应的热效应,5.2 熟料形成的热化学,生料在加热过程中所发生的物理化学变化有吸热和放热反应,水泥熟料形成各反应的热效应,5.3 矿化剂及微量元素的作用,5.3.1 矿化剂,矿化剂的宏观作用 改善生料易烧性，加速熟料矿物的形成，提高熟料质量，降低能耗等。,矿化剂的种类,含氟化合物：萤石、NaF、Na2SiF6、CaSiF6、MgSiF6 硫酸盐：石膏、工业付产品石膏、重晶石等 其它工业废渣：各种冶金工业废渣,不提倡，对环境有污染,萤石的矿化作用,氟离子破坏原料的晶格，提高生料的反应活性，促进碳酸盐分解，加速固相反应；降低液相生成温度（掺13%萤石，液相形成温度可降低50100）；通过形成中间产物，可使C3S能在低于1200 形成。,硫酸盐,硫对熟料形成有强化作用：SO3降低液相粘度，增加液相量，有利于C3S的形成；能形成2C2SCaSO4及C4A3。 2C2SCaSO4为中间产物，1300左右时分解。 C4A3在1400 以上大量分解。,氟硫复合矿化剂,该复合矿化剂的掺入，与熟料组成、F/比、烧成温度等有关。在900950 形成3C2S3CaSO4CaF2生成，该四元过渡相消失时，出现液相。降低了液相出现温度和粘度，使A矿形成温度降低150200 ，促进其形成。氟硫比在0.40.6。,5.3.2 微量元素的影响,碱,碱的来源 碱对操作的影响 碱对熟料烧成的作用 可降低最低共熔温度，增加液相量，降低粘度，降低烧成温度。但碱太高，能形成含碱矿物和固溶体KC23S12和NC8A3，使C3S难以形成，增加f-CaO。当有硫存在时，能缓和碱的不利影响，因其能生成钾石膏，导致水泥快凝或结块。制成混凝土时，能引起“碱集料反应”。,MgO,少量的MgO有利于熟料的形成，且改善水泥色泽。,P2O5,少量P2O5存在，能提高熟料强度，这与能和C2S形成固溶体，阻止其晶型转变有关。但其含量较高时，会导致C3S的分解。,据研究：每增加1% P2O5，将减少9.9%C3S，增加10.9%的C2S，当P2O5达7%时，C3S将减为0。氟可以抵消部分P2O5的不良影响。,TiO2,少量TiO2可作为C2S的稳定剂，对熟料质量有利，但过多会形成钙钛矿，减少C3S含量。应1%。,其他微量元素,预分解窑生产流程图,预分解窑工艺流程,水泥的产量、质量、燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。,5.4回转窑内熟料的煅烧,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。,新型干法水泥生产：,关键技术装备,旋风筒,连接管道,分解炉,回转窑,冷却机,预 热,分解,烧成,冷却,生料在煅烧过程中的物理化学变化,干燥（自由水蒸发）吸热 100150 粘土质原料脱水 吸热 450 碳酸盐分解 强吸热 900 固相反应 放热 8001200 熟料烧结 微吸热 130014501300 熟料冷却 放热 1300,反应式：MgCO3MgO+CO2-Q CaCO3CaO +CO2-Q 反应温度： MgCO3 始于402408最高700 CaCO3 600 开始，812928 快速分解,碳酸盐分解,碳酸钙分解,反应特点： 可逆反应 强吸热反应 烧失量大 分解温度与 CO2分压 和矿物结晶程度有关,影响反应速度的因素 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 窑系统的CO2分压 生料中粘土质组分的性质,固相反应,反应特点： 多级反应 放热反应,影响因素： 生料细度及均匀程度 原料性质 温度 矿化剂,反应产物： C2S、C3A、C4AF,熟料烧结过程： 当物料温度升高到最低共熔温度后，C3A、C4AF、MgO、R2O等熔融成液相。C2S、CaO逐步溶解于液相中， C2S吸收CaO形成C3S。 反应式： C2S+ CaO C3S 随着温度的升高和时间延长，液相量增加，液相粘度降低， C2S、CaO不断溶解、扩散， C3S晶核不断形成，并逐渐发育、长大，形成几十微米大小、发育良好的阿利特晶体。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、结构致密的熟料。,C3S的形成,熟料烧结,熟料烧结,C3S形成条件： 温度：130014501300 液相量： 20%30% 时间： 1020min,影响熟料烧结 过程的因素 最低共熔温度 液相量 液相粘度 液相的表面张力 C2S、CaO溶于液相的速率,熟料烧结,冷却目的： 改善熟料质量与易磨性； 降低熟料的温度，便于运输、储存、 和粉磨 回收热量，预热二次空气，降低热耗、提高热利用率。 冷却方式： 急冷,熟料冷却,快冷对改善熟料质量的作用： 防止或减少C3S的分解； 避免-C2S转变成 -C2S ； 改善了水泥安定性； 使熟料晶体减少，提高水泥抗硫酸盐性能； 改善熟料易磨性； 可克服水泥瞬凝或快凝。,热耗：烧成1熟料所消耗的热量。Kj/kg 热效率：,理论热耗：1630-1800 Kj/kg ； 实际热耗：3400-7500Kj/kg,实际热耗理论热耗：因为有各种热损失。,熟料形成热,6.3.1悬浮预热技术及其优越性 6.3.2悬浮预热器的构成及功能 6.3.3旋风预热器是主要的预热设备,悬浮预热技术,是指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，使物料得到迅速加热升温的技术。,6.3.1悬浮预热技术,定义,优越性,物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，传热、传质迅速可大幅度提高了生产效率和热效率。,6.3.2悬浮预热器的构成及功能 （旋风式）,旋风筒 连接管道(换热管道),构成及功能,构成：,功能：,使气、固两相能充分分散均布 迅速换热 高效分离三个功能,旋风预热器是由旋风筒和连接管道组成的热交换器。 换热管道除管道本身外还装设有下料管、撒料器、锁风阀等装备，它们同旋风筒一起组合成一个换热单元。,6.3.3 旋风预热器,对管道的设计十分重要 管道风速太低，热交换时间延长，但影响传热效率，甚至会使生料难以悬浮而沉降积聚，并且使管道面积过大 风速过高，则增大系统阻力，增加电耗，并影响旋风筒的分离效率 正确确定换热管道尺寸，必须首先确定合适的管道风速：一般1218m/s,进行热交换，约80以上。,连接管道,作 用：,热交换方式：,对流传热,主要是气固分离，传热只占6%12.5%。,旋风筒,作 用,性能评价,原 理,物料悬浮于气流中从切线进入旋风筒，产生离心力，料气特性不同，料离心碰壁下行，气不受影响向上。,分离效率 阻力损失,分离效率愈高，生料在系统内、外循环量就愈少，收尘负荷减小，热效率提高,阻力损失越小，电耗越低,？一级旋风筒一般为并联的双旋风筒。,必须采取的措施：,锁风阀,作用：下料、锁风 类型： 单、双翻板阀,选择生料进入管道的合适方位，使生料逆气流方向进入管道，以提高气固相的相对速度和生料在管道内停留时间。 两级旋风筒之间的管道必须有足够的长度，以保证生料悬浮起来，并在管道内有足够的停留运行距离，充分发挥管道传热的优势。,其他措施,撒料器,板式撒料器,箱式撒料器,作用：防止下料管下行物料进入换热管道时的向下冲料，并促使下冲物料冲至下料板后飞溅、分散。,定义：将已经过悬浮预热后的水泥生料，在达到分解温度前，进入到分解炉内与进入炉内的燃料混合，在悬浮状态下迅速吸收燃料燃烧热，使生料中的碳酸钙迅速分解成氧化钙的技术。,5.5预分解技术,.在悬浮预热器与回转窑之间增设一个分解炉或利用窑尾上升烟道， .装设燃料喷入装置，喷入煅烧所需的60%左右的燃料 .使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程，在分解炉中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行， .使入窑生料的分解率达到85%95%。 .减轻窑内煅烧带的热负荷，有利于缩小窑的规格及生产大型化，并且可以节约单位建设投资，延长衬料寿命，大幅度提高了窑系统的生产效率，有利于减少大气污染。,预分解窑特点,分解炉内的气流运动基本型式：即涡旋式、喷腾式、悬浮式及流化床式。 功能：在这四种型式的分解炉内，生料及燃料分别依靠“涡旋效应”、“喷腾效应”、“悬浮效应”和“流态化效应”分散于气流之中。由于物料之间在炉内流场中产生相对运动，从而达到高度分散、均匀混合和分布、迅速换热、延长物料在炉内的滞留时间，达到提高燃烧效率、换热效率和入窑物料碳酸盐分解率的目的。,分解炉,2019/4/19,45,可编辑,以SF型为代表： SF型 NSF型旋流-喷腾式分解炉,旋流式分解炉,NSF型,以FLS (FLSmidth)型为例，如图所示,喷腾式分解炉,以MFC(Mitsubish Fluidized Calciner)型为代表，,沸腾式分解炉,MFC型 分解炉,适当扩大炉容，延长气流在炉内的滞留时间； 改进炉的结构，延长物料在炉内滞留时间； 保证向炉内均匀喂料，且料入炉后，尽快地分散、均布； 改进燃烧器形式与结构，合理布置，使燃料尽快点燃； 下料、下煤点及三次风之间布局的合理匹配，以有利于燃料起火、燃烧和碳酸盐分解； 选择分解炉在预分解窑系统的最优部位、布置和流程，有利于分解炉功能的充分发挥，提高全系统功效，降低NOx，SO3等有害成分排放量，确保环保达标。,分解炉的发展方向,1、“喷-旋”型分解炉 如RSP型,新型分解炉型,“喷腾”型及“喷腾 迭加”型分解炉,“喷腾迭加”型分解炉,“流化悬浮”型分解炉,AT,AS-MSC,AS,“悬浮”型分解炉,中低质及低挥发分燃料在炉内的迅速点火起燃的环境改善； 使用中低质及低挥发分燃料时，要“以空间换时间”，即扩大炉容，改进结构，提高燃料燃尽率； 降低窑炉内NOx生成量，并在出窑入炉前制造还原气氛，促使NOx还原，满足环保要求； 采取措施，促进替代燃料和可燃废弃物的利用。,趋势和目标,在线式（同线式）,分解炉与窑连接方式,特点： 1、分解炉直接坐落在窑尾烟室之上。 2、窑气进炉,离线式,分解炉自成体系， 窑尾设有两列预热器，一列通过窑气，一列通过炉气，窑气不进炉 一般设有两台主排风机，一台专门抽吸窑气，一台抽吸炉气。,分解炉与窑连接方式,半离线式,分解炉设于窑的一侧 窑气不入炉 炉气出炉后可以在窑尾上升烟道下部与窑气会合(如RSP、MFC等)，亦可在上升烟道上部与窑气会合(如N-MFC、SLCS等)，,分解炉与窑连接方式,预分解窑系统中回转窑功能: 1、燃料燃烧功能 2、热交换功能 3、化学反应功能 4、物料输送功能 5、降解利用废弃物功能,6.5 回转窑,作为热交换装置，窑内炽热气流与物料之间主要是“堆积态”换热，换热效率低，从而影响其应有的生产效率的充分发挥和能源消耗的降低； 熟料煅烧过程所需要的燃料全部从窑热端供给，燃料在窑内煅烧带的高温、富氧条件下燃烧，NOx等有害成分大量形成，造成大气污染。,回转窑缺点和不足,过渡带：从窑尾起至物料温度1280止(或1300) 主要任务：物料升温、部分碳酸盐分解、固相反应。 烧成带：物料温度128014501300 主要任务：熟料烧成 冷却带：窑头端部，1300 之后,预分解窑工艺带的划分,回转窑内物料温度和气体温度以及各带划分的大致情况,回转窑内“带”划分,分解反应 ：反应量少，但需反应温度高。 入窑料先升温，后分解 固相反应 ： 烧结反应 ：,物料在窑内的工艺反应,因产量大幅提高，反应量成倍增加，需加快反应速度。,熟料冷却技术,目前新干法生产中，采用第三代推动篦式冷却机及从窑罩抽取三次风，可认为最佳方案,(1)作为工艺装备，对高温熟料的骤冷。 (2)作为热工装备，对二次风、三次风的加热升温 (3)作为热回收装备，对出窑熟料携出热量回收。 (4)作为熟料输送装备，输送高温熟料。,熟料冷却机的功能,熟料冷却机作业原理在于高效、快速地实现熟料与冷却空气之间的气固换热。,冷却机作业原理,(1) 热效率(c)高，各种冷却机热效率一般在40%80%之间。 (2) 冷却效率(L)高，各种冷却机冷却效率一般在8095%。 (3) 空气升温效率(i)高。，本指标为篦冷机评价指标之一，一般i 0.9。 (4) 进入冷却机的熟料温度与离开冷却机的入窑二次风及去分解炉的三次风温度之间的差值小。 (5)离开冷却机的熟料温度低。 (6)冷却机及其附属设备电耗低。 (7)投资少，电耗低，磨耗小，运转率高等。,冷却机性能指标,各种篦冷机有关性能指标,篦冷机性能指标,(1)篦冷机入口端采用阻力篦板及充气梁结构篦床和窄宽度布置方式，增加篦板阻力在篦板加料层总阻力中的比例，力求消除预分解窑熟料颗粒变细及分布不均等因素对气流均匀分布的影响。 (2)发挥脉冲高速气流对熟料料层的骤冷作用，以少量冷却风量回收炽热熟料的热量，提高二、三次风温 (3)由于脉冲供风，使细粒熟料不被高速气流携带，同时由于细粒熟料扰动，增加气料之间换热速度。,第三代篦冷机特点,阶梯篦板,(4)高压空气通过空气梁特别是篦冷机热端前数排空气梁向篦板下部供风，增强对熟料均布、冷却和对篦板的冷却作用，消灭“红河”，保护篦板。 (5)设有对一段篦床一、二室各行篦板风量、风压及脉冲供气的自控调节系统，或各块篦板的人工调节阀门，以便根据需要进行调节。同时，一段篦速与篦下压力自动调节，保持料层设定厚度，其他段篦床与一段篦床同步调节。,第三代篦冷机特点,充气梁,可控气流通风篦板,(1)采用TC型“充气梁”技术，研发了TC型充气篦板及TC型阻力篦板。 (2)采用厚料层冷却技术，中小型篦冷机设计最大料层厚600650mm，大型篦冷机700800mm (3)合理配风 关键在于淬冷区和热回收区“充气篦床”配风适当。 (4)全机篦床配置适当 淬冷高温区设置固定充气篦床，高温区设置活动充气篦床，中温区设置固定篦床，低温区设置普通篦床，整机效率高，结构简化，维修方便。 (5)锁风良好 设置了全机自动控制和安全监测系统，保证了系统稳定安全运行。,TC型第三代篦冷机,充气篦板,低漏料篦板,4.预分解窑技术的生产控制,(1)烧成带物料温度 (2)氧化氮(N0x)浓度 (3)窑转动力矩 (4)窑尾气体温度 (5)分解炉或最低一级旋风筒出口气体温度 (6)最上一级旋风筒出口气体温度 (7)窑尾、分解炉出口或预热器出口气体成分 (8)最上一级及最低一级旋风筒出口负压 (9)最下一、二级旋风筒锥体下部负压 (10)预热器主排风机出口管道负压 (11)电收尘器入口气体温度 (12)窑速及生料喂料量 (13)窑头负压 (14)篦冷机一室下压力。 (15)窑筒体温度,重 点 监 控 参 数,(1)窑头负压篦冷机余风 排风机阀门开度。 (2)篦冷机一室下压力 篦床速度。 (3)分解窑加煤 量最下级旋风筒(或分解炉)出口气体温度。 (4)增湿塔入口压力 增湿塔出口阀板开度。 (5)增湿塔出口气温 增湿水泵回水阀门开度。 (6)窑尾主排风机风门开度 最上级旋风筒出口气体O2含量及压力。 (7)电收尘器进口风压 电收尘出口风机风门开度。 (8)喂料秤测重负荷传感器 喂料仓自动调节计量阀门开度。 (9)气力提升泵下松动压力 计量滑动阀门开度。 (10)生料计量标准仓重量 均化库出口阀板开度。 (11)其他可根据需要设置,自动调节回路,中央控制室简介,中央控制室,中央控制室是指能够把全厂所有操作功能集中起来，并把生产过程集中进行监视和控制的一个中心场所。在中控室里，通过计算机等技术能将整个生产过程参数、设备运行情况等全面迅速反映出来，并能对过程参数实现及时、准确的控制。因此，中央控制室是全厂的控制枢纽和指挥中心。把生产过程集中在中控室内进行显示、报警、操作和管理，可以使操作人员对全厂的生产情况一目了然，便于针对生产过程中出现的问题及时进行调度指挥，从而有利于优化操作、实现高产、优质、低消耗。,应用以微型计算机为基础的分布式控制系统（DCS），是一种控制功能分散化、监视操作集中化的控制系统，既所谓的集散控制系统。 集散控制系统将4C技术（计算机技术、控制技术、通讯技术、CRT显示技术）相结合，解决了计算机集中控制所存在的问题。,DCS、集散控制,集