《无机材料工学教学课件》4-水泥熟料煅烧.ppt

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。,水 泥 工 艺,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 回转窑 干法回转窑 带预热器的窑 带分解炉的窑 半干法回转窑 立波尔窑,水 泥 工 艺,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。,水 泥 工 艺,悬浮预热、窑外分解技术，从根本上改变了物料的预热、分解过程的传热状态，将窑内物料堆积状态的预热和分解过程，分别移到悬浮预热器和分解炉内进行。,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。,水 泥 工 艺,4.2.1 干燥,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。,水 泥 工 艺,4.2.2 脱水,脱水是指粘土矿物分解放出化合水。 100 高岭土 失去自由水 400-600 偏高岭土（SiO2Al2O3）+ 2H2O 加热 SiO2Al2O3（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(10471214)J/g CaC03 CaO + CO21645 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。,水 泥 工 艺,4.2.3.1 碳酸钙分解反应的特点,可逆反应 强吸热反应 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,水 泥 工 艺,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）,水 泥 工 艺,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,水 泥 工 艺,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 在回转窑内CaCO3分解大于15min(800-1100) 在分解炉内CaCO3分解只需几秒钟(850左右),水 泥 工 艺,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,水 泥 工 艺,4.2.4 固相反应,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,水 泥 工 艺,放热反应 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 结晶SiO2和结晶方解石反应慢 矿化剂等,水 泥 工 艺,*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。,水 泥 工 艺,4.2.5 熟料烧结,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 C3S 高温液相反应空间,液相,13001450,水 泥 工 艺,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 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,水 泥 工 艺,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。,水 泥 工 艺,500,1250,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,- C2S - C2S,C3S C2S + CaO,水 泥 工 艺,急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 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,水 泥 工 艺,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。,水 泥 工 艺,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。 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,4.3.1 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,4.3 熟料的热化学及回转窑的热工特性,水 泥 工 艺,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,4.3.1 回转窑的热工特性,水 泥 工 艺,4.4.1 湿法窑 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,4.4 回转窑煅烧系统,水 泥 工 艺,4.4.3 悬浮预热窑,悬浮预热窑特点 一台回转窑 + 一组悬浮预热器 预热与部分碳酸盐分解移到预热器上进行,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。 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,水 泥 工 艺,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 热量交换80%在管道 旋风筒的作用主要是气固分离,水 泥 工 艺,旋风预热器的工作原理,水 泥 工 艺,水 泥 工 艺,撒料板装置,水 泥 工 艺,锁风阀,水 泥 工 艺,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 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