第5章熟料煅烧技术(水泥工艺学精品课程).ppt

生料在水泥窑内经过连续加热 高温煅烧至部分熔融 经过一系列的物理化学反应 得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料的工艺过程叫硅酸盐水泥熟料的煅烧 简称煅烧 干燥 自由水蒸发 吸热粘土质原料脱水吸热碳酸盐分解强吸热固相反应放热熟料烧结微吸热熟料冷却放热 一 干燥与脱水 一 干燥自由水的蒸发 含水量与生产方法和窑型有关 含水量增加热耗增加 二 脱水粘土质原料脱去化合水 结构水和层间吸附水 高岭土 Al2O3 2SiO2 2H2O 脱水后变成无定形的Al2O3 2SiO2 这些无定形物具有较高的活性 高岭土活性高 蒙脱石 伊利石活性低 反应式 MgCO3 MgO CO2 QCaCO3 CaO CO2 Q反应温度 MgCO3始于402 408 最高700 CaCO3600 开始 812 928 快速分解 一 碳酸钙分解反应的特点 反应特点 可逆反应 温度 CO2分压 强吸热反应 分解所需热量 湿法1 3 干法1 2 烧失量大 CO2 分解温度与CO2分压和矿物结晶程度有关 图5 1 CO2分压大 分解温度高 伴生矿物和杂质降低分解温度 结晶 分解温度高 图5 21 气流向颗粒表面传热 物理过程 2 热量由表面以传导方式向分解面传递 物理过程 3 碳酸钙在一定温度下 继续分解 吸收热量并放出CO2 化学过程 4 放出的CO2从分解面通过CaO层 向四周进行内部扩散 物理过程 5 扩散到颗粒边缘的CO2 通过边界层向介质扩散 物理过程 1 0cm传热传质占主导0 2cm物理和化学过程同样重要30 m化学反应占主导 CO2分压 悬浮 回转窑 堆积 立窑 料球颗粒大 悬浮预热器和分解炉内 石灰质原料的特性 伴生矿物和杂质 结晶 生料细度和颗粒级配 比表面积 生料悬浮分散程度 传热面积 温度 高 快 热耗增 结皮 堵塞 窑系统的CO2分压生料中粘土质组分的性质 活性高 则能直接与碳酸钙发生反应 可以促进碳酸钙的分解过程 一 反应过程CaO与SiO2 Al2O3 Fe2O3进行固相反应生成 C3S C2S C3A C4AF 800 CaO Al2O3 CaO Al2O3 CA CaO Fe2O3 CaO Fe2O3 CF 2CaO SiO2 2CaO SiO2 C2S 800 900 CaO Fe2O3 CaO 2CaO Fe2O3 C2F 7CaO Al2O3 5CaO 12CaO 7Al2O3 C12A7 900 1100 2CaO SiO2 Al2O3 2CaO Al2O3 SiO212CaO 7Al2O3 9CaO 7 3CaO Al2O3 C3A 7 2CaO Fe2O3 2CaO 12CaO 7Al2O3 7 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 1100 1200大量形成C3AC4AFC2S含量达最大值 反应特点 多级反应放热反应 二 影响固相反应的主要因素1 生料细度及其均匀程度 比表面积 充分接触 2 原料物理性质 结晶 慢 磨细 3 温度对固相反应的影响 4 矿化剂 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 条件 温度 1300 1450 1300 液相量 20 30 时间 10 20min 1 最低共熔温度 组分多 温度低 表5 2 2 液相量 一般为20 30 液相量与煅烧温度 组分含量有关 3 液相粘度 小 扩散快 AL Fe有关图5 5 温度图5 4 组分 图5 6 4 液相的表面张力 小 润湿 利于固液反应 温度 组成 结构 图5 75 C2S CaO溶于液相的速率 速率愈大 C3S的成核与发育愈快 粒径 粘度 表5 4 图5 8 熟料的冷却 烧成温度常温熔体晶化凝固熟料颗粒结构形成 凝固和相变 C2S的多晶转变C3S分解冷却目的 改善熟料质量与易磨性 降低熟料的温度 便于运输 安全 储存 砼开裂 和粉磨 假凝 回收热量 预热二次空气 降低热耗 提高热利用率 冷却方式 冷却速度慢 平衡冷却 4 5 min 冷却速度快急冷 淬冷 18 20 min 防止或减少C3S的分解 避免 C2S转变成 C2S 改善了水泥安定性 MgO玻璃体易水化 使熟料C3A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 热化学方程式表示化学反应与热效应关系的方程式生料在煅烧过程中的物理化学变化吸热反应放热反应表5 5 1 定义 在一定生产条件下 用某一基准温度 一般是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称为熟料的形成热 熟料理论热耗 2 计算原理 理论热耗 吸收的总热量 放出的总热量 一般为1630 1800kJ kg ck 表5 6 3 影响因素 熟料的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 定义 每煅烧1kg熟料窑内实际消耗的热量称为熟料实际热耗 简称熟料热耗 也叫熟料单位热耗 热损失热耗 熟料形成热 降低热耗 降低各种热损失 废气 散热等 理论热耗 1630 1800KJ kg 实际热耗 3400 7500KJ kg 碳酸钙分解吸热量最大熟料冷却放热量最大 1 生产方法与窑型 干 湿 表5 7 2 废气余热的利用 3 生料组成 矿渣代替部分石灰石 石灰 细度及生料易烧性 4 燃料的燃烧情况 不完全燃烧 5 窑体的散热损失 保温 6 矿体剂及微量元素的作用 定义 在煅烧过程中 能加速熟料矿物的形成 本身不参加反应或只参加中间反应的物质 类型 矿化剂 1种 复合矿化剂 2种 石膏 萤石重晶石 萤石磷石膏 萤石作用 加速分解反应 加速固相反应 降低液相出现的温度 加速C3S的形成使用矿化剂易引起的问题 凝结时间不正常 快凝或慢凝 一 矿化剂 含氟化合物 如 CaF2 萤石 硫化物 如 石膏氯化物 CaCl2其他 如 铜矿渣 磷矿渣 一 作用机理1 加速CaCO3分解 促进固相反应 高温 蒸汽 反应生成SiF4和CaF2的在高温 蒸汽作用下分解生成活性的SiO2 CaO 2降低液相出现的温度和粘度 促进C3S形成 高温 加入氟化钙 1 3 烧成温度下降50 100 1 根据生料的易烧性决定是否采用 结晶SiO2多 熔剂矿物多 2 用量适当 一般小于1 3 掺加量要均匀4 掺有萤石的熟料应急冷 1250 时萤石促进C3S分解 C2S晶型转变 氧化气氛CaOSO3还原气氛CaS2C2S CaO 硫硅石 4CaO Al2O3 SO3 无水硫铝酸钙 早强 适量有利SO3有利于降低液相粘度 增加液相量 有利于C3S的形成 同时少量的CaSO4能稳定C2S晶型转化石膏掺量2 4 烧成温度为1360 1370 当掺量超过5 3 时 游离CaO增加 1050 形成 1300 分解为 熟料的形成过程比较复杂 影响因素多 KH IM CaF2 SO3 烧成温度 复合矿化剂应用中应注意的问题1 不正常凝结问题及对策急凝KH偏低 煅烧温度偏低 还原气氛慢凝IM偏低 煅烧温度偏高 KH偏高 MgO CaF2偏高2 腐蚀 污染2 配料方案复合矿化剂的掺加量率值 高KH 低n 高p 配煤 少 3 生料均化与煅烧工艺生料成分均匀稳定采用黑生料 浅暗火操作 减少热损失 F S的挥发 提高加料与卸料速度 加强中部通风 1 晶种 是晶体结晶过程的晶核 晶核剂 核化剂 硅酸盐水泥熟料 2 晶种技术 在入磨原材料中掺入少量的硅酸盐水泥熟料共同磨制出生料 业已存在的硅酸盐水泥熟料矿物在煅烧过程中作为晶核剂诱导水泥窑中物料迅速烧结 从而达到提高熟料产量 降低煤耗目的的技术 二 晶种掺加量及生产工艺的调整 晶种掺加量及生产工艺的调整1 晶种及其掺加量 C3S 2 3 5 2 晶种加入工艺 单独计量配料 3 率值及熟料热耗的调整中 高KH 高P 减煤 使用矿化剂 晶种有积极的一面 也有消极的一面 如增加成本 有副作用等 使用时应注意 1 根据实际情况考虑是否采用 2 选择合适的品种 3 掺量要合适 计量要精确 4 掺入要均匀 5 相应调整配料方案及操作措施 6 矿化剂 晶种可以同时使用 由原 燃料带入的伴生组分 P19 对熟料煅烧和质量有不同程度的影响 有正作用也有副作用合理利用 化害为利 挥发性组分 碱 氯 硫 主要来源 原料 燃煤特点 1 低温下呈固态 高温下挥发成气体 2 当其含量大时 可降低最低共熔温度 增加液相量 降低液相粘度 起助熔作用 1 挥发性组分的挥发凝聚循环碱 氯 硫化合物高温分解 气化和挥发低温区窑尾凝聚 聚集 粘附于生料颗粒表面在循环过程中富集 2 危害 1 结皮 堵塞 结皮 物料在设备或气体管道内壁上逐步分层粘挂 形成疏松多孔的层状覆盖物 堵塞 窑后通风系统或料流系统被结皮物料堵塞 不一定是堵死 2 结大块 结圈 3 防止措施 3 防止措施 1 限制原燃料中碱 氯 硫的含量 新型干法水泥生产 生料中 K2O Na2O 1 0 Cl 0 015 0 020 生料和燃料的硫碱比要S R SO3 0 85K2O 1 29Na2O 0 6 0 8 2 旁路放风 3 及时清理 如定期用高压风吹扫结皮 空气炮清除等 破坏熟料矿物C3S C2S C3A的形成 f CaO增加 S少时 表5 10 5 11影响液相粘度 无S 粘度高 有S时 粘度低 水泥结块 快凝 钾石膏 水泥性能变坏 盐析 碱集料反应 有S存在 生碱的硫化物 主要指 MgOP2O5TiO2V2O5 MgO少助熔多安定性P2O5含量少 0 1 0 3 稳定 C S提高强度 增加 C3S分解TiO2少稳定 C S提高强度多降低强度V2O5少易烧性好 多易烧性差 f CaO增加 强度下降等作用 总体说 这些微量成分 少量存在时 对水泥生产有好处 多了有副作用 回转窑湿法立波尔 窑尾带加热机 半干法 干法新型干法 悬浮预热 窑外分解 立窑土立窑机立窑 一 回转窑的煅烧工艺流程1 回转窑的结构 2 煅烧工艺流程 传动大齿轮 高端窑尾冷端 低端窑头热端 倾斜钢筒体 内部耐火材料 保温 保护D2 5ML60 180M干短湿长国外7230 燃料 生料 熟料 废气 回转窑与冷却机 煤粉燃烧装置 鼓风机 排风机及收尘设备等熟料烧成系统燃烧用空气 一次空气和煤粉混合 15 30 二次空气预热 与熟料进行热交换 悬浮预热器窑流程图 预分解窑工艺流程 二 回转窑内熟料的煅烧过程按回转窑内物料沿窑长的温度变化和反应情况逼和占有的空间可划分为6个带 湿法回转窑 干法回转窑 干法回转窑 干法回转窑 干法回转窑 分解炉 悬浮预热器 悬浮预热器 加热机 各带不是截然分开的 而是互相交叉的 不同窑型 带的划分不同 二 带悬浮预热器回转窑内熟料的煅烧 旋风式悬浮预热器窑 1 传热面积大 1kg生料在窑内的传热面积是0 157 2 在悬浮预热器里是1250 2 后者是前者的8000倍 2 传热效率提高 传热速率增大 在窑内仅为5 8 min 立波尔窑的加热机 其速率也只有50 min 而悬浮预热器内的速率可达1000 min 3 总体物料与气流是逆向运动 而在管道和旋风筒内则是顺流运动 传热主要是在管道中进行 约占80 旋风筒主要起气固相分离作用 传热较少 约占20 4 入窑物料碳酸钙分解率达30 40 从而减轻了回转窑的负荷 使窑的长度缩短 5 窑内没有干燥带 预热带 只有其余四个带 分解炉 在其中加入50 60 的燃料 燃烧放热过程与生料的吸热分解过程在悬浮态或流化态下极其迅速地进行使生料在入回转窑接受基本上完成碳酸盐的分解反应 85 95 预分解窑生产流程图 预分解窑工艺流程 分解炉 在其中加入50 60 的燃料 燃烧放热过程与生料的吸热分解过程在悬浮态或流化态下极其迅速地进行使生料在入回转窑接受基本上完成碳酸盐的分解反应 85 95 1 分解炉中 温度为820 900 时 分解率可达85 95 分解时间4 10s窑内30多分钟2 碳酸钙的分解到窑外 窑长缩短 降低占地面积 3 悬浮状态 传热面积大 传热速率高 熟料单位热耗降低 4 熟料密度小 颗粒细5 窑内分三个带 过渡带 主要是少量分解反应 固相反应 烧成带 冷却带 工艺参数 风 煤 料 窑速窑的传热能力 窑尾系统的类型 冷却机的类型 工艺条件 窑的传热能力要与发热能力相适应 1 工艺参数 1 风和煤 风和煤配合 形成火焰 火焰 温度 长度 形状 位置均要合适 煤质煤量风量风煤的配合 煤的成分 煤的细度 AQV 影响火焰的因素 合适稳定 2 料 生料的质量生料的数量 化学成分 细度均匀性 生料的易烧性 生料煅烧时形成熟料的难易程度生料的易烧性愈好 生料煅烧的温度愈低 f CaO含量越低 熟料质量愈好 易烧性愈差 煅烧温度愈高 烧成时间长 否则就会使f CaO含量较高 熟料质量差 熟料产量降低 测定生料易烧性的方法 很多 如 按一定的煅烧制度对生料试样进行煅烧后 测定其f CaO含量 并以该f CaO含量的多少表示生料的难易程度 影响生料易烧性的主要因素 生料的化学成分生料的颗粒组成生料的均匀性矿化剂的使用原料的性质 率值次要氧化物的含量 3 窑速 表示方法 每分钟回转次数 r min窑速要稳定 以稳定窑内热工制度 为此要求喂料要稳定 且窑速与喂料量相适应 回转炉篦子加热机悬浮预热器悬浮预热器 分解炉 预热器 回转窑 冷却机 干燥 预热 部分分解 30 50 部分分解 固相反应 烧结反应 熟料的冷却 预热器 回转窑 冷却机 分解炉 干燥 预热 分解 85 95 部分分解 固相反应 烧结反应 熟料的冷却 第二 三 四代推动篦式冷却机 水平推动篦式冷却机 尽可能多的回收热量缩短冷却时间冷却单位质量熟料的空气消耗量要少结构简单 操作方便筒式篦式 可控气流通风篦板 坚式固定床煅烧设备普通立窑和机立窑12 14 水D5 15mm料球成球 鼓风 收尘 立窑及配煤系统组成立窑煅烧系统热耗低传热效率高 燃烧与煅烧同时进行 由表及里传热 温度由表及里升高 熟料的形成也是由表及里 根据料球表面的平均温度和进行的物理化学反应 沿着窑的高度方向 预热带 窑面 占窑高的5 10 煤 V 缺氧 不燃烧 损失 无烟煤 分解 CO2 塑性 烧成带 煅烧带 高温带 底火 占窑高的10 15 烧成带的位置和高度重要 取决于煤的燃点和燃烧速度 取决于粒度大小 通风好坏 冷却带 冷却熟料 预热空气 占窑高的75 85 一 窑面通风不均 不等风 边风过剩 中风不足物料收缩边壁效应 不能紧密堆积 边部空隙大于中部 通风的孔道阻力 中部弯曲多 阻力大 中部物料易结大块 二 窑面的温度不等边部物料温度