水泥熟料形成过程学习教案

1、会计学1水泥熟料形成水泥熟料形成(xngchng)过程过程第一页，共30页。 水泥熟料煅烧是个复杂(fz)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(d do)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，都有重大进展与突

2、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，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。第2页/共30页第二页，共30页。 第一节 水泥熟料(sh lio)的形成过程硅酸盐水泥的生产(shngchn)方法硅酸盐水泥生产(shngchn)过程生料制备熟料煅烧水泥粉磨生产方法(按生料制备按生料制备方法不同分方法不同分)干法：将原料同时烘干与粉磨或先烘干后粉磨成生料粉，而后喂入干法窑内煅烧成熟料。 湿法 ：将原料加水粉磨成，生料浆后喂入湿法回转窑煅烧成熟料 。可为新型干法、半干法可为传统

3、湿、湿磨干烧第3页/共30页第三页，共30页。硅酸盐水泥(shun)的生产工艺流程 工艺流程:生料(shnglio)粉磨 熟料煅烧 熟料粉磨 矿山(kungshn)破碎预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第4页/共30页第四页，共30页。硅酸盐水泥熟料(sh lio)的煅烧 熟料的煅烧过程直接决定水泥的产量、质量、燃料与衬料的消耗以及窑的安全运转。水泥窑有多种功能：反应炉、熔炉(rngl)、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

4、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）、最后烧制成熟料的全过程统称煅烧过程统称煅烧过程。第5页/共30页第五页，共30页。生料(shnglio)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(jbn)相似.其过程可概括为：干燥(gnzo)与脱水碳酸盐分解固相反应液相和熟料的烧结熟料的冷却第6页/共30页第六页，共30页。熟料熟料(sh lio)煅烧过程概煅烧过程概述如下：述如下：150150以前以前(yqin)(yqin)生料中物理生料中物理(

5、wl)(wl)水蒸发水蒸发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物如粘土质原料释放出化合水；并开始分解为单独氧化物如SiO2，Al2O3；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相粘土的无定形脱水产物结晶，各种氧化物间进行固相反应；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。直至熟。直至熟料矿物全部形

6、成；料矿物全部形成；1450145013001300熟料矿物冷却。熟料矿物冷却。第7页/共30页第七页，共30页。生料(shnglio)的干燥与脱水干燥(gnzo) 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(biny)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）第8页/共30页第八页，共30页。脱水指黏土矿物分解释放化学(huxu)结合水。 层间水在100左右即可排除

7、，而配位水则必须高达(o d)400600以上才能脱去。（2）蒙脱石脱水）蒙脱石脱水(tu shu) 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： 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。第9页/共30页第九页，共30页。 二、碳酸盐分解反应(fnyng)机制 碳酸盐的分解主要(zhyo)为碳酸钙和碳酸镁的分解，其化学反应式为：1、碳酸盐分解、碳酸盐分解(fnj

8、i)反应反应 碳酸盐（主要是碳酸钙、少量碳酸镁）的分解反应是典型碳酸盐（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。的缩核型强吸热的气固相反应。第10页/共30页第十页，共30页。分解(fnji)过程分五步进行： （1）气流向颗粒(kl)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(fn ch)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CaOCaCO3 第11页/共30页第十一页，共30页。 碳酸钙分解反应的动力学表达式，

9、根据碳酸钙分解反应的动力学表达式，根据A Mlle大量试验结大量试验结果，将温度、粒度尺寸及环境条件考虑果，将温度、粒度尺寸及环境条件考虑(kol)在内，有如下实在内，有如下实用关系：用关系：2/1111122310pCOeqCORTEdPPeAe环境式中：式中：0e碳酸钙分解碳酸钙分解(fnji)率，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，反应活化能，171.850J/molK；第12页/共30页第十二页，共30页。R气体气体(qt)常数，常数，8.314 J/molK；T反应反应(fnyng)温度，温度，；pd颗粒颗粒(kl)直径，直径，m； e

10、qCOP2碳酸钙分解时，碳酸钙分解时，CO2平衡压力，其值是温度函数，平衡压力，其值是温度函数，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和燃气和燃气中中CO2之和，之和，Pa。第13页/共30页第十三页，共30页。 上式很明确表达上式很明确表达(biod)了影响碳酸钙分解的诸因素及了影响碳酸钙分解的诸因素及其相互联系。其相互联系。u 根据根据(gnj)粗略估算：反应温度每升高粗略估算：反应温度每升高10，反应时，反应时间可缩短间可缩短50%；u 环境中环境中CO2分压每降低分压每降低2%，反应时间可缩短，反应时间可缩短10%。u 颗粒的粗细，愈

11、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。第14页/共30页第十四页，共30页。影响碳酸盐分解(fnji)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随温度升高，分解速率常数和压力(yl)倒数差倒数差相应增大，分解速率和时间缩短；相应增大，分解速率和时间缩短； (单个颗粒碳酸盐分解单个颗粒碳酸盐分解(fnji)动力学方程动力学方程) 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；第15页/共30页第十五页，共30页。 窑系统的CO2分压 通风良好, CO

12、2分压较低,有利于碳酸盐分解; 生料细度和颗粒(kl)级配 生料细度细,颗粒(kl)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(kl)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.第16页/共30页第十六页，共30页。在碳酸盐分解(fnji)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； 8

13、00 900 ：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(yul)氧化钙达到最高值。 1100 1200:大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。三、熟料三、熟料(sh lio)矿物形矿物形成成第17页/共30页第十七页，共30页。影响(yngxing)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(jich)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

14、均化程度 生料的均匀混合，可增加各组分间接触(jich)，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第18页/共30页第十八页，共30页。液相的形成(xngchng)与熟料的烧结液相的组成(z chn)：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(yshng)组分开始出现液相的温度称为最低

15、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%) 。对CSAF四元系统，在不同温度下的液相量（L）可按下式计算：p液相的形成 烧结范围：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)时的温度差值第19页/共30页第十九页，共30页。液相的粘度(zhn d)：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(zhn d)越低；铝率越高，粘度(zhn d)越大；多数微量元素可降低液相粘度(zhn d)。1400L2.95Al2O32.20Fe

16、2O3 +R 1450L3.00Al2O32.25Fe2O3 +R 1500 L3.30Al2O32.60Fe2O3 +R可以认为水泥熟可以认为水泥熟料中的其它组分料中的其它组分全部进入液相。全部进入液相。不同不同(b tn)温度下，液相的计算公温度下，液相的计算公式：式： 第20页/共30页第二十页，共30页。a) SiO2主要离解为SiO44-阴离子团。Si-O价键较强，在粘滞流动时，不易断裂，因而(yn r)液相粘度较高；b) Al2O3和Fe2O3为两性化合物，可同时离解成MeO45-和Me3+离子，两者的比例视各自金属离子半径和液相酸碱度而异。以MeO45-离子状态存在(cnzi)时

17、，有4个O2-配位，构成较紧密的四面体，Me-O价键较强，在粘滞流动时，不易断裂，因而液相粘度较高； 以Me3+离子状态存在时，有6个O2-配位(pi wi)，构成松散的八面体，Me-O价键较弱，在粘滞流动时，易于断裂，因而液相粘度较低。第21页/共30页第二十一页，共30页。. 液相碱性较弱时，例如有MgO、SO3时，则Me2O3呈碱性，更多地离解成Me3+离子(lz)，因而液相粘度降低；当液相碱性较强，例如有Na2O、K2O时，则Me2O3呈酸性，更多地离解成MeO45-离子(lz)，因而液相粘度提高。. Al3+半径(bnjng)Fe3+，趋向于构成较多的MeO45-离子，因而提高IM，

18、则粘度；第22页/共30页第二十二页，共30页。第23页/共30页第二十三页，共30页。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(chn d)，最终形成几十微米大小、结晶良好的阿利特晶体。硅酸(u sun)三钙的形成：影响因素：物料的化学组成、煅烧方法(fngf)、升温速率、矿化剂与其他微量元素等。23C SC SCaO 液液相相p熟料的烧结 第24页/共30页第二十四页，共30页。熟料(sh lio)的冷却 减少C3S分解；防止-C2S向-C2S转化，提高熟料质量(zhling)；防止方镁石晶体长大，有

19、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。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(biny)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？第25页/共30页第二十五页，共30页。温度（温度（） 反应反应热效应热效应 数值数值100150游离水蒸发游离水蒸发吸热吸热2249kJ/kg水水450粘土结合水逸出粘土结合水逸出吸热吸热932kJ/kg-kao600MgCOMgCO3 3分解分解吸热吸热1421kJ/kg-MC900粘土无定形脱水产物结晶粘土无定形脱水产物结晶放热放热259-284kJ/kg-meta-kao900碳酸钙分解碳酸钙分解吸热吸热1655kJ/kg-CC900-1200固相反应固相反应放热放热418-502kJ/