水泥工艺学课件

水泥工艺学课件第1页，共124页，2023年，2月20日，星期六第2页，共124页，2023年，2月20日，星期六窑内燃烧过程：燃料与一次空气由窑头喷入，和二次空气相遇，一起进行燃烧，火焰温度高达1650~1700℃。燃烧烟气在向窑尾运动的过程中，将热量传给物料，温度逐渐降低，最后由窑尾排出。料浆由窑尾喂入，在向窑头运动的同时，温度逐渐升高，并进行一系列物理、化学与物理化学反应，烧成熟料由窑头卸出，进入冷却机。第3页，共124页，2023年，2月20日，星期六干燥带：自由水的蒸发预热带：粘土矿物脱水、碳酸镁分解碳酸盐分解带：碳酸钙分解、固相反应放热反应带（过渡带）：固相反应、“黑影”烧成带：水泥熟料化合物形成，图5-2冷却带：与低温二次空气相遇、熟料温度下降这些带的各种反应往往是交叉或同时进行的，生料受热不均匀和传热缓慢将增大这种交叉。因此，上述各带的划分是十分粗糙的。书P52-53页第4页，共124页，2023年，2月20日，星期六第5页，共124页，2023年，2月20日，星期六其他类型的回转窑内物料的煅烧过程，与湿法回转窑相似，只是它们把某些过程移到回转窑外的专门设备内去进行，因而温度范围、物料水分等有所变化而已。带分解炉的窑外分解窑生料的预热、分解，在预热器和分解炉内进行，生料入窑时，已有85~95%的碳酸钙分解。第6页，共124页，2023年，2月20日，星期六第一节生料在煅烧过程中的物理与化学变化一、干燥与脱水

干燥即生料中自由水的蒸发，而脱水则是粘土矿物分解放出化合水。生料的自由水量因生产方法与窑型不同而异。自由水分蒸发热耗十分巨大，因而降低料浆水分或过滤成料块，可以降低熟料热耗，增加窑的产量。晶体配位水：以OH-离子状态存在于晶体结构中晶层间水或层间吸附水：以水分子状态存在晶层结构间粘土矿物的化合水第7页，共124页，2023年，2月20日，星期六所有的粘土矿物都含有配位水；多水高岭石、蒙脱石还含有层间水；伊利石的层间水因风化程度而异。第8页，共124页，2023年，2月20日，星期六

粘土脱水首先在粒子表面发生，接着向离子中心扩展。对粗颗粒，因扩散速度较慢，故内部脱水速度控制整个脱水过程。粘土矿物——高岭土在500~600℃下失去结晶水时所产生的变化与产物，有两种观点。①产生无水偏高岭土

Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2+2H2O

②分解为无定形Al2O3和SiO2Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3+2SiO2+2H2O

通过X射线衍射、热分析和红外吸收光谱分析表明，高岭土脱水后主要形成非晶质的偏高岭土。故高岭土脱水后活性高。第9页，共124页，2023年，2月20日，星期六高岭土主要由小于2个微米的微小片状、管状、叠片状等高岭石簇矿物(高岭石、地开石、珍珠石、埃洛石等)组成，理想的化学式为Al2O3-2SiO2-2H2O，其主要矿物成分是高岭石和多水高岭石，除高岭石簇矿物外，还有蒙脱石、伊利石、叶腊石、石英和长石等其它矿物伴生。蒙脱石、伊利石脱水后，仍具有晶体结构，因而蒙脱石、伊利石的活性较高岭石差。多数粘土矿物在脱水过程中，均伴随着体积收缩，唯伊利石、水云母在脱水过程中伴随着体积膨胀。第10页，共124页，2023年，2月20日，星期六二、碳酸盐分解MgCO3MgO+CO2-1047~-1214J/g(590℃)CaCO3CaO+CO2-1645J/g(890℃)

为使反应顺利进行，须保持较高的反应温度，降低CO2分压，并供给足够的热量。

CaCO3

在600℃就开始微弱分解，至894℃时，分解出的CO2分压达1atm，分解速度加快，达1100~1200℃时，分解速度极为迅速。第11页，共124页，2023年，2月20日，星期六由曲线1及2可知，温度每增加50℃，平衡分解压力几乎就增加一倍，分解速度常数也约增加一倍，分解时间约可缩短50%。第12页，共124页，2023年，2月20日，星期六CaCO3颗粒的分解过程颗粒表面a首先受热，达到分解温度后进行分解，排出CO2。随着过程的进行，表层变为CaO，分解反应逐步向颗粒内部推进。颗粒内部b点的分解反应可分为下列五个过程：1.气流向颗粒表面的传热过程；2.热量由表面以传导方式向分解面传递的过程；3.碳酸钙在一定温度下，吸收热量，进行分解并放出CO2的化学过程；4.分解放出的CO2

，穿过CaO层向表面扩散的传质过程；5.表面的CO2向周围介质气流扩散的过程。四个物理传递过程、一个化学反应过程记第13页，共124页，2023年，2月20日，星期六各过程的阻力不同，碳酸钙的分解速度受控于其中最慢的一个过程。回转窑内物料呈堆积状态，传热面积小，传热系数不高，故CaCO3的分解速度决定于传热过程立窑和立波尔窑，虽传热系数和传热面积大，但料球颗粒大，故CaCO3的分解速度决定于传热、传质过程悬浮预热器窑和窑外分解窑，生料悬浮于气流中，传热系数较大、特别是传热面积非常大，CaCO3的分解速度决定于化学反应过程过程第14页，共124页，2023年，2月20日，星期六缪勒尔推导出生料在分解炉等悬浮、沸腾状态下，单个颗粒的CaCO3分解动力学过程：①设生料为球形颗粒，其粒径为d，经时间t后，分解层厚度为y，分解率为ε，则未分解颗粒体积为

球形体积公式=用来描述平均粒度和粒度分布范围的参数叫做特征粒径。（式-1）第15页，共124页，2023年，2月20日，星期六②生料在悬浮、沸腾状态下，30μm左右粒径的分解主要决定于化学反应过程。设CaCO3的平衡分解压力为p0，气流中CO2分压为p，则CaCO3的分解速度将与压力差p0-p成正比，而与CO2分压p成反比。即：k——与物料性质有关的常数当温度一定时，p0、p、k为常数，积分得第16页，共124页，2023年，2月20日，星期六当t=0时，y=0，得C=0，所以t为分解时间（式-2）代入（式-1）得即（式-2）（式-3）为CaCO3的分解速度常数第17页，共124页，2023年，2月20日，星期六

(式-3)适用于单颗粒CaCO3，而实际生料是粒径大小不同的颗粒群。为了计算实际生料的分解时间，引入“等效颗粒”。

等效颗粒，就是分解时间相同时，它的分解率等于整个生料颗粒群的分解率。缪勒尔通过实验，得出了等效颗粒的粒径d0，生料特征粒径D与分解率ε的关系。由ε、D得d0

，将d0代入（式-3）中即可求出达到一定分解率所需时间。第18页，共124页，2023年，2月20日，星期六第19页，共124页，2023年，2月20日，星期六另福斯滕等人也对单颗粒CaCO3和实际生料粉的分解时间进行了研究，并给出了相应的关系式和曲线图。第20页，共124页，2023年，2月20日，星期六由缪勒尔和福斯滕等人的研究有以下结论：①当要求CaCO3分解率较低时（如<85%），生料分解所需时间将比大小等于特征粒径的单颗粒分解所需时间短；而要求分解率较高时（如>95%），前者将大于后者。这是由于生料中细颗粒分解所需时间与粗颗粒相差甚远的缘故。②要求分解率越高，各种生料的等效粒径增大越快。当要求分解率超过95%时，分解时间急剧增长，故入窑物料的分解率一般控制在95%以下，以85-95%为宜。表观分解率：即包括窑内飞灰循环所带入的已分解的部分。第21页，共124页，2023年，2月20日，星期六影响CaCO3分解速度的因素：p58页1.温度：2.窑系统的CO2分压：3.生料细度和颗粒级配：4.生料悬浮分散程度：5.石灰石的种类和物理性质：6.生料中粘土质组分的性质：记第22页，共124页，2023年，2月20日，星期六三、固相反应在CaCO3分解的同时，石灰质与粘土质组分间，通过质点的相互扩散，进行固相反应，过程如下：~800℃：CA、CF与C2S开始形成800~900℃：开始形成C12A7900~1100℃：C2AS形成后又分解，开始形成C3A和C4AF，所有CaCO3均分解，f-CaO达最高值1100~1200℃：大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值第23页，共124页，2023年，2月20日，星期六

水泥熟料矿物固相反应是放热反应固相反应一般包括界面上的反应和物质迁移两个过程。温度较低时，固态物质化学活性较低，扩散、迁移很慢，故固相反应常需在较高温度下进行。固体物质状态的改变对固相反应速度有极大的影响。在水泥熟料矿物形成时，当低于液相出现的温度而处于SiO2的晶型改变时，或CaCO3刚分解为CaO时，CaO与SiO2均为新生态的物质，其活化能特别小，活性大。因此，如能将粘土的脱水分解与石灰石的分解反应基本上重合的话，则可以大大促进固相反应的速度并降低能耗。第24页，共124页，2023年，2月20日，星期六急剧煅烧（利用极高的热力梯度使反应物活化的煅烧方法）或称为热力活化的试验结果，可证明上述理论。无论对哪种矿物，在急剧煅烧时，化合都比较完全，游离氧化钙较缓慢煅烧的为低。

P60表5-2、5-3第25页，共124页，2023年，2月20日，星期六第26页，共124页，2023年，2月20日，星期六第27页，共124页，2023年，2月20日，星期六由于回转窑内烧成时的加热条件，物料升温速度约为10~100℃/min，因而反应物活性较低。在悬浮预热器或分解炉内传热非常迅速，使粘土的脱水分解、CaCO3分解与固相反应等阶段基本重合，就可以使具有较高活性的新生态SiO2、Al2O3与CaO反应迅速，从而在820~860℃，就开始生成C12A7、C2S和铁铝酸盐等矿物。第28页，共124页，2023年，2月20日，星期六生料粉磨越细，反应速度越快；但太细，产量低、电耗高，需综合考虑。生料的均匀混合，增加各组分间接触，因此固相反应速度增加。增大压力，有利于颗粒接触，使反应速度增加，但由于有液、气相参与反应，有时反而影响固相反应速度。加入矿化剂可加速固相反应：见P62第二段第29页，共124页，2023年，2月20日，星期六四、液相和熟料烧结液相主要由Fe2O3、Al2O3、CaO所组成，还有MgO、碱等其它组分。在开始出现液相前C3S不会大量形成，到达最低共熔温度后开始出现液相。在高温液相作用下，水泥熟料逐渐烧结，物料逐渐由疏松状转变为色泽灰黑、结构致密的熟料，并伴随着体积收缩。同时，C2S+CaOC3S。随着温度升高和时间的延长，液相量增加，液相粘度减少，CaO、C2S不断溶解、扩散，C3S晶核不断形成，并使小晶体逐渐发育长大，最终形成几十微米大小、发育良好的阿利特晶体，完成熟料的烧结过程。第30页，共124页，2023年，2月20日，星期六（一）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。它决定于系统组分的性质与数目。硅酸盐水泥熟料由于含有MgO、Na2O、K2O、硫酐、TiO2、P2O5等次要氧化物，因此，最低共熔温度为1250℃。

矿化剂与其它微量元素(V2O5、ZnO)影响因素煅烧方法：快速升温煅烧熟料中液相量增加很快，有利于熟料中C3S的形成。第31页，共124页，2023年，2月20日，星期六由于快速升温煅烧，液相出现温度下降了200℃左右，而烧成熟料温度也从1450℃降至1300℃，因而水泥熟料中阿利特的形成温度基本上在1050—1300—1050℃范围内。P62表5-4一些系统的最低共熔温度P63表5-5液相出现温度与烧成制度的关系第32页，共124页，2023年，2月20日，星期六（二）液相量一般水泥熟料在烧成阶段的液相量约为20~30%，而白水泥等可能只有15%。

IM>1.38，P=(100/16.5)×F=6.1F在1338℃时

IM<1.38，P=8.2A-5.22F1400℃时：P=2.95A+2.2F1450℃时：P=3.0A+2.25F若考虑MgO、K2O、Na2O等，则

1400℃时：L=2.95A+2.2F+M+R1450℃时：L=3.0A+2.25F+M+R(P63图5-11、P64表5-6)见P64第三段见P64第四段第33页，共124页，2023年，2月20日，星期六液相粘度随铝率的变化见P65表5-7

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（开始烧结的温度）与开始出现结大块（超过正常液相量）时温度的差值。若T升高，L增加缓慢，烧结范围宽：窑内T波动，不易生烧或结大块。若T升高，L增加很快，烧结范围窄：降低Fe2O3、增加Al2O3可使烧结范围变宽。硅酸盐水泥熟料的烧结范围约为150℃，铝酸盐的为30~70℃。第34页，共124页，2023年，2月20日，星期六（三）液相粘度粘度小，液相中质点的扩散速度增加，有利于C3S的形成。烧成过程中，液相粘度随温度和组成而变化。提高温度，离子动能增加，减弱了相互间的作用力，η。

IM、ηNa2O、K2O使η；而Na2SO4、K2SO4使η

P65图5-12“液相粘度与温度的关系”

P65图5-13“液相粘度与铝率的关系”

P66图5-14“液相粘度与其他组分的关系”第35页，共124页，2023年，2月20日，星期六

液相粘度与液相组成的关系，随液相中离子状态和相互作用力的变化而异。在熟料液相中：CaO离解为Ca2+，SiO2离解为SiO44-，而Al2O3、Fe2O3由于属两性化合物，可同时离解为MeO45-和Me3+离子。Me2O3+5O2-2MeO45-构成紧密的四面体，Me-O键强，ηMe2O32Me3++3O2-

构成松散的八面体，Me-O键弱，η

快速升温煅烧比普通升温煅烧，液相粘度可下降1.8~2.4倍。认为不同升温速度导致Al3+、Fe3+配位数变化。P67表5-8“液相粘度与煅烧方法的关系”第36页，共124页，2023年，2月20日，星期六（四）液相的表面张力表面张力小，易润湿熟料颗粒或固相物质，有利于固相反应与固液相反应，促进熟料矿物的形成。镁、碱、硫等均会使表面张力降低。P67图5-15“液相表面张力、密度和温度的关系”随温度升高，表面张力、密度均下降。第37页，共124页，2023年，2月20日，星期六（五）CaO溶解于液相的速率随CaO粒径减小和温度增加，溶解于液相的时间愈短。见P67表5-9t——时间（min）；A——常数；D——颗粒直径（mm）T——绝对温度（K）;R——气体常数；E——氧化钙溶解活化能，采用610kJ/mol。第38页，共124页，2023年，2月20日，星期六五、熟料的冷却

冷却目的：回收熟料带走的热量，预热二次空气,提高窑的热效率；迅速冷却熟料以改善熟料质量与易磨性;降低熟料温度，便于熟料的运输、贮存与粉磨。从烧结温度开始，包括液相的凝固与相变两个过程。淬冷时，20~30%的液相来不及结晶而冷却成玻璃相。独立结晶：液相单独结晶第39页，共124页，2023年，2月20日，星期六

IM较高的熟料，在其三元无变量点发生l+C3SC3A+C2S反应，故快冷所得C3S含量较慢冷的为高；见p68图5-6、p69表5-10

IM较低的熟料，在其三元无变量点发生l+C2SC3S+C4AF反应，故慢冷所得熟料C3S含量高；见p69图5-17、p69表5-11

熟料冷却时，形成的矿物还会进行相变。如β-C2Sγ-C2S，C3SC2S+CaO等，急冷可避免。水泥的安定性受方镁石晶体大小的影响很大，晶体愈大，影响愈严重。急冷可减小方镁石大小。第40页，共124页，2023年，2月20日，星期六

熟料慢冷将促使矿物晶体长大，影响易磨性、水化速度和活性。见P70图5-19

急冷能增加抗硫酸盐性。急冷时C3A主要呈玻璃体，因而抗硫酸盐溶液侵蚀的能力强。见P70图5-18六、熟料形成的热化学既有吸热反应，也有放热反应。煅烧物料在1000℃以下的变化主要是吸热反应，而在1000℃以上则主要是放热反应。每kg熟料的理论热耗约为1630~1800kJ/kg熟料。P71表5-12、5-13、5-14第41页，共124页，2023年，2月20日，星期六第二节微量元素和矿化剂对熟料煅烧

和质量的影响一、CaF2

改善生料易烧性、提高熟料质量、降低能耗。作用：促进碳酸盐分解，加速碱性长石、云母的分解，加强碱的氧化物的挥发，促进结晶氧化硅的Si—O键断裂，有利于固相反应。CaF2对结晶SiO2和CaCO3作用的反应，一般认为：

CaF2+H2OCaO+2HF4HF+SiO2SiF4+2H2O2HF+CaCO3CaF2+H2O+CO2

从而加速CaCO3分解，破坏SiO2晶格，促进固相反应高温第42页，共124页，2023年，2月20日，星期六但近来的研究说明HF对CaCO3的分解不会起主要作用，而纯CaCO3分解活化能为166.6~167.5kJ/mol，CaCO3—CaF2系统的CaCO3分解活化能为128kJ/mol。因此，CaF2对CaCO3分解的促进作用，可能是高温条件下，CaF2达到或进入CaCO3表面CO32-的势场范围内，发生相互作用，导致表面上以某个CO32-离子为中心的局部畸变，增加表面活性中心的数量，相应也削弱了分解反应的势垒，加速CaCO3的分解速度。

CaF2可使液相出现温度降低，产生氟硅酸钙、氟铝酸钙等中间过渡相。第43页，共124页，2023年，2月20日，星期六1.对CaO-SiO2-CaF2三元系统60年代认为：当原料中掺有氟化钙时，在煅烧中会形成两种稳定的氟硅酸盐：2C2S·CaF2和3C2S·CaF2，它们作为C2S和C3S形成的中间产物，有利于C2S和C3S的形成。

4CaO+2SiO2+CaF22C2S·CaF22C2S·CaF2(α’-C2S)+CaF23(α’-C2S)+3CaO+CaF23C3S·CaF23C3S·CaF2C3SF(含氟固溶体)+液相850~950℃1040℃1130℃1175℃第44页，共124页，2023年，2月20日，星期六根据高温X射线衍射分析的结果认为：由CaO、SiO2和CaF2不能直接生成2C2S·CaF2，而是在生成α’-C2S以后，再与CaF2在一定温度下形成。超过1040℃，2C2S·CaF2发生分解。

4CaO+2SiO2+CaF22(α’-C2S)+CaF22(α’-C2S)+CaF22C2S·CaF2

温度升高到1200℃时

α’-C2S+CaF2

f-CaO+液相故认为2C2S·CaF2对C3S的形成关系不大800℃900℃1040℃1200℃第45页，共124页，2023年，2月20日，星期六经高温X射线衍射分析发现，3C3S·CaF2的组成似应为C11S4·CaF2。

8CaO+4SiO2+CaF22(α’-C2S)+2C2S·CaF22(α’-C2S)+2C2S·CaF24(α’-C2S)+CaF24(α’-C2S)+CaF2+3CaOC11S4·CaF2

在1200℃以下时：

C11S4·CaF23C3SF+液相而有的研究则认为：3C3S·CaF2的组成似应为C19S7·2CaF2较为确切。该三元过渡相的存在，于1100~1200℃，可使之形成C3SF，比水泥熟料中形成阿利特的温度降低了150~200℃，因而它的存在，有利于C3S的形成。900℃1040℃1100℃<1200℃第46页，共124页，2023年，2月20日，星期六2.CaO-Al2O3-SiO2-CaF2四元系统形成C11A7·CaF2，也有利于C3S的形成。在1350℃时C11A7·CaF2分解。

CaF2量多时，抑制C3A的形成。加CaF2作矿化剂，熟料应急冷。原因：C11A7·CaF2为不一致熔融化合物,在1200℃以下分解为C3SF和液相,而在熟料冷却时,液相又会回吸C3SF而生成C11A7·CaF2,从而降低强度。同时,CaF2于1250℃时,还会促使C3S的分解。第47页，共124页，2023年，2月20日，星期六二、硫化物在低温区和碱反应，在高温区挥发，从而在窑内富集，引起结皮、堵塞。硫对熟料的形成有强化作用：

SO3降低η，L，有利于C3S的形成；形成中间过渡化合物2C2S·CaSO4和4CaSO4·3Al2O3·SO3(简写C4A3S，早强矿物)4CaO+2SiO2+CaSO42(α’-C2S)+CaSO42(α’-C2S)+CaSO42C2S·CaSO42C2S·CaSO42(α’-C2S)+CaSO4C4A3S在950℃左右开始形成,在1350℃仍然保持稳定,在接近1400℃时，C4A3S开始分解为铝酸钙、氧化钙和三氧化硫。于1400℃以上时大量分解。1050℃1200℃1300℃第48页，共124页，2023年，2月20日，星期六三、复合矿化剂两种或两种以上的矿化剂一起使用时，称为复合矿化剂。最常用的是CaF2和CaSO4。（一）CaF2+CaSO4（简称氟、硫复合矿化剂）关于其作用机理及对熟料质量的影响存在较多争议。详见书P75倒数第二段但不少试验和生产实践表明：掺氟、硫复合矿化剂，硅酸盐水泥熟料可在1300~1350℃的低温下烧成。主要是由于中间过渡相在较低温度下可以促进C3S的形成，同时液相出现温度降至1180℃左右。掺氟、硫复合矿化剂时，会出现有时速凝、有时慢凝的现象。取决于CaSO4对C11A7·CaF2的迅速水化阻碍。另要注意对窑衬的腐蚀和对大气的污染。第49页，共124页，2023年，2月20日，星期六（二）重晶石+CaF2

对促进烧结有显著效果，烧成温度可降至1250~1350℃。可利用重晶石尾矿。（三）ZnO及其复合矿化剂

ZnO的加入可使液相出现温度降至1210℃，阻止β-C2Sγ-C2S，并促进C3S的形成。但ZnO过多会影响水泥的凝结和强度。掺磷矿渣时，应注意磷对熟料质量的影响。第50页，共124页，2023年，2月20日，星期六四、碱高温挥发、低温凝结，使碱循环富集，会引起二级旋风预热器卸料锥体或筒壁结皮，严重时堵塞卸料管，影响窑的正常生产。微量碱起助熔作用，对熟料性能并无危害；过量时，取代CaO形成含碱化合物，增加f-CaO，降低熟料质量。

12C2S+K2OK2O·23CaO·12SiO2+CaO3C3A+Na2ONa2O·8CaO·3Al2O3+CaO(KC23S12)(NC8A3)第51页，共124页，2023年，2月20日，星期六碱的存在，生成碱的硫化物，可以缓和碱的不利影响；碱高时，生成钾石膏(K2SO4·CaSO4·H2O)，使水泥库结块、水泥快凝；碱使混凝土表面起霜(白斑)NaOH(或KOH)+CaSO4Na2SO4(或K2SO4)，随水分迁移至表面，水分蒸发后留下白色的Na2SO4(或K2SO4)晶体。碱与活性集料发生“碱-集料反应”：水泥水化析出的KOH或NaOH与集料中的活性SiO2相互作用，形成碱的硅酸盐凝胶，产生局部膨胀、开裂。熟料中碱含量以以Na2O计应<1.3%

为防结皮、堵塞，采用旁路放风、冷凝放灰等。第52页，共124页，2023年，2月20日，星期六五、MgO

f

-MgO以方镁石存在，影响安定性。六、氧化钛和氧化磷

TiO2量少时稳定β-C2S；但多时形成CaO·TiO2，减少C3S量。

P2O5少时可提高熟料强度；多时会促进C3S分解，增加f

–CaO。用含磷原料时，应适当减少CaO，以免f

–CaO过高。七、其他微量元素微量的钡、锶、钒、硼等化合物，对熟料煅烧有利，也有利于提高熟料质量。第53页，共124页，2023年，2月20日，星期六第三节回转窑内的煅烧直筒型：最有效局部扩大型：延长物料停留时间，增加传热面积或窑的发热能力；易积料和扬尘、制造复杂、费用高。一、回转窑内物料流速和窑的煅烧特点在回转窑的斜度和转速不变的情况下,由于物料在窑内各带的化学变化和物理状态不同,使物料以不同的速度通过窑的各带。P79图5-21、P80图5-22

物料在烧成带内通过速度最慢,而分解带内(特别是分解带的热端),碳酸钙大量分解,使生料颗粒表面被CO2气体包裹而呈微流态化,因而物料运动速度最快。第54页，共124页，2023年，2月20日，星期六以1057t/d湿法窑为例：窑的热耗为5510kJ/kg熟料，废气带走热损失和水分蒸发热耗,每千克熟料高达3120kJ/kg熟料（占总热耗的56.6%），窑的热效率(理论热耗与窑的热耗比值的百分数)仅31.6%；回转窑内碳酸钙分解吸热高达每千克熟料1989kJ，而烧成带内阿利特形成(包括熟料形成时液相生成吸热在内)仅105kJ/kg熟料,基本上接近于0。P80表5-20、图5-23

回转窑内的传热速度慢，综合传热系数低，窑内升温慢。烧成带物料表面温度比物料的总体平均温度至少要高出200℃，表面物料首先反应。物料温度的不均匀性，会延长化学反应所需时间，并增加不必要的能量损失。第55页，共124页，2023年，2月20日，星期六回转窑内的煅烧特点：①使物料在烧成带保持一定的高温和足够的停留时间；仔细讲解P81第三段②分解带内，CaCO3分解要大量热，但窑内传热速度低，物料运动速度又快，是影响窑内物料煅烧的主要矛盾之一；③提高窑的热效率的主要途径：降低理论热耗，减少废气带走热损失和筒体表面的热损失,降低料浆水分或改湿法为干法等；④存在热工上经济的产量范围；p81图5-24⑤回转窑的预烧能力和烧结能力之间存在予盾,或者说回转窑的发热能力和传热能力间存在着矛盾,而且这一矛盾随着窑规格的增大而更加突出。窑的规格愈大，单位容积产量愈低。增加传热面积，改变传热方式（窑外预热器和分解炉）第56页，共124页，2023年，2月20日，星期六发热能力：回转窑单位时间内发出的热量。窑径愈大，则发热能力愈大。增加窑的发热能力可以提高窑的产量，但它应与窑的预烧能力相适应，以减少废气热损失。预烧能力：回转窑内干燥、预热和分解各带热交换能力的总和。它取决于窑的直径和长度，链条密度、结构形式和链条材质，热交换器的结构和形式，以及各种余热利用装置等。烧结能力：回转窑烧成带和放热反应带内，形成熟料矿物的能力。它取决于窑径，物料易烧性，燃料质量，二次空气温度，燃料燃烧的完全程度，火焰形状和长度，耐火衬料质量以及操作水平等。第57页，共124页，2023年，2月20日，星期六二、影晌回转窑产量、质量和消耗的主要因素（一）煅烧制度正常火焰煅烧：最好短焰急烧：不好高温长带煅烧：能提高产量，但必须增加传热面积低温长带煅烧：熟料强度较低矿化剂实际上延长了烧成带长度，增加了物料在烧成带的停留时间，提高窑的产量、质量，并降低消耗。应视不同的原料和窑等客观条件，使窑的预烧能力尽量和烧结能力相适应。第58页，共124页，2023年，2月20日，星期六（二）窑的传热能力提高回转窑传热能力的措施和方法1.链条装置：传热、输送物料和防止结泥巴圈等。垂挂链幕：干法长窑花环链幕：总趋势是加密、提高传热面积。2.热交换器料浆过滤预热器：装在湿法窑窑尾入口、链条带之前，内有金属填充体，粉尘浓度过大时易堵塞。格子式热交换器：装在链条带后面（从窑尾看），有金属（较贵）和陶瓷（易碎裂）格子式热交换器。陶瓷扬料器：把物料提升起来，易碎裂。湿法窑两种相结合第59页，共124页，2023年，2月20日，星期六各种热交换器均会增加窑内流体阻力，需考虑排风机压头和功率能否满足生产需要，同时会增加窑内扬尘，应注意窑内和窑外的收尘。三、降低消耗、提高热效率的措施湿法窑热效率29.0~33.5%，干法长窑热效率42~49.5%。（一）熟料理论形成热耗随熟料矿物、原料性质以及是否掺入矿化剂等而不同。第60页，共124页，2023年，2月20日，星期六（二）蒸发水分热耗每降低1%料浆水分，可降低热耗1~2%。降低料浆水分的方法：1.料浆过滤脱水机械脱水装置：真空过来机、压滤机连续带式过滤机：2.料浆稀释剂具有表面活性的有机物质，如木质素衍生物、腐植酸、亚硫酸酒精废液、木质磺酸钙、含碳添加剂、糖蜜等。作用机理：表面活性物质的离子和分子被吸附在料浆中的生料颗粒表面上，从而阻止了颗粒间凝聚，减少了料浆颗粒间的内部摩擦，因而增加了料浆的流动性。第61页，共124页，2023年，2月20日，星期六碱性电介质，如硅酸钠（水玻璃）、氢氧化钠、碳酸钠等。作用机理：以三聚磷酸钠Na2P3O10为例,未加稀释剂的料浆，其中的颗粒会粘结，而且在中间包围一定的水分，这些水不能起助流作用，因而料浆流动性不大。当加有Na2P3O10时，电离放出的P3O105-离子，将与粘土或石灰石颗粒表面的Ca2+离子形成共价键，从而使颗粒表面带负电，Na+再分布在颗粒周围，形成扩散双电层。试验表明：加入电解质稀释剂后，动电位增加，因而阻止了颗粒的聚结，增加了料浆的流动性。不同原料适用的稀释剂种类和数量有所差别，应通过实验确定。费用？第62页，共124页，2023年，2月20日，星期六（三）废气带走热损失湿法约占15%，干法长窑占25%。废气量：降低料浆水分和熟料单位热耗，减少过剩空气系数与漏风。废气温度：提高窑的传热能力。湿法窑为防止水分在电收尘器内冷凝，废气温度不应低于120~140℃。干法窑的废气余热利用，是提高系统热效率的重要途径。第63页，共124页，2023年，2月20日，星期六（四）表面散热损失单位熟料产量的窑壁表面积的大小：窑的类型和规格——产量越大、表面散热损失越小。窑壁表面的温度：耐火砖、轻质隔热砖与隔热纤维保温材料，但应保证窑的长期安全运转。（五）熟料带走热损失与冷却机废气热损失。决定于冷却机的种类和性能。放风（冷却风量超过二次风量时）（六）其它见P88最后一段第64页，共124页，2023年，2月20日，星期六第四节悬浮预热器窑和窑外分解窑内的煅烧一、悬浮预热器窑由一台回转窑和一组悬浮预热器构成。生料粉在预热器内呈悬浮状态与出回转窑的热烟气进行热交换，被加热至800℃左右，完成预热、粘土脱水分解和部分碳酸盐分解后，再落入回转窑煅烧。（一）悬浮状态下生料预热器的特点换热面积大，加热所需时间短。P90图5-32、5-33传热系数较传统回转窑提高了13~23倍，传热面积相当于传统回转窑的2400倍。反复经历“分散悬浮——吸热——气固分离”过程第65页，共124页，2023年，2月20日，星期六第66页，共124页，2023年，2月20日，星期六（二）悬浮预热器同流型：旋风预热器分类逆流型：立筒预热器同流、逆流不同组成的混合型一、旋风预热器图5-34：最上级为双筒是为了提高收尘效率。旋风筒之间由气体管道连接，每个旋风筒和相连接的管道形成预热器的一个级（由上而下编号，也有由下而上编号的）。旋风筒的卸料口用生料管道与下一级的气体管道相连。第67页，共124页，2023年，2月20日，星期六图5-34：物料和气流的运动过程及旋风筒内的运动生料首先喂入Ⅰ级旋风筒入口的上升管道内，在管道内进行充分热交换，然后由Ⅰ级旋风筒把气体和生料颗粒分离，收下的生料经卸料管进人Ⅱ级旋风筒的上升管道内进行第二次热交换，再经二级旋风筒分离。如此，依次经四级旋风预热器进入回转窑内进行煅烧，而预热器排出的废气经增湿塔、电收尘器由排风机排入大气。窑尾排出的1100℃烟气，经预热器热交换后，温度降至330℃左右；50℃左右的生料经各级预热器预热至750~820℃进入回转窑。各级物料与气流温度变化如图5-34所示。熟料热耗为每千克熟料3140kJ左右。第68页，共124页，2023年，2月20日，星期六在旋风预热器的各级管道和旋风筒中，热交换作用在顺流中发生，但如果从整体来看，则是逆流进行的。由几组同流热交换装置逆流组合的热交换系统,不论从理论上,还是在实践中,其传热效率都是比较高的。由于每级旋风筒和管道组成“一级”热交换装置，或者说组成一个热平衡单元，即通过每级热交换，气流和物料温度基本上趋于平衡。第69页，共124页，2023年，2月20日，星期六

废气经过“一级”预热器后,气体温度下降,生料温度被热气流加热上升至两者温度基本接近,此时“一级”热交换结束。但由于气体温度下降后,温度较低,因此,生料预热后温度也低。如果要提高入窑生料温度并降低废气出预热器温度,必须经过多级热交换(如图5-34所示)的系统才行。否则只经“一级”热交换,要提高入窑生料温度,则必然会增加出预热器的废气温度而降低热效率。因此,过去均选用四级旋风预热器,现一般均为五级,最近已出现六级预热器的系统。第70页，共124页，2023年，2月20日，星期六气固相间传热主要在管道中进行，占总传热量的87.5~94%；而旋风筒只占6~12.5%。因管道中气固相的相对速度高且温差大，而旋风筒主要是气固分离。为使生料能够比较充分地分散、悬浮于管道内的气流中,从而加速气固间的传热，必须注意：①管道内安装生料分散装置；②选择物料进入管道合适的方位：使生料逆气流方向进入管道，尽可能靠近下一级出口，但应避免“短路”；③管道应有足够的长度：悬浮、足够时间传热；④旋风筒下部的闪动阀必须运动灵活；翻板接缝处中间应开一小孔，使生料基本上能连续卸出，并兼有料封作用；避免漏风。第71页，共124页，2023年，2月20日，星期六第72页，共124页，2023年，2月20日，星期六分离效率的高低对系统的传热速率和热效率有重要影响。因分离效率低，物料在系统内、外的循环量就高。最高一级旋风简的分离效率决定着预热器系统的飞灰逸出量，提高它的分离效率是降低外部循环量的有效措施。最低一级（高温级）旋风筒的分离效率则是决定预热器系统内部物料循环量的主要因素。因此，预热器设计时,要求最高一级与最低一级旋风筒具有较高的分离效率，而中间各级为降低流体阻力，则可略为牺牲一些收尘效率。第73页，共124页，2023年，2月20日，星期六提高旋风预热器系统热效率的措施：提高传热效率，降低废气温度，减少外部物料循环；减少系统漏风，降低废气量；良好的保温、隔热材料，减少系统表面散热损失；采用高效收尘装置，减少飞灰造成的热损失。第74页，共124页，2023年，2月20日，星期六预热器热耗最低点在7~8级；随着级数增加，流体阻力增加。因此，综合能耗最低时在7级左右；经济效益最佳时为5~6级。第75页，共124页，2023年，2月20日，星期六2.立筒预热器见P94图5-38、图5-39；P95图5-40，图5-41、5-42立筒预热器的预热效果和传热效率都不如旋风预热器，已被淘汰。第76页，共124页，2023年，2月20日，星期六现象：最低1~2级（或4~5级）旋风筒椎体卸料部分结皮、甚至堵塞，严重的还会引起窑尾冷烟窒的结皮，从而影响窑的正常操作。原因：原、燃料中所带入的碱、氯、硫化合物在窑系统内循环和富集；最低一级旋风筒内温度过高以及燃料燃烧不完全等。放风措施：将回转窑窑尾高温烟气在预热器前从“旁路”中分离出一部分,与冷风混合,使以气相形态积聚起来的挥发物冷凝在飞灰上,由电收尘将此飞灰收捕下来排出窑系统,以减轻碱、氯、硫等循环,并减少熟料中的碱等含量。通过“旁路”排除的窑灰,不应再回到窑内。（三）预热器的结皮与旁路系统第77页，共124页，2023年，2月20日，星期六二、窑外分解窑主要特点：把大量吸热的CaCO3分解反应从窑内传热效率较低的区域移到悬浮预热器与窑之间的分解炉中进行。生料颗粒分散在分解炉中，处于悬浮或沸腾状态，以最小的温度差，在燃料燃烧的同时，进行高速传热过程，使生料迅速发生分解反应。第78页，共124页，2023年，2月20日，星期六第79页，共124页，2023年，2月20日，星期六第80页，共124页，2023年，2月20日，星期六（一）分解炉的种类和形式分解炉的基本原理：在分解炉中同时通入预热后的生料、一定量的燃料及适量的热空气。在900℃以下的温度(有的分解炉其最高燃烧温度可达1000℃左右)，使生料、燃料处于悬浮或沸腾状态，进行无焰燃烧，同时高速完成传热与碳酸钙的分解过程；在几秒钟内，生料的碳酸钙分解率就可达85%~95%（五级预热器预分解炉一般均超过90%）。生料预热后的温度约为820~860℃，一般不超过860℃。第81页，共124页，2023年，2月20日，星期六第82页，共124页，2023年，2月20日，星期六1.旋流式分解炉冀东水泥厂为NSF型运动状态描述见P99第一段发生混合和扩散作用；燃料是一面悬浮、一面燃烧；低温无焰燃烧。第83页，共124页，2023年，2月20日，星期六以SF型为代表，现已发展为旋流-喷腾式的NSF型。

NSF分解炉为SF分解炉的发展、改造型：改进了燃料和来自冷却机新鲜热空气的混合,使燃料充分燃烧;同时使预热后的生料分两路(或四路,上下各两路)分别进入分解炉反应室和窑尾上升管道中,以降低窑尾废气温度,减少结皮的可能性,并使生料进一步预热、与燃料充分混合,以提高传热效率和生料分解率。在分解炉中应充分使生料和燃料分散、混合，并有足够的停留时间和燃烧时间，以保证燃料的充分燃烧和生料的分解。第84页，共124页，2023年，2月20日，星期六2.涡流燃烧式分解炉以RSP型为例，万年、浦东、邳县、新疆等水泥厂第85页，共124页，2023年，2月20日，星期六RSP分解炉由涡流预燃室、涡流分解室以及混合室组成。利用冷却机抽出的高温热空气带动从第三级(或第四级)来的预热生料，切向喷入涡流分解室中，同时用几个燃料喷嘴或1~2个风煤混合装置喷入涡流预燃室，使炉内形成无焰燃烧。生料在向下回旋运动中于分解室内进行高速分解(分解率在35%~55%之间)。然后进人混合室，未分解的物料在混合室内受高温窑气的高速冲击，进行充分搅动，使生料分解率达85%~95%,经第四级旋风预热器分离后人窑。通常入窑生料温度为820~860℃。第86页，共124页，2023年，2月20日，星期六3.紊流式分解炉以派罗克隆(Pyroclon)型为例:它没有专门的分解炉,而是在连接窑和预热器的管道(窑尾竖管)内进行燃料燃烧和生料的分解。从第四级旋风筒来的生料(已预热)被喂入到连接管道(竖式管道分解炉)内进行分解,然后进入第五级旋风预热器内进行分离,最后进入回转窑。在垂直立管内燃料和生料的停留时间约为3~4s。第87页，共124页，2023年，2月20日，星期六4.喷腾式分解炉柳州、顺昌、珠江水泥厂SLC分解炉第88页，共124页，2023年，2月20日，星期六中部是一个镶有耐火衬里的圆筒,上、下各有一个圆锥形的顶盖和底部。生料和煤粉(或气体、液体燃料)在炉内呈悬浮状态。经过预热接近750℃的生料喂入分解炉底部，燃料由底部(下锥部)向上送人料流中，使之混合充分，燃烧空气从分解炉底部中心高速向上进入，使燃料和生料在下锥部形成喷腾状,随即开始燃烧过程与分解过程。1981年后,分解炉结构有了新的变化，主要是取消了炉的上锥体部分，炉顶由原来的锥形改为平顶，并使含有悬浮生料的气流从炉的圆柱形筒体上部以切线方向导出，进入最低级旋风筒内进行分离，从而延长燃料和生料在炉内的停留时间。第89页，共124页，2023年，2月20日，星期六5.沸腾式分解炉宁国水泥厂是第二代MFC第90页，共124页，2023年，2月20日，星期六以MFC型为代表(三菱流态化分解炉)。该炉分四个区:(1)流化层区：炉底装有喷嘴,可使直径达1mm的煤粒约有1min的停留时间，以充分燃烧。流化空气量为燃料理论空气量的10%~15%,流化空气压力为3~5kPa。煤粉可通过1~2个喂料口靠重力喂入或用气力输送装置直接喂入；煤粒可通过溜子喂入或与生料一起喂入。由于流化层的作用，燃料很快在层中扩散，整个层面温度分布均匀，温度波动在±10℃。(2)供气区：从篦式冷却机抽吸来的700~800℃的三次风,通过收尘后进人此区内。(3)稀薄流化区：位于供气区以上，为倒锥形结构。在此区内煤中的粗粒继续上下循环运动，形成稀薄的流化区。当煤粒进一步减小时，才被气流带至上部的直筒部分。第91页，共124页，2023年，2月20日，星期六(4)悬浮区：该区为圆筒形结构。经燃烧,颗粒已减小的煤粒与生料在此区呈稀相流化区(悬浮区),可燃物继续燃烧,生料进一步分解,分解的生料被气流从炉顶带出。物料分解后温度可达820~860℃,分解率可达90%~95%。由于炉内停留时间较长,燃料燃烧比较充分,因此,出分解炉的废气中CO含量极低,一般在0.05%以下,有时可以接近于0。为防止窑尾上升烟道内气体温度过高而结皮，仅将预热后部分生料喂入分解炉，其余加到上升烟道内，以降低气体温度并预热生料。第92页，共124页，2023年，2月20日，星期六6.D-D型分解炉陕西耀县水泥厂第93页，共124页，2023年，2月20日，星期六D-D炉的主要特点：(1)通过在炉的下部增设还原区段，使窑气中的NOx有效脱除。(2)通过在炉内主燃烧区后设立后燃烧区，使燃料进行两重燃烧。(3)气流在炉内运动既有喷腾运动，又有旋风效应，因而燃料燃烧和生料分解均较好。第94页，共124页，2023年，2月20日，星期六（二）窑外分解窑的特点和需要注意的问题1.窑外分解窑的热工特性(1)熟料形成的理论热耗qk0由于窑外分解窑的入窑生料碳酸钙分解率已达85%~95%，在回转窑内主要只进行部分碳酸钙(5%~15%)的分解以及固相反应、熟料形成和熟料冷却等。qk0随CaCO3分解率的提高而下降，ε>70%左右qk0才成为负值。窑外分解回转窑内熟料形成的理论热耗qk0是一个负值，是放热反应过程。因而窑外分解回转窑内传热不再是主要的，主要应保证熟料形成有足够的停留时间和一定的反应（C3S形成）需要的高温。第95页，共124页，2023年，2月20日，星期六（2）烧成带长度和熟料在烧成带的停留时间物料在烧成带的停留时间为10~12min，一般均不超过15min。窑尾废气温度最佳值为1130℃烧成带长度要相应延长，为窑内径的5~5.5倍。（3）窑外分解窑的有效热效应和热化学特性如P102表5-25、P103图5-48窑的单位熟料热耗为3115kJ/kg。第96页，共124页，2023年，2月20日，星期六第97页，共124页，2023年，2月20日，星期六第98页，共124页，2023年，2月20日，星期六2.窑外分解窑的产量由于窑内传热已不是主要矛盾，而主要决定于物料在烧成带的停留时间和烧成温度。第99页，共124页，2023年，2月20日，星期六3.窑外分解窑的长径比(L/D)L/D一般为14~17，它首先决定于入窑生料的CaCO3分解率。分解带长度与分解率的关系：冷却带、烧成带、放热反应带(过渡带)长度基本上与窑的直径成正比：L冷≈1.5D，L过≈4.0D。如L/D≤10，则一般需加大窑的直径，才能维持窑的产量。第100页，共124页，2023年，2月20日，星期六L/D缩小的注意事项：回转窑长径比缩小,欲保持一定的火焰长度时,则窑尾废气温度势必升高,从而易于引起碱、氯、硫等有害物质在预热器系统的结皮,甚至引起堵塞,影响窑系统热工制度的稳定性与窑的正常操作。如废气温度过低,如小于950~1000℃,则短窑火焰会被压缩,火焰温度升高,既影响熟料质量,又影响耐火砖的寿命,窑的产量也随之下降。如果要维持窑尾废气温度1050~1100℃,则必须采取一定的措施,如将部分生料(来自三级筒或四级筒的生料)喂入窑尾上升管道中,以降低废气温度,减少结皮的可能性,并有利于生料的预热。第101页，共124页，2023年，2月20日，星期六4.入窑生料的分解率出分解炉的生料分解率均控制达90~95%，分解生料温度达850~860℃。5.分解炉内生料的分散与无焰燃烧生料能充分分散，形成无焰燃烧：虽气固相间温差小，但传热面积大，传热系数高，强制对流传热，高速完成传热和生料分解。生料分散、悬浮不良，甚至悬浮不起来，则形成辉焰燃烧：火焰温度虽高，但因传热面积小和传热系数低，不但传热效率不高，而且高温火焰还会引起结皮和堵塞。第102页，共124页，2023年，2月20日，星期六6.生料进入分解炉前，部分生料送入出窑的高温烟气中（窑尾上升烟道）以降低窑尾废气温度,减少结皮的可能性,并使生料进一步预热,与燃料充分混合;或者使生料喂入来自冷却机的新鲜热气流中,有利于与燃料充分混合,进行无焰燃烧,以提高传热效率和生料分解率。7.供给分解炉用燃烧空气的两种流程AT型：空气通过型，分解炉用空气系通过回转窑内抽到分解炉。AS型：分离型，利用单独的三次风管将分解炉用燃烧空气从冷却机抽到分解炉。第103页，共124页，2023年，2月20日，星期六（三）几种有特色的窑外分解窑系统1.SCS系统p107图5-50特点：窑系列（K-Line）与分解炉系列(C-Line)排出的气体，分别进入各自的引风机。即窑排出的废气经过旋风筒K1、K2、K3、K4、K5后进人窑系列排风机；分解炉排出的气体经过旋风筒C1、C2、C3、C4、C5后进入分解炉系列排风机。入窑生料分别喂入窑系列和分解炉系列，这两个生料交叉通过两个系列中的全部旋风筒。第104页，共124页，2023年，2月20日，星期六第105页，共124页，2023年，2月20日，星期六第106页，共124页，2023年，2月20日，星期六2.F.R.S系统，即福勒再循环分解炉系统利用分解料再循环入分解炉以延长分解时间而提高分解率的系统。第107页，共124页，2023年，2月20日，星期六3.双立筒预分解系统分为窑系列和分解炉系列第108页，共124页，2023年，2月20日，星期六四、低温发电为充分利用窑与冷却机的余热,已实现了利用200~400℃废气的发电系统，称为低温余热发电，简称低温发电。用余热加热水，产生水蒸气驱动发电机，供本厂用；使用另加燃料与废气组成一个发电系统，可供本厂或向外供电。第109页，共124页，2023年，2月20日，星期六第五节熟料冷却机熟料必须进行冷却的主要原因：p68、110①回收高温熟料的热量，预热助燃空气，改善燃料燃烧过程，节约能源；②急冷有利于水泥强度的发挥，增强水泥抗硫酸盐性能，改善安定性，提高水泥质量；③冷却熟料，确保输送和储存熟料设施的安全运转；④熟料急冷后，易磨性得到改善，有利于粉磨。见ppt39~41第110页，共124页，2023年，2月20日，星期六筒式冷却机单筒式多筒式篦式冷却机推动篦式振动篦式回转篦式水平式：常用倾斜式：阶段篦式（或称复合式）：其他冷却机立筒冷却机“g”型冷却机：不能单独使用水泥熟料冷却机第111页，共124页，2023年，2月20日，星期六第六节立窑内的煅烧机立窑：料封管、预加水成球、闭门操作普通立窑：边壁效应普通煅烧法、全黑生料煅