煅烧基本原理和工艺设备

1煅烧基本原理水泥生料经过连续升温,达到相应的高温时，其煅烧会发生一系列物理化学变化，最后形成熟料。硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）等矿物所组成。煅烧过程物理化学变化水泥生料在加热煅烧过程中所发生的主要变化。一、自由水的蒸发二、粘土脱水与分解三、石灰石的分解四、固相反应五、熟料的烧成和熟料的冷却下面具体分述：一、自由水的蒸发无论是干法生产还是湿法生产，入窑生料都带有一定量的自由水分，由于加热，物料温度逐渐升高，物料中的水分首先蒸发，物料逐渐被烘干，其温度逐渐上升，温度升到100~150℃时，生料自由水分全部被排除，这一过程也称为干燥过程。二、粘土质原料脱水和分解粘土主要由含水硅酸铝所组成，其中二氧化硅和氧化铝的比例（波动于2∶1~4∶1之间）。当生料烘干后，被继续加热，温度上升较快，当温度升到450℃时，粘土中的主要组成高岭土2（Al2O3·2SiO2·2H2O）失去结构水，变为偏高岭石（2SiO2·Al2O3）。Al2O3·2SiO2·2H2O→Al2O3+2SiO2+2H2O↑(无定形)(无定形)高岭土进行脱水分解反应时，在失去化学结合水的同时，本身结构也受到破坏，变成游离的无定形的三氧化二铝和二氧化硅。其具有较高的化学活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在900℃~950℃，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。三、石灰石的分解脱水后的物料，温度继续升至600℃以上时，生料中的碳酸盐开始分解，主要是石灰石中的碳酸钙和原料中夹杂的碳酸镁进行分解，并放出二氧化碳，其反应式如下：600℃MgCO3→MgO+CO2↑900℃CaCO3→CaO+CO2↑实验表明：碳酸钙和碳酸镁的分解速度随着温度升高而加快，在600℃~700℃时碳酸镁已开始分解，加热到750℃分解剧烈进行。碳酸钙分解温度较高，在900℃时才快速分解。CaCO3是生料中主要成分，分解时需要吸收大量的热量，是熟料形成过程中消耗热量约占干法窑热耗的一半以上，分解时间和分解率都将影响熟料的烧成，因此CaCO3的分解是水泥熟料生产中重要的一3环。CaCO3的分解还与颗粒粒径、气体中CO2的含量等因素有关。石灰石的分解虽与温度相关，但石灰石颗粒粒径越小，则表面积总和越大，使传热面积增大，分解速度加快。因此适当提高生料的粉磨细度有利于碳酸盐的分解。碳酸钙的分解具有可逆的性质，如果让反应在密闭容器中在一定温度下进行，则随着CaCO3的分解产生气体CO2的总量的增加，其分解速度就要逐渐减慢甚至为零，因此在煅烧窑内或分解炉内加强通风，及时将CO2气体排出则是有利于CaCO3的分解，其实窑系统内CO2来自碳酸盐的分解和燃料的燃烧，废气中CO2含量每减少2%，约可使分解时间缩短10%。当窑系统内通风不畅时，CO2不能及时被排出，废气中CO2含量的增加，会影响燃料燃烧使窑温降低的，废气中CO2含量的增加和温度降低都要延长CaCO3的分解时间。由此窑内通风对CaCO3的分解起着重要的作用。四、固相反应粘土和石灰石分解以后分别形成了CaO、MgO、SiO2、Al2O3等氧化物，这时物料中便出现了性质活泼的游离氧化钙，它与生料中的二氧化硅、三氧化二铁和三氧化二铝等氧化物进行固相反应，其反应速度随温度升高而加快。水泥熟料中各种矿物并不是经过一级固相反应就形成的，而是经过多级固相反应的结果，反应过程比较复杂，其形成过程大致如下：800~900℃CaO+Al2O3→CaO·Al2O3(CA)4CaO+Fe2O3→CaO·Fe2O3(CF)800~1100℃2CaO+SiO2→2CaO·SiO2(C2S)CaO·Fe2O3+CaO→2CaO·Fe2O3(C2F)7（CaO·Al2O3）+5CaO→12CaO·7Al2O3(C12A7)1100~1300℃12CaO·7Al2O3+9CaO→7（3CaO·Al2O3）(C3A)7CaO·Fe2O3）+2CaO+12CaO·7Al2O3→7（4CaO·Al2O3·Fe2O3）(C4AF)应该指出，影响上述化学反应的因素很多，它与原料的性质，粉磨的细度及加热条件等因素有关。如生料磨得愈细，混合得均匀，就增加了各组分之间的接触面积，有利于固相反应的进行，又如从原料的物理化学性质来看，粘土中的二氧化硅若是以结晶状态的石英砂存在，就很难与氧化钙反应，若是由高岭土脱水分解而来的无定形二氧化硅，没有一定晶格或晶格有缺陷，故易与氧化钙进行反应。从以上化学反应的温度，不难发现，这些反应温度都小于反应物和生成物的熔点（如CaO、SiO2与2CaO·SiO2的熔点分别为2570℃、1713℃与2130℃），就是说物料在以上这些反应过程中都没有熔融状态物出现，反应是在固体状态下进行的，但是以上反应（固相反应）在进行时放出一定的热量。因此，这些反应统称为“放热反应”。五、熟料烧成由于固相反应，生成了水泥熟料中C4AF、C3A、C2S等矿物，但是水泥熟料的主要矿物C3S要在液相中才能大量形成。当物料温度升高到近1300℃时，会出现液相，形成液相的主要矿物为C3A、C4AF、5R2O等熔剂矿物，但此时，大部分C2S和CaO仍为固相，但它们很容易被高温的熔融液相所溶解，这种溶解于液相中的C2S和CaO很容易起反应，而生成硅酸三钙。2CaO·SiO2+CaO→3CaO·SiO2(C3S)这个过程也称石灰吸收过程。当然，C3S也可以通过固相反应来形成，但是煅烧过程需要更高的温度和更长的时间，因而这种办法在工业上至少在目前还没有什么实用价值。大量C3S的生成是在液相出现之后，普通硅酸盐水泥组成一般在1300℃左右时就开始出现液相，而C3S形成最快速度约在1350℃，在1450℃下C3S绝大部份生成，所以熟料烧成温度可写成1350℃~1450℃。它是决定熟料质量好坏的关键，若此温度有保证则生成的C3S较多，熟料质量较好；反之，生成C3S较少，熟料质量较差，不仅如此，此温度还影响着C3S的生成速度，随着温度的升高，C3S生成的速度也就加快，在1450℃时，反应进行非常迅速，此温度称为熟料烧成的最高温度，所以水泥熟料的煅烧设备，必须能够使物料达到如此高的温度。否则，烧成的熟料质量受影响。任何反应过程都需要有一定的时间，C3S的形成也一样，它的形成不仅需要有温度的保证，而且需在该温度下停留的时间，使之能反应充分，在煅烧较均匀的回转窑内时间可短些。时间过长易使C3S生成粗而圆的晶体，使其强度发挥慢而低，一般需要在高温下煅烧20~30分钟。6C3S是水泥熟料的主要矿物，且在液相中形成，这样影响C3S的生成因素如下：①生料的组分数对液相生成的影响：组分数增加，最低共熔点降低，尤其是组分中增加此熔点低的物质时，液相出现的温度更要降低，硅酸盐水泥熟料中一般都有少量镁、碱、硫等其他组成，其最低共熔温度约为1250℃~1280℃，虽然这些次要组成能使液相提早生成，但它们是有害组成，对其含量都有一定的限制。②化学成份的影响一般铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）在1300℃左右时，都能熔成液相，所以称C3A和C4AF为熔剂性矿物。而C3A和C4AF的增加必须是Al2O3和Fe2O3的增加，熟料中MgO、R2O等成分也能增加液相量。一般硅酸盐水泥熟料成分生成的液相量可近似用下式进行计算：当烧成温度为1400℃时W%=2.95A+2.2F+a+b（1-1）当烧成温度为1450℃时W%=3.0A+2.25F+a+b（1-2）式中W%——液相百分含量（%）A——熟料中Al2O3百分含量（%）F——熟料中Fe2O3百分含量（%）a——熟料中MgO百分含量（%）7b——熟料中R2O百分含量（%）C3A和C4AF都是熔剂性矿物，但它们生成液相的粘度是不同的C3A形成的液相粘度大，C4AF形成的液相粘度小，因此当熟料中C3A和Al2O3含量增加，C4AF或Fe2O3含量减少时，即熟料的铝率增加时，生成液相粘度增加，反之则液相粘度减小，由此液相量的多少和粘度，对C3S的生成会有很大影响，如果液相量多，粘度小，有利于C3S的生成，因为液相量多时，CaO和C2S在其中的溶解量也多；粘度小时，液相中CaO和C2S分子扩散速度大，相互接触的机会多，故反应进行得充分，但应注意，如果液相量过多，粘度过小，则会给煅烧操作带来困难，如易结圈、烧流等，同时因为硅酸盐矿物的减少会影响熟料质量。③煅烧温度的影响提高煅烧温度可降低液相粘度，由式（1-1）、（1-2）可看出，煅烧温度的提高也使液相的百分含量增多。但煅烧温度不宜过高，煅烧温度过高了在窑内易结大块、结圈等弊病；而且煅烧温度过高还易使C3S生成大而圆的晶体，这个大而圆的晶体很致密，与水作用速度很慢，使强度发挥慢。故最高烧成温度应控制在1450℃。六、熟料的冷却当熟料烧成后，温度开始下降，同时C3S的生成速度也不断减慢，温度降到1300℃以下时，液相开始凝固，C3S的生成反应完结，这时凝固体中含有少量的未化合的CaO，则称为游离氧化钙。温度继续下降便进入熟料的冷却阶段。8熟料烧成后，就要进行冷却，其目的在于：改进熟料质量，提高熟料的易磨性；回收熟料余热，降低热耗，提高热的效率；降低熟料温度，便于熟料的运输、储存和粉磨。熟料冷却的好坏及冷却速度，对熟料质量影响较大。因为部分熔融的熟料，其中的液相在冷却时，往往还和固相进行反应。在熟料的冷却过程中，将有一部分熔剂矿物（C3A和C4AF）形成结晶体析出，另一部分熔剂矿物则因冷却速度较快来不及析晶而呈玻璃态存在。C3S在高温下是一种不稳定的化合物，在1250℃时，容易分解，所以要求熟料自1300℃以下要进行快冷，使C3S来不及分解，越过1250℃以后C3S就比较稳定了。对于1000℃以下的冷却，也是以快速冷却为好，这是因为熟料中的C2S有α′、α、β、γ四种结晶形态，温度及冷却速度对C2S的晶型转化有很大影响，在高温熟料中，只存在α—C2S；若冷却速度缓慢，则发生一系列的晶型转化，最后变为γ—C2S，在这一转化过程中由于密度的减小，使体积增大10%左右，从而导致熟料块的体积膨胀，变成粉末状，在生产中叫做“粉化”现象。γ—C2S与水不起水化作用，几乎没有硬性，因而会使水泥熟料的质量大为降低。为了防止这种有害的晶型转化，要求熟料快速冷却。熟料快速冷却还有下列许多好处：①可防止C2S晶体长大或熟料完全变成晶体。有关资料表明：晶体粗大的C2S会使熟料强度降低，若熟料中的矿物完全变成晶体，就难于粉磨。9②快冷时，MgO凝结于玻璃体中，或以细小的晶体析出，可以减轻水泥凝结硬化后由于方镁石晶体不易水化而后缓慢水化出现体积膨胀，使安定性不良。③快冷时，熟料中的C3A的晶体较少，水泥不会出现快凝现象，并有利于抗硫酸盐性能的提高。④快冷可使水泥熟料中产生应力，从而增大了熟料的易磨性。此外熟料的冷却，还可以部分地回收熟料出窑带走的热量，即可降低熟料的总热耗，从而提高热的利用率。由此，熟料的冷却对熟料质量和节约能源都有着重要的意义，因而回转窑要选用高效率的冷却，并减少冷却机各处的漏风，以提高其冷却效率的同时回收熟料的显热，提高了窑的热效，特别是预分解窑，其意义是很重要的。熟料在回转窑内煅烧回转窑生产水泥熟料，可分为湿法、半干法、干法、新型干法等几种回转窑类型。这里只讨论新型干法中的预分解窑生产水泥熟料的煅烧，一、回转窑的作用凡采用回转窑煅烧水泥熟料，是利用一个倾斜的回转圆筒（斜度一般在3~5%），生料由圆筒的高端加入（即窑尾），由于圆筒具有一定的斜度且不断回转运动，物料就会从高端向低端（即窑头）逐渐运动。因此说：回转窑首先是一个物料输送设备。回转窑又是燃烧设备，可使用固体（粉状）燃料、液体、气体三10种不同类型的燃料，在我国水泥厂主要是煤粉作燃料，事先将煤经烘干细磨制成粉状，再用鼓风机由窑头向窑内喷入。燃烧用的空气是由两部分组成的，一部分是预先和煤粉混合并起输送作用的载体（空气），来完成煤粉向窑内喷射的过程，该空气载体叫做“一次空气”，大部分入窑空气是经过熟料冷却时被加热到一定温度（一