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第二章 水泥熟料煅烧过程和设备

第二章 水泥熟料煅烧过程和设备. 水泥熟料煅烧是个复杂的气-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,都有重大进展与突破。.

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第二章 水泥熟料煅烧过程和设备

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  1. 第二章 水泥熟料煅烧过程和设备 水泥熟料煅烧是个复杂的气-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,都有重大进展与突破。

  2. 第一节 水泥熟料的形成过程 水泥熟料的形成(煅烧)过程概述 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。由于制备方法不同,生料可制成料浆(含水份约32~40%)、料球(成球水份约12~14%)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。 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、燃烧炉和传热设备、物料和气体的输送设备。 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。

  3. 生料煅烧过程中的物理、化学变化 尽管煅烧过程因窑型不同而有所差异,但物理、化学变化过程基本相似.其过程可概括为: 干燥与脱水 碳酸盐分解 固相反应 熟料的冷却 液相和熟料的烧结

  4. 熟料煅烧过程概述 150℃以前 生料中物理水蒸发 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; 500℃左右 900℃左右 碳酸盐分解放出CO2和新生态CaO; 粘土的无定形脱水产物结晶,各种氧化物间进行固相反应; 900~1200℃ 1250~1280℃ 所产生的矿物部分熔融出现液相; 1280~1450℃ 液相量增多,C2S通过液相吸收CaO形成C3S。直至熟料矿物全部形成; 1450~1300℃ 熟料矿物冷却。

  5. 一、生料的干燥与脱水 • 干燥 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)

  6. 脱水 指黏土矿物分解释放化学结合水。 层间水在100℃左右即可排除,而配位水则必须高达400~600℃以上才能脱去。 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。 (1)高岭石脱水 (2)蒙脱石脱水 Al2O3.4SiO2.mH2O→Al2O3.4SiO2+m H2O (晶体结构—活性低) (3)伊利石脱水 产物也是晶体结构,伴随体积膨胀

  7. 二、碳酸盐分解反应机制 1、碳酸盐分解反应 碳酸盐的分解主要为碳酸钙和碳酸镁的分解,其化学反应式为: 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。

  8. CaCO3 CaO 2、石灰石颗粒的分解机制 • 分解过程分五步进行: (1)气流向颗粒表面的传热过程; (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

  9. 3、碳酸钙分解反应的动力学关系 碳酸钙分解反应的动力学表达式,根据A · Mülle大量试验结果,将温度、粒度尺寸及环境条件考虑在内,有如下实用关系: 式中: —碳酸钙分解率,%; A—反应的频率因子,3.05×106Pa·m/s; E—反应活化能,171.850J/mol·K;

  10. R—气体常数,8.314 J/mol·K; T—反应温度,℃; —颗粒直径,m; —碳酸钙分解时,CO2平衡压力,其值是温度函数,Pa; —环境介质中CO2分压,包括分解产生的CO2和燃气中CO2之和,Pa。

  11. 4、影响碳酸钙分解因素的讨论: 上式很明确表达了影响碳酸钙分解的诸因素及其相互联系。 • 根据粗略估算:反应温度每升高10℃,反应时间可缩短50%; • 环境中CO2分压每降低2%,反应时间可缩短10%。 • 颗粒的粗细,愈细,分解愈快。 其他因素略。

  12. 影响碳酸盐分解速率的因素 温度 随温度升高,分解速率常数和压力倒数差相应增大,分解速率和时间缩短; 式中: t—分解时间;K—分解常数; P—CO2的分压;ε—分解率 d—生料等效粒径; (单个颗粒碳酸盐分解动力学方程)

  13. 窑系统的CO2分压 通风良好, CO2分压较低,有利于碳酸盐分解; 生料细度和颗粒级配 生料细度细,颗粒均匀,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.

  14. 三、固相反应 在碳酸盐分解的同时,石灰质与粘土质组分间进行固相反应,其过程如下: ~800℃:CaO•Al2O3,CaO•Fe2O3与2CaO•SiO2开始形成; 800 ~ 900 ℃:开始形成12CaO•7Al2O3(C12A7); 900 ~ 1000 ℃: 2CaO• Al2O3•SiO2(C2AS)形成后又分解。开始形成3CaO•Al2O3(C3A)和4CaO• Al2O3•Fe2O3(C4AF)。所有碳酸盐均分解,游离氧化钙达到最高值。 1100 ~ 1200℃:大量形成C3A和C4AF,C2S含量达最大值。

  15. 影响固相反应的因素 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; 生料的均化程度 生料的均匀混合,可增加各组分间接触,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

  16. 四、液相的形成与熟料的烧结 • 1、液相的形成 液相的组成: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,两种或两种以上组分开始出现液相的温度称为最低共熔温度。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20~30%) 。对C-S-A-F四元系统,在不同温度下的液相量(L)可按下式计算:

  17. 可以认为水泥熟料中的其它组分全部进入液相。可以认为水泥熟料中的其它组分全部进入液相。 不同温度下,液相的计算公式: 1400℃L=2.95Al2O3+2.20Fe2O3 +R 1450℃L=3.00Al2O3+2.25Fe2O3 +R 1500℃ L=3.30Al2O3+2.60Fe2O3 +R 液相的粘度: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,粘度越低;铝率越高,粘度越大;多数微量元素可降低液相粘度。 液相的表面张力:其大小与组分性质、温度有关。它影响着液相能润湿固相的程度,表面张力越小,润湿性越好,有利于C3S的形成。

  18. 2、熟料的烧结 硅酸三钙的形成: 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,最终形成几十微米大小、结晶良好的阿利特晶体。 影响因素:物料的化学组成、煅烧方法、升温速率、矿化剂与其他微量元素等。

  19. 五、熟料的冷却 目的:回收熟料带走的热量,预热二次空气,提高窑的热效率;改善熟料质量与易磨性;便于熟料运输、贮存与粉磨。 熟料为何要急冷? 减少C3S分解;防止β-C2S向γ-C2S转化,提高熟料质量;防止方镁石晶体长大,有利于水泥安定性;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。 过程:液相的凝固和相变两个过程.

  20. 六、熟料形成的热化学 生料在加热过程中所发生的物理化学变化有吸热和放热反应 水泥熟料形成各反应的热效应 经计算,熟料的理论形成热:1630-1800kJ/kg-熟料

  21. 在900℃以下主要是吸热反应,可视为预烧阶段。1000~1450℃则以放热反应为主。固相反应矿物形成的总放热量还可按下式进行估算:在900℃以下主要是吸热反应,可视为预烧阶段。1000~1450℃则以放热反应为主。固相反应矿物形成的总放热量还可按下式进行估算: kJ/kg熟料 由此说明在此阶段重要的是要保持一定的温度位和保温时间,才能使反应得以完成。被称为烧成阶段。

  22. 生产1kg熟料所需理论热耗可根据热平衡计算求得,也可由以下经验公式计算:生产1kg熟料所需理论热耗可根据热平衡计算求得,也可由以下经验公式计算: (略)

  23. 本节结束 谢谢大家!

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