第五章硅酸盐水泥熟料的煅烧本章主要内容：

第五章硅酸盐水泥熟料的煅烧 本章主要内容：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。

研究方法： • 在实验室内进行 • 在试验窑与生产窑上进行

第5次课：理论课 • 主要教学内容： §5.1 生料在煅烧过程中的物理与化学变化 • 重点：生料在煅烧过程中的物理与化学变化 • 教学目的要求１. 掌握碳酸盐的分解反应、过程和特点，了解影响因素；２. 掌握固相反应过程和特点，了解影响固相反应的因素； 3 . 了解熟料烧结的过程，掌握影响熟料烧结的因素； 4 . 掌握熟料冷却的目的、冷却方式、冷却的作用； • 教学方法与手段：　讲授板书与多媒体相结合

作业题： 1.简述碳酸盐的分解过程。 2.固相反应有什么的特点？采取哪些措施可加速固相反应的进行? 3.简述熟料的烧结过程。影响熟料烧结的因素有哪些？ 4.熟料冷却的目的是什么？硅酸盐水泥熟料采取哪种冷却方式？为什么？

回转窑内”带”的划分及其作用 1.干燥带物料温度20—150℃ 气体温度200—400℃ 2.预热带物料温度150—750℃ 气体温度400—1000℃ 3.碳酸盐分解带物料温度750—1000℃ 气体温度1000—1400℃ 4.放热反应带物料温度1000—1300℃ 气体温度1400—1600℃ 5.烧成带物料温度1300—1450--1300℃ 气体温度1650—1700℃ 6.冷却带

§5.1生料在煅烧过程中的物理化学变化 干燥（自由水蒸发）吸热 100~150℃ 粘土质原料脱水吸热 450℃ 碳酸盐分解强吸热 900℃ 固相反应放热 800~1200℃ 熟料烧结微吸热 1300~1450~1300℃ 熟料冷却放热 1300℃~

一、干燥与脱水 1.干燥：生物料中自由水分的蒸发蒸发温度：100℃ 生料中自由水量因生产方法与窑型不同而异：干法窑﹤1％立窑、半干法立波尔窑：12 ～15％湿法窑：30～40 ％半湿法立波尔窑：18 ～22％

2.脱水 脱水是指粘土矿物分解放出化合水。层间吸附水：以水分子状态 ·水存在形式：脱水温度：100℃左右晶体配位水：OH- 脱水温度：400～600℃以上　

·脱水反应（两种观点）： ⅰ 产生无水铝硅酸盐（偏高岭土）： Al2O32SiO22H20→ Al2032SiO2 + 2H2O 高岭土偏高岭土 ⅱ分解为无定形氧化硅与氧化铝 Al2O32SiO22H20 → Al203 + 2SiO2 + 2H2O

二.碳酸盐分解1.分解反应 MgC03 MgO + CO2↑－(1047～1214)J/g CaC03 CaO + CO2↑－1645 J/g • 生料中的碳酸钙和夹杂的少量碳酸镁在煅烧过程中分解并放出CO2的过程称碳酸盐分解。 • 碳酸镁的分解温度始于402～480℃左右，最高分解温度700℃左右； • 碳酸钙在600℃时就有微弱分解发生，但快速分解温度在812～928℃之间变化

2.分解特点 ·可逆反应； ·强吸热反应；每1 kg纯碳酸钙在890℃时分解吸收热量为1645J/g，是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程。分解所需总热量约占预分解窑的二分之一； ·反应起始温度较低； ·分解温度与CO2分压和矿物结晶程度有关。

3. 碳酸钙的分解过程 ①热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。即:两个传热过程、一个传质过程和两个化学反应过程。

4.影响碳酸钙分解速度的因素 ·温度 ·系统中CO2分压 ·生料细度和颗粒级配 ·生料悬浮分散程度 ·石灰质原料的特性 ·生料中粘土质组分的性质

三.固相反应 • 通常在碳酸钙分解的同时，分解产物CaO与生料中的SiO2、Fe2O3、Al2O3等通过质点的相互扩散而进行固相反应，形成熟料矿物。 • 固相反应的过程比较复杂，其过程大致如下：

1.反应过程 ～800℃ CA、 CF、C2S开始形成 800～900℃ 开始形成 C12A7 900～1100℃ C2AS形成后又分解、开始形成C3A和 C4AF 1100～l200℃ 大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。～l250℃ 液相出现，意味着烧结开始。

2.反应特点 ·放热反应，固相反应的放热量约为420～500J/g； ·非均相反应； ·固相反应通常需要在较高温度下进行； ·新生态的物质易于反应；

3.影响固相反应的主要因素： ·生料细度及均匀性生产上宜使生料的颗粒分布控制在较窄的范围内，特别要控制0.2以上的粗粒。 ·原料性质 ·温度和时间 ·固相间的压力 ·矿化剂

四. 熟料烧结 1.熟料的烧结过程在高温液相作用下，固相硅酸二钙和氧化钙都逐步溶解于液相中，硅酸二钙吸收氧化钙形成硅酸盐水泥的主要矿物—硅酸三钙，其反应式如下： C2S + Ca0 → C3S 随着温度的升高和时间延长，液相量增加,液相粘度降低，氧化钙、硅酸二钙不断溶解、扩散，硅酸三钙晶核不断形成，并逐渐发育、长大，最终形成几十微米大小、发育良好的阿利特晶体。与此同时，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、结构致密的孰料，以上过程为熟料的烧结过程，简称熟料烧结。

1300～1450～1300℃称为熟料的烧结温度。在此温度范围内大致需要10～20min完成熟料烧结过程。1300～1450～1300℃称为熟料的烧结温度。在此温度范围内大致需要10～20min完成熟料烧结过程。

2.影响熟料烧结过程的因素 ·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。最低共熔温度决定于系统组分的数目和性质。组分的数目和性质都影响系统的最低共熔温度。硅酸盐水泥熟料一般有氧化镁、氧化纳、氧化钾、硫矸、氧化钛、氧化磷等次要氧化物，最低共熔温度约为1250℃左右。适量的矿化剂与其他微量元素等可以降低最低共熔温度，使熟料烧结所需的液相提前出现（约1250℃），但含量过多时，会对熟料质量造成影响，对其含量要有一定限制。

·液相量 液相量与组分的性质、含量及熟料烧结温度有关，所以不同的生料成分与煅烧温度等对液相量有很大影响，一般水泥熟料煅烧阶段的液相量约为20%～30%。烧结范围：P66 通常硅酸盐水泥熟料的烧结范围约为150℃

图5-1-2 液相粘度与温度关系 1—最低共融物；2—1450℃C2S与CaO所饱和的液相图5-1-1 液相粘度与铝率关系 1440℃纯氧化物熟料 ·液相粘度粘度对烧结的影响：液相粘度对硅酸三钙的形成影响较大。粘度小，液相中质点的扩散速度增加，有利于硅酸三钙的形成。影响粘度的因素：温度、组成及其他微量元素氧化物

·液相的表面张力 ·液相的表面张力越小，越易润湿固体物质或熟料颗粒，有利于固相反应与固液反应，促进C3S的形成。 ·液相中有镁、碱、硫等物质存在时，可降低液相表面张力，从而促进熟料烧结。 ·液相的表面张力与液相温度、组成和结构有关。 ·氧化钙溶于熟料液相的速率

五. 熟料冷却 ·熟料烧结过程完成之后，C3S的生成反应结束，熟料从烧成温度开始下降至常温，熔体晶化、凝固，熟料颗粒结构形成，并伴随熟料矿物相变的过程称为熟料的冷却。 ·一般所说的冷却是指液相凝固以后（﹤1300℃），但严格讲，当熟料过了最高温度1450℃后，就算进入了冷却阶段。 ·煅烧过程中的冷却包括煅烧阶段后期（ 1450℃ ～1300℃）的冷却和液相凝固以后（1300℃左右）的冷却两个阶段。一般所指的冷却是后冷却。

1.冷却的目的: ·回收熟料余热，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、储存和粉磨。

2.冷却方式 · 平衡结晶：冷却速度非常缓慢，使固相中的离子扩散足以保证固液相间的反应充分进行，称为平衡结晶。 · 独立结晶：如果冷却速度中等，使液相能够析出结晶，由于固相中质点扩散很慢，不能保证固液相间反应充分进行，为独立结晶。 · 淬冷：如果冷却很快，此时在高温下形成的20～30％液相，来不及结晶而形成玻璃体，称为淬冷。

冷却制度不同所得的矿物组成有很大差别，熟料铝率在0.64 ～ 3.5之间，对铝率较高或中等的熟料，快冷所得C3S含量较慢冷的高，对铝率较低的熟料则相反。 • 对硅酸盐水泥熟料（IM=0.8 ～ 1.7），应采取急冷措施。

3.急冷对改善熟料质量的作用 ·防止或减少C3S的分解和β-C2S 转化成γ- C2S ·改善水泥的安定性 ·减少熟料中C3A结晶体，提高水泥的抗硫酸盐性能。急冷时C3A来不及结晶出来而存在玻璃体中，或结晶细小，不易产生快凝，凝结时间容易控制，同时有利于提高水泥的抗硫酸盐性能。 ·提高熟料易磨性急冷时熟料矿物结晶细小，玻璃体含量高，这种熟料的粉磨比慢冷熟料用以的多。

第6次课：理论课 • 主要教学内容： §5.2水泥在回转窑内的煅烧 §5.3悬浮预热器窑和窑外分解窑内的煅烧 • 重点：各窑型的煅烧工艺特点和工作原理 • 教学目的要求 1.掌握各窑型的煅烧工艺特点和工作原理。 2.了解各种煅烧技术的优缺点。 • 教学方法与手段：　讲授板书与多媒体相结合

作业

一、悬浮预热器窑 ·悬浮预热技术的优越性物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，因此传热速度极快，传热效率很高。　　生料粉与燃料在悬浮态下均匀混合，燃料燃烧产生的热及时传给物料，使之迅速分解。　　由于传热、传质迅速，大幅度提高了生产效率和热效率。

·悬浮预热器必须具备三个功能： • 使气、固两相能充分分散均布 • 迅速换热 • 高效分离三个功能

1.煅烧工艺特点和工作原理 ·煅烧工艺特点: 一台回转窑和一组悬浮预热器构成。 ·工作原理：将生料粉与从回转窑窑尾排出的热烟气混合，并使生料悬浮在热烟气中进行热交换。它从根本上改变了气流和生料粉之间的传热方式，极大地提高了传热面积和传热系数。传热面积：2400倍传热系数：13～23倍入窑CaCO3分解率：40 ～50﹪

2、悬浮预热器的种类 旋风预热器（同流型）立筒预热器（逆流型）混合型 ◇旋风预热器由上下排列的四级旋风筒串联组成,自上而下而下称为一级、二级、三级、四级等，一般一级做成双筒，其余做成单筒。旋风筒之间由气体管道连接，旋风筒的卸料口用生料管道与下一级的气体管道连接。

生料 Ⅰ 预热器 Ⅱ Ⅲ Ⅳ 回转窑窑气 ·工作原理各种参数：窑尾废气：1100℃ 出预热器废气：330℃ 入窑生料：750～820℃ 入窑CaCO3分解率：40～50﹪ 熟料热耗：3140kj/kg熟料

·特点： （1）热交换在顺流中发生，但从整体看则是逆流的。（2）旋风预热器内气固相的传热主要在管道中进行。 ·缺点：（1）流体阻力大。（2）原料适应性差。

·构成和功能 • 旋风预热器是由旋风筒和连接管道组成的热交换器。 • 换热管道是旋风预热器系统中的重要装备，它不但承担着上下两级旋风筒间的连接和气固流的输送任务，同时承担着物料分散、均布、锁风和气固两相间的换热任务，所以，换热管道除管道本身外还装设有下料管、撒料器、锁风阀等装备，它们同旋风筒一起组合成一个换热单元。

主要是气固分离，传热只占6%～12.5% • 旋风筒作用物料悬浮于气流中从切线进入旋风筒，产生离心力，料气特性不同，料离心碰壁下行，气不受影响向上。原理分离效率愈高，生料在系统内、外循环量就愈少，收尘负荷减小，热效率提高分离效率阻力损失性能评价？一级旋风筒一般为并联的双旋风筒。阻力损失越小，电耗越低

旋风筒的分离效率 • 旋风筒的分离效率的高低，对系统的传热速率和热效率有重要影响。 • 旋风筒的分离效率愈低，生料在系统内、外循环量就愈高。 • 系统内生料循环量等于喂料量时，废气温度将升高38℃。 • 外循环量增加，就会增加收尘设备的负荷，降低热效率。 • 最高一级旋风筒的分离效率决定着预热器系统的粉尘排出量，提高它的分离效率是降低外部循环的有效措施，因此一级旋风筒一般为并联的双旋风筒。

连接管道 • 作用：进行热交换，占总传热量的87.5～94％。 • 热交换方式：对流传热 • 对管道的设计十分重要 • 管道风速太低，热交换时间延长，但影响传热效率，甚至会使生料难以悬浮而沉降积聚，并且使管道面积过大 • 风速过高，则增大系统阻力，增加电耗，并影响旋风筒的分离效率 • 正确确定换热管道尺寸，必须首先确定合适的管道风速：一般12～18m/s

管道风速的确定 • 可根据生料粒径、悬浮速度以及工况等因素进行理论计算。 • 由于影响因素复杂，许多因素的考虑也不能完全符合实际，故计算后亦常需要以实验数据或经验数据予以修正，故各国设计或制造单位，一般根据实践经验数据选定各部换热管道风速，作为管道尺寸设计的基础。 • 各种类型的旋风预热器的换热管道风速，一般选用12～18m/s。

提高旋风预热器热效率的措施： 1.在生料进入每级预热器的上升管道处，装设板式撒料器和箱式撒料器。 2.选择生料进入管道的合适方位，使生料逆气流方向进入管道，以提高气固相的相对速度和生料在管道内停留时间。 3.两级旋风筒之间的管道必须有足够的长度，以保证生料悬浮起来，有足够的停留运行距离，充分发挥管道传热的优势。 4.锁风翻板排灰阀，要求结构合理、轻便灵活不漏风，生料能连续卸出，有料封作用。

撒料器 作用：防止下料管下行物料进入换热管道时的向下冲料，并促使下冲物料冲至下料板后飞溅、分散。箱式撒料器板式撒料器

锁风翻板排灰阀 • 锁风翻板排灰阀(简称锁风阀)是预热器系统的重要附属设备； • 它装设于上级旋风筒下料管与下级旋风筒出口的换热管道入料口之间的适当部位。其作用在于保持下料管经常处于密封状态，既保持下料均匀畅通，又能密封物料不能填充的下料管空间，最大限度地防止由于上级旋风筒与下级旋风筒出口换热管道间由于压差容易产生的气流短路、漏风，做到换热管道中的气流及下料管中的物料“气走气路、料走料路”，各行其路。 • 既有利于防止换热管道中的热气流经下料管上窜至上级旋风筒下料口，引起已经收集的物料再次飞扬，降低分离效率；又能防止换热管道中的热气流未经同物料换热，而经由上级旋风筒底部窜入旋风筒内，造成不必要的热损失。

锁风阀 作用：下料、锁风类型：单、双翻板阀

◇立筒预热器 立筒预热器的主体是一个圆形竖立的筒体，以克虏伯型为例，内有三个缩口把立筒分为四个钵，窑尾排出的热气体和生料按逆流进入同样规格、形状特殊的四个钵体内进行热交换。 ·工作原理:P96以克虏伯型为例各种参数：入窑生料：750～800℃ 熟料热耗：3350～3770kj/kg熟料

·优点：结构简单，运行可靠； 不易堵塞；气体阻力小。 ·缺点：热效率低。

ZAB型特点： 各立筒横断面为椭圆，他们在立筒的垂直轴线上彼此错开。 • 捷克型：气体以切线方式进入立筒。

3.预热器的结皮和旁路系统 ·结皮原因：（1）原料、燃料所带入的碱、氯、硫化合物在窑系统内循环富集。（2）最低一级旋风筒内温度过高。（3）燃料燃烧不完全。 ·措施：旁路放风

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