第五章硅酸鹽水泥煅燒

第五章硅酸鹽水泥熟料的煅燒高淑雅王程5.1水泥熟料形成過程水分蒸發(fā)生料粘土礦物脫水碳酸鈣分解固相反應(yīng)熟料的燒結(jié)100～150℃400～600℃600℃以上800～1200℃1300～1450℃～1300℃熟料的冷卻＜1450℃自由水的脫除化學(xué)結(jié)合水的去除兩個傳熱、一個化學(xué)反應(yīng)、兩個傳質(zhì)CA、CF、C2SC12A、C2FC3A、C4AFC3A、C4AF、C2SC2S+CaOC3S石灰石結(jié)構(gòu)生料細(xì)度反應(yīng)條件懸浮程度粘土質(zhì)性質(zhì)生料的細(xì)度均勻性溫度和時間原料性質(zhì)礦化劑最低共熔溫度液相量液相粘度液相表面張力氧化鈣溶解速率反應(yīng)物存在狀態(tài)提高熟料的質(zhì)量改善熟料的易磨性回收余熱易于熟料的輸送、儲存和粉磨5.2熟料形成的熱化學(xué)熟料形成熱（理論熱耗量）=支出熱量-收入熱量，1630～1800kJ/kg實際熱耗量：3400～7500kJ/kg生產(chǎn)方法與窯型；廢氣余熱和利用；生料組成、細(xì)度及生料易燒性；燃料的燃燒情況；窯體的散熱損失；礦體劑及微量元素的作用。礦化劑作用礦化劑分類含氟化合物：常用螢石（CaF2）硫化物：常用石膏（天然石膏、工業(yè)副產(chǎn)石膏）氯化物：CaCl2其他：銅礦渣、磷礦渣等螢石：氟離子破壞晶格；降低液相生成溫度；降低液相粘度硫化物：能降低液相出現(xiàn)溫度,降低液相粘度和表面張力復(fù)合礦化劑（螢石-石膏、螢石-重晶石）晶種：硅酸鹽水泥熟料5.3礦化劑晶種5.4揮發(fā)性組分及其它微量組分的影響揮發(fā)性組分：堿、氯、硫結(jié)皮、堵塞、結(jié)塊、結(jié)圈非揮發(fā)性組分：氧化鎂、氧化磷、氧化鈦、氧化釩少量存在時，對水泥生產(chǎn)有好處，多了有副作用。5.5水泥熟料的煅燒方法及設(shè)備濕法立波爾（窯尾帶加熱機，半干法）干法新型干法（懸浮預(yù)熱、窯外分解）土立窯機立窯回轉(zhuǎn)窯立窯5.5水泥熟料的煅燒方法及設(shè)備傳動大齒輪高端窯尾冷端低端窯頭熱端傾斜鋼筒體，內(nèi)部耐火材料，保溫，保護(hù)燃料生料熟料廢氣5.5.1回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的煅燒干燥帶預(yù)熱帶分解帶放熱反應(yīng)帶燒成帶冷卻帶物料(℃)氣體~150250~400150~7501000750~100014001000~130016001300~1450~130017001300~1000主要反應(yīng)自由水蒸發(fā)粘土質(zhì)原料脫水碳酸鹽分解固相反應(yīng)熟料燒成熟料的冷卻濕法回轉(zhuǎn)窯干法回轉(zhuǎn)窯干法回轉(zhuǎn)窯干法回轉(zhuǎn)窯干法回轉(zhuǎn)窯分解爐懸浮預(yù)熱器懸浮預(yù)熱器加熱機回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的煅燒過程5.5.2帶懸浮預(yù)熱器回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的煅燒熟料煅燒特點1.傳熱面積大（1kg生料在窯內(nèi)的傳熱面積是0.157㎝2，在懸浮預(yù)熱器里是1250㎝2，后者是前者的8000倍）；2.傳熱效率提高，傳熱速率增大（在窯內(nèi)僅為5.8℃/min,立波爾窯的加熱機,其速率也只有50℃/min，而懸浮預(yù)熱器內(nèi)的速率可達(dá)1000℃/min）；3.總體物料與氣流是逆向運動，而在管道和旋風(fēng)筒內(nèi)則是順流運動。傳熱主要是在管道中進(jìn)行（約占80%），旋風(fēng)筒主要起氣固相分離作用，傳熱較少（約占20%）4.入窯物料碳酸鈣分解率達(dá)30～40%，從而減輕了回轉(zhuǎn)窯的負(fù)荷，使窯的長度縮短。5.窯內(nèi)沒有干燥帶、預(yù)熱帶，只有其余四個帶。5.5.3預(yù)分解窯內(nèi)熟料的煅燒熟料煅燒特點1.分解爐中，溫度為820～900℃時，分解率可達(dá)85～95%，分解時間4～10s，而在窯內(nèi)分解需30多分鐘。2.碳酸鈣的分解到窯外，窯長縮短，降低占地面積。3.懸浮狀態(tài)，傳熱面積大，傳熱速率高，熟料單位熱耗降低。4.熟料密度小，顆粒細(xì)。5.窯內(nèi)分三個帶：過渡帶（主要是少量分解反應(yīng)、固相反應(yīng)）、燒成帶、冷卻帶。5.5.4熟料冷卻機熟料冷卻機：將高溫熟料向低溫氣體傳熱的熱交換裝置。1.對冷卻機要求:（1）盡可能多地回收熟料的熱量，以提高入窯二次空氣溫度，降低熟料熱耗。（2）縮短熟料的冷卻時間，以提高熟料質(zhì)量，改善易磨性。（3）冷卻單位質(zhì)量熟料的空氣消耗量要小，以便提高二次空氣溫度，減少粉塵飛揚，降低電耗。（4）結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維修容易，運轉(zhuǎn)率高。2.分類：水泥熟料冷卻機筒式冷卻機篦式冷卻機單筒式多筒式立筒式推動式振動式回轉(zhuǎn)式單筒冷卻機外形和回轉(zhuǎn)窯相似，安裝在回轉(zhuǎn)窯的下方，由單獨傳動機構(gòu)帶動。傳熱方式：以對流方式為主的逆流熱交換過程，預(yù)熱后的空氣全部入窯。優(yōu)點：熱效率高(熟料可冷卻到200℃，二次空氣可預(yù)熱到600~700℃，熱效率可達(dá)70%)缺點：熟料冷卻速度慢，金屬消耗量大，占地面積大，空間高度較大，使土建投資增多。適用于日產(chǎn)2000~2500t熟料的窯使用。多筒冷卻機組成：由環(huán)繞在回轉(zhuǎn)窯胴體上若干個(6~14個)圓筒所構(gòu)成，和回轉(zhuǎn)窯連成一體。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，不用單獨傳動，易于管理，沒廢氣處理問題。缺點：筒體較短，散熱條件較差，出口熟料溫度高(250~400℃)，二次空氣(350~600℃，55~65%)，冷卻能力受限。適用于日產(chǎn)2000~2500t熟料的窯使用。篦式冷卻機特點：冷卻熟料用的冷風(fēng)由專門的風(fēng)機供給，熟料以一定厚度鋪在篦子上隨爐篦的運動而不斷前進(jìn)，冷空氣則由篦下向上垂直于熟料運動方向傳過料層而流動，因此熱效率高。振動篦式冷卻機：速度快(5~10min)，熟料溫度60~120℃；二次空氣350~500℃，50~60%。推動篦式冷卻機：料層厚，速度慢，機身短，冷卻時間短(100℃以下，20~30min熟料溫度80~150℃；二次空氣600~900℃，65~75%，熱效率高。回轉(zhuǎn)篦式冷卻機：篦子作緩慢回轉(zhuǎn)運動，熱端不長期接觸高溫物料，可用球墨鑄鐵代替耐熱鋼板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。篦式冷卻機的發(fā)展第一代薄料層篦式冷卻機（60年代）第二代厚料層篦式冷卻機（80年代）第三代充氣梁高效篦式冷卻機（90年代）第四代行進(jìn)式穩(wěn)流篦式冷卻機（21世紀(jì)）TCFC型冷卻機具有“三高一低”的性能，即高冷卻效率、高輸送效率、高運轉(zhuǎn)率、低磨損。主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：單位篦面積產(chǎn)量：44～46t/m2·d單位冷卻風(fēng)量：1.7～1.9Nm3/kg熟料熱回收率：～75%運轉(zhuǎn)率：＞98%出料溫度：65℃+環(huán)境溫度（粒度≤25mm）行進(jìn)式穩(wěn)流篦式冷卻機主要部件包括上殼體、下殼體、篦床、液壓傳動系統(tǒng)、熟料破碎機等。篦床由幾列縱向排開的篦板組成，縱向單元均由液壓控制，運行速度可以調(diào)節(jié)，進(jìn)料段保持可控氣流冷卻機固定傾斜篦板，此結(jié)構(gòu)可以消除“堆雪人”的危害；熟料堆積在位于水平輸送段的槽型活動充氣不漏料篦床上，熟料隨活動篦床輸送向前運行，冷風(fēng)透過料層達(dá)到冷卻熟料的目的。5.5.4立窯水泥生產(chǎn)技術(shù)立窯：堅式固定床煅燒設(shè)備。煅燒水泥熟料的窯筒體是立置不轉(zhuǎn)動。分類：普通立窯和機立窯過程：生料粉和燃料混合，加入12%~14%水分，經(jīng)成球設(shè)備制成5~15mm的含煤料球，從窯頂喂入窯內(nèi)，物料借自重自上而下移動，空氣從下部用高壓風(fēng)機鼓入，燃料的燃燒和物料的煅燒同時進(jìn)行。主要優(yōu)點：投資?。皇炝蠠岷妮^低；噸水泥電耗低；對原燃材料要求低；可以合理利用多種工業(yè)廢渣。缺點：單機產(chǎn)量低；熟料質(zhì)量不穩(wěn)定。1.概述2.立窯水泥的生產(chǎn)工藝流程生料制備：原料和煤經(jīng)破碎后，按一定的比例配合、磨細(xì)并調(diào)配為成分合適、質(zhì)量均勻的生料。生料成球：均勻合格的生料，加水在成球盤內(nèi)制成具有一定水分、一定大小、一定強度、一定孔隙的生料球。熟料的燒成：生料球通過布料器從窯頂加入，燃料燃燒所需空氣從窯底鼓入，生料球通過生料球內(nèi)煤的燃燒，在從窯面自上而下的過程中燒成熟料。水泥的制成：熟料破碎后加入適量石膏、混合材料共同磨細(xì)成為水泥。機械化立窯水泥生產(chǎn)工藝流程現(xiàn)代化立窯水泥企業(yè)八項指標(biāo):i.企業(yè)規(guī)模：年產(chǎn)水泥30萬噸以上。ii.工藝設(shè)備完善，全面應(yīng)用先進(jìn)適用的現(xiàn)代立窯新技術(shù)，生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化控制及計算機管理。iii.產(chǎn)品質(zhì)量：能夠穩(wěn)定生產(chǎn)42.5等級水泥。Ⅳ.水泥質(zhì)量均勻穩(wěn)定，均勻性不大于1.1R(R為同品種不同強度等級水泥28d抗壓強度上月平均值)。V.環(huán)境保護(hù)：粉塵排放濃度及車間崗位粉塵濃度全面達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，逐步實現(xiàn)環(huán)保認(rèn)證。Ⅵ.能耗指標(biāo)：可比熟料熱耗900x4.18kJ／kg以下，可比水泥綜合電耗80kW·h／t以下。Vii.全員實物勞動生產(chǎn)率：1000t／(人·年)以上(不含礦山)。Ⅷ.企業(yè)管理：建立起現(xiàn)代企業(yè)管理機制，追求技術(shù)進(jìn)步，堅持文明安全生產(chǎn)，并形成具有特色的企業(yè)文化，通過ISO9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證。3.立窯對原燃料的選擇

（1）立窯對原料的選擇原料的品質(zhì)是制備成分合適而穩(wěn)定生料的基礎(chǔ)條件。因此，加強對礦山開采和進(jìn)廠原料的質(zhì)量控制、堆放、取用等的管理是相當(dāng)重要的。原料中燧石、石英、堿、MgO等有害成分要低，應(yīng)在要求控制范圍之內(nèi)；機立窯由于生料需成球，因此，要求黏土的可塑性指數(shù)>13％。機械化立窯可采用工業(yè)廢渣代替部分原料和作礦化劑(如鋼渣、銅渣、鉛渣、銻渣、錫渣、鐵鋅渣、硫磺渣等可代替鐵質(zhì)原料)，可采用氟化物、硫酸鹽、氯化物等作礦化劑。（2）立窯對燃料的選擇機立窯煅燒水泥熟料所用燃料是與生料均勻混合在一起的，成球后它們一起在窯內(nèi)由溫度較低和缺氧的環(huán)境下移到氧氣較多的高溫帶燃燒。煤中的揮發(fā)分是在低溫(200～600℃)缺氧的條件下?lián)]發(fā)逸出的，而煤在立窯中的燃點一般達(dá)700～800℃，即煤尚未著火，揮發(fā)分已逸出，造成了很大的熱損失。因此立窯一般用揮發(fā)分含量低的無煙煤和焦炭末作燃料。4.生料的成分

生料的化學(xué)成分一般是通過控制熟料成分來控制的，即控制熟料的三個率值。確定熟料的三個率值時，盡可能使熟料達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，同時有利于立窯的煅燒操作。石灰飽和系數(shù)KH的選擇一般情況下，KH值高，則生成的C3S多，熟料強度高，凝結(jié)時間等質(zhì)量指標(biāo)較好。但KH值過高，生料易燒性差，易使熟料f-CaO含量增高，安定性差，且f-CaO含量過高，會引起熟料抗折、抗壓強度降低。因此，一般在有效控制f-CaO含量、確保安定性合格的前提下，適當(dāng)提高KH值。鋁率IM的選擇IM增高，熟料中C3A含量增多，除C3A本身早期強度發(fā)揮快外，C3A還有利于C3S早期強度的更好發(fā)揮，因此，熟料早期強度高，凝結(jié)時間縮短；IM增高，液相黏度增大，底火厚實，燒成范圍變寬，利于操作。但如果IM值過高，液相黏度過大，不利于質(zhì)點的運動，即不利于熟料礦物的形成，導(dǎo)致f-CaO含量較大增加，影響熟料的煅燒和熟料的產(chǎn)量與質(zhì)量。IM值一般控制在1.4±0.1，若加礦化劑時，還可根據(jù)情況適當(dāng)提高。

硅率SM的選擇SM值增加，硅酸鹽礦物總量增加，在同等KH值情況下，C2S含量增加，熟料的后期強度增加；當(dāng)f-CaO吸收較完全時，C3S的含量不一定會降低。但SM值過高，則液相量過少，料發(fā)散，不易形成穩(wěn)定的底火，影響立窯的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，SM值選擇適當(dāng)，對熟料的早、后期強度均有利；而且SM值適當(dāng)，則液相量適當(dāng)，有利于窯內(nèi)的通風(fēng)和煅燒操作。SM值一般控制在2.1±0.1比較合適。其它成分的選擇熟料除控制三個率值外，還應(yīng)控制A12O3和Fe2O3的含量，一般Al2O3含量控制在6.2％±0.2％，F(xiàn)e2O3含量控制在4.2％±0.2％。當(dāng)加礦化劑時，F(xiàn)e2O3的含量可控制更低，很多立窯企業(yè)控制在3.8％左右。5.立窯內(nèi)熟料的煅燒過程預(yù)熱由表及里傳熱、溫度由表及里升高，熟料的形成也是由表及里沿窯高度方向大致分為三個階段：預(yù)熱帶、燒成帶、冷卻帶機立窯各帶劃分示意圖1一預(yù)熱帶；2一燒成帶；3一冷卻帶預(yù)熱帶：料層厚度約0.5～1.0m，其料層溫度小于1000℃。一般預(yù)熱帶約占全窯高的5％～10％。燒成帶(俗稱“底火”)：料層為0.6～1.0m，溫度1000～1450～1300℃。燒成帶約占全窯高度的10％～15％。冷卻帶：冷卻帶的位置處于燒成帶以下至窯底，約占全窯高度的70％左右，物料平均溫度在1300℃以下。123（1）煅燒過程的物理化學(xué)變化機立窯煅燒所需燃料不是單獨燃燒后再將熱量傳給生料的，而是與生料混在一起制成料球，再入窯煅燒。助燃空氣通過料球之間空隙流通與料球表面接觸，所以燃料燃燒與物料煅燒是從料球表面開始的。首先，熱氣流向料球表面?zhèn)鳠?，使表面水分逐漸蒸發(fā)，并預(yù)熱料球，隨著熱量逐漸由表向里傳遞，料球內(nèi)部水分也隨之蒸發(fā)，并向表面擴散。其次，料球表面煤粒達(dá)到燃點，與氣流中的氧氣反應(yīng)燃燒，隨著氧氣自料球表面向內(nèi)部擴散，燃料不斷燃燒，料球溫度逐漸升高，燃料燃燒與生料碳酸鈣鹽的分解同時進(jìn)行。第三，碳酸鹽分解的CO2與產(chǎn)物CO、CO2等由內(nèi)部向表面擴散到氣流中。第四，隨著碳酸鈣的分解和燃料的燃燒，溫度繼續(xù)升高，固相反應(yīng)也同樣由料球表面向中心推進(jìn)，逐漸完成熟料的燒成過程。因此，在料球從上到下的運動過程中，仍經(jīng)歷了生料的干燥、預(yù)熱、分解、固相反應(yīng)、燒成、冷卻等階段。不過，在同一時間內(nèi)，料球內(nèi)外煅燒不是均勻一致的。

第五，燒成的熟料遇到冷空氣，同時進(jìn)行熟料的冷卻與空氣的預(yù)熱。（2）物料與氣流在機立窯內(nèi)的運動物料在機立窯內(nèi)的運動機立窯的窯體是固定不動的，料球從上到下運動的原因是由于熟料的卸出和料球在煅燒過程中產(chǎn)生體積收縮引起的。由于機立窯不轉(zhuǎn)動，因而物料在立窯內(nèi)除自上而下作垂直運動外，幾乎沒有翻滾運動，物料相互之間很少混合，這也是立窯熟料質(zhì)量不均的原因之一。氣體在機立窯內(nèi)的運動機立窯內(nèi)充滿物料，氣流只能通過物料間的空隙流通，在流動的同時還伴隨著溫度、密度的變化和化學(xué)反應(yīng)，而且物料間空隙率也在不斷變化等。因此立窯內(nèi)通風(fēng)阻力很大而且不均勻，這是立窯的主要缺點。（3）燃料的燃燒生料球入窯后，被高溫廢氣加熱，燃料中揮發(fā)分逸出，因廢氣中氧氣很少，不能燃燒，而排出窯外，造成熱損失。隨著料球向下運動，溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)600～800℃時，廢氣中CO2和少量的氧與料球表面的碳發(fā)生包氏反應(yīng)。CO2+C→2CO

C+1/2O2→CO隨料球不斷向下運動，溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到燃點并有充足氧氣時，就開始立窯內(nèi)的主要反應(yīng)——燃燒反應(yīng)，因燃燒過程不能和煅燒過程分開來研究，這使立窯內(nèi)燃燒過程復(fù)雜化。但一般認(rèn)為，高溫帶料球內(nèi)部以郝氏反應(yīng)為主。其反應(yīng)式如下：

CaCO3→CaO+CO2CO2+C→2COCaCO3+C→CaO+2CO在氧氣濃度較低，碳酸鈣分解產(chǎn)生的CO2和燃燒產(chǎn)物CO2遇到灼熱的煤時，將發(fā)生包氏反應(yīng)，生成CO隨廢氣排出。在氧氣濃度較高時，氧氣與料層表面的煤以及因郝氏反應(yīng)和包氏反應(yīng)生成的CO，將發(fā)生下列反應(yīng)：C+O2→CO22CO+O2→2CO2

由此可見，加強窯內(nèi)通風(fēng)，提高氣體中氧的含量，是保證燃料燃燒的關(guān)鍵所在。由于料球內(nèi)燃料的燃盡、物料中水分的蒸發(fā)、黏土脫水和碳酸鹽分解的CO2的逸出，使料球形成疏松多孔狀?？諝馔ㄟ^這些孔隙，進(jìn)一步向料球內(nèi)部擴散，使料球中的碳在小孔中燃燒，這種在多孔內(nèi)進(jìn)行的燃燒，看不見火焰，稱為“無焰燃燒”。無焰燃燒能在很小的過?？諝庀禂?shù)(通常a=1.05～1.10)下達(dá)到完全燃燒，燃燒熱量直接進(jìn)行加熱，因此，傳熱效率高，很快達(dá)到燒成溫度，直到燃料燒完為止。6.立窯的煅燒方法（2）全黑生料法煅燒用煤全部入磨與原料混合粉磨，再成球入窯，粉磨后的生料因有煤而呈黑色，故稱為全黑生料法。該法是目前最普遍采用的方法。（1）白生料法不含煤的生料單獨粉磨，再與粉碎后的粗粒煤按一定比例混合成球入窯煅燒。此方法存在很多缺點，現(xiàn)少用。（3）差熱煅燒法根據(jù)機立窯邊部和中部物料耗熱量的不同，把人窯物料配成邊料和中料(中料配煤量適當(dāng)減少)，加料時按窯內(nèi)區(qū)域比例分別加料，以使整個窯面物料能獲得比較均衡的熱量，這就是差熱煅燒法。該方法看火操作復(fù)雜，加料時中料、邊料交換頻繁，易將中料和邊料搞混，所以使用的企業(yè)不多。（4）半黑生料法煅燒所需的煤一部分(需總煤量的50％左右)和原料共同粉磨而制得生料，而另一部分破碎成細(xì)煤粒再與制得的生料均勻混合，制成料球，入窯煅燒。由于半黑生料法比全黑生料法工藝復(fù)雜，因此不如全黑生料法應(yīng)用廣泛。（5）等溫煅燒法主要方法是高溫帶邊部多帶走的熱損失以電熱來彌補。電熱功率30~60kW。（6）細(xì)粒煤煅燒法將細(xì)粒煤(0.05mm<粒徑<0.5mm)摻入到白生料中,然后成球的一種方法;或配一部分煤與原料一起入磨制成黑生料,再摻入需要的細(xì)粒煤,然后成球入窯。它克服了白生料法和全黑生料法的缺點，發(fā)揮了它們的優(yōu)點，是實現(xiàn)機立窯閉門操作而產(chǎn)生的一種煅燒方法。6.料球質(zhì)量要求

（1）料球熱穩(wěn)定性良好。800～900℃時，爆破極少（2）粒度均勻、料球間空隙率大,流體阻力低。（3）料球本身空隙率高。32％～35％（4）粒度大小適宜，粒度小，有利于提高煅燒速度，但通風(fēng)阻力大，料球直徑一般控制在5～8mm。（5）料球強度高，不易碎裂，不易炸裂。（6）水分適宜，分布均勻。12％～14％5.5.5水泥熟料煅燒技術(shù)的發(fā)展一、五級、六級預(yù)分解窯煅燒技術(shù)節(jié)能，降低阻力，廢氣溫度下降二、兩級分解爐的預(yù)分解窯三、水泥窯低溫余熱發(fā)電CO2分壓下降，分解率提高水泥工業(yè)是資源性產(chǎn)業(yè)，也是節(jié)能減排潛力最大、消納各種工業(yè)固體廢棄物最多、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟前景最好的行業(yè)之一。水泥窯