水泥煅燒過(guò)程工藝反應(yīng)公式原理，煅燒水泥過(guò)程

　　從生料到水泥成品，我們很多人都對(duì)此僅僅一知半解，了解表面，卻并不知道生料到水泥成品的反應(yīng)過(guò)程和原理。今天筆者就在這里簡(jiǎn)單介紹一下。因水泥生產(chǎn)所用的回轉(zhuǎn)窯設(shè)備http://www.nami360.net/hzy.html 和水分烘干用的烘干機(jī)、粉磨用的水泥球磨機(jī)http://www.nami360.net/snqmj.html 等都是達(dá)嘉礦機(jī)的主要生產(chǎn)設(shè)備，因此，很多水泥廠都在使用這種回轉(zhuǎn)窯，筆者也在一些大型水泥廠做回訪的時(shí)候看到很多生料的生產(chǎn)過(guò)程。生料在入水回轉(zhuǎn)窯后和熱氣體進(jìn)行熱交換發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)生成熟料。熟料主要由硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)、鐵鋁酸四鈣(C4AF)等礦物所組成。

　　煅燒過(guò)程所發(fā)生的物理化學(xué)變化在不同條件下進(jìn)行的程度與狀況決定了水泥熟料的質(zhì)量和性能，也直接影響到水泥熟料的產(chǎn)量以及燃料、耐火材料的消耗和窯的長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。無(wú)論窯型的變化如何，水泥回轉(zhuǎn)窯熟料的煅燒過(guò)程和煅燒中所發(fā)生的反應(yīng)基本相同，掌握了這些礦物形成的機(jī)理及影響因素，掌握了這些物理化學(xué)變化的規(guī)律，就能燒出高質(zhì)量的熟料。

　　水泥回轉(zhuǎn)窯煅燒過(guò)程物理化學(xué)變化

　　水泥生料入窯后，在加熱煅燒過(guò)程中發(fā)生干燥、粘土脫水與分解、碳酸鹽分解、固相反應(yīng)、熟料燒成和熟料冷卻等物理化學(xué)反應(yīng)。這些過(guò)程的反應(yīng)溫度、速度及生成的產(chǎn)物不僅和生料的化學(xué)成分及熟料的礦物組成有關(guān)，也受到其它因素如生料細(xì)度、生料均勻性、傳熱方式等的影響。

　　干燥

　　干燥即自由水的蒸發(fā)過(guò)程。

　　生料中都有一定量的自由水，生料中自由水的含量因生產(chǎn)方法與窯型不同而異。干法窯生料含水量一般不超過(guò)1.0%，立窯、立波爾窯生料需加水12～14%成球，濕法生產(chǎn)的料漿水分在30～40%。

　　自由水的蒸發(fā)溫度為100～150℃左右。生料加熱到100℃左右，自由水分開(kāi)始蒸發(fā)，當(dāng)溫度升到150℃～200℃時(shí)，生料中自由水全部被排除。自由水的蒸發(fā)過(guò)程消耗的熱量很大。每千克水蒸發(fā)熱高達(dá)2257kJ，如濕法窯料漿含水35%，每生產(chǎn)1kg水泥熟料用于蒸發(fā)水分的熱量高達(dá)2100kJ，占濕法窯熱耗的1/3以上。降低料漿水分是降低濕法生產(chǎn)熱耗的重要途徑。

　　粘土脫水

　　粘土脫水即粘土中礦物分解放出結(jié)合水。

　　粘土主要由含水硅酸鋁所組成，常見(jiàn)的有高嶺土和蒙脫土，但大部分粘土屬于高嶺土。

　　粘土礦物的化合水有兩種：一種是以O(shè)H-離子狀態(tài)存在于晶體結(jié)構(gòu)中，稱(chēng)為晶體配位水(也稱(chēng)結(jié)構(gòu)水)。另一種是以分子狀態(tài)存在吸附于晶層結(jié)構(gòu)間，稱(chēng)為晶層間水或?qū)娱g吸附水。所有的粘土都含有配位水，多水高嶺土、蒙脫石還含有層間水，伊利石的層間水因風(fēng)化程度而異。層間水在100℃左右即可除去，而配位水則必須高達(dá)400～600℃以上才能脫去，具體溫度范圍取決于粘土的礦物組成。

　　下面以高嶺土為例，說(shuō)明粘土的脫水過(guò)程。

　　高嶺土主要由高嶺石(2SiO2•Al2O3•nH2O )組成。加熱當(dāng)溫度達(dá)100℃時(shí)高嶺石失去吸附水，溫度升高至400～600℃時(shí)高嶺石失去結(jié)構(gòu)水，變?yōu)槠邘X石(2SiO2•A12O3)，并進(jìn)一步分解為化學(xué)活性較高的無(wú)定型的氧化鋁和氧化硅。粘土中的主要礦物高嶺土發(fā)生脫水分解反應(yīng)如下式所示：

　　2SiO2•Al2O3•2H2O 2SiO2•Al2O3+2H2O

　　2SiO2•Al2O3 2SiO2+ Al2O3

　　由于偏高嶺土中存在著因OH-離子跑出后留下的空位，通常把它看成是無(wú)定型的SiO2和A12O3，這些無(wú)定型物具有較高的化學(xué)活性，為下一步與氧化鈣反應(yīng)創(chuàng)造了有利條件。

　　碳酸鹽分解

　　碳酸鹽分解是熟料煅燒的重要過(guò)程之一。碳酸鹽分解與溫度、顆粒粒徑、生料中粘土的性質(zhì)、氣體中CO2的含量等因素有關(guān)。

　　石灰石中的碳酸鈣(CaCO3)和少量碳酸鎂(MgCO3)在煅燒過(guò)程中都要分解放出二氧化碳，其反應(yīng)式如下：

　　影響碳酸鹽分解的因素:

　　(1)石灰質(zhì)性質(zhì)

　　以常見(jiàn)的石灰石為例。當(dāng)石灰石中伴生有其他礦物和雜質(zhì)一般具有降低分解溫度的作用，這是由于石灰石中的SiO2、A12O3、Fe2O3 等增強(qiáng)了方解石的水泥回轉(zhuǎn)窯分解活力所致，但各種不同的伴生礦物和雜質(zhì)對(duì)分解的影響是有差異的。方解石晶體越小，所形成的CaO缺陷結(jié)構(gòu)的濃度越大，反應(yīng)性越好，相對(duì)分解速度越高。

　　一般來(lái)說(shuō)，石灰石分解的活化能在125.6～251.2kJ/mol之間，當(dāng)伴生有雜質(zhì)、晶體細(xì)小時(shí)，其活化能將降低，一般在190kJ/mol以下。石灰石分解活化能越低，CaO的化合作用越強(qiáng)，β-C2S等的形成速度越快。

　　(2) 生料細(xì)度和顆粒級(jí)配

　　生料細(xì)度也是影響碳酸鹽分解的重要因素。生料顆粒粒徑越小，比表面積越大，傳熱面積增大，分解速度加快，生料顆粒均勻，粗顆粒少，也可加速碳酸鹽的分解。因此適當(dāng)提高生料的粉磨細(xì)度和生料的均勻性有利于碳酸鹽的分解。

　　(3) 生料懸浮分散程度

　　生料懸浮分散差，相對(duì)地增大了顆粒尺寸，減少了傳熱面積，降低了碳酸鈣的分解速度。因此，生料懸浮分散程度是決定分解速度的一個(gè)非常重要的因素。這也是在懸浮預(yù)熱器和窯外分解窯分解爐內(nèi)的碳酸鈣分解速度較回轉(zhuǎn)窯、水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)快的主要原因之一。

　　(4) 溫度

　　碳酸鹽分解是吸熱反應(yīng)。每1 kg純碳酸鈣在890℃時(shí)分解吸收熱量為1645J/g，是熟料形成過(guò)程中消耗熱量多的一個(gè)工藝過(guò)程，分解所需總熱量約占濕法生產(chǎn)總熱耗的1/3，約占懸浮預(yù)熱器的1/2，因此，提供足夠的熱量可以提高碳酸鹽的分解速度。

　　溫度升高使分解速度加快，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，溫度每升高50℃分解速度約增加一倍，分解時(shí)間約縮短50%，當(dāng)物料溫度升到900℃后CaCO3分解反應(yīng)將迅速進(jìn)行，分解時(shí)間縮短。但應(yīng)注意溫度過(guò)高，將增加廢氣溫度和熱耗，預(yù)熱器和分解爐結(jié)皮、堵塞的可能性亦大。

　　(5) 窯內(nèi)通風(fēng)

　　碳酸鹽分解是可逆反應(yīng)，受系統(tǒng)溫度和周?chē)橘|(zhì)中CO2的分壓影響較大。為了使分解反應(yīng)順利進(jìn)行，必須保持較高的反應(yīng)溫度良好的通風(fēng)，降低周?chē)橘|(zhì)中CO2的分壓。如果將碳酸鹽的反應(yīng)放在密閉的容器中于一定溫度下進(jìn)行時(shí)，隨著碳酸鈣的不斷分解，周?chē)橘|(zhì)中CO2的分壓不斷增加，分解速度將逐漸變慢，直到反應(yīng)停止。因此加強(qiáng)窯內(nèi)通風(fēng)，減小窯內(nèi)CO2壓力，及時(shí)將CO2氣體排出，有利于CaCO3的分解。實(shí)驗(yàn)表明，廢氣中CO2含量每減少2%，約可使分解時(shí)間縮短10%，當(dāng)窯內(nèi)通風(fēng)不暢，CO2不能及時(shí)被排出，廢氣中CO2含量增加，會(huì)延長(zhǎng)碳酸鹽的分解時(shí)間，因此窯內(nèi)通風(fēng)對(duì)CaCO3的分解起著重要作用。

　　(6)粘土質(zhì)原料性質(zhì)

　　如果粘土質(zhì)原料的主導(dǎo)礦物是高嶺土，由于其活性大，在800℃下能和氧化鈣或直接與碳酸鈣進(jìn)行固相反應(yīng)，生成低鈣礦物，可以促進(jìn)碳酸鈣的分解過(guò)程。反之，如果粘土主導(dǎo)礦物是活性差的蒙脫石和伊利石，則CaCO3的分解速度就慢。

　　固相反應(yīng)

　　固相反應(yīng)是指固相與固相之間所進(jìn)行的反應(yīng)。

　　粘土和石灰石分解以后分別形成了CaO、MgO、SiO2、A12O3等氧化物，這些氧化物隨著溫度的增加會(huì)反應(yīng)形成各種礦物：

　　～800℃ 開(kāi)始反應(yīng)形成CA(CaO•A12O3)、C2F(2CaO•Fe2O3)，C2S(2CaO•SiO2)。

　　800～900℃ 開(kāi)始形成Ca12A7(12CaO•7A12O3)。

　　900～1000℃ C2AS(2CaO•A12O3•SiO2)、C3A(3CaO•A12O3)、C4AF(4CaO•A12O3•Fe 2O 3)。

　　1100～1200℃ 大量形成C3A與C4AF，同時(shí)C2S含量達(dá)大值。

　　從以上化學(xué)反應(yīng)的溫度，我們不難發(fā)現(xiàn)，這些反應(yīng)溫度都小于反應(yīng)物和生成物的熔點(diǎn)(如CaO、SiO2與2CaO•SiO的熔點(diǎn)分別為2570℃、1713℃與2130℃)也就是說(shuō)物料在以上這些反應(yīng)過(guò)程中都沒(méi)有熔融狀態(tài)物出現(xiàn)，反應(yīng)是在固體狀態(tài)下進(jìn)行的，這就是固相反應(yīng)的特點(diǎn)。

　　影響固相反應(yīng)速度的主要因素有：

　　(1)生料細(xì)度及其均勻程度

　　由于固相反應(yīng)是固體物質(zhì)表面相互接觸而進(jìn)行的反應(yīng)，當(dāng)生料細(xì)度較細(xì)顆時(shí)，組分之間接觸面積增加，固相反應(yīng)速度也就加快。從理論上認(rèn)為生料越細(xì)對(duì)煅燒越有利，但生料細(xì)度過(guò)細(xì)會(huì)使磨機(jī)產(chǎn)量降低，同時(shí)電耗增加。因此粉磨細(xì)度應(yīng)考慮原料種類(lèi)、粉磨設(shè)備及煅燒設(shè)備的性能，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的綜合效益為宜。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于物料反應(yīng)速度與顆粒尺寸的平方成反比，因而即使有少量較大尺寸的顆粒，都可以顯著延緩反映過(guò)程的完成，所以，控制生料的細(xì)度既要考慮生料中細(xì)顆粒的含量，也要考慮使顆粒分布在較窄的范圍內(nèi)，保證生料的均齊性。生料細(xì)度一般控制在0.080 mm方孔篩篩余8～12%左右。0.2 mm方孔篩篩余1.0～1.5%以下。

　　生料的均勻混合，使生料各組分之間的充分接觸，有利于固相反應(yīng)進(jìn)行。濕法生產(chǎn)的料漿由于流動(dòng)性好，生料中各組分之間混合較均勻。干法生產(chǎn)要通過(guò)空氣均化達(dá)到生料成分均勻的目的。

　　(2) 原料性質(zhì)

　　原料中含有石英砂(結(jié)晶型的二氧化硅)時(shí)，熟料礦物很難生成，會(huì)使熟料中游離氧化鈣含量增加。因?yàn)榻Y(jié)晶型SiO2在加熱過(guò)程中只發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)變，晶體未受到破壞，晶體內(nèi)分子很難離開(kāi)晶體而參加反應(yīng)，所以固相反應(yīng)的速度明顯降低，特別是原料中含有粗顆粒石英時(shí)，影響更大。要求原料中盡量少含石英砂，原料中含的燧石結(jié)核(結(jié)晶型的SiO2)其硬度大不宜磨細(xì)，它的反應(yīng)能力亦較無(wú)定型的SiO2低得多，對(duì)固相反應(yīng)非常不利，因此要求原料中不含或少含燧石結(jié)核。

　　而粘土中的SiO2情況不同，粘土在加熱時(shí)，分解成游離態(tài)的SiO2和A12O3，其晶體已經(jīng)破壞，因而容易與碳酸鈣分解出的CaO發(fā)生固相反應(yīng)，形成熟料礦物。

　　(3) 溫度

　　溫度提高使質(zhì)點(diǎn)能量增加，增加了質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散速度和化學(xué)反應(yīng)速度，所以使固相反應(yīng)速度加快。

　　(4) 礦化劑

　　能加速結(jié)晶化合物的形成，使水泥生料易燒的少量外加劑稱(chēng)為礦化劑。加入礦化劑可以通過(guò)與反應(yīng)物作用而使晶格活化，從而增強(qiáng)反應(yīng)能力，加速固相反應(yīng)。

　　熟料形成過(guò)程中固相反應(yīng)次序雖如前所述，但實(shí)際上隨著原料的性能，粉磨細(xì)度，加熱速度等條件的變化，各礦物形成的溫度有一定范圍，而且會(huì)相互交叉，如C2S雖然在800～900℃開(kāi)始形成，但全部的C2S形成要在1200℃，而生料的不均勻性，使交叉的溫度范圍更寬。本文信息標(biāo)簽：水泥煅燒，煅燒過(guò)程，反應(yīng)原理公式，固相反應(yīng)。信息來(lái)源：該信息由公司為您提供http://www.nami360.net/news/1451.html，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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