硅酸盐水泥熟料的煅烧：什么是硅酸盐水泥
硅酸盐水泥熟料的煅烧
·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； ⑤表面的CO2向周围介质气流扩散的过程。
• 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
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
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
水泥生产工艺熟料煅烧
➢ 3.1 新型干法煅烧工艺技术
➢ 3.1.1 悬浮预热技术
➢ 悬浮预热技术是在水泥中空窑的尾部（生料喂入端） 装设悬浮预热器（也称旋风预热器），使出窑废热气体 在预热器内通过，同时使入窑的低温生料粉分散于废热 气流之中，在悬浮状态下进行热交换，使物料得到迅速 加热升温后再入窑煅烧的一项技术。
➢ 传统的回转窑煅烧水泥熟料过程完全是在窑内进行 的，即生料喂入到窑内后的干燥→预热→碳酸盐分解→ 放热反应→熟料矿物的形成→冷却这六个过程完全是在 回转窑内完成的（见下图），使得窑体长度相对较长， 热量损失较大，窑的产量不高。
新型干法（现代水泥）回转窑
悬浮或立筒预热器
干法回转窑
加热机
立波尔回转窑（已被淘汰）
普通干法回转窑（逐渐被淘汰）
湿法回转窑（逐渐在改造成为新型干法窑）
二次风入窑 出窑熟料
不同类型回转窑各带划分
➢ 3.1.1.1 悬浮预热器单元组成
➢ 悬浮风预热器单元由换热管道、预热器、衬料、出风 管（废热气体将热量传给生料后排出）、下料管和锁风阀 （重锤）组成，见下图（C1代表第一级旋风预热器，以下 类推）。悬浮预热器系统由上述多个（四级串联的称为四 级旋风预热器，五级串联的称为五级旋风预热器）单元组 合构成：
热电偶 重锤
分解后的 生料入窑
窑体（窑尾）
分解炉、第四级预热器、 回转窑窑尾之间的关系
分解炉
重锤
喷煤嘴（3个） 三次风来自冷却机
窑体（窑尾）
物气料体放温温热度度反::应~~带11370000CC
回转窑
物气料体温温度度::13烧0~01成70带104C5~0~130冷0 C却物带料温度: ~1000 C
煤粉三次风
火焰
硅酸盐水泥化学式
硅酸盐水泥化学式
硅酸盐水泥是一种常用的建筑材料，也被称为普通水泥。
它是一种由熟料、石膏和一定量的混合材料组成的粉状物质，通过加水反应后形成坚固的物质。
硅酸盐水泥的化学式是Ca3SiO5。
硅酸盐水泥的制备过程是一个复杂的化学反应过程。
熟料是硅酸盐水泥主要的原材料，它是一种粉状物质，由石灰石、粘土和其他材料经过高温煅烧而成。
在熟料中，主要的化学成分是三钙硅酸盐(C3S)和双钙硅酸盐(C2S)。
当硅酸盐水泥加水后，C3S和C2S会与水发生反应，生成硬
化产物。
反应过程中，C3S先与水反应生成硬化产物，这个过程称为初凝。
然后C2S开始与水反应，这个过程称为终凝。
初凝和终凝是硅酸盐水泥硬化的两个阶段，它们的时间和硬度都对水泥的质量有影响。
硬化产物主要是钙硅酸盐凝胶(C-S-H)和氢氧化钙(Ca(OH)2)。
C-S-H是硬化产物中最主要的成分，它是一种胶状物质，可以
填充水泥颗粒间的空隙，增强水泥的强度和耐久性。
氢氧化钙则是一种碱性物质，会使得水泥呈碱性，对某些材料有腐蚀作用。
除了熟料外，硅酸盐水泥中还加入了一些混合材料，如矿渣、粉煤灰、石灰石等。
这些混合材料可以改善水泥的性能，如增强抗裂性、降低热释放等。
总之，硅酸盐水泥是一种重要的建筑材料，它的化学式为
Ca3SiO5。
硬化产物主要是C-S-H和Ca(OH)2。
通过控制初凝和终凝时间以及添加适量的混合材料，可以改善水泥的性能。
硅酸盐水泥的标准
水泥比表面积测定GB8074-87
勃 氏 比 表 面 积 仪
四、试验方法（硅酸盐水泥）
序 号 项 目 指标 P· Ⅰ P· Ⅱ 检验方法 与依据
1
2 3 4 5 6
不溶物（%）
烧失量（%） 细度（比表面积）（m2/kg） 凝结时间（min）
≤0.75
≤3.0 ≥300 初凝≥45 终凝≤390
7
三氧化硫（%）
GB/T176-1996
GB/T176-1996 JC/T420 GB/T17671-1999 GB8074-87 GB1345-91
8 碱（Na2O+0.658Na2O）（%） 9 10 11 12 氯离子（%） 强度 比表面积 细度
五、检验规则
（1）编号与取样
年产120万吨以上不超过1200吨为一编号； 60万吨以上至120万吨，不超过1000吨为一编号； 30万吨以上至60万吨，不超过600吨为一编号； 10万吨以上至30万吨，不超过400吨为一编号； 10万吨以下，不超过200吨为一编号。
2.1 硅酸盐水泥的标准
类型：100多个水泥专业标准 强制性标准 国家标准（代号GB） 建材行业标准（代号JC） 推荐性标准 国家标准（代号GB/T） 建材行业标准（代号JC/T） 此外还有企业标准（代号：Q）
标准号表示方法： GB175-2007硅酸盐水泥 标准名称 制订或修订年份 标准编号 标准代号
-
-
-
复合硅酸盐 水≤50(e)
一、通用硅酸盐水泥的定义
※组分材料： ① 硅酸盐水泥熟料（clinker) ② 石膏 （gypsum ） ③ 混合材料（admixture) ④ 窑灰（kiln dust) ⑤ 助磨剂 窑灰：从回转窑窑尾气中收集下来的粉尘，品质指标应符合 JC/T742的规定。 助磨剂：水泥粉磨时允许加入主要起助磨作用而不损害水泥性 能的助磨剂，其加入量不得超过水泥质量的0.5%。 助磨剂应符合JC/T667的规定
第5章 硅酸盐水泥熟料的煅烧
1.最低共熔温度（组分多，温度低）
存在次要氧化物，最低共熔温度一般1250 ℃ 矿化剂、氧化钒、氧化锌也有影响。
影响熟料烧结过程的因素
2.液相量（一般为20～30% ）
1400℃
L 2 . 95 A 2 . 2 F M R
（液相量与煅烧温度、组分含量有关）
1450℃
L 3 . 0 A 2 . 25 F M R
五、熟 料 的 冷 却
熟料的冷却 烧成温度→常温；液相→凝固 熟料颗粒结构形成（凝固和相变） C2S的多晶转变 C3S分解 冷却目的 改善熟料质量与易磨性；降低熟料的温度，便于 运输（安全）、储存（砼开裂） 和粉磨（假凝） 回收热量，预热二次空气，降低热耗、提高热利 用率。
冷却方式
平衡冷却 淬冷 独立结晶
成
形成C2S〃CaSO4， 4CaO〃3Al2O3〃SO3 无水硫铝酸钙早强，适量有利
1050℃形成，1400 ℃分解
C 4A 3S
三、 复合矿化剂
石膏和萤石复合矿化剂（氟硅酸钙，硫硅酸钙，氟硫硅 酸钙；低温烧成，高温烧成）
重晶石和萤石（BaO可提高水泥早期和后期强度） 氧化锌及其复合矿化剂（阻止C2S转化、促进C3S形成， 提高水泥早期强度、降低水泥需水量。过多会影响水泥 凝结核强度。）
（1）温度
（2）铝率
（3）加入MgO、SO3、硫酸钾、硫酸钠，粘度降低
降低
（4）加入氧化钾、氧化钠，粘度增加。
影响熟料烧结过程的因素
4.液相的表面张力（小，润湿，利于固液反应）
（1）温度 （2）镁、碱、硫增加，表面张力下降
影响熟料烧结过程的因素
第五章硅酸盐水泥的煅烧
两个传热、一个化学 反应、两个传质
反应条件 悬浮程度 粘土质性质
CA、CF、C2S C12A、C2F C3A、C4AF C3A、C4AF、C2S
生料的细度均匀性 温度和时间 原料性质 矿化剂
C2S+CaO C3S
提高熟料的质量 改善熟料的易磨性 回收余热 易于熟料的输送、 储存和粉磨
最低共熔温度 液相量 液相粘度 液相表面张力 氧化钙溶解速率 反应物存在状态
作用
含氟化合物：常用萤石（CaF2） 硫化物：常用石膏（天然石膏、工业副产石膏） 氯化物：CaCl2 其他：铜矿渣、磷矿渣等 萤石：氟离子破坏晶格；降低液相生成温度；降低液相粘度
硫化物：能降低液相出现温度,降低液相粘度和表面张力 复合矿化剂（萤石-石膏、萤石-重晶石）
晶种：硅酸盐水泥熟料
挥发性组分：碱、氯、硫
4. 入窑物料碳酸钙分解率达30～40%，从而减轻了回转窑 的负荷，使窑的长度缩短。
5. 窑内没有干燥带、预热带，只有其余四个带。
5.5.3 预分解窑内熟料的煅烧
熟料煅烧特点
1. 分解炉中，温度为820～900℃时，分解率可达85～95%， 分解时间 4～10 s，而在窑内分解需30多分钟。
（1）尽可能多地回收熟料的热量，以提高入窑二次空气 温度，降低熟料热耗。 （2）缩短熟料的冷却时间，以提高熟料质量，改善易磨 性。 （3）冷却单位质量熟料的空气消耗量要小，以便提高二 次空气温度，减少粉尘飞扬，降低电耗。 （4）结构简单，操作方便，维修容易，运转率高。
2. 分类：
水泥熟料冷却机
筒式冷却机
5.5.1 回转窑内熟料的煅烧
燃料
低端 窑头 热端
传动大齿轮
高端 窑尾 冷端 生料
水泥熟料的煅烧
6 水泥熟料的煅烧【本章导读】生料在入窑后和热气体进行热交换发生一系列的物理化学反应生成熟料。
熟料主要由硅酸三钙(C 3S)、硅酸二钙(C 2S)、铝酸三钙(C 3A)、铁铝酸四钙(C 4AF)等矿物所组成。
煅烧过程所发生的物理化学变化在不同条件下进行的程度与状况决定了水泥熟料的质量和性能，也直接影响到水泥熟料的产量以及燃料、耐火材料的消耗和窑的长期安全运转。
无论窑型的变化如何，熟料的煅烧过程和煅烧中所发生的反应基本相同，掌握了这些矿物形成的机理及影响因素，掌握了这些物理化学变化的规律，就能烧出高质量的熟料。
6.1 煅烧过程物理化学变化水泥生料入窑后，在加热煅烧过程中发生干燥、粘土脱水与分解、碳酸盐分解、固相反应、熟料烧成和熟料冷却等物理化学反应。
这些过程的反应温度、速度及生成的产物不仅和生料的化学成分及熟料的矿物组成有关，也受到其它因素如生料细度、生料均匀性、传热方式等的影响。
6.1.1 干燥干燥即自由水的蒸发过程。
生料中都有一定量的自由水，生料中自由水的含量因生产方法与窑型不同而异。
干法窑生料含水量一般不超过1.0%，立窑、立波尔窑生料需加水12～14%成球，湿法生产的料浆水分在30～40%。
自由水的蒸发温度为100～150℃左右。
生料加热到100℃左右，自由水分开始蒸发，当温度升到150℃～200℃时，生料中自由水全部被排除。
自由水的蒸发过程消耗的热量很大。
每千克水蒸发热高达2257kJ ，如湿法窑料浆含水35%，每生产1kg 水泥熟料用于蒸发水分的热量高达2100kJ ，占湿法窑热耗的1/3以上。
降低料浆水分是降低湿法生产热耗的重要途径。
3.1.2 粘土脱水粘土脱水即粘土中矿物分解放出结合水。
粘土主要由含水硅酸铝所组成，常见的有高岭土和蒙脱土，但大部分粘土属于高岭土。
粘土矿物的化合水有两种：一种是以OH -离子状态存在于晶体结构中，称为晶体配位水（也称结构水）；另一种是以分子状态存在吸附于晶层结构间，称为晶层间水或层间吸附水。
常见的水泥品种
常见的水泥品种：(1)硅酸盐水泥硅酸盐水泥又称纯熟料水泥，国外称波特兰水泥。
它是由硅酸盐水泥熟料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
生产硅酸盐系水泥的原料主要是石灰质原料和黏土质原料。
石灰质原料(石灰、白垩等)主要提供CaO，黏土质原料(黏土、黏土质页岩、黄土等)主要提供SiO2、A12O3及Fe2O3。
有时还要加入少量校正原料(硅藻土、黄铁矿渣等)来调整这2种原料化学成分的不足。
在水泥生产过程中，为调节水泥的凝结时间还要加入二水石膏、半水石膏、硬石膏以及它们的混合物或工业副产石膏等缓凝剂。
为改善水泥性能、调节水泥标号，生产中往往还要加入一些矿物材料，称为混合材料。
水泥的生产工艺主要包括生料制备、煅烧、熟料磨细、储存或包装出厂。
将原料按适当比例配合，磨细混均，制成干料粉、料球或料浆，即为生料。
制备生料的方法有干法、湿法和半干法。
在立窑或回转窑中对生料煅烧，烧成温度在1 300~1 450℃之间，此时将发生一系列物理化学变化。
烧成的物料在窑内从1 300℃冷却1 000℃左右，然后离窑冷却，所得到的颗粒状物料就是硅酸水泥熟料。
熟料中加入w=2~6%的石膏，将其共同磨细就得到硅酸盐水泥。
将熟料、石膏和其他混合材料共同磨细，可生产出掺混材料不同的硅酸盐水泥，如普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥等。
硅酸盐水泥的主要矿物成分是：硅酸三钙(3CaO·SiO2，简写为C3S)、硅酸二(2CaO·SiO2，简写为C2S)、铝酸三钙(2CaO·Al2O3，简写为C3A)、铁铝酸四钙(4CaO·A12O3·Fe2O3，简写为C4AF)，还有游离氧化钙和氧化镁，是有害成分。
硅酸盐水泥熟料是多种矿物组分组成的，各组分的比例不同，水泥的性质就发生相应变化。
如提高3CaO·SiO2的质量分数，可制得高强水泥；提高3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3的质量分数可制得快硬水泥；降低3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3的质量分数，提高2CaO·SiO2的质量分数，可制得中、低热水泥；提高4CaO·A12O3·Fe2O3的质量分数，降低3CaO·Al2O3的质量分数，可制得道路水泥。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
硅酸盐水泥熟料的煅烧
§5-1 生料在煅烧过程中的物理化学变化
§5-2 熟料形成的热化学
§5-3 矿化剂、晶种对熟料煅烧和质量的影响
§5-4 挥发性组分及其他微量元素的作用
§5-5 水泥熟料的煅烧方法及设备
【掌握内容】
1、硅酸盐水泥熟料的形成过程名称、反应特点、影响反应速度的因素；
2、熟料的形成热、热耗的定义、一般数值、影响因素
3、挥发性组分对新型干法水泥生产的影响
4、悬浮预热器窑及预分解窑的组成、工作过程
5、影响窑产、质量及消耗的因素
【理解内容】
1、C3S的形成机理，形成条件；
2、影响熟料形成热的因素，形成热与实际热耗的区别，降低热耗的措施；
3、回转窑的结构、组成、及工作过程；
4、回转窑内“带”的划分方法，预分解窑内“带”的划分。
【了解内容】
1、水泥熟料的煅烧方法及设备类型；
2、矿化剂、晶种定义、类型、作用、使用；
3、湿法窑的组成，工作过程
合格生料在水泥窑内经过连续加热，高温煅烧至部分熔融，经过一系列的物理化学反应，得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料的工艺过程叫硅酸盐水泥
熟料的煅烧，简称煅烧。
结合目前生产现状及学生的就业去向，主要介绍与回转窑尤其是新型干法回转窑有关的知识，立窑有关知识留给学生自学。
第一节生料在煅烧过程中的物理化学变化
生料在加热过程中，依次进行如下物理化学变化
一、干燥与脱水
（一）干燥
入窑物料当温度升高到100～150℃时，生料中的自由水全部被排除，特别是湿法生产，料浆中含水量为32～40%，此过程较为重要。
而干法生产中生料的含水率一般不超过0%。
（二）脱水
当入窑物料的温度升高到450℃，粘土中的主要组成高岭土
（Al2O3·2SiO2·2H2O）发
生脱水反应，脱去其中的化学结合水。
此过程是吸热过程。
Al2O3·2SiO2·2H2 Al2O3 + 2SiO2 + 2H2 （无定形）（无定形）
脱水后变成无定形的三氧化三铝和二氧化硅，这些无定形物具有较高的活性。
二、碳酸盐分解
当物料温度升高到600℃时，石灰石中的碳酸钙和原料中夹杂的碳酸镁进行分解（见下式），在CO2分压为一个大气压下，碳酸镁和碳酸钙的剧烈分解温度分别是750℃和900℃。
CaO+CO2（一）碳酸钙分解反应的特点
碳酸钙的分解过程是一个可逆反应，所以受系统温度、周围介质中CO2的分压影响较大；该过程是一个强吸热过程，每1kg纯碳酸钙在890℃时分解吸收热量为1645kJ/kg，是熟料形成过程中消耗热量最多的一个工艺过程，而碳酸钙在水泥生料中所占比例约为80%左右，因此，它是水泥熟料煅烧过程中重要的一个环节；该过程的烧失量大，在分解过程中放出大量的CO2气体，使CaO疏松多孔，强化固相反应。
（二）碳酸钙的分解过程
碳酸钙颗粒的分解过程有以下五个过程
1、通过颗粒边界层由周围介质传进行分解所需的热量Qi；
2、热量Qi继续以传导方式，由表面传至反应面，并积聚达到一定的分解温度；
3、反应面在一定温度下，继续分解、吸收热量并放出CO2；
4、放出的CO2从分解面通过CaO层，向四周进行内部扩散；
5、扩散到颗粒边缘的CO2，通过边界层向介质扩散。
以上五个过程四个是物理过程，一个是化学反应过程，每个过程各有阻力，情况较为复杂，各个过程都会影响碳酸钙的分解，哪个过程最慢，哪个过程便是主控过程。
在悬浮态的反应器里，碳酸钙分解所需的时间主要取决于化学反应速率，即主要取决于化学分解分步过程
1、在碳酸钙粒径较大时，以传热传质过程为主；在碳酸钙的粒径d=0.2cm 时，物理、化学过程占同样重要的地位。
如立窑、立波尔窑、回转窑内均属于传热、传质控制过程。