熟料烧成理论
还原熟料形成机理
在水泥生产中正常熟料是在窑内空气略有过剩的情况下烧成的,即有足够的氧使燃料中的碳完全燃烧成CO2,放出热量。
1 前言在水泥生产中正常熟料是在窑内空气略有过剩的情况下烧成的,即有足够的氧使燃料中的碳完全燃烧成CO2,放出热量。
如窑内氧气不足,燃料燃烧不完全,产生CO时,就形成还原气氛,其反应式为:C+O2→CO2+408630J/molC+12O2→CO+123053J/mol在还原气氛条件下生产出来的熟料,我们称之为“还原熟料”。
在还原气氛下烧成时,窑内热力强度低,高价的过渡型的元素氧化物被还原成低价的,产生各种异常颜色的熟料。
据此特点,一般把还原料分为黄心料、绿心料、析铁料三种。
还原熟料常见的为黄心料,在熟料中所占比例也较大。
而绿心料、析铁料较少出现,即使存在,量也不多。
还原熟料的危害很多,影响窑的产量、质量、煤耗、热工制度的稳定;影响熟料、水泥的质量外观颜色等。
特别是熟料、水泥的外观上,还原料较多时,不仅熟料颜色难看,就连磨制出的水泥颜色也发黄,水泥用户极易把此熟料水泥比作立窑的废品熟料黄料球来看待,使用户购买使用都不放心,影响企业的声誉,因此,必须采取措施进行解决。
1.1 黄心料窑外分解窑产生的黄心料,可分为:疏松性黄心料和致密性黄心料,疏松性黄心料结构疏松,熟料烧失量高, fCaO也高,后期强度明显降低,它是在窑头温度低,窑尾存在还原气氛下产生的。
而致密性黄心料外壳的颜色与正常熟料相似,结粒较大,砸开熟料球,核心呈大小不等的黄心,它是在还原气氛或煤粉直接还原作用下,氧化铁还原致使熟料颜色发黄,当冷却时,表层熟料因再氧化而呈黑色。
黄心料其化学成分上最突出的变化就是随黄心程度的增加其中FeO含量也增加,而总的铁含量却没有明显变化;而有些黄心料中SiO2和Al2O3的含量较高,这主要是煤灰掺入造成的。
致密性黄心料在岩相结构上有两个特征:其一,B矿呈手指状、树叶状,这种B矿的产生与还原气氛下C2S和CFS固溶体的分离有关。
回转窑加热煅烧过程中如何进行熟料烧成
回转窑加热煅烧过程中如何进行熟料烧成物料加热到最低共熔温度(物料在加热过程中，开始出现液相的温度称为最低共熔温度)时，物料中开始出现被相，液相主要由C3A和C4AF所组成，还有MgO、Na2O、K20等其他组成，在液相的作用下进行熟料烧成。
液相出现后，C2S和CaO都开始溶于其中，在液相中C2S吸收游离氧化钙(CaO)形成C3S，其反应式如下：C2S（液）+ CaO（液）→ C3S（固）（条件：1350 - 1450℃）熟料的烧结包含三个过程：C2S和CaO逐步溶解于液相中并扩散；C3S晶核的形成；C3S 晶核的发育和长大，完成熟料的烧结过程。
即随着温度的升高和时间延长，液相量增加，液相粘度降低，CaO和C2S不断溶解、扩散，C3S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、结构致密的熟料，这个过程称为熟料的烧结过程。
这个过程也称石灰吸收过程。
大量C3S的生成是在液相出现之后，普通硅酸盐水泥组成一般在1300℃左右时就开始出现液相，而C3S形成最快速度约在1350℃，一般在1450℃下C3S绝大部分生成，所以熟料烧成温度可写成1350 - 1450℃或1450℃。
任何反应过程都需要有一定时间，C3S的形成也不例外。
它的形成不仅需要有一定温度，而且需要在烧成温度下停留一段时间，使其能充分反应，在煅烧较均匀的回转窑内时间可短些。
而在煅烧不均匀的立窑内时间需长些，但时间不宜过长，时间过长易使C3S生成粗而圆的晶体，使其强度发挥但而且还要降低。
一般需要在高温下煅烧20一30min。
从上述的分析可知，熟料烧成形成阿利持的过程，与被相形成湿度、液相量、液相性质以及氧化钙、硅酸二钙溶解液相的溶解速度、离子扩散速度等各种因素有关。
阿利持的形成也可以通过固相反应来完成，但需要较高的温度(1650℃以上)，因而这种方法目前在工业上没有实用价值。
熟料烧结(一)
熟料烧结（一）
冷却带 从火焰后部到窑头的一带。高温熟料在冷却带由二次空气和窑头漏风冷却， 逐步冷却到1000以下下落到冷却机。 五、熟料窑结构示意图：
熟料烧结（二）之熟料窑系统
烧结温度范围和液相量控制的意义 液相量的出现和控制 在一定的烧结温度下，液相量很少，在该温度时只能使炉料体现有少许收缩，但尚 不能把粉状炉料粘结成颗粒状（叫黄料）。 提高一定温度，出现液相量较少，在凝结时，虽能把粉状炉料粘结成颗粒状，的温度，液相量达到一定的适当量时，才能出现颗粒度均匀，孔隙度大 并有一定机械强度的熟料，叫正烧结料。 又提高一定的温度，液相量较多时，产生的是致密而少孔的，机械强度很大的熟料， 叫过烧结料。 当液相量过多时，就产生坚硬无孔的，所谓熔融熟料。 生产上把产生以上近烧结熟料，正烧结熟料、过烧结熟料所对应的温度，称为近烧 结温度、正烧结温度、过烧结温度。而炉料从近烧结温度到过烧结温度所经过 的温度区间，叫烧结温度范围。一般来说，在炉料正常配方的情况下，近烧结 时液相量为5~~10%，正烧结时液相量为15~~20%，过烧结时液相量为大于 ~~20%以上。
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料生产工艺流程图：
熟料烧结（二）之熟料窑系统
几个概念： 烘窑 烘窑的目的是什么？ 耐火砖砌好后，在点火开窑前必须烘窑， 使胶泥和耐火砖的水分缓慢的蒸发出来，以加强耐火砖和胶泥之间的结合，同 时可避免耐火砖温度急剧上升和水分剧烈蒸发而引起耐火砖表面爆裂，也防止 机械设备（领圈）因温度急剧升高而涨裂。 挂窑皮 窑皮是物料煅烧后粘附在烧成带耐火砖表面形成的保护层（过烧熟料层）。 它可以防止高温区物料对耐火砖的化学侵蚀和机械磨损，从而可以延长耐火砖 的使用寿命，提高回转窑的运转周期，同时可以增强传热效率，稳定窑的热工 制度，减少散热损失，所以挂好和维护好窑皮是保证优质高产的前提，而挂好 第一层高温窑皮尤为重要。 窑皮形成的机理： ；炉料在回转窑中由窑尾向窑头移动，当进入到分解带前沿时， 在一定温度下开始出现液相，随着温度升高液相量也相应增加，当增加到一定 数量时，炉料有黏结性，物料和耐火砖接触时，由于耐火砖向外散热，液相和 部分炉料就黏结在耐火砖表面而形成第一层窑皮，由于炉料推进，同时形成第 二层窑皮，第二层窑皮黏结后，第一层窑皮因为温度下降而凝固，这个过程继 续下去窑皮愈厚，当厚到一定程度时，由于窑皮的热负荷增加，窑皮表面温度 升高，液相黏度逐渐减小，由于向外冷却困难，液相过热，粘性不足，此时窑 皮就会停止生成。 结圈 炉料烧结过程中，由于液相的出现和凝结，在烧结带前后两端形成了致密而 高于窑皮的结圈称前结圈和后结圈。
第6章 水泥熟料的烧成1-2解读
⑵ 原料脱水
➢脱水指黏土矿物分解释放化学结合水。 ➢粘土矿物中化合水的存在形式：层间水、配位水。 ➢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。 ➢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。
⑵ 原料脱水
➢ 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。
干法水泥生产工艺
李豪 18926599241,15038582191
lihao_2013@
第六章 水泥熟料的烧成
章节主要内容
1 水泥熟料的形成过程 2 水泥熟料的形成热
重点：水泥熟料的煅烧形成过程；水泥熟料形 成热及热耗。 难点：水泥熟料形成热及热耗。
1 水泥熟料的形成过程
水泥熟料的形成过程，是对合格的水泥生料进行煅烧， 使其连续被加热，经过一系列物理化学反应，变成熟料，再 进行冷却的过程。主要物理化学反应经历了六个过程：这些 反应过程的反应温度、反应速度及反应产物不仅受原料的化 学成分和矿物组成的影响，还受反应时的物理因素诸如生料 粒径、均化程度、气固相接触程度等的影响。
生料干燥
原料脱水
碳酸盐分解
熟料冷却
烧结反应
固相反应
⑴ 生料干燥
➢ 生料都含有一定量的自由水分，随着物料温度升高，物料 中水分被蒸发，当温度升高到100~150℃时，生料中的自由 水分全部被排除，这一过程称为生料干燥过程。
➢ 新型干法水泥生料水分小于1%，此过程在预热器内瞬间 即可完成。
➢ 自由水分蒸发热耗大。每千克水蒸发潜热高达2257 kJ(在 100℃下)。
第6章 水泥熟料的烧成2-形成热计算
( ) q0 = q − q' = (q1 + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ +q6 ) − q1' + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ +q5'
式中，q0—形成 1kg 熟料理论热耗量，kJ/kg-clinker；
q—熟料形成过程中吸收热量之和，kJ/kg-clinker； q' —熟料形成过程中放出热量之和，kJ/kg-clinker。 上述计算比较麻烦，可用下列简易公式进行计算，即
q1'
= mr AS2 H 2
M AS2 M AS2H2
×
301
=
mr AS2 H 2
× 301× 0.86
式中， q1' —黏土脱水后无定形物质结晶放热，kg/kg-clinker；
0.86—脱水高岭土（Al2O3·2SiO2）和高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）相
对分子质量之比；
301—脱水高岭土的结晶热，kJ/kg-AS2。 ⑵ 熟料矿物形成放出热量，与各矿物的含量有关，其矿物含量可根据
⑷ 碳酸盐分解吸收热量
q4
=
Mr CaCO3
×1660 +
Mr MgCO3
× 1420
式中，q4—碳酸盐分解吸收的热量，kJ/kg-clinker；
1660—碳酸钙分解热效应，kJ/kg-CaCO3；
1420—碳酸镁分解热效应，kJ/kg- MgCO3。
⑸ 物料由 900℃加热到 1400℃时吸收的热量
C4 AF = 3.04Fe2O3k ( P > 0.64)
式中，C3S，C2S，C3A，C4AF—熟料各种矿物的含量，%； CaOk，SiO2k，Al2O3k，Fe2O3k—熟料中各化学成分含量，%。
水泥熟料形成热计算方式
水泥熟料形成热的计算方式熟料形成热的计算方式很多，有理论计算方式，也有体会公式计算方式。
现介绍我国《水泥回转窑热平稳、热效率综合能耗计算通那么》中所采纳的方式。
第一是依照熟料成份、煤灰成份与煤灰掺入量直接计算出煅烧1kg熟料的干物料消耗量，然后再计算形成lkg熟料的理论热消耗量。
假设采纳一般原料(石灰石、粘土、铁粉)配料，以煤粉为燃料，其具体计算方式如下：第一确信计算基准，一样物料取1kg熟料，温度取0℃，并给出如下已知数据：(1)熟料的化学成份；(2)煤的工业分析及煤灰的化学成份*(*假设采纳矿渣或粉煤灰配料还应给出矿渣或粉煤灰的化学成份及配比)；(3)熟料单位煤耗，关于设计计算要依照生产条件确信，关于热工标定计算通过测定而得。
(一)生成lkg熟料干物料消耗量的计算1.煤灰的掺入量m = m A a —!—(1-1)A r ar 100式中mA——生成lkg熟料，煤灰的掺入量(kg/kg-ck)；m r—每熟料的耗煤量(kg / kg-ck)A.——煤灰分的应用基含量(％) ara—煤灰掺入的百分比(%)。
2.生料中碳酸钙的消耗量CaO K—CaO A m M(1-2)ar^^ r - ----------------------- A- CaCOCa CO 3 100 MCaO式中m r CaCO3, ——生成lkg熟料碳酸钙的消耗量(kg/ kg-ck)；CaO k——熟料中氧化钙的含量(％)；CaO A——煤灰中氧化钙的含量(％)；M caCO3、M CaO——别离为碳酸钙、氧化钙的分子量;同(1-1)式3 .生料中碳酸镁的消耗量MCO 2 M CaCO 3-二氧化碳的分子量；M^CO M C aCO——别离为碳酸镁及碳酸钙的分子量。
6 .生料中化合水的消耗量2 Mm r = m ----- H -O-(1-6)H 2OAS 2 H2 MAS 2 H 2式中m r O------ 生料中化合水的含量(kg / kg —ck)；H2Om r MgCO3MgO K 一 MgO A m=----------------------- 100MMgCO 3M(1-3)式中m rMgCO3—生成1kg 熟料碳酸镁的消耗量(kg / kg -ck) MgOA ——煤灰中氧化镁的含量(％)； MgOK —熟料中氧化镁的含量(％)； M MgCO3、M MgO——别离为碳酸镁、氧化镁的分子量;m ---- 同(1-1)式。
熟料烧成理论
烧成理论与技术新型干法水泥生产线概述新型干法，就是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，并把现代科学技术和工业生产成果广泛用于水泥生产全过程，使水泥生产具有高效、优质、低耗、环保和大型化、自动化特征的现代水泥生产方法。
传统的湿法、半干法回转窑生产工艺中，生料的预热、分解和烧成过程均在窑内完成。
虽然回转窑能够提供断面温度分布均匀的温度场，并能保证物料在高温区有足够的停留时间，能够满足熟料在高温下煅烧的需要，但作为传热、传质设备其效率则不理想，因为窑内物料主要处于堆积状态，气流与物料的接触面积很小，热传导及对流换热效率很低，同时在堆积状态下，内层物料分解反应受到抑制。
因为反应产物CO2扩散的面积很小，阻力大、速率慢，料层内部颗粒被CO2气膜包裹，CO2的分压大，分解要求温度高，这就增加了石灰石分解的困难，降低了分解速率。
悬浮预热、窑外分解技术的突破，从根本上改变了物料的预热、分解过程的传热状态，将窑内（物料堆积状态下）的预热和分解过程，分别移到预热器和分解炉内进行。
从而使入窑生料的分解率从悬浮预1热窑的30%左右提高到85%～95%。
这样，不仅可以减轻窑内煅烧带的热负荷，有利于缩小窑的规格及生产大型化，而且可以节约投资，延长衬料寿命。
第一部分悬浮预热技术悬浮预热技术是指低温粉状物料均匀分散在高温气流之中，在悬浮状态下进行热交换，使物料得到迅速加热升温的技术。
1.1悬浮预热技术的优越性悬浮预热技术从根本上改变了物料预热过程的传热状态，将窑内物料堆积态的预热过程移到预热器内，在悬浮状态下进行预热。
由于物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，因此传热速率快，传热效率高。
1.2预热器的构成及功能目前在预分解窑中使用的预热器主要是旋风预热器，构成旋风预热器的热交换单元主要是旋风筒及各级旋风筒之间的连接管道(换热管道)。
预热器系统要求具备使气、固两相能充分分散、迅速换热、高效分离三个功能。
1.3 旋风预热器1旋风预热器是由旋风筒和连接管道（即风管）组成的热交换器。
熟料 烧成
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任务1 熟料烧成技术准备
• 2.生料细度和颗粒级配 • 生料细度越细，颗粒级配范围越狭窄，在生料颗粒群体尺寸小且均匀，
粗粒少的条件下，生料比表面积越是增加，传热和传质速度越快，分 解反应进行的越快。这也是生料粉磨细度控制的原因。 • 3.生料悬浮分散程度 • 生料在气流中悬浮分散越好，越是呈现单颗粒状态，传热和传质面积 越是增加，碳酸钙的分解速度越快。这也是研发、推广带悬浮预热器 和分解炉回转窑的主要原因之一。 • 4.温度 • 一般来讲，提高反应温度，化学反应就会加速，碳酸钙分解反应也不 例外。提高碳酸钙分解反应温度，碳酸钙分解速度加快，分解时间缩 短。
算，计算公式如下: • 理论热耗=吸收总热量一放出总热量 • 3.1.2. 2熟料热耗 • 生产实践中每锻烧1 kg的熟料，窑内实际消耗的热量称为熟料实际热
耗，简称熟料热耗，或者单位熟料热耗。
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任务1 熟料烧成技术准备
• 3.温度 • 提高反应温度，质点能量增加，质点的扩散速度和化学反应速度增加，
固相反应加速。 • 4.矿化剂 • 水泥熟料锻烧过程中加入的矿化剂可以通过与反应物作用而使晶格活
化，从而增加材料反应能力，加速固相反应。 • 3. 1. 1. 5熟料烧结 • (一)熟料烧结过程 • 当窑炉内生料升温到最低共熔温度后，经固相反应形成的铝酸钙和铁
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任务1 熟料烧成技术准备
• (三)熟料冷却速度对熟料质量的影响 • 熟料冷却过程进行的快慢，对熟料的矿物组成、结构以及易磨性有显
著的影响。对烧成熟料缓慢地进行冷却时，熟料熔融液相中的离子扩 散速率能保证固液相间反应充分进行，液相进行平衡冷却析晶，熟料 中基本上不存在玻璃体，全部组成均形成晶体并发育长大，部分矿物 晶体顺利进行了相变。当对熟料急速冷却时，熟料在高温下形成的熔 融液相来不及结晶而冷却成玻璃相，各主要矿物形成固溶体，同时急 速冷却也阻止了晶体的过分长大与相变，有利于熟料矿物水化活性的 提升。 • (四)急速冷却对改善熟料质量的作用 • 1.防止或减少C3S的分解
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烧成理论与技术
新型干法水泥生产线概述
新型干法，就是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，并把现代科学技术和工业生产成果广泛用于水泥生产全过程，使水泥生产具有高效、优质、低耗、环保和大型化、自动化特征的现代水泥生产方法。
传统的湿法、半干法回转窑生产工艺中，生料的预热、分解和烧成过程均在窑内完成。
虽然回转窑能够提供断面温度分布均匀的温度场，并能保证物料在高温区有足够的停留时间，能够满足熟料在高温下煅烧的需要，但作为传热、传质设备其效率则不理想，因为窑内物料主要处于堆积状态，气流与物料的接触面积很小，热传导及对流换热效率很低，同时在堆积状态下，内层物料分解反应受到抑制。
因为反应产物CO2扩散的面积很小，阻力大、速率慢，料层内部颗粒被CO2气膜包裹，CO2的分压大，分解要求温度高，这就增加了石灰石分解的困难，降低了分解速率。
悬浮预热、窑外分解技术的突破，从根本上改变了物料的预热、分解过程的传热状态，将窑内（物料堆积状态下）的预热和分解过程，分别移到预热器和分解炉内进行。
从而使入窑生料的分解率从悬浮预
1
热窑的30%左右提高到85%～95%。
这样，不仅可以减轻窑内煅烧带的热负荷，有利于缩小窑的规格及生产大型化，而且可以节约投资，延长衬料寿命。
第一部分悬浮预热技术
悬浮预热技术是指低温粉状物料均匀分散在高温气流之中，在悬浮状态下进行热交换，使物料得到迅速加热升温的技术。
1.1悬浮预热技术的优越性
悬浮预热技术从根本上改变了物料预热过程的传热状态，将窑内物料堆积态的预热过程移到预热器内，在悬浮状态下进行预热。
由于物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，因此传热速率快，传热效率高。
1.2预热器的构成及功能
目前在预分解窑中使用的预热器主要是旋风预热器，构成旋风预热器的热交换单元主要是旋风筒及各级旋风筒之间的连接管道(换热管道)。
预热器系统要求具备使气、固两相能充分分散、迅速换热、高效分离三个功能。
1.3 旋风预热器
1
旋风预热器是由旋风筒和连接管道（即风管）组成的热交换器。
现在一般为五级预热器，也有六级预热器。
风管是旋风预热器系统中的重要组成部分，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、均布和气、固两相间的换热任务。
预热器系统除旋风筒和换热管道外还设有下料管、撒料器、锁风阀等，它们共同组合成一个换热单元。
旋风筒的作用主要是气固分离，传热只占6%～12.5%。
气固间的热交换80％以上是在风管内进行的，热交换方式以对流换热为主。
气固之间的换热在进口管道内仅需0.05s左右即能完成，一般物料在转向被加速的起始区段内即完成换热。
最高一级旋风筒（C1）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采用双旋风筒的形式。
各种类型的旋风预热器的换热管道风速，一般选用12～20m/s。
为了使生料能够充分的分散悬浮于管道内的气流中，加速气固之间的传热。
往往采取以下措施：
(1) 在生料进入每级预热器的上升管道处，管道内设有物料分散装置，一般分板式撒料器（如图所示）和箱式撒料器。
撒料装置的作
用在于防止下料管下行物料进入换热管道时向下冲料，并促使下冲物
1。