水泥煅燒過程工藝反應公式原理，煅燒水泥過程

　　從生料到水泥成品，我們很多人都對此僅僅一知半解，了解表面，卻并不知道生料到水泥成品的反應過程和原理。今天筆者就在這里簡單介紹一下。因水泥生產所用的回轉窯設備http://www.www.ahhuadi.net/hzy.html 和水分烘干用的烘干機、粉磨用的水泥球磨機http://www.www.ahhuadi.net/snqmj.html 等都是達嘉礦機的主要生產設備，因此，很多水泥廠都在使用這種回轉窯，筆者也在一些大型水泥廠做回訪的時候看到很多生料的生產過程。生料在入水回轉窯后和熱氣體進行熱交換發生一系列的物理化學反應生成熟料。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。

　　煅燒過程所發生的物理化學變化在不同條件下進行的程度與狀況決定了水泥熟料的質量和性能，也直接影響到水泥熟料的產量以及燃料、耐火材料的消耗和窯的長期安全運轉。無論窯型的變化如何，水泥回轉窯熟料的煅燒過程和煅燒中所發生的反應基本相同，掌握了這些礦物形成的機理及影響因素，掌握了這些物理化學變化的規律，就能燒出高質量的熟料。

　　水泥回轉窯煅燒過程物理化學變化

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

　　干燥

　　干燥即自由水的蒸發過程。

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

　　自由水的蒸發溫度為100～150℃左右。生料加熱到100℃左右，自由水分開始蒸發，當溫度升到150℃～200℃時，生料中自由水全部被排除。自由水的蒸發過程消耗的熱量很大。每千克水蒸發熱高達2257kJ，如濕法窯料漿含水35%，每生產1kg水泥熟料用于蒸發水分的熱量高達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合水。

　　粘土主要由含水硅酸鋁所組成，常見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OH-離子狀態存在于晶體結構中，稱為晶體配位水(也稱結構水)。另一種是以分子狀態存在吸附于晶層結構間，稱為晶層間水或層間吸附水。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，說明粘土的脫水過程。

　　高嶺土主要由高嶺石(2SiO2•Al2O3•nH2O )組成。加熱當溫度達100℃時高嶺石失去吸附水，溫度升高至400～600℃時高嶺石失去結構水，變為偏高嶺石(2SiO2•A12O3)，并進一步分解為化學活性較高的無定型的氧化鋁和氧化硅。粘土中的主要礦物高嶺土發生脫水分解反應如下式所示：

　　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，通常把它看成是無定型的SiO2和A12O3，這些無定型物具有較高的化學活性，為下一步與氧化鈣反應創造了有利條件。

　　碳酸鹽分解

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

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

　　影響碳酸鹽分解的因素:

　　(1)石灰質性質

　　以常見的石灰石為例。當石灰石中伴生有其他礦物和雜質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 等增強了方解石的水泥回轉窯分解活力所致，但各種不同的伴生礦物和雜質對分解的影響是有差異的。方解石晶體越小，所形成的CaO缺陷結構的濃度越大，反應性越好，相對分解速度越高。

　　一般來說，石灰石分解的活化能在125.6～251.2kJ/mol之間，當伴生有雜質、晶體細小時，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，β-C2S等的形成速度越快。

　　(2) 生料細度和顆粒級配

　　生料細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。因此適當提高生料的粉磨細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非常重要的因素。這也是在懸浮預熱器和窯外分解窯分解爐內的碳酸鈣分解速度較回轉窯、水泥回轉窯內快的主要原因之一。

　　(4) 溫度

　　碳酸鹽分解是吸熱反應。每1 kg純碳酸鈣在890℃時分解吸收熱量為1645J/g，是熟料形成過程中消耗熱量多的一個工藝過程，分解所需總熱量約占濕法生產總熱耗的1/3，約占懸浮預熱器的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，通過實驗得知，溫度每升高50℃分解速度約增加一倍，分解時間約縮短50%，當物料溫度升到900℃后CaCO3分解反應將迅速進行，分解時間縮短。但應注意溫度過高，將增加廢氣溫度和熱耗，預熱器和分解爐結皮、堵塞的可能性亦大。

　　(5) 窯內通風

　　碳酸鹽分解是可逆反應，受系統溫度和周圍介質中CO2的分壓影響較大。為了使分解反應順利進行，必須保持較高的反應溫度良好的通風，降低周圍介質中CO2的分壓。如果將碳酸鹽的反應放在密閉的容器中于一定溫度下進行時，隨著碳酸鈣的不斷分解，周圍介質中CO2的分壓不斷增加，分解速度將逐漸變慢，直到反應停止。因此加強窯內通風，減小窯內CO2壓力，及時將CO2氣體排出，有利于CaCO3的分解。實驗表明，廢氣中CO2含量每減少2%，約可使分解時間縮短10%，當窯內通風不暢，CO2不能及時被排出，廢氣中CO2含量增加，會延長碳酸鹽的分解時間，因此窯內通風對CaCO3的分解起著重要作用。

　　(6)粘土質原料性質

　　如果粘土質原料的主導礦物是高嶺土，由于其活性大，在800℃下能和氧化鈣或直接與碳酸鈣進行固相反應，生成低鈣礦物，可以促進碳酸鈣的分解過程。反之，如果粘土主導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

　　固相反應是指固相與固相之間所進行的反應。

　　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反應形成各種礦物：

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

　　800～900℃ 開始形成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C2S含量達大值。

　　從以上化學反應的溫度，我們不難發現，這些反應溫度都小于反應物和生成物的熔點(如CaO、SiO2與2CaO•SiO的熔點分別為2570℃、1713℃與2130℃)也就是說物料在以上這些反應過程中都沒有熔融狀態物出現，反應是在固體狀態下進行的，這就是固相反應的特點。

　　影響固相反應速度的主要因素有：

　　(1)生料細度及其均勻程度

　　由于固相反應是固體物質表面相互接觸而進行的反應，當生料細度較細顆時，組分之間接觸面積增加，固相反應速度也就加快。從理論上認為生料越細對煅燒越有利，但生料細度過細會使磨機產量降低，同時電耗增加。因此粉磨細度應考慮原料種類、粉磨設備及煅燒設備的性能，以達到優質、高產、低消耗的綜合效益為宜。

　　通過實驗發現，由于物料反應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程的完成，所以，控制生料的細度既要考慮生料中細顆粒的含量，也要考慮使顆粒分布在較窄的范圍內，保證生料的均齊性。生料細度一般控制在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，有利于固相反應進行。濕法生產的料漿由于流動性好，生料中各組分之間混合較均勻。干法生產要通過空氣均化達到生料成分均勻的目的。

　　(2) 原料性質

　　原料中含有石英砂(結晶型的二氧化硅)時，熟料礦物很難生成，會使熟料中游離氧化鈣含量增加。因為結晶型SiO2在加熱過程中只發生晶型的轉變，晶體未受到破壞，晶體內分子很難離開晶體而參加反應，所以固相反應的速度明顯降低，特別是原料中含有粗顆粒石英時，影響更大。要求原料中盡量少含石英砂，原料中含的燧石結核(結晶型的SiO2)其硬度大不宜磨細，它的反應能力亦較無定型的SiO2低得多，對固相反應非常不利，因此要求原料中不含或少含燧石結核。

　　而粘土中的SiO2情況不同，粘土在加熱時，分解成游離態的SiO2和A12O3，其晶體已經破壞，因而容易與碳酸鈣分解出的CaO發生固相反應，形成熟料礦物。

　　(3) 溫度

　　溫度提高使質點能量增加，增加了質點的擴散速度和化學反應速度，所以使固相反應速度加快。

　　(4) 礦化劑

　　能加速結晶化合物的形成，使水泥生料易燒的少量外加劑稱為礦化劑。加入礦化劑可以通過與反應物作用而使晶格活化，從而增強反應能力，加速固相反應。

　　熟料形成過程中固相反應次序雖如前所述，但實際上隨著原料的性能，粉磨細度，加熱速度等條件的變化，各礦物形成的溫度有一定范圍，而且會相互交叉，如C2S雖然在800～900℃開始形成，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。本文信息標簽：水泥煅燒，煅燒過程，反應原理公式，固相反應。信息來源：該信息由公司為您提供http://www.www.ahhuadi.net/news/1451.html，轉載請注明出處。

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