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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(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)、铁铝酸四钙(C4AF)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。所有的粘土都含有配位水，多水高岭土、蒙脱石还含有层间水，伊利石的层间水因风化程度而异。层间水在100℃左右即可除去，而配位水则必须高达400～600℃以上才能脱去，具体温度范围取决于粘土的矿物组成。 下面以高岭土为例，说明粘土的脱水过程。 高岭土主要由高岭石（2SiO2·Al2O3·nH2O ）组成。加热当温度达100℃时高岭石失去吸附水，温度升高至400～600℃时高岭石失去结构水，变为偏高岭石(2SiO2·A12O3)，并进一步分解为化学活性较高的无定型的氧化铝和氧化硅。粘土中的主要矿物高岭土发生脱水分解反应如下式所示： 2SiO2·Al2O3·2H2O2SiO2·Al2O3+2H2O 2SiO2·Al2O32SiO2+ Al2O3 由于偏高岭土中存在着因OH-离子跑出后留下的空位，通常把它看成是无定型的SiO2和A12O3，这些无定型物具有较高的化学活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。 6.1.3 碳酸盐分解 碳酸盐分解是熟料煅烧的重要过程之一。碳酸盐分解与温度、颗粒粒径、生料中粘土的性质、气体中CO2的含量等因素有关。 石灰石中的碳酸钙（CaCO3）和少量碳酸镁（MgCO3）在煅烧过程中都要分解放出二氧化碳，其反应式如下： 影响碳酸盐分解的因素: （1）石灰质性质 以最常见的石灰石为例。当石灰石中伴生有其他矿物和杂质一般具有降低分解温度的作用，这是由于石灰石中的SiO2、A12O3、Fe2O3 等增强了方解石的分解活力所致，但各种不同的伴生矿物和杂质对分解的影响是有差异的。方解石晶体越小，所形成的CaO缺陷结构的浓度越大，反应性越好，相对分解速度越高。一般来说，石灰石分解的活化能在125.6～251.2kJ/mol之间，当伴生有杂质、晶体细小时，其活化能将降低，一般在190kJ/mol以下。石灰石分解活化能越低，CaO的化合作用越强，β-C2S等的形成速度越快。 (2) 生料细度和颗粒级配 生料细度也是影响碳酸盐分解的重要因素。生料颗粒粒径越小，比表面积越大，传热面积增大，分解速度加快，生料颗粒均匀，粗颗粒少，也可加速碳酸盐的分解。因此适当提高生料的粉磨细度和生料的均匀性有利于碳酸盐的分解。 (3) 生料悬浮分散程度 生料悬浮分散差，相对地增大了颗粒尺寸，减少了传热面积，降低了碳酸钙的分解速度。因此，生料悬浮分散程度是决定分解速度的一个非常重要的因素。这也是在悬浮预热器和窑外分解窑分解炉内的碳酸钙分解速度较回转窑、立波尔窑内快的主要原因之一。 (4) 温度 碳酸盐分解是吸热反应。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湿法生产总热耗的1/3，约占悬浮预热器的1/2，因此，提供足