悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料可行性试验研究.pdf

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1、武汉理工大学 硕士学位论文 悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料可行性试验研究 姓名：周志华 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：李福洲 201205 武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 目前，国内主要采用干法中空窑生产铝酸盐水泥熟料，不仅产量低而且热 耗高。显然，现有铝酸盐水泥生产技术严重背离了国家节能降耗的政策。本课 题通过实验研究和理论计算相结合的方法对比研究铝酸盐和硅酸盐水泥生料的 理化性能，探讨悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料的适应性，为改造落后的生 产工艺提供理论依据。 本文借助X 射线荧光分析、激光粒度分析仪等常规测试方法对两种工业生 产线所取水泥生料进行测试，得知：铝酸盐水泥生料中

2、A 1 2 0 3 含量约是硅酸 盐水泥生料的1 0 9 5 倍，C a O 含量约是硅酸盐水泥生料的0 6 6 ；铝酸盐水泥 生料的颗粒比硅酸盐水泥生料颗粒细且均匀。 通过综合热分析、理论计算的方法对两种水泥生料的热分解特性和单位水 泥熟料热耗进行了研究和计算。结果表明：两种水泥生料在室温“ 9 0 0 “ C 之间 的热分解特性相似，可以采用悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料；悬浮预热 器窑生产铝酸盐水泥，熟料热耗大概能降低2 8 5 “ - 3 0 9 。采用C o a t s R e A f e r n 积分法对两种水泥生料1 0 K m i n 下的热分析数据进行处理，得知：一水硬铝 石

3、分解反应符合随机成核和随后增长机理，碳酸钙分解反应符合相边界反应收 缩圆柱体机理；铝酸盐水泥生料比硅酸盐水泥生料易于分解。 用高温物性测定仪和电炉分别煅烧两种水泥生料、再利用C a O A 1 2 0 3 S i 0 2 三元相图分析研究它们的烧结性能。结果显示：实验用的铝酸盐水泥生料的 烧结范围约为1 3 6 0 “ - 1 4 1 0 ；铝酸盐水泥生料开始出现液相的温度高于硅酸 盐水泥生料；铝酸盐水泥生料的烧结范围比硅酸盐水泥生料的烧结范围窄约 1 0 0 。 用理论计算的方法，分析研究铝酸盐水泥熟料中元素硫降低的技术。结果 表明：窑灰不入窑时，干法中空窑生产铝酸盐水泥熟料硫含量约降低4

4、0 6 3 ， 若采用悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料硫含量至少能降低8 2 1 8 。 根据悬浮预热器窑生产硅酸盐水泥熟料已成熟的经验，以及对两种水泥生 料理化性能的对比研究，认为选择用五级悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料技 术是可行的。提出了五级悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料窑尾系统工艺参数， 并采用工程计算方法得到了五级悬浮预热器系统各部位尺寸。 关键词：铝酸盐水泥，硅酸盐水泥，悬浮预热器 武汉理工大学硕七学位论文 A b s t r a c t A t p r e s e n t ，t h em a i np r o d u c t i o np r o c e s so fa l u m

5、 i n a t ec e m e n t c l i n k e ri so r d i n a r y d r yk i l n si nC h i n a , n o to n l yl o wy i e l da n dh i 曲h e a tc o n s u m p t i o n O b v i o u s l y , t h e e x i s t i n ga l u m i n a t ec e m e n tp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi ss e r i o u s l yd e p a r t u r ef r o mt

6、 h e n a t i o n a le n e r g ys a v i n gp o l i c y I nt h i sp a p e r , t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f a l u m i n a t ec e m e n ta n dp o r t l a n dc e m e n tl a Ww e r ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e db yt h e m e t h o d so fe x p e r i m e n t a la n

7、dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n st oe x p l o r et h ea d a p t a b i l i t yo f s u s p e n s i o np r e h e a t e rk i l np r o d u c t i o na l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e r , a n da l l o ft h i sw i l l p r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sf o ru p d a t i n gt h eb

8、a c k w a r da l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e r p r o c e s s I nt h i st h e s i s ，t w ok i n d so fc e m e n tr a wf r o mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nl i n e sw e r e d e t e c t e db yX - r a yf l u o r e s c e n c ea n a l y s i s ，l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e r

9、 , e t cg e n e r a l d e t e c t i n gm e t h o d s ，t h a t ：O ) T h eA 1 2 0 3o fa l u m i n a t ec e m e n tr a wi s t h eA 1 2 0 3o f p o r t l a n dc e m e n tr a w 10 9 5t i m e s ，a n dt h eC a Oo fa l u m i n a t ec e m e n tr a wi st h eC a O o fp o r t l a n dc e m e n tr a w0 6 6t i m e

10、s ；( 室) A l u m i n a t ec e m e n tr a wp a r t i c l e sa r es m a l l e r a n dm o r eu n i f o r mt h a np o r t l a n dc e m e n tr a wp a r t i c l e s T h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w oc e m e n tr a wa n du n i t so f c e m e n tc l i n k e

11、rh e a tc o n s u m p t i o nw e r er e s e a r c h e da n dc a l c u l a t e di nt h i sp a p e rb y t h e r m a la n a l y s i s ，t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d s T h er e s u l t ss h o wt h a t ：T h e t h e r m a ld e c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s

12、o ft h et w oc e m e n tr a wa r es i m i l a rb e f o r e 9 0 0 0 C ，S Oa l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e rc a l lb ep r o d u c e db yt h es u s p e n s i o np r e h e a t e r k i l n ；T h eh e a tc o n s u m p t i o nw o u l db ea b l et or e d u c eb y2 8 5 3 0 9 。w i t ht h e s u s p e n

13、s i o np r e h e a t e rk i l np r o d u c t i o na l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e r T h et h e r m a la n a l y s i s d a t a10 K m i no ft h et w ok i n d so fc e m e n tr a ww e r ep r o s s e db yt h eC o a t s R e d f e r n i n t e g r a lm e t h o d ，t h a t ：O D i a s p o r ei s i na c

14、 c o r d i n gw i t ht h er a n d o mn u c l e a t i o na n d t h e ng r o w t hm e c h a n i s m ，a n dl i m e s t o n ei si na c c o r d i n gw i t ht h es h r i n k i n gc y l i n d e r m e c h a n i s mw i t hs u r f a c er e a c t i o nr a t ec o n t r o l l i n g ；( 至) A l u m i n a t ec e m e

15、 n tl a Wi se a s i e r t od e c o m p o s et h a nt h ep o r t l a n dc e m e n tr a w T h et w ok i n d so fc e m e n tr a ww e r ec a l c i n e db yh i g ht e m p e r a t u r ep h y s i c a l 武汉理工人学硕士学位论文 d e t e r m i n a t o ra n de l e c t r i cf u r n a c e ，t h e nt h e i rs i n t e r i n gp

16、 r o p e r t i e sb a s e do nt h et e r n a r y p h a s ed i a g r a mC a O A 1 2 0 3 S i 0 2a r er e s e a r c h e d T h er e s u l t ss h o wt h a t ：A l u m i n a t e c e m e n tr a w ss i n t e r i n gr a n g ei sa b o u t1 3 6 0 - - 。1 4 1 0 “ C ；蓬) A l u m i n a t ec e m e n tr a w s t e m p

17、e r a t u r eo fe m e r g e n c el i q u i d i s h i g h e rt h a nt h ep o r t l a n dc e m e n tr a w s ； 镬) A l u m i n a t ec e m e n tr a w Ss i n t e r i n gr a n g ei sn a r r o w e ra b o u t10 0 “ Ct h a np o r t l a n d c e m e n tr a W S T h et e c h n o l o g yo fr e d u c t i o ns u l f

18、 u ra b o u tu n i ta l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e ri s a n a l y s e db yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d T h er e s u l t ss h o wt h a t ：W h e nk i l na s h w o u l dn o tb ef e e d e di n t ok i l n ，t h eo r d i n a r yd r yk i l n sp r o d u c t i o na l u m i n

19、a t ec e m e n t c l i n k e r ss u l f u ri sr e d u c e da b o m4 0 6 3 ；I ft h es u s p e n s i o np r e h e a t e rk i l np r o d u c e a l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e r , t h ec l i n k e r ss u l f u ri sr e d u c e da tl e a s ta b o u t8 2 18 A c c o r d i n gt ot h em a t u r ee x p

20、 e r i e n c eo fp r o d u c t i o nP o r t l a n dc e m e n tc l i n k e rw i t h s u s p e n s i o np r e h e a t e rk i l na n dt h ec o m p a r a t i v es t u d yo nt h et w ok i n d so fc e m e n t r a w Sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，i ti sf e a s i b l et oc h o o s

21、ef i v e - s t a g e ss u s p e n s i o n p r e h e a t e rk i l nf o rp r o d u c t i n ga l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e r T h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f k i l nt a i ls y s t e mw i t hs u s p e n s i o np r e h e a t e rk i l np r o d u c t i o na l u m i n a t ec e m e n tc

22、 l i n k e r a r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , a n dt h ev a r i o u sp a r t s s i z eo ft h ef i v es u s p e n s i o n p r e h e a t e rs y s t e ma r eo b t a i n e db ye n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n s K e yW o r d s ：a l u r n i n a t ec e m e n t ，p o r t l a n dc 它玎n e

23、n t ，s u s p e n s i o np r e h e a t e r ! I I 武汉理丁火学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 铝酸盐水泥的定义、分类、用途 1 1 1 铝酸盐水泥的定义、分类 铝酸盐水泥是以铝酸钙为主要矿物相的熟料所磨制而成的水硬性胶凝材 料，代号C A 。根据需要也可在磨制氧化铝含量大于6 8 的水泥时掺加适量的 伐A 1 2 0 3 粉。铝酸盐水泥的分类见表1 1 【1 1 。按照A 1 2 0 3 的含量百分数分为四类。 表1 1 铝酸盐水泥化学成分 1 1 2 铝酸盐水泥的用途 铝酸盐水泥是一种用途广泛的特种水泥，常用于耐侵蚀，要求早期强度高、 快速

24、凝结、耐高温的环境中，适用于要求早强的特殊工程，军事工程、耐火材 料行业等【2 一丌。由于该品种水泥不含铝酸三钙和氢氧化钙，且密实度大，因此具 有较强的抗硫酸盐和弱酸腐蚀作用。铝酸盐水泥早期强度高( 1 d 强度可达最高 强度的8 0 以上) ，最初主要用于军事工程，如法国军队在第一次世界大战中用 其构筑炮座和其他特殊工程。目前，这种水泥除了用于军事工程项目之外，还 常应用于各种工程期限很急的工程项目，例如特殊的紧急抢修工程项目、道路 等。铝酸盐水泥水化过程放出大量的热量，第一天放出的热量可达总放热量的 7 0 “ - 8 0 ，使混凝土内部温度上升较高，即使在1 0 下施工，铝酸盐水泥也能

25、很快凝结硬化，可用于冬季施工的工程。铝酸盐水泥耐高温性能良好，经常用 武汉理工大学硕七学位论文 来配制耐热混凝土，作窑炉内衬；作为耐火材料的粘接剂，用于炼铁、炼钢行 业。按照目前炼铁、炼钢的先进技术水平考虑，一年产钢1 5 亿吨以上，消耗 耐火材料4 5 0 吨以上( 每吨钢消耗耐火材料约3 0 千克) ，其中约有5 的铝酸盐 水泥粘结剂，可见每年仅钢铁行业就需要2 0 万吨左右的铝酸盐水泥 8 1 。 1 2 国内外铝酸盐水泥生产技术现状 1 2 1 国外铝酸盐水泥熟料生产技术现状 早在19 0 9 年，S h e p h e r d 掣9 】开始研究c a o A 1 2 0 3 二元系统

26、相图，为生产 铝酸盐水泥奠定理论基础。1 9 1 4 年，法国率先成功开发了矾土水泥( C i m e n t f o n d u ) H o 】，接着四年后开始向市场推广。到了二十年代时，美国开始将铝酸盐 水泥作为结合剂应用于耐火混凝土中【1 1 1 。英国于1 9 世纪末期率先发布了石灰石一 矾土水泥的专利，1 9 2 6 年开始生产高铝水泥【l 引。 世界上除了我国以外的其他国家( 以法国为代表) 多采用熔融法生产铝酸 盐水泥。熔融法生产铝酸盐水泥熟料是将生料在转炉、反射炉、化铁炉、高炉、 电炉中熔融，生料不用必须磨细，经过高温煅烧到达熔融状态时就能混合均匀。 铝酸盐水泥中几种主要矿物的

27、熔点都在1 5 0 0 以上，但混合物的最低共熔点要 低很多。尤其是原料中氧化铁含量多时，熔点较低，熔融法工艺生产铝酸盐水 泥在国外较为常见。 熔融法生产铝酸盐水泥熟料，其原料要先经过煅烧或干燥，除去自由水， 石灰石分解成石灰，目的是为了避免短时间内炉子中产生大量气体而引起爆炸。 用高炉生产铝酸盐水泥熟料，不仅能获得铝酸盐水泥还能获得生铁，其中氧化 铁还原成金属铁，部分二氧化硅还原成元素硅。采用这种方法生产铝酸盐水泥 熟料，即便原材料的纯度不高，含有较高的二氧化硅、氧化铁等杂质，也可以 制造出质量优良的铝酸盐水泥熟料，而且原材料不需要磨的很细。但是这种方 法对煅烧温度要求很高，制造出来的熟料硬

28、度很大，粉磨需要消耗大量的电能。 1 2 2 国内铝酸盐水泥熟料生产技术现状 1 2 2 1 我国铝酸盐水泥生产技术的发展过程 生产铝酸盐水泥熟料的工艺分为以下几种：隧道窑、回转窑烧结法和转炉、 2 武汉理t 大学硕+ 学位论文 高炉、电炉熔融法【1 3 】。以法国为代表，国外生产铝酸盐水泥的厂家多采用熔融 法，而我国常用回转窑烧结法。二十世纪六十年代，我国成功建设第一条 2 5 m x 7 8 m 回转窑来生产铝酸盐水泥熟料。采用这种回转窑煅烧工艺生产铝酸 盐水泥熟料在世界上尚属首创，因此，在生产过程中必然会出现这样那样的问 题，回转窑结圈、结块严重影响熟料的生产和质量。为了解决这个令人头痛

29、的 问题，1 9 7 0 年将直径0 2 5 x 7 8 m 的回转窑改为3 3 2 5 m x 7 8 m ，即进行了回转 窑烧成带扩径改造，改造过后，回转窑结圈、结块的问题得到了缓和，产量提 高了约3 6 7 。二十世纪八十年代末，生产铝酸盐水泥的回转窑采用了预加水 成球技术，回转窑结圈、结块问题又得到了改善，并且水泥熟料的产量和质量 也都得到了提高，工艺流程图见图1 1 。2 0 0 1 年铝酸盐水泥料球窑外预热技术 应用于水泥回转窑上，并将窑型改造为西3 3 2 5 3 3 m 5 7 m ，使中空窑窑尾预热 得以利用，工艺流程图见图1 2 。生产技术的不断改进基本上解决了回转窑结圈

30、的问题，水泥熟料产量和质量又得到了提高【1 4 1 。随着新型干法水泥工艺技术的 不断提高，新型干法窑工艺生产铝酸盐水泥熟料将是必然趋势。 图1 1 预加水成球技术 3 武汉理T 大学硕士学位论文 图1 - 2 料球窑外预热技术 1 2 2 2 矿物组成和化学组成 铝酸盐水泥的主要矿物为C A 、C A 2 、C 2 A S 、C 1 2 A 7 和少量的C T 、C 2 F 、 M A 。其中C A 凝结正常，硬化较快，C A 2 水化较慢，后期强度高，二者含量占 熟料矿物的6 0 以上。C 1 2 A 7 凝结较快，强度低，含量过高水泥会出现急凝、 后期强度低、耐火度下降等缺点。C 2 A

31、 S 是由原料中S i 0 2 所致，无水硬性，应 该适量控制。适宜化学组成范围为：A 1 2 0 35 0 “ “ 6 0 ，C a O2 “ - 3 4 ，S i 0 2 5 2 ，S i 0 2 7 0 、F e 2 0 3 7 t 3 】。我国铝酸盐水泥生产所用燃料，绝大部分以烟煤为主，一般 要求如下：灰分 1 0 ，挥发分2 5 “ - 3 2 ，发热量大于2 5 0 0 0 k J k g t l5 1 。 1 2 2 4 生产铝酸盐水泥熟料控制要点 一般情况下，原料中矾土和石灰石是分开粉磨的，然后再配料，生料细度 4 武汉理T 大学硕+ 学位论文 控制在8 0 1 , t i n

32、 方孔筛筛余 8 0 。C A 5 0 铝酸盐水泥生料的控制指标为：出磨生 料的碳酸钙滴定值控制在4 4 5 士0 5 t l o J 。 C A 是铝酸盐水泥最主要的矿物相，与生产硅酸盐水泥熟料相似，其熟料 中必须要含有适量的C A ，因此，一般要控制熟料C A 2 和C A 的比例。一般用 碱度系数( A m ) 和铝硅比系数( A S ) 来控制。我国生产铝酸盐水泥熟料时， 碱度系数的下限值一般为O 5 左右，上限值为0 8 “ - - 0 9 。回转窑烧结生产铝酸盐 水泥熟料时，C A C A 2 = 1 1 4 ，碱度系数取0 7 5 左右，此时烧结范围为5 0 “ 8 0 ， 生产

33、易于控制。A S 越高，S i 0 2 相对也越少，形成的C 2 A S 越少，水泥强度越 高。生产经验表明：铝硅比大于7 时，水泥强度等级可达2 2 5 以上；铝硅比大 于9 时，水泥强度等级可达3 2 5 以上。对于低钙铝酸盐水泥，A S 常高于1 6 。 当S i 0 2 含量增加时，需相应增加C a O 量，以保证水泥强度【I 。 铝酸盐水泥熟料烧结温度范围较窄，为1 3 6 0 “ - “ 1 4 1 0 ，温度过高易产生大 量的液相，在窑内结大块和结圈，温度偏低时熟料欠烧，影响质量。操作时要 注意调整窑速、用煤量、火焰位置和长度，要注意观察窑内熟料的结粒和发粘 情况，保持煅烧制度的

34、稳定。冷却速度对熟料性能无显著影响l l 引。 5 武汉理T 人学硕士学位论文 1 3 铝酸盐水泥生产过程中存在的主要问题 我国铝酸盐水泥生产已经具备相当的规模了，但是目前生产铝酸盐水泥的 企业大多还是采用不同规格的中小型干法中空窑生产，众多的铝酸盐水泥生产 线多年来在工艺技术上面没有多大的改进，生产产量低、能耗高。 干法中空窑生产铝酸盐水泥熟料的热耗均在6 0 0 0 k J k g 熟料以上，约是悬 浮预热器( S P 窑) 窑的1 5 倍，是新型干法窑( N S P 窑) 的2 倍。由于能源越 来越缺乏，价格同益高涨，铝酸盐水泥熟料的热耗又很高，这样势必导致产品 的成本增加，企业面临严峻

35、的挑战。 干法中空窑生产铝酸盐水泥产能很低，同样规模的S P 窑比干法中空窑台时 产量高出约一倍。而N S P 窑比中空窑产量高出约3 2 0 ，生产效率低下是铝酸 盐水泥生产企业的致命伤。 综上所述，铝酸盐水泥行业存在的主要问题表现在： ( 1 ) 行业的技术水平落后 目前绝大部分企业采用落后的干法中空窑，铝酸盐水泥的生产工艺水平已 经远落后于硅酸盐水泥行业。 ( 2 ) 企业规模小、能耗高 我国目前铝酸盐水泥生产规模小，生产方法简单，生产设备水平落后，能 耗高。一般企业规模年产低于3 万吨，窑径小于2 0 米。干法中空窑生产铝酸 盐水泥的热耗高出S P 窑约一倍。 ( 3 ) 有害硫元素不

36、易分离 众所周知，硫元素是铝酸盐水泥成分中的有害成分，其主要来自于燃料煤。 铝酸盐水泥中的硫元素是以硫酸盐的形式存在的，在实际生产的过程中这些硫 酸盐一般在1 0 0 0 “ C 左右开始挥发，甚至更低的温度。虽然旋窑内最高温可以达 到1 4 0 0 ，但它的窑尾温度一般只有几百摄氏度。因此，气态硫酸盐在窑尾处 冷凝在生料上，从而引起硫元素在窑中的循环富集。上述情况表明，硫元素在 熟料煅烧过程中不可能大部分挥发掉，即使有挥发也只是相对很少的一部分。 1 4 新型千法水泥生产技术将是铝酸盐水泥生产工艺的发 展方向 新型干法水泥技术是利用粉体工程学、流体力学、热工学、燃烧动力学等 科学理论和技术，

37、以悬浮预热器和分解炉等装备为核心，并采用网络化信息技 6 武汉理T 大学硕士学位论文 术进行水泥工业生产的综合技术【1 8 1 。新型干法水泥生产技术的特点是传热迅速， 热效率高、生产能力大、自动化程度高、产品质量高、能耗低、有害物质排放 量低、工业废弃物利用量大。 由于悬浮预热器及预分解技术的应用，使得水泥回转窑的长径比大幅缩小， 一般的新型干法窑的长径比为1 4 “ - - 1 7 ，由于物料悬浮在热气流中，与气流的接 触面积大幅增加，因此传热速度极快，传热效率很高。同时，生料粉与燃料在 悬浮态下均匀混合，燃料燃烧产生的热量及时传给物料，使之迅速分解。这种 预分解技术的应用，使水泥熟料煅烧

38、能耗大幅降低，水泥熟料质量、产量提高。 采用这种新技术，现有硅酸盐水泥企业日产4 0 0 0 吨水泥熟料煤耗小于1 2 0 k g 标 煤吨，日产2 0 0 0 “ - - 4 0 0 0 吨水泥熟料煤耗小于1 2 5 k g 标煤吨l 憎J 。 总之，新型干法水泥生产工艺是目前国际上公认的最先进的水泥生产方法， 也是代表国际水泥工业发展的最新水平，同时也代表着我国水泥发展方向。 1 5 研究目标，意义及内容 1 5 1 研究目标 本论文主要通过比较铝酸盐水泥、硅酸盐水泥生料的化学成分、矿物相、 颗粒大小和分布均匀性及颗粒表面情况，煅烧过程中物化反应及烧结特性等性 能的差异，来讨论能否用悬浮预

39、热器窑生产铝酸盐水泥熟料。利用悬浮预热器 窑生产硅酸盐水泥熟料的经验已经是相当丰富了。根据这些经验，及铝酸盐水 泥生料和硅酸盐水泥生料一些性能的差异，设计出一套适合煅烧铝酸盐水泥生 料的悬浮预热器系统，为改造目前落后的铝酸盐水泥熟料烧成工艺提供理论依 据。 1 5 2 研究意义 随着我国经济的发展，城市化和工业化的速度加快，能源需求不断的增大， 与能源供给不足成为矛盾，能源短缺与环境约束压力是我国能源面临的严重问 题【2 0 1 。煤电能源越来越缺乏，价格日益高涨，水泥产品的成本必然增加，这样 水泥企业就面临着严峻挑战B 。因此，采取有效措施降低水泥熟料的热耗，进 一步节约能源、降低产品的成本

40、、提高市场竞争力、减少对环境的污染，都具 有重要的意义1 2 2 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 显然，现有铝酸盐水泥生产技术严重背离了国家节能降耗的政策。能源问 题是企业降低成本，增加市场竞争力的重要战略问题。新型干法水泥回转窑因 为使用了预热器，充分利用了回转窑窑尾废气中所具有的热焓加热生料，使之 进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入回转窑内继续加热分解，完成熟料煅烧 任务。考虑现在的铝酸盐水泥熟料煅烧工艺非常落后的现状，若采用悬浮预热 器系统来烧制铝酸盐水泥熟料，产量可以提高约3 0 ，热耗降低约3 0 ，产品 质量也会得到提高。 1 5 3 研究内容 为了深入研究悬浮预热器窑生产铝酸盐

41、水泥熟料过程中的诸多问题，本研 究通过热分析的实验手段比较铝酸盐水泥生料与硅酸盐水泥生料的分解温度和 分解热耗；通过理论计算的方法来研究铝酸盐水泥熟料的烧成热耗：采用热分 解动力学方法( C o a t s R e d f e m 积分法) 对两种水泥生料的热分析数据( 升温速 率为1 0 K m i n ) 进行处理，求取二者的分解活化能：用高温物性测定仪，电炉 分别煅烧铝酸盐和硅酸盐水泥生料制成的试样，通过对比分析两种水泥生料的 烧结性能来研究铝酸盐水泥生料的烧结性能；在采用不同煅烧工艺的条件下降 低铝酸盐水泥熟料中硫元素的技术措施。通过本课题的研究提出悬浮预热器窑 生产铝酸盐水泥熟料窑尾

42、预热系统工艺及过程控制参数。本课题主要研究内容 包括以下几个方面： ( 1 ) 铝酸盐水泥生料和硅酸盐水泥生料的基本性能分析，利用X 射线荧 光分析仪测试二者的化学成分，激光粒度分析仪测试二者的粒度分布情况，扫 描电镜观察它们的颗粒表面情况，X R D 分析仪分析它们的矿物相。根据两种水 泥生料基本性能的差异情况，调整悬浮预热器窑系统的技术参数。 ( 2 ) 通过热分析的方法得到两种水泥生料的T G D T G D S C 曲线，分析得 出两种水泥生料的分解温度、分解热耗、预分解特性。通过采用不同的计算公 式，理论计算悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料的烧成热耗。 ( 3 ) 采用C o a t

43、s R e A f c m 积分法对两种水泥生料10 K m i n 下的热分析数据 进行处理，确定二者的反应机理，求取二者的分解活化能。 ( 4 ) 用高温物性测定仪，电炉分别煅烧铝酸盐和硅酸盐水泥生料制成的试 样，通过对比分析两种水泥生料的烧结性能来研究铝酸盐水泥生料的烧结性能。 首先采用高温物性测定仪在1 4 0 0 以下煅烧两种水泥生料制成的0 3 x 3 m m 的 武汉理工大学硕士学位论文 小圆柱体，观察圆柱体高度的变化情况；然后采用电炉在1 3 5 0 ，1 4 0 0 ，1 4 5 0 下分别煅烧两种水泥生料制成的13 1 3 m m 的圆柱体，待试样急冷到室温观察 圆柱体的外

44、观形貌：最后采用C a O A 1 2 0 3 S i 0 2 三元相图分析铝酸盐水泥生料的 烧结特性。 ( 5 ) 通过理论计算在干法中空窑和悬浮预热器窑两种不同工艺条件下生产 铝酸盐水泥熟料中硫元素的含量变化，提出降低铝酸盐水泥熟料中硫元素的技 术措施。 ( 6 ) 根据悬浮预热器窑生产硅酸盐水泥熟料已成熟的经验，以及对两种水 泥生料理化性能的对比研究，探讨采用悬浮预热器窑生产铝酸盐水泥熟料的工 艺系统及工艺参数。 1 6 拟解决的关键问题 ( 1 ) 探讨铝酸盐水泥熟料的热耗、煅烧温度等对窑尾悬浮预热器系统的影响。 ( 2 ) 比较铝酸盐水泥和硅酸盐水泥生料的性能差异，设计一套适应于铝酸

45、 盐水泥熟料生产的窑尾预热器系统。 ( 3 ) 研究探讨降低铝酸盐水泥熟料中硫元素含量的技术措施。 9 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章铝酸盐水泥生料基本性能研究 2 1 引言 铝酸盐水泥生料的主要化学成分是A 1 2 0 3 、S i 0 2 和C a O ，由铝矾土和石灰 石按一定的比例配合( 为保证铝酸盐水泥熟料的烧成质量，一般还要加入少量 的校正材料) ，然后由磨机粉磨而成。 硅酸盐水泥生料主要由石灰质原料( 主要提供C a O ) 和粘土质原料( 主要 提供S i 0 2 、A 1 2 0 3 、F e 2 0 3 ) 按照一定比例配制的，此外，还需补充某些成分不 足的校正原料，然

46、后由磨机粉磨而成的。我国生产硅酸盐水泥熟料一般采用三 种或者三种以上的原料，根据熟料组成的要求配置成生料并经煅烧而成，而且 大多数采用天然原料。 铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的最根本区别在于活性相不同，从而导致两者凝 结和硬化速度不同。铝酸盐水泥里主要氧化物为C a O 和A 1 2 0 3 ，以C A 和C A 2 的形式存在，相反，硅酸盐水泥里主要氧化物为C a O 和S i 0 2 ，以C 3 S 和C 2 S 的形式存在【2 3 J 。 2 2 实验内容与方法 2 2 1 原材料来源 本实验用的两种水泥生料分别为硅酸盐水泥生料、铝酸盐水泥生料。硅酸 盐水泥生料取自湖北某新型干法水泥厂已经磨过

47、的水泥生料，铝酸水泥生料取 自郑州某铝酸盐水泥厂已经磨过的水泥生料。 2 2 2 样品制备与测试方法 2 2 2 1 样品制备 分别取铝酸盐水泥生料和硅酸盐水泥生料一定的量，即可得到实验所用的 试样，做以下几种测试分析。 l O 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 2X 射线荧光分析 本实验中，利用X 射线荧光分析仪对两种水泥生料进行化学分析，从而确 定生料的化学成分。 使用设备的型号为A X I O Sa d v a n c e d ，其主要技术指标为：额定功率4 k w ， 阴极；最大电流1 6 0 m A ；综合稳定性，优于0 0 4 ：角度定位精度士O 0 0 0 1 0 ； 元素分

48、析范围5 B 9 2 U ；定量误差 0 3 ；分析对象为各种镀膜材料，固体、粉 末、液体、浆体等样品。 X 射线荧光分析又称X 射线次级发射光谱分析。基本原理为：每一个原子 的核外电子都有特定的能量，在固定的轨道上运行，当高于这些电子特有能量 的光子与原子发生碰撞时，内层电子被轰击出来成为光电子，留下一个空位， 这个过程称为弛豫过程。处于激发态的原子很不稳定，为了趋于稳定，以达到 低能量状态，外层电子很快地跃入这个空位中。内层电子具有的结合能低，外 层电子具有的结合能高，当外层电子跃入内层时，多余的能力释放出来。这些 释放出来的能量在原子内部被吸收，轰击出该外层的电子时，就产生了次级光 电子

49、也叫俄歇电子，它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关；这些释放出 来的能量没有被原子内部吸收，而是以X 射线辐射的形式放出，便产生了x 射 线荧光，它的能量与两能级之间的差值相等。X 射线荧光的能量、波长是特征 性的，与化学元素一一对应，据此，可以进行化学元素的定性、定量分析【2 4 】。 2 2 2 3 激光粒度分析 本实验中，利用激光粒度分析仪对两种水泥生料进行粒度分析，从而确定 生料的粒度分布情况。 使用设备的型号为E a s y s i z e r 2 0 ，其主要技术指标为：测试范围0 1 “ - - 5 0 0 p m ； 进样方式，湿法；重复性误差 3 ：自动对中系统步进电机精度O 5 微米：扫 描频率1 0 0 0 次秒；湿法进样系统增压泵功率2 0 0 W ；最大转速5 0 0 0 转分钟： 测试时间2 3 分钟；独立探