懸浮態(tài)下溫度對碳酸鈣分解產(chǎn)物特性的影響*

徐 迅，汪 瀾，王俊杰

（1.中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；2.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

研究與開發(fā)

懸浮態(tài)下溫度對碳酸鈣分解產(chǎn)物特性的影響*

徐 迅1，2，汪 瀾1，王俊杰1

（1.中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；2.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

實(shí)際生產(chǎn)中，人們往往關(guān)注生料入窯分解率指標(biāo)，而很少考慮生料分解后物料的自身特性。利用高溫一維爐設(shè)備研究了懸浮態(tài)下不同溫度條件對碳酸鹽反應(yīng)及產(chǎn)物活性的影響。結(jié)果表明：相同停留時間下，900℃下碳酸鈣分解率為26.0%，1 150℃下碳酸鈣分解率為67.1%；1 150℃下碳酸鈣分解產(chǎn)物氧化鈣累計(jì)水化放熱是900℃的近4倍，水化活性大大增強(qiáng)。原因在于1 150℃下分解后的產(chǎn)物結(jié)晶細(xì)小，孔隙率較高，比表面積較大。因而可利用此特點(diǎn)進(jìn)一步加快熟料燒成進(jìn)程。

懸浮態(tài)；碳酸鈣；溫度；分解

碳酸鹽礦物分解是水泥生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)，分解爐內(nèi)生料分解的好壞對整個預(yù)分解窯爐系統(tǒng)的產(chǎn)量與質(zhì)量及安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響。目前，實(shí)際生產(chǎn)中分解爐溫度基本控制在900℃左右（即石灰石分解速率最大處）。人們主要關(guān)注入窯生料分解率這一指標(biāo)，而很少考慮生料分解后物料的自身特性。董建勛等［1］研究認(rèn)為碳酸鹽礦物的煅燒溫度、煅燒停留時間、碳酸鹽礦物自身特性等對碳酸鹽礦物高溫煅燒后所得產(chǎn)物CaO的活性有顯著影響，并指出在1 100℃附近存在一個碳酸鹽礦物最佳煅燒溫度區(qū)間，在此溫度區(qū)間內(nèi)，CaO的活性最高。黃文熙等［2］指出反應(yīng)途徑的不同對碳酸鹽礦物分解而得的CaO活性也有顯著影響。快速煅燒條件下的新生態(tài)CaO不僅晶粒尺寸小、缺陷濃度高，而且晶粒生長快、晶體缺陷濃度隨煅燒時間延長遞減迅速，即“老化”更迅速。由以上分析可看出，分解爐內(nèi)碳酸鹽分解應(yīng)該存在一個最優(yōu)溫度范圍，分解物料不僅存在分解率高低差別，分解產(chǎn)物的活性也將有較大差異。如能更加充分利用高活性的CaO，將對熟料形成過程中后續(xù)的固相反應(yīng)和液相燒結(jié)產(chǎn)生重要影響。筆者采用高溫一維爐，在懸浮態(tài)下分析不同溫度條件對碳酸鹽反應(yīng)及產(chǎn)物活性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

CaCO3：化學(xué)純試劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在上海理工大學(xué)高溫一維爐上進(jìn)行，爐膛內(nèi)徑60 mm，恒溫區(qū)2 m。分為給料部分、給氣部分、爐體、收集部分。給料部分采用自制微型電磁振動給料器給料，給料量為1 kg/h。空氣經(jīng)由壓縮機(jī)、流量計(jì)進(jìn)入給料器下面的導(dǎo)管，并攜帶由給料器喂入的CaCO3由爐頂噴入爐內(nèi)，垂直向下流動到達(dá)收料漏斗，CaCO3分解實(shí)驗(yàn)在兩個溫度下進(jìn)行，分別為900℃和1 150℃。

在高溫一維爐實(shí)驗(yàn)條件下，可認(rèn)為氣體為柱塞流，從而可假定物料停留時間與氣體停留時間相同，可用式（1）表示：

其中，t代表物料停留時間，D代表一維爐直徑，Q為給氣量。由式（1）可知，給氣量和溫度是物料停留時間的控制因素，因此，本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)給氣量使得物料在爐膛內(nèi)具有相同的停留時間，考察不同溫度下碳酸鈣的分解特性。CaCO3在爐膛內(nèi)的停留時間計(jì)算為3.97 s。一維實(shí)驗(yàn)爐系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 一維實(shí)驗(yàn)爐系統(tǒng)圖

1.3 實(shí)驗(yàn)測試

分解后物料的CaO采用甘油乙醇法進(jìn)行測定，再折算成CaCO3分解率。

CaCO3分解產(chǎn)物的活性以和水發(fā)生反應(yīng)后釋放的水化熱來表征。實(shí)驗(yàn)儀器為TAM AIR-8微量熱儀，水灰比為4，溫度為30℃，齡期為24 h。

CaCO3分解產(chǎn)物的形貌采用掃描電鏡來觀察。實(shí)驗(yàn)儀器為S-4800型掃描電子顯微鏡，加速電壓為5 000 V，樣品鍍金膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度對產(chǎn)物分解特性的影響

900℃下CaCO3分解產(chǎn)物的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.4%，折算成分解率為26.0%；1 150℃下CaCO3分解產(chǎn)物的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.3%，折算成分解率為67.1%。

反應(yīng)溫度提高250℃，分解率提高2.6倍。這是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)受溫度的影響，溫度的大幅提高將對反應(yīng)有加速作用。

2.2 不同溫度對產(chǎn)物水化活性的影響

900℃和1 150℃下CaCO3分解產(chǎn)物的水化放熱曲線見圖2。由圖2可見，相同反應(yīng)時間條件下，900℃分解產(chǎn)物的活性低于1 150℃下CaCO3分解的產(chǎn)物，一方面是因?yàn)镃aO含量的差別，另一方面是因?yàn)镃aO自身活性的差異。

圖2 900℃和1 150℃下碳酸鈣分解產(chǎn)物的水化熱曲線

因?yàn)閮蓚€試樣中CaO含量不一樣，所以按單位氧化鈣含量來計(jì)算釋放的累計(jì)水化熱，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，1 150℃下CaCO3分解產(chǎn)物CaO的水化活性遠(yuǎn)高于900℃的，累計(jì)水化放熱是其近4倍。

石灰石在高溫下分解后，特有的孔隙結(jié)構(gòu)將會在石灰石顆粒內(nèi)部形成，其形狀和大小主要取決于分解前石灰石的初始類型和反應(yīng)時的溫度［3］。石灰石的分解反應(yīng)分為5個反應(yīng)過程，其中2個傳熱過程、2個傳質(zhì)過程、1個化學(xué)反應(yīng)過程。分解反應(yīng)的相界面從顆粒表面進(jìn)行到顆粒內(nèi)部，其反應(yīng)時間隨溫度的升高而縮短。

圖3 900℃和1 150℃下碳酸鈣分解產(chǎn)物的累計(jì)水化熱曲線（單位氧化鈣含量）

圖 4為不同溫度條件下 CaCO3煅燒產(chǎn)物的SEM圖。從圖4可見，900℃下分解后的產(chǎn)物由于還存在較多未分解的CaCO3，還保留有較多原始粗大晶粒，孔隙率低，比表面積較小。1 150℃下分解后的產(chǎn)物礦物結(jié)晶細(xì)小，粒度較均勻，孔隙率較高，比表面積較大。高溫分解后形成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)將對產(chǎn)物自身的反應(yīng)特性有重要影響，結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率高的形貌能增大有利于化學(xué)反應(yīng)的表面積，因而產(chǎn)物活性較高。

圖4 900℃和1 150℃下碳酸鈣分解產(chǎn)物的SEM圖

3 結(jié)論

1）相同停留時間下，900℃下CaCO3分解率為26.0%，1150℃下CaCO3分解率為67.1%。2）1 150℃下CaCO3分解產(chǎn)物CaO累計(jì)水化放熱是900℃的近4倍，水化活性大大增強(qiáng)。3）利用不同溫度條件下CaCO3反應(yīng)的活性差異，可以進(jìn)一步改善物料煅燒條件，進(jìn)而加快熟料燒成進(jìn)程。

［1］董建勛，李振中，馮兆興，等.石灰石爐內(nèi)高溫煅燒脫硫及產(chǎn)物活性的實(shí)驗(yàn)［J］.動力工程，2004，24（5）：711-715.

［2］黃文熙，錢光人，沈德勛.不同煅燒條件下CaO活性的研究［J］.硅酸鹽學(xué)報，1991，19（6）：506-512.

［3］雷仲存.工業(yè)脫硫技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

Influence of temperature on characteristics of decomposition product of CaCO3under suspended state

Xu Xun1，2，Wang Lan1，Wang Junjie1
（1.State Key Laboratory of Green Building Materials，China Building Materials Academy，Beijing 100024，China；
2.School of Materials Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology）

In actual production，people often pay attention to raw material decomposition rate in the kiln，but few of them consider characteristics of decomposition product of raw material.Influences of different temperatures on the reaction of CaCO3and on product activity under suspended state were investigated with a high temperature one-dimensional furnace.The results showed that under the same resident time，decomposition rate of CaCO3at 900℃was 26.0%，and 67.1%at 1150℃. Because the decomposition product under 1 150℃had finer grains，higher porosity，and greater specific surface area，cumulative hydration heat of decomposition product CaO under 1 150℃was higher near 4 times than that of 900℃，and hydration activity was greatly enhanced.Then clinker burning process may be speeded up by using this characteristics.

suspended state；calcium carbonate；temperature；decomposition

TQ132.32

A

1006-4990（2014）01-0014-03

2013-08-02

徐迅（1977— ），男，博士研究生，副研究員，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)建筑材料，已發(fā)表論文24篇。

973計(jì)劃項(xiàng)目資助（2009CB623102）。

聯(lián)系方式：xuxun@swust.edu.cn