10.1.3.1. Физико-химические процессы в печи

В зависимости от характера физико-химических процессов, происходящих при нагревании сырьевого материала, печь по длине разделяют на 6 технологических зон (рис. 10.6).

Основные физико-химические процессы в технологических зонах

I. Зона сушки (испарения). Во вращающуюся печь шлам поступает с температурой 20...30°С и влажностью 32...40 %. По мере продвижения по печи и нагревания материала до 100°С происходит испарение капельножидкой воды.

Н₂О(вода ) → Н₂О↑(пар)

В зависимости от свойств сырья шлам с потерей влаги может образовывать гранулы или пылевидный материал.

Зона сушки занимает около 25% от общей длины печи.

II. В зоне подогрева материал нагревается от 100 до 800°С. При температурах 400...600°С происходит процесс дегидратации глинистых минералов с выделением А1₂О₃ и SiО₂ в аморфном состоянии и начинаются взаимодействия в сырьевой смеси.

Al₂O₃•2SiO₂•Н₂О → Al₂O₃+2SiO₂+ 2Н₂О↑

Зона составляет около 25% длины печи. Для интенсификации процессов теплообмена в зонах сушки и подогрева устанавливают внутрипечные теплообменные устройства, в основном цепные завесы.

III. В зоне декарбонизации протекает наиболее энергоемкая стадия процесса клинкерообразования- реакция разложения карбоната кальция CaCO₃. Температура диссоциации зависит от парциального давления CO₂ в газовой среде. Так как в начале зоны декарбонизации в газе CO₂ ≈ 22%, то разложение карбоната кальция начинается с температуры 800°С и интенсивно протекает при 900...950°С.

СаСО₃ = СаО+СО₂↑

Зона декарбонизации занимает около 30% длины печи. В зоне декарбонизации начинают протекать реакции образования низкоосновных силикатов, алюминатов, алюмосиликатов и алюмоферритов кальция.

IV. Зона экзотермических реакций. При температурах 1100...1300°С происходит интенсивное образование всех клинкерных минералов, кроме алита.

СаО + SiO₂+ Al₂O₃+Fe₂O₃= С₂S + С₃А+ С₄АF

Твердофазовые реакции образования двухкальциевого силиката 2СаО•SiO₂, трехкальциевого алюмината 3СаО•Al₂O₃ и четырехкальциевого алюмоферрита 4СаО•Al₂O₃•Fe₂O₃ протекают с выделением тепла, т.е. являются экзотермическими. Наибольшее количество, до 97%, тепла выделяется в результате образования C₂S. Зона экзотермических реакций занимает около 3% длины печи.

V. Зона спекания. При 1280...1340°С в материале образуется клинкерный расплав, в котором растворяются клинкерные минералы. При температурах ~ 1300...1450...1300°С в результате взаимодействия растворенных в расплаве оксида кальция СаО и двухкальциевого силиката С₂S образуется основной клинкерный минерал алит 3СаО • SiO₂.

СаО + С₂S = С₃S

При охлаждении до ~ 1300°С из расплава выкристаллизовываются клинкерные минералы, количество расплава сокращается и образуется прочный спек - клинкерная гранула. Зона спекания занимает около 15% длины печи.

VI. В зоне охлаждения, занимающей около 2% длины печи, клинкер остывает до температур 1200...1100°С, после чего поступает в холодильник для дальнейшего охлаждения.