懸浮態下溫度對碳酸鈣分解產物特性的影響*

徐 迅，汪 瀾，王俊杰

（1.中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京100024；2.西南科技大學材料科學與工程學院）

研究與開發

懸浮態下溫度對碳酸鈣分解產物特性的影響*

徐 迅1，2，汪 瀾1，王俊杰1

（1.中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京100024；2.西南科技大學材料科學與工程學院）

實際生產中，人們往往關注生料入窯分解率指標，而很少考慮生料分解后物料的自身特性。利用高溫一維爐設備研究了懸浮態下不同溫度條件對碳酸鹽反應及產物活性的影響。結果表明：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℃下碳酸鈣分解產物氧化鈣累計水化放熱是900℃的近4倍，水化活性大大增強。原因在于1 150℃下分解后的產物結晶細小，孔隙率較高，比表面積較大。因而可利用此特點進一步加快熟料燒成進程。

懸浮態；碳酸鈣；溫度；分解

碳酸鹽礦物分解是水泥生產中最重要的環節，分解爐內生料分解的好壞對整個預分解窯爐系統的產量與質量及安全穩定運行有著重要影響。目前，實際生產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）。人們主要關注入窯生料分解率這一指標，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間，在此溫度區間內，CaO的活性最高。黃文熙等［2］指出反應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，分解爐內碳酸鹽分解應該存在一個最優溫度范圍，分解物料不僅存在分解率高低差別，分解產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的固相反應和液相燒結產生重要影響。筆者采用高溫一維爐，在懸浮態下分析不同溫度條件對碳酸鹽反應及產物活性的影響。

1 實驗

1.1 實驗原材料

CaCO3：化學純試劑。

1.2 實驗設備

實驗在上海理工大學高溫一維爐上進行，爐膛內徑60 mm，恒溫區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。空氣經由壓縮機、流量計進入給料器下面的導管，并攜帶由給料器喂入的CaCO3由爐頂噴入爐內，垂直向下流動到達收料漏斗，CaCO3分解實驗在兩個溫度下進行，分別為900℃和1 150℃。

在高溫一維爐實驗條件下，可認為氣體為柱塞流，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，本實驗通過調節給氣量使得物料在爐膛內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在爐膛內的停留時間計算為3.97 s。一維實驗爐系統圖見圖1。

圖1 一維實驗爐系統圖

1.3 實驗測試

分解后物料的CaO采用甘油乙醇法進行測定，再折算成CaCO3分解率。

CaCO3分解產物的活性以和水發生反應后釋放的水化熱來表征。實驗儀器為TAM AIR-8微量熱儀，水灰比為4，溫度為30℃，齡期為24 h。

CaCO3分解產物的形貌采用掃描電鏡來觀察。實驗儀器為S-4800型掃描電子顯微鏡，加速電壓為5 000 V，樣品鍍金膜。

2 結果與討論

2.1 不同溫度對產物分解特性的影響

900℃下CaCO3分解產物的CaO質量分數為16.4%，折算成分解率為26.0%；1 150℃下CaCO3分解產物的CaO質量分數為53.3%，折算成分解率為67.1%。

反應溫度提高250℃，分解率提高2.6倍。這是因為化學反應受溫度的影響，溫度的大幅提高將對反應有加速作用。

2.2 不同溫度對產物水化活性的影響

900℃和1 150℃下CaCO3分解產物的水化放熱曲線見圖2。由圖2可見，相同反應時間條件下，900℃分解產物的活性低于1 150℃下CaCO3分解的產物，一方面是因為CaO含量的差別，另一方面是因為CaO自身活性的差異。

圖2 900℃和1 150℃下碳酸鈣分解產物的水化熱曲線

因為兩個試樣中CaO含量不一樣，所以按單位氧化鈣含量來計算釋放的累計水化熱，結果如圖3所示。由圖3可見，1 150℃下CaCO3分解產物CaO的水化活性遠高于900℃的，累計水化放熱是其近4倍。

石灰石在高溫下分解后，特有的孔隙結構將會在石灰石顆粒內部形成，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時的溫度［3］。石灰石的分解反應分為5個反應過程，其中2個傳熱過程、2個傳質過程、1個化學反應過程。分解反應的相界面從顆粒表面進行到顆粒內部，其反應時間隨溫度的升高而縮短。

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

圖 4為不同溫度條件下 CaCO3煅燒產物的SEM圖。從圖4可見，900℃下分解后的產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℃下分解后的產物礦物結晶細小，粒度較均勻，孔隙率較高，比表面積較大。高溫分解后形成產物的結構將對產物自身的反應特性有重要影響，結構疏松、孔隙率高的形貌能增大有利于化學反應的表面積，因而產物活性較高。

圖4 900℃和1 150℃下碳酸鈣分解產物的SEM圖

3 結論

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分解產物CaO累計水化放熱是900℃的近4倍，水化活性大大增強。3）利用不同溫度條件下CaCO3反應的活性差異，可以進一步改善物料煅燒條件，進而加快熟料燒成進程。

［1］董建勛，李振中，馮兆興，等.石灰石爐內高溫煅燒脫硫及產物活性的實驗［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］.硅酸鹽學報，1991，19（6）：506-512.

［3］雷仲存.工業脫硫技術［M］.北京：化學工業出版社，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，研究方向為先進建筑材料，已發表論文24篇。

973計劃項目資助（2009CB623102）。

聯系方式：xuxun@swust.edu.cn