钾钠氯硫挥发特性及对熟料煅烧的影响

论文摘要

利用水泥窑协同处置固体工业废弃物,如生活垃圾和污泥等,是当今研究和实践的热点。工业废弃物中通常含有钾、钠、氯、硫等组分,由于其挥发特性,容易在水泥窑炉中产生循环富集而产生结皮堵塞,干扰正常生产。同时,这些组分也对水泥熟料的矿物形成过程及其性能产生影响。因此,本文研究钾、钠、氯、硫的挥发特性和循环富集规律,以及对熟料煅烧的影响,这对于水泥窑协同处理固体废弃物,有效利用钾钠氯硫含量较高的原料都具有积极意义。本论文根据吉布斯自由能最小原理,计算了在500℃-1400℃范围内碱（K）、氯、硫的平衡组分和挥发率,并结合水泥窑炉的温度分布,对碱、氯、硫的循环富集特性进行了探讨。结果表明：（1）氯的挥发性很强,在800℃以上几乎达到100%,挥发率急变的温度区域为650℃-800℃；硫和碱大约在1300℃左右全部挥发,氯促进硫和碱的挥发,在氯含量较低时,硫和碱挥发率在1000℃-1200℃之间变化较大,而在氯含量较高情况下,在650℃-800℃也是急剧变化。（2）对应于水泥生产实际,循环富集比较严重的区域有二个：一是窑尾烟室及上升烟道区,二是次末级和最末级预热器。其中前者与碱和硫关系较大,而后者与氯关系较大。为了减少窑尾烟气系统的结皮堵塞,硫碱比应该控制在1.5左右。本文还通过化学分析、XRD和SEM等手段,研究了钾、钠、氯、硫对水泥熟料易烧性、矿物组成和形貌的影响,并对熟料形成动力学进行了分析,结果表明：（1） K2CO3、Na2CO3, CaCl2在较低温度（低于1300℃）下均改善生料易烧性,但煅烧温度的提高,作用效果减弱。在较高温度（高于1350℃）煅烧条件下对易烧性不利。低掺量CaSO4能改善生料的易烧性,但是在掺量较高时对易烧性不利,在高温条件下更为明显。（2）从XRD谱看,K2CO3、Na2CO3、CaCl2和CaSO4对水泥熟料组成影响不大,没有发现KC23S12或NC23S12,但掺Na2CO3时有NC8A3矿物形成,掺CaCl2时发现中间相C11A7·CaCl2。从SEM图上看,掺碱、氯的熟料晶粒大小与空白样相似,但掺硫熟料晶体尺寸增大。（3）掺碱和掺硫的熟料的C3s形成过程符合金斯特林格方程,可认为C3S形成为扩散速度控制。而掺氯时不符合金斯特林格方程,C3S形成不是单纯的扩散控制。掺加微量元素降低C3S形成的活化能,活化能降低的幅度为：CaCl2> K2CO3> CaSO4> Na2CO3。从以上研究结果看,通过水泥窑炉窑尾烟室及上升烟道区、次末级和最末级预热器等重点部位改造,以及氯含量和硫碱比控制等措施,可以减轻或避免由于钾、钠、氯、硫等挥发性组分循环富集而产生的结皮堵塞。适当的钾、钠、氯、硫存在也不会对水泥熟料的煅烧产生不利的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容
• 第2章 文献综述
• 2.1 水泥中钾、钠、氯、硫的来源
• 2.2 钾、钠、氯、硫的挥发性与相互关系
• 2.3 钾、钠、氯、硫的循环和富集
• 2.4 堵塞机理的研究现状
• 2.5 钾、钠、氯、硫对熟料形成的影响及表征
• 2.5.1 钾、钠对水泥熟料烧成及其性能的影响
• 2.5.2 氯对水泥熟料烧成及其性能的影响
• 3对水泥熟料烧成及其性能的影响'>2.5.3 SO₃对水泥熟料烧成及其性能的影响
• 2.6 硅酸三钙的晶体结构
• 3S的多晶现象'>2.6.1 C₃S的多晶现象
• 3S晶型改变及晶格缺陷的影响'>2.6.2 杂质离子对C₃S晶型改变及晶格缺陷的影响
• 2.7 熟料烧成动力学研究现状
• 第3章 碱、氯、硫在水泥窑炉中的挥发特性分析
• 3.1 计算原理
• 3.2 热力学模拟的可行性分析
• 3.2.1 微量组分的挥发率的模拟计算
• 3.2.2 微量组分的挥发率的模拟值验证
• 3.3 硫碱比对硫、碱挥发率的影响
• 3.3.1 条件的设置
• 3.3.2 硫的挥发特性
• 3.3.3 钾的挥发特性
• 3.3.4 小结
• 3.4 氯碱比一定的情况下硫碱比对硫、碱挥发率的影响
• 3.5 氯的变化对硫碱挥发率的影响
• 3.5.1 氯的挥发特性
• 3.5.2 碱（钾）的挥发特性
• 3.5.3 硫的挥发特性
• 3.6 水泥窑炉中循环富集特性分析
• 3.7 结论
• 第4章 微量元素对熟料烧成的影响
• 4.1 实验
• 4.1.1 试样制备
• 4.1.2 测试方法
• CO₃对熟料烧成的影响'>4.2 外掺K2_CO₃对熟料烧成的影响
• 4.2.1 易烧性分析
• 4.2.2 熟料矿物的组成
• 4.2.3 微观形貌
• 4.2.4 小结
• 2CO₃对熟料烧成的影响'>4.3 外掺Na₂CO₃对熟料烧成的影响
• 4.3.1 易烧性分析
• 4.3.2 熟料矿物的组成
• 4.3.3 微观形貌
• 4.3.4 小结
• 2对熟料烧成的影响'>4.4 外掺CaCl₂对熟料烧成的影响
• 4.4.1 易烧性分析
• 4.4.2 熟料矿物的组成
• 4.4.3 微观形貌
• 4.4.4 小结
• 4对熟料烧成的影响'>4.5 外掺CaSO₄对熟料烧成的影响
• 4.5.1 易烧性分析
• 4.5.2 微观形貌
• 4.5.3 小结
• 4.6 动力学计算
• 4.6.1 活化能的计算方法
• 4.6.2 活化能计算结果及分析
• 4.6.3 小结
• 4.7 结论
• 第5章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士期间发表的学术论文及其他研究成果