悬浮态下温度对碳酸钙分解产物特性的影响*

徐 迅，汪 澜，王俊杰

（1.中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室，北京100024；2.西南科技大学材料科学与工程学院）

研究与开发

悬浮态下温度对碳酸钙分解产物特性的影响*

徐 迅1，2，汪 澜1，王俊杰1

（1.中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室，北京100024；2.西南科技大学材料科学与工程学院）

实际生产中，人们往往关注生料入窑分解率指标，而很少考虑生料分解后物料的自身特性。利用高温一维炉设备研究了悬浮态下不同温度条件对碳酸盐反应及产物活性的影响。结果表明：相同停留时间下，900℃下碳酸钙分解率为26.0%，1 150℃下碳酸钙分解率为67.1%；1 150℃下碳酸钙分解产物氧化钙累计水化放热是900℃的近4倍，水化活性大大增强。原因在于1 150℃下分解后的产物结晶细小，孔隙率较高，比表面积较大。因而可利用此特点进一步加快熟料烧成进程。

悬浮态；碳酸钙；温度；分解

碳酸盐矿物分解是水泥生产中最重要的环节，分解炉内生料分解的好坏对整个预分解窑炉系统的产量与质量及安全稳定运行有着重要影响。目前，实际生产中分解炉温度基本控制在900℃左右（即石灰石分解速率最大处）。人们主要关注入窑生料分解率这一指标，而很少考虑生料分解后物料的自身特性。董建勋等［1］研究认为碳酸盐矿物的煅烧温度、煅烧停留时间、碳酸盐矿物自身特性等对碳酸盐矿物高温煅烧后所得产物CaO的活性有显著影响，并指出在1 100℃附近存在一个碳酸盐矿物最佳煅烧温度区间，在此温度区间内，CaO的活性最高。黄文熙等［2］指出反应途径的不同对碳酸盐矿物分解而得的CaO活性也有显著影响。快速煅烧条件下的新生态CaO不仅晶粒尺寸小、缺陷浓度高，而且晶粒生长快、晶体缺陷浓度随煅烧时间延长递减迅速，即“老化”更迅速。由以上分析可看出，分解炉内碳酸盐分解应该存在一个最优温度范围，分解物料不仅存在分解率高低差别，分解产物的活性也将有较大差异。如能更加充分利用高活性的CaO，将对熟料形成过程中后续的固相反应和液相烧结产生重要影响。笔者采用高温一维炉，在悬浮态下分析不同温度条件对碳酸盐反应及产物活性的影响。

1 实验

1.1 实验原材料

CaCO3：化学纯试剂。

1.2 实验设备

实验在上海理工大学高温一维炉上进行，炉膛内径60 mm，恒温区2 m。分为给料部分、给气部分、炉体、收集部分。给料部分采用自制微型电磁振动给料器给料，给料量为1 kg/h。空气经由压缩机、流量计进入给料器下面的导管，并携带由给料器喂入的CaCO3由炉顶喷入炉内，垂直向下流动到达收料漏斗，CaCO3分解实验在两个温度下进行，分别为900℃和1 150℃。

在高温一维炉实验条件下，可认为气体为柱塞流，从而可假定物料停留时间与气体停留时间相同，可用式（1）表示：

其中，t代表物料停留时间，D代表一维炉直径，Q为给气量。由式（1）可知，给气量和温度是物料停留时间的控制因素，因此，本实验通过调节给气量使得物料在炉膛内具有相同的停留时间，考察不同温度下碳酸钙的分解特性。CaCO3在炉膛内的停留时间计算为3.97 s。一维实验炉系统图见图1。

图1 一维实验炉系统图

1.3 实验测试

分解后物料的CaO采用甘油乙醇法进行测定，再折算成CaCO3分解率。

CaCO3分解产物的活性以和水发生反应后释放的水化热来表征。实验仪器为TAM AIR-8微量热仪，水灰比为4，温度为30℃，龄期为24 h。

CaCO3分解产物的形貌采用扫描电镜来观察。实验仪器为S-4800型扫描电子显微镜，加速电压为5 000 V，样品镀金膜。

2 结果与讨论

2.1 不同温度对产物分解特性的影响

900℃下CaCO3分解产物的CaO质量分数为16.4%，折算成分解率为26.0%；1 150℃下CaCO3分解产物的CaO质量分数为53.3%，折算成分解率为67.1%。

反应温度提高250℃，分解率提高2.6倍。这是因为化学反应受温度的影响，温度的大幅提高将对反应有加速作用。

2.2 不同温度对产物水化活性的影响

900℃和1 150℃下CaCO3分解产物的水化放热曲线见图2。由图2可见，相同反应时间条件下，900℃分解产物的活性低于1 150℃下CaCO3分解的产物，一方面是因为CaO含量的差别，另一方面是因为CaO自身活性的差异。

图2 900℃和1 150℃下碳酸钙分解产物的水化热曲线

因为两个试样中CaO含量不一样，所以按单位氧化钙含量来计算释放的累计水化热，结果如图3所示。由图3可见，1 150℃下CaCO3分解产物CaO的水化活性远高于900℃的，累计水化放热是其近4倍。

石灰石在高温下分解后，特有的孔隙结构将会在石灰石颗粒内部形成，其形状和大小主要取决于分解前石灰石的初始类型和反应时的温度［3］。石灰石的分解反应分为5个反应过程，其中2个传热过程、2个传质过程、1个化学反应过程。分解反应的相界面从颗粒表面进行到颗粒内部，其反应时间随温度的升高而缩短。

图3 900℃和1 150℃下碳酸钙分解产物的累计水化热曲线（单位氧化钙含量）

图 4为不同温度条件下 CaCO3煅烧产物的SEM图。从图4可见，900℃下分解后的产物由于还存在较多未分解的CaCO3，还保留有较多原始粗大晶粒，孔隙率低，比表面积较小。1 150℃下分解后的产物矿物结晶细小，粒度较均匀，孔隙率较高，比表面积较大。高温分解后形成产物的结构将对产物自身的反应特性有重要影响，结构疏松、孔隙率高的形貌能增大有利于化学反应的表面积，因而产物活性较高。

图4 900℃和1 150℃下碳酸钙分解产物的SEM图

3 结论

1）相同停留时间下，900℃下CaCO3分解率为26.0%，1150℃下CaCO3分解率为67.1%。2）1 150℃下CaCO3分解产物CaO累计水化放热是900℃的近4倍，水化活性大大增强。3）利用不同温度条件下CaCO3反应的活性差异，可以进一步改善物料煅烧条件，进而加快熟料烧成进程。

［1］董建勋，李振中，冯兆兴，等.石灰石炉内高温煅烧脱硫及产物活性的实验［J］.动力工程，2004，24（5）：711-715.

［2］黄文熙，钱光人，沈德勋.不同煅烧条件下CaO活性的研究［J］.硅酸盐学报，1991，19（6）：506-512.

［3］雷仲存.工业脱硫技术［M］.北京：化学工业出版社，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，副研究员，研究方向为先进建筑材料，已发表论文24篇。

973计划项目资助（2009CB623102）。

联系方式：xuxun@swust.edu.cn