收藏词条 编辑词条 石灰
石灰(lime)
石灰石或其他碳酸钙含量较高的原料经煅烧分解出二氧化碳后的产物。石灰的主要成分为氧化钙，呈强碱性，块状，色白或淡黄，有强烈的吸水性和吸湿性，易与水化合生成氢氧化钙。氧化钙在潮湿状态下能进一步吸收空气中的二氧化碳，形成碳酸钙而硬化。石灰是钢铁生产的重要辅助材料之一，主要用作炼铁的造渣与脱硫剂、炼钢的造渣与脱硫、脱磷剂和铁矿石烧结的黏结剂，其使用效果，与石灰的活性(即石灰与水反应的能力)有直接关系。石灰还广泛用于废水处理。
制造过程中的物理化学变化石灰石的煅烧是较为简单的分解反应过程：CaCO3=CaO+CO2。当石灰石的分解压力等于大气中CO2分压时，开始分解；当石灰石的分解压力等于外界气相的总压时，分解剧烈进行，称为化学沸腾。随温度提高，石灰石分解压力上升。石灰石分解压力为101.325kPa时的温度为898～910℃。
石灰石受热时首先是体积膨胀，随着温度的升高，外表开始分解，所形成的CaO晶体甚小，附着于未分解的核心上，此时的气孔体积增大，但石灰石的体积保持不变；温度进一步升高，碳酸钙的分解趋于完全，CaO晶体随之长大，体积仍无大的变化；温度继续升高，CaO晶体进一步长大，并开始烧结成块，石灰的气孔及体积均收缩。为了使中心部分完全分解，必须使所需热量通过外表已烧成的石灰层传递到中心部位，因此石灰石的表面层需加热至900℃以上。在工业装置中石灰通常在1000～1300℃温度下焙烧制成。
石灰石所含杂质在煅烧过程中可与CaO化合形成以下再生矿物：
所含杂质 形成的再生矿物
SiO2 2CaO•SiO2，3CaO•SiO2
Al2O3 3CaO•Al2O3，12CaO•7Al2O3
Fe2O3 2CaO•Fe2O3
Al2O3+Fe2O3 4CaO•Al2O3•Fe2O3
石灰石中的硫分多以石膏(CaSO4•2H2O)、黄铁矿(FeS2)或有机硫化合物形态存在。黄铁矿和有机硫化合物在800～1250℃温度范围内分解，而石膏则需在1370℃以上高温才能分解(在还原气氛中分解温度要低些)。此温度在石灰窑内较难达到，因此以石膏形态存在的硫基本上残留在石灰内。
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性能 |
煅烧程度 |
||
| 轻烧 | 中烧 | 死烧 | |
| 水活性值／mL (10mill，4NHCI) 水活性值／℃·mm_1 (欧洲标准R值) 水活性值／℃·min_l (ASTM标准) |
>350 >20 >10 |
150～350 2～20 2～10 |
<150 <2 <2 |
理化性能 石灰的理化性能对石灰的应用效果影响很大。它的性能取决于在不同温度下煅烧后的内部结构，而煅烧条件(温度、时间等)又是决定其内部结构的主要因素。不同煅烧程度的石灰常以“轻烧”、“中烧”和“死烧”等术语表示，其理化性能示于表中。欧洲标准规定的水活性值(R)与美国材料试验学会的水活性值(ASTM标准)，都是用石灰与水混合后因水化反应放热而升温的速度表示的，但因所规定的试验参数及石灰与水的比值不同，所以两者测定的水活性值也不同。中国测定石灰水活性的方法是粗颗粒滴定法：将50g石灰同40℃±1℃蒸馏水混合放入2～3L的烧杯中进行搅拌，用4NHcl滴定至无色为止(以酚酞作指示剂)以滴定至10min时的盐酸用量(mL)来表示石灰的活性。
不同煅烧程度的石灰具有不同的内部结构。图1为不同煅烧程度石灰的扫描电子显微镜照片。从照片可见，密度为1.51g／cm3的轻烧石灰，绝大部分由1～2μm的小晶体组成，气孔的直径多为0.1～1μm。中烧与轻烧石灰相比，可以看出单个晶体强烈聚集，晶体直径为3～6μm，同时气孔直径加大，约为1～10μm。密度为2．44g／cm3的死烧石灰，大部分为致密聚集的CaO晶粒，其晶体直径远远大于10μm，且晶面粗糙，裂纹甚多。随着温度升高，烧结加剧，如照片所示密度为2．81g／cm3的试样，由于煅烧后热应力等因素导致晶体满布裂纹和缝隙，很难辨认单个晶体甚至晶体界限。随煅烧程度增加，不仅CaO晶粒变大，而且石灰的体积密度增加，气孔率和比表面积减小，所以，水化反应速度减慢。
活性石灰 性能活泼、反应能力强且含硫量低的轻烧石灰。一般具备以下特性：体积密度不大于1.5～1.8g／cm3；气孔率不低于50％左右；比表面积不小于1．0m2／g；Ca0晶粒微小(1～3μm)；CaO>93％、SiO2+Al2O3+Fe2O3不超过2％、残余CO2为2％左右；水活性高，粗颗粒滴定法测定的水活性值不小于350mL。由于活性石灰的化学活性高，故用于烧结、炼铁和炼钢(氧气转炉和平炉)时，比用普通石灰的效果好。但由于活性石灰的吸水性强，应密封包装使用，防止吸水吸湿和造成钢中含氢量增加。
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煅烧石灰用窑炉 石灰窑种类繁多，各国建窑类型亦不相同。北美洲90％的石灰用回转窑(包括长窑及带预热装置窑)生产；但制碱及制糖工业因需回收CO2，主要用以焦炭为燃料的竖窑。欧洲地区因燃料昂贵，主要采用竖窑；50年代末以来，开发了结构较为复杂的节能型竖窑，德国和比利时还建成若干日产千吨的大型回转窑。前苏联天然气及石油资源较丰富，故以回转窑为主要窑型。日本能源紧缺，多以各种节能型竖窑为主，70年代以来也建成一批带预热装置的回转窑。中国石灰工业从1976年起发展较快，陆续建成一批带各种预热装置的回转窑、并流蓄热式双膛窑及悬浮窑，同时还改进了焦炭竖窑的煅烧技术，化工部门还建成了套筒窑。
常用的石灰窑有回转窑、并流窑、蓄热式竖窑、套筒窑、悬浮窑和焦炭竖窑等五种。
(1)回转窑。石灰石(粒度10～50mm)经预热后从窑尾均匀地加入窑内。窑体稍有倾斜并以1～3r／min转速回转，将物料逐渐推向窑头并排出窑外。窑头有烧嘴，燃烧热废气向窑尾流动。石灰石在相向流动的热废气中预热和分解。为改善热量利用，在窑头和窑尾设置冷却器和原料预热器。图2为有竖式预热器型回转窑示意图。回转窑生产能力大，劳动生产率高，适宜于大批量生产；进料块度较小，有利于原料综合利用；石灰质量均匀，可通过调整操作制度生产低硫石灰。但是，回转窑的投资高，占地面积大且热效率低。为改善热效率，可增设窑内换热装置或窑外预热装置，强化石灰的冷却效果以回收余热和加强窑体保温等。
(2)并流蓄热式竖窑。其结构示意图见图3。竖窑有2或3个窑膛。助燃空气从一个窑膛的上部鼓入，经过预热带预热，与从预热带下部烧嘴喷出的燃料燃烧生成高温废气，为石灰石的大量分解提供热量。在煅烧带，石灰石在与热气流并流条件下煅烧分解。随气体温度降低，物料温度上升，二者之间的温差减小，可防止过烧。从煅烧带出来的废气与由下部冷却带上升的热气流合并进入另一窑膛，与由此窑膛冷却带出来的热气流混合而上升，在与物料逆流运动条件下，传热给物料，使废气温度降至70～80℃。在一个窑膛进行顺流煅烧，而在另一个窑膛进行逆流蓄热，两个窑膛如此交替变换热工制度。并流蓄热式竖窑可保证石灰不过烧，是所有石灰窑型中能耗最低的一种。但操作维护较复杂，对原燃料要求严格，工人素质要求高。
(3)套筒式竖窑。这种竖窑(结构见图4)设置上下两个内套筒和上下两排烧嘴，控制着窑内气流分布，石灰石可在预热带进行对流预热，在上部煅烧带进行对流煅烧，而在下部煅烧带进行顺流煅烧。该窑型的优点是窑膛为负压操作，有利于安全生产与环境保护，但窑体结构复杂，建窑所需材料较多。
(4)悬浮窑。主要由旋风悬浮预热器、沸腾煅烧炉及成品冷却沸腾床等组成。它可煅烧细碎石灰石粉、易崩裂料和人工合成料，热交换效果好，温度均匀；烧成的石灰质量好且均匀。但石灰易吸收燃料中的硫分，故要求使用低硫燃料。
(5)焦炭竖窑。为逆流式单膛石灰竖窑，是应用较多的一种装置，石灰石在窑内下降过程中，完成干燥、预热、煅烧和冷却等过程。它的结构简单，造价较低，且易于操作，但煅烧石灰质量不均匀，生料和过烧料较多，焦炭灰分对石灰污染严重。90年代初在中国建成投产的以焦炭为燃料的烟气调控竖窑，具有石灰质量较好，操作系统比较简单及可使用固体燃料等优点。