Сульфатирование CaO с SO2 было признано сложным, высокотемпературным, кратковременным гетерогенным процессом, ограниченным газофазной и твердофазной диффузией, с одновременным физическим преобразованием твердого вещества. Процесс сульфатирования может протекать по нескольким путям, и в литературе отсутствует согласие относительно механизма. Было определено два возможных пути сульфатирования: через образование CaSO3 или через превращение SO2 в SO3, который непосредственно реагирует с CaO с образованием CaSO4. Соответствующими химическими реакциями являются:
Было высказано предположение, что реакция протекает через образование CaSO3 (т.е. реакции (4-3) и (4-4)) при температурах ниже 850 C, где CaSO3 термически стабилен. В то время как реакции (4-5) и (4-6) преобладают при температурах выше 850 C, а образование SO3 увеличивается с понижением температуры, благоприятствуемой равновесием газовой фазы ниже 1000 C.
Кинетические исследования показали, что скорость реакции CaO со смесью SO2/O2 аналогична скорости прямой реакции с SO3. Не было найдено никакой литературы для измерения точной концентрации SO3, поскольку калибровочные газы для анализаторов SO3 отсутствуют. Оба маршрута могут проходить одновременно.
Сульфат кальция, CaSO4, входит в состав горячей муки, поступающей во вращающуюся печь, где она постепенно нагревается. Сульфаты в сочетании с кальцием и щелочами образуют жидкую фазу, так называемый сульфатный расплав, при температуре около 1200 C. В переходной зоне печи могут находиться в равновесии две несмешивающиеся жидкости: первая представляет оксидный расплав, содержащий Al2O3, Fe2O3 и SiO2, а вторая представляет собой сульфатный расплав, в котором Al2O3, Fe2O3 и SiO2 почти нерастворимы. Жидкая фаза серы способствует подвижности ионов и способствует их объединению в процессе клинкерообразования в качестве флюсов, что позволяет значительно увеличить скорость реакции образования силикатов кальция. В абсолютно однородной смеси жидкие фазы не образуются ниже 1338 C, где существует эвтектика в системе CaO-Al2O3-Fe2O3- SiO2. Тем не менее, локальные неоднородности в смеси сырой муки вызывают смещение эвтектики в сторону более низких температур.