利用煤矸石為原料燒制水泥的研究

2005-04-21 00:00  留言

1 引言

利用煤矸石為原料生產(chǎn)水泥,在外省已有成功的經(jīng)驗,但是,廣西的煤矸石成分與外省的煤矸石成分區(qū)別較大。外省煤矸石主要含SiO₂、Al₂O₃等成分,CaO含量較低,只能用來代替粘土質(zhì)原料,所以摻量較低,只占全黑生料的10%左右。廣西地處石灰?guī)r地帶,其煤層處于石灰石夾層之間,開采出的煤矸石以CaO和SiO₂為主,因此,不僅可以用于代替粘土質(zhì)原料,而且可代替部分石灰石,煤矸石摻量可達全黑生料的30%。

廣西合山礦務(wù)局開采煤已有80多年歷史,現(xiàn)有煤矸石儲存量達1050萬t。廣西建材工業(yè)學(xué)校與廣西合山礦務(wù)局組成聯(lián)合科研小組,共同研究利用煤矸石為原料燒制水泥。在實驗室小試、土立窯中試的基礎(chǔ)上,于1993年1月在廣西合山礦務(wù)局現(xiàn)有4.4萬t/a的生產(chǎn)線上進行工業(yè)性生產(chǎn)試驗。此次工業(yè)性試驗,共生產(chǎn)立窯熟料992t,磨制普通硅酸鹽水泥1078.25t,試驗過程表明,利用煤矸石為原料生產(chǎn)水泥,能滿足生產(chǎn)工藝要求,生料易燒性好,生產(chǎn)出的水泥色澤好,為黑色,用戶使用后反映良好,產(chǎn)品經(jīng)廣西建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測站抽樣檢測,其性能和各項參數(shù)均符合GB175-85的要求。

2 生產(chǎn)條件及試產(chǎn)情況

2.1 主機設(shè)備

生料磨采用Φ1.83×7m開路磨機,配料系統(tǒng)采用微機控制配料。

立窯采用Φ2.2×7m液壓塔式機立窯,成球采用預(yù)加水成球系統(tǒng)。

水泥磨采用Φ1.83×7m開路磨機,配料采用電磁振動給料機配料。

2.2 原、燃料化學(xué)成分

各原、燃材料化學(xué)成分詳見表1,煤的工業(yè)分析見表2。

表1 原、燃料化學(xué)成分(%)

物料名稱	燒失量	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO
石灰石	41.96	3.17	1.02	0.60	52.10	0.97
煤矸石	33.76	20.13	2.16	1.56	39.16	1.27
粘土	10.53	56.34	16.31	10.71	0.46	0.76
鐵礦石	11.57	17.48	21.39	39.60	0.55	-
煤灰		54.92	22.39	12.32	2.02	-
螢石	CaF₂=70.00%

表2 煤工業(yè)分析(%）

名稱	Wad	Vad	Aad	FCad	Qnet,ad(kJ/kg)
煤	1.47	7.32	33.03	58.18	22040

2.3 率值的選取

本次試驗采用螢石,結(jié)合煤及煤矸石中的SO₃形成復(fù)合礦化劑,由于原料中含鋁較低,為了提高早強礦物含量,只有通過提高KH值來達到,為了保證f-CaO的吸收,促使C₃S的形成,必須要有一定量的液相,因此,此次試驗采用高飽和比、高鐵配料方案。各率值控制指標(biāo)為:KH=1.00±0.02,n=1.80±0.1,P=0.8±0.1,熟料熱耗Q=4598kJ/kg熟料。

考慮到全部摻煤矸石不摻粘土,會影響生料的成球質(zhì)量,不利于窯的煅燒,從而影響熟料產(chǎn)、質(zhì)量,此次試驗考慮兩個方案見表3。

表3 兩試驗方案的配比(%)

方案	石灰石	煤矸石	粘土	鐵礦石	煤	螢石
1號	50.5	30.00	2.50	4.00	12.00	1
2號	47.0	35.54	-	4.40	12.00	1

2.4 生料化學(xué)成分（見表4）

表4 生料化學(xué)成分（%）

序號	燒失量	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	KH	n	P
1	40.6	11.55	2.81	3.56	35.20	1.05	0.91	1.81	0.80
2	40.7	10.85	2.72	3.71	37.64	0.76	1.06	1.70	0.74
3	40.1	11.05	2.67	4.04	37.93	0.78	1.04	1.65	0.66
4	40.2	10.85	2.52	3.47	37.92	0.63	1.07	1.81	0.73
5	36.9	11.78	2.76	3.59	37.11	0.67	0.95	1.85	0.77
6	38.1	11.22	2.65	3.83	37.11	0.97	1.00	1.73	0.69
7	40.3	11.10	2.50	3.23	37.78	0.64	1.05	1.94	0.77
8	41.9	10.48	2.10	3.35	36.18	0.73	1.07	1.92	0.63

注：后兩個樣為第2號配料方案。

2.5 熟料化學(xué)成分（見表5）

表5 熟料化學(xué)分析

序號	化學(xué)成分（%）							率值				礦物組成（%）
序號	loss	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	f-CaO	KH	KH	n	p	C₃S	C₂S	C₃A	C₄AF
1	0.28	20.80	5.26	6.41	63.69	0.90	1.96	0.91	0.85	1.78	0.82	44.25	26.25	3.11	19.49
2	1.32	19.28	5.0	6.41	65.53	1.32	1.96	0.98	0.92	1.68	0.79	56.71	12.49	2.52	19.49
3	0.36	19.11	4.81	6.41	65.11	0.78	2.86	1.03	0.96	1.70	0.75	63.09	7.19	1.91	19.49
4	0.00	19.73	5.30	5.93	64.70	1.62	1.65	0.98	0.92	1.76	0.89	57.39	13.27	4.02	18.03
5	0.14	19.11	4.89	5.75	64.71	1.39	3.22	1.02	0.94	-1.8	0.85	59.11	10.19	3.24	17.48
6	0.11	20.24	4.93	6.59	63.03	0.91	2.20	0.93	0.87	1.76	0.75	46.88	22.65	1.93	20.03
7	0.27	19.84	4.89	7.19	63.79	0.97	3.76	0.96	0.88	1.64	0.68	47.88	21.08	0.81	21.86
8	0.15	19.33	4.64	6.35	64.29	1.45	2.67	1.00	0.93	1.76	0.73	57.85	11.77	1.56	19.20
9	0.15	19.39	3.97	5.75	66.23	1.03	4.39	1.06	0.96	1.99	0.69	64.59	6.86	4.80	17.48
10	-0.1	18.77	4.27	5.99	64.79	1.27	4.00	1.06	0.96	1.83	0.71	63.18	6.14	1.19	18.20

注：后兩個樣為第2號配料方案。

2.6 熟料物理性能

熟料物理性能見表6。

表6 熟料物理性能

序號	細度（%）	凝結(jié)時間（h:min）		抗折強度（MPa）			抗壓強度（MPa）
序號	細度（%）	初凝	終凝	3d	7d	28d	3d	7d	28d
1	2.4	4：20	6：35	4.0	5.3	7.6	24.9	33.6	49.4
2	2.8	5：69	7：15	4.3	5.8	7.8	23.5	38.0	50.4
3	3.0	6：40	8：10	5.0	6.9	8.3	29.7	43.6	59.9
4	3.8	7：30	8：27	4.4	5.9	8.4	24.0	34.8	55.41
5	4.4	6：40	7：54	4.5	6.1	8.1	27.4	38.5	57.4
6	5.4	6：30	8：35	5.1	6.6	8.4	28.8	40.8	60.0
7	5.6	6：50	8：27	4.6	6.1	8.2	26.1	37.0	56.0
8	4.2	6：35	8：10	4.3	5.9	7.8	25.5	36.8	57.1
9	4.8	6：30	8：10	4.8	6.3	8.2	28.0	39.2	57.8
10	3.8	5：50	8：00	4.3	6.0	7.8	25.6	36.8	57.1

從以上結(jié)果分析,有兩個熟料強度接近500號,其余8個熟料強度達550號以上。

2.7 水泥物理性能

由自治區(qū)建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測站抽樣檢測,水泥物理性能見表7。

表7 水泥物理性能

序號	細度（%）	凝結(jié)時間（h:min）		安定性	抗折強度（MPa）			抗壓強度（MPa）
序號	細度（%）	初凝	終凝	安定性	3d	7d	28d	3d	7d	28d
1	4.4	2:27	3:42	合格	5.2	6.5	8.0	28.8	40.9	56.7
2	4.2	4:50	6:30	合格	3.8	5.4	7.3	21.4	37.6	58.3
3	5.0	6:07	6:57	合格	3.9	5.4	7.4	20.0	38.0	57.5
4	4.6	2:05	3:25	合格	5.4	6.6	8.2	29.0	42.4	57.3
5	4.8	4:50	6:40	合格	3.8	5.6	7.4	21.2	37.5	55.7

從抽檢的5個樣可以看出,有兩個樣強度達525號,三個樣達425號。

2.8 水泥的配化

熟料∶礦渣∶石膏=92∶6∶2。

3 主要技術(shù)關(guān)鍵

3.1 搞好煤矸石預(yù)均化

3.2 生料配料

根據(jù)均化后的煤矸石以及其它原燃料成分情況,選擇一個合適的配料,由于各種原燃材料中Al₂O₃含量較低,此次試驗選擇了高飽和比、高鐵配料方案。

3.3 煅燒

由于煤矸石配料與以往的配料方案不同,生料的不同在窯面反映的情況也不一致,因此,需要使窯工逐步適應(yīng)這種料子的煅燒。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

4.1 均化后煤矸石TCaCO₃標(biāo)準偏差＜1.5%

此次試驗，共使用近600t煤矸石，用一部鏟車均化了2d，然后從不同方向，不同層次取了24個樣進行分析，其TCaCO₃值平均為71.08%，標(biāo)準偏差為1.34%。

4.2 出磨生料控制指標(biāo)

TCaCO₃＝68.5%±0.5% 合格率＞30%

TFe₂O₃＝4.0%±0.2% 合格率＞30%

細度（0.08mm方孔篩篩余）＜10%　

4.3 熟料

熟料強度＞500號 f-CaO＜3.5%　

4.4 出磨水泥

（1）SO₃＜2.8%

（2）細度（0.08mm 方孔篩篩余）＜5%　

4.5 出廠水泥

符合GB175－85對425號和525號普通硅酸鹽水泥的要求。

5 試驗分析

從試驗過程中可以看出,1號方案和2號方案均能滿足工藝要求,熟料煅燒質(zhì)量良好。從窯面情況看,料易燒,上火快,燒成反應(yīng)速度快。出窯熟料f-CaO較低,最高為4.39%,最低為1.65%,平均2.87%。在煅燒近9d的時間里,平均每天窯產(chǎn)量在110t,在試驗過程中,考慮到窯工對此種料煅燒的適應(yīng)性,避免由于搶產(chǎn)量造成漏生,保證燒成率。開始幾天,我們有意識的把生料庫下料量降低一些,從而控制窯的產(chǎn)量,待窯工適應(yīng)此種料的煅燒后,再加大一點下料量。窯工反映此種料易燒,窯的產(chǎn)量還可以有較大幅度的提高。2號方案與1號方案相比,其成球質(zhì)量稍差,料球表面粗糙,強度稍差,成球不易控制。入窯煅燒后炸球較多,熟料中f-CaO增加。

從試驗的配料方案、試驗出的水泥性能看,此種水泥具有道路水泥的特性。其熟料中C₃A含量較低,最高為4.02%,最低為0.80%,平均2.11%,因此,其抵抗變形的能力較大,反映出來是其后期抗折強度比較高,收縮變形比較小,脫模后其表面比較光滑。另外,熟料中C₄AF含量較高,最高21.86%,最低17.48%,平均19.08%。C₄AF是一種耐磨性較高的礦物,每增加1%的C₄AF,水泥耐磨性的提高遠較增加1%的C₃S來得顯著,耐磨性提高的幅度是后者的7～17倍,道路水泥熟料中通常要求C₄AF含量大于18%,而采用煤矸石為原料生產(chǎn)的熟料中C₄AF達19.08%,因此其耐磨性是好的。再者，試制出的水泥初凝時間較長，均大于2h，能滿足道路的施工程序，因此，利用煤矸石為原料，不僅可生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥,而且也可以生產(chǎn)道路水泥。

從上述情況分析可得出以下結(jié)論:

(1)采用本地煤矸石為原料生產(chǎn)水泥,在工藝技術(shù)上是可行的,煤矸石代替80%的粘土和30%的石灰石,總摻量占全黑生料的30%,可以生產(chǎn)出高標(biāo)號水泥。

(2)采用煤矸石為原料配制的生料易于煅燒,燒成反應(yīng)速度快,熟料中f-CaO較低,熟料強度高,產(chǎn)量也較高。

(3)單位熟料煤耗降低10.78%,電耗降低1.6%,有利于節(jié)能,降低水泥生產(chǎn)成本。

(4)采用煤矸石為原料,投資少,可大幅度提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

(5)有利于保護土地資源,變廢為寶,減少環(huán)境污染,有很好的社會效益。

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利用煤矸石為原料燒制水泥的研究