1 引言
利用煤矸石為原料生產水泥,在外省已有成功的經驗,但是,廣西的煤矸石成分與外省的煤矸石成分區別較大。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原料,所以摻量較低,只占全黑生料的10%左右。廣西地處石灰巖地帶,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%。
廣西合山礦務局開采煤已有80多年歷史,現有煤矸石儲存量達1050萬t。廣西建材工業學校與廣西合山礦務局組成聯合科研小組,共同研究利用煤矸石為原料燒制水泥。在實驗室小試、土立窯中試的基礎上,于1993年1月在廣西合山礦務局現有4.4萬t/a的生產線上進行工業性生產試驗。此次工業性試驗,共生產立窯熟料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水泥,能滿足生產工藝要求,生料易燒性好,生產出的水泥色澤好,為黑色,用戶使用后反映良好,產品經廣西建材產品質量監督檢測站抽樣檢測,其性能和各項參數均符合GB175-85的要求。
2 生產條件及試產情況
2.1 主機設備
生料磨采用Φ1.83×7m開路磨機,配料系統采用微機控制配料。
立窯采用Φ2.2×7m液壓塔式機立窯,成球采用預加水成球系統。
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、燃料化學成分
各原、燃材料化學成分詳見表1,煤的工業分析見表2。
表1 原、燃料化學成分(%)
|
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,結合煤及煤矸石中的SO3形成復合礦化劑,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量,不利于窯的煅燒,從而影響熟料產、質量,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 生料化學成分（見表4）
表4 生料化學成分（%）
|
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 熟料化學成分（見表5）
表5 熟料化學分析
|
序號 |
化學成分（%） |
率 值 |
礦物組成（%） | ||||||||||||
|
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（%） |
凝結時間（h:min） |
抗折強度（MPa） |
抗壓強度（MPa） | |||||
|
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
由自治區建材產品質量監督檢測站抽樣檢測,水泥物理性能見表7。
表7 水泥物理性能
|
序號 |
細度（%） |
凝結時間（h:min） |
安定性 |
抗折強度（MPa） |
抗壓強度（MPa） | |||||
|
初凝 |
終凝 |
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 主要技術關鍵
3.1 搞好煤矸石預均化
3.2 生料配料
根據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這種料子的煅燒。
4 主要技術指標
4.1 均化后煤矸石TCaCO3標準偏差＜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%，標準偏差為1.34%。
4.2 出磨生料控制指標
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,熟料煅燒質量良好。從窯面情況看,料易燒,上火快,燒成反應速度快。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,平均每天窯產量在110t,在試驗過程中,考慮到窯工對此種料煅燒的適應性,避免由于搶產量造成漏生,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,從而控制窯的產量,待窯工適應此種料的煅燒后,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，不僅可生產普通硅酸鹽水泥,而且也可以生產道路水泥。
從上述情況分析可得出以下結論:
(1)采用本地煤矸石為原料生產水泥,在工藝技術上是可行的,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%,可以生產出高標號水泥。
(2)采用煤矸石為原料配制的生料易于煅燒,燒成反應速度快,熟料中f-CaO較低,熟料強度高,產量也較高。
(3)單位熟料煤耗降低10.78%,電耗降低1.6%,有利于節能,降低水泥生產成本。
(4)采用煤矸石為原料,投資少,可大幅度提高企業的經濟效益。
(5)有利于保護土地資源,變廢為寶,減少環境污染,有很好的社會效益。
