利用煤矸石為原料燒制水泥的研究

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(yàn),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(lái)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(kāi)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(dá)全黑生料的30%。
廣西合山礦務(wù)局開(kāi)采煤已有80多年歷史,現(xiàn)有煤矸石儲(chǔ)存量達(dá)1050萬(wàn)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(shí)驗(yàn)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(wàn)t/a的生產(chǎn)線上進(jìn)行工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)。此次工業(yè)性試驗(yàn),共生產(chǎn)立窯熟料992t,磨制普通硅酸鹽水泥1078.25t,試驗(yàn)過(guò)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(cè)站抽樣檢測(cè),其性能和各項(xiàng)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(jī)設(shè)備生料磨采用Φ1.83×7m開(kāi)路磨機(jī),配料系統(tǒng)采用微機(jī)控制配料。立窯采用Φ2.2×7m液壓塔式機(jī)立窯,成球采用預(yù)加水成球系統(tǒng)。水泥磨采用Φ1.83×7m開(kāi)路磨機(jī),配料采用電磁振動(dòng)給料機(jī)配料。 2.2 原、燃料化學(xué)成分各原、燃材料化學(xué)成分詳見(jiàn)表1,煤的工業(yè)分析見(jiàn)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(yàn)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(qiáng)礦物含量,只有通過(guò)提高KH值來(lái)達(dá)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(yàn)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(huì)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(yàn)考慮兩個(gè)方案見(jiàn)表3。
表3 兩試驗(yàn)方案的配比(%)

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

2.4 生料化學(xué)成分
表4 生料化學(xué)成分

序號(hào)	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(gè)樣為第2號(hào)配料方案。
2.5 熟料化學(xué)成分
表5 熟料化學(xué)分析

序號(hào)	化學(xué)成分							率值				礦物組成
序號(hào)	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(gè)樣為第2號(hào)配料方案。
2.6 熟料物理性能
熟料物理性能見(jiàn)表6。
表6 熟料物理性能

序號(hào)	細(xì)度	凝結(jié)時(shí)間		抗折強(qiáng)度			抗壓強(qiáng)度
序號(hào)	細(xì)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(gè)熟料強(qiáng)度接近500號(hào),其余8個(gè)熟料強(qiáng)度達(dá)550號(hào)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(cè)站抽樣檢測(cè),水泥物理性能見(jiàn)表7。
表7 水泥物理性能

序號(hào)	細(xì)度	凝結(jié)時(shí)間		安定性	抗折強(qiáng)度			抗壓強(qiáng)度
序號(hào)	細(xì)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(gè)樣可以看出,有兩個(gè)樣強(qiáng)度達(dá)525號(hào),三個(gè)樣達(dá)425號(hào)。 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(gè)合適的配料,由于各種原燃材料中Al2O3含量較低,此次試驗(yàn)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(zhǔn)偏差＜1.5% 此次試驗(yàn)，共使用近600t煤矸石，用一部鏟車(chē)均化了2d，然后從不同方向，不同層次取了24個(gè)樣進(jìn)行分析，其TCaCO3值平均為71.08%，標(biāo)準(zhǔn)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(xì)度＜10%　 4.3 熟料熟料強(qiáng)度＞500號(hào) f-CaO＜3.5%　
4.4 出磨水泥 SO3＜2.8% 細(xì)度＜5%　
4.5 出廠水泥符合GB175－85對(duì)425號(hào)和525號(hào)普通硅酸鹽水泥的要求。
5 試驗(yàn)分析
從試驗(yàn)過(guò)程中可以看出,1號(hào)方案和2號(hào)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(shí)間里,平均每天窯產(chǎn)量在110t,在試驗(yàn)過(guò)程中,考慮到窯工對(duì)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(kāi)始幾天,我們有意識(shí)的把生料庫(kù)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(diǎn)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(hào)方案與1號(hào)方案相比,其成球質(zhì)量稍差,料球表面粗糙,強(qiáng)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(yàn)的配料方案、試驗(yàn)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(lái)是其后期抗折強(qiáng)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(yuǎn)較增加1%的C3S來(lái)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(dá)19.08%,因此其耐磨性是好的。再者，試制出的水泥初凝時(shí)間較長(zhǎng)，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(hào)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(qiáng)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(jì)效益。
(5)有利于保護(hù)土地資源,變廢為寶,減少環(huán)境污染,有很好的社會(huì)效益。