1 引言
利用煤矸石为原料生产水泥,在外省已有成功的经验,但是,广西的煤矸石成分与外省的煤矸石成分区别较大。外省煤矸石主要含SiO2、Al2O3等成分,CaO含量较低,只能用来代替粘土质原料,所以掺量较低,只占全黑生料的10%左右。广西地处石灰岩地带,其煤层处于石灰石夹层之间,开采出的煤矸石以CaO和SiO2为主,因此,不仅可以用于代替粘土质原料,而且可代替部分石灰石,煤矸石掺量可达全黑生料的30%。
广西合山矿务局开采煤已有80多年历史,现有煤矸石储存量达1050万t。广西建材工业学校与广西合山矿务局组成联合科研小组,共同研究利用煤矸石为原料烧制水泥。在实验室小试、土立窑中试的基础上,于1993年1月在广西合山矿务局现有4.4万t/a的生产线上进行工业性生产试验。此次工业性试验,共生产立窑熟料992t,磨制普通硅酸盐水泥1078.25t,试验过程表明,利用煤矸石为原料生产水泥,能满足生产工艺要求,生料易烧性好,生产出的水泥色泽好,为黑色,用户使用后反映良好,产品经广西建材产品质量监督检测站抽样检测,其性能和各项参数均符合GB175-85的要求。
2 生产条件及试产情况
2.1 主机设备
生料磨采用Φ1.83×7m开路磨机,配料系统采用微机控制配料。
立窑采用Φ2.2×7m液压塔式机立窑,成球采用预加水成球系统。
水泥磨采用Φ1.83×7m开路磨机,配料采用电磁振动给料机配料。
2.2 原、燃料化学成分
各原、燃材料化学成分详见表1,煤的工业分析见表2。
表1 原、燃料化学成分(%)
|
物料名称 |
烧失量 |
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 |
|
铁矿石 |
11.57 |
17.48 |
21.39 |
39.60 |
0.55 |
- |
|
煤 灰 |
|
54.92 |
22.39 |
12.32 |
2.02 |
- |
|
萤石 |
CaF2=70.00% | |||||
表2 煤工业分析(%）
|
名称 |
Wad |
Vad |
Aad |
FCad |
Qnet,ad(kJ/kg) |
|
煤 |
1.47 |
7.32 |
33.03 |
58.18 |
22040 |
2.3 率值的选取
本次试验采用萤石,结合煤及煤矸石中的SO3形成复合矿化剂,由于原料中含铝较低,为了提高早强矿物含量,只有通过提高KH值来达到,为了保证f-CaO的吸收,促使C3S的形成,必须要有一定量的液相,因此,此次试验采用高饱和比、高铁配料方案。各率值控制指标为:KH=1.00±0.02,n=1.80±0.1,P=0.8±0.1,熟料热耗Q=4598kJ/kg熟料。
考虑到全部掺煤矸石不掺粘土,会影响生料的成球质量,不利于窑的煅烧,从而影响熟料产、质量,此次试验考虑两个方案见表3。
表3 两试验方案的配比(%)
|
方案 |
石灰石 |
煤矸石 |
粘土 |
铁矿石 |
煤 |
萤石 |
|
1号 |
50.5 |
30.00 |
2.50 |
4.00 |
12.00 |
1 |
|
2号 |
47.0 |
35.54 |
- |
4.40 |
12.00 |
1 |
2.4 生料化学成分（见表4）
表4 生料化学成分（%）
|
序号 |
烧失量 |
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：后两个样为第2号配料方案。
2.5 熟料化学成分（见表5）
表5 熟料化学分析
|
序号 |
化学成分（%） |
率 值 |
矿物组成（%） | ||||||||||||
|
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：后两个样为第2号配料方案。
2.6 熟料物理性能
熟料物理性能见表6。
表6 熟料物理性能
|
序号 |
细度（%） |
凝结时间（h:min） |
抗折强度（MPa） |
抗压强度（MPa） | |||||
|
初凝 |
终凝 |
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 |
从以上结果分析,有两个熟料强度接近500号,其余8个熟料强度达550号以上。
2.7 水泥物理性能
由自治区建材产品质量监督检测站抽样检测,水泥物理性能见表7。
表7 水泥物理性能
|
序号 |
细度（%） |
凝结时间（h:min） |
安定性 |
抗折强度（MPa） |
抗压强度（MPa） | |||||
|
初凝 |
终凝 |
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 |
从抽检的5个样可以看出,有两个样强度达525号,三个样达425号。
2.8 水泥的配化
熟料∶矿渣∶石膏=92∶6∶2。
3 主要技术关键
3.1 搞好煤矸石预均化
3.2 生料配料
根据均化后的煤矸石以及其它原燃料成分情况,选择一个合适的配料,由于各种原燃材料中Al2O3含量较低,此次试验选择了高饱和比、高铁配料方案。
3.3 煅烧
由于煤矸石配料与以往的配料方案不同,生料的不同在窑面反映的情况也不一致,因此,需要使窑工逐步适应这种料子的煅烧。
4 主要技术指标
4.1 均化后煤矸石TCaCO3标准偏差＜1.5%
此次试验，共使用近600t煤矸石，用一部铲车均化了2d，然后从不同方向，不同层次取了24个样进行分析，其TCaCO3值平均为71.08%，标准偏差为1.34%。
4.2 出磨生料控制指标
TCaCO3＝68.5%±0.5% 合格率＞30%
TFe2O3＝4.0%±0.2% 合格率＞30%
细度（0.08mm方孔筛筛余）＜10%
4.3 熟料
熟料强度＞500号 f-CaO＜3.5%
4.4 出磨水泥
（1）SO3＜2.8%
（2）细度（0.08mm 方孔筛筛余）＜5%
4.5 出厂水泥
符合GB175－85对425号和525号普通硅酸盐水泥的要求。
5 试验分析
从试验过程中可以看出,1号方案和2号方案均能满足工艺要求,熟料煅烧质量良好。从窑面情况看,料易烧,上火快,烧成反应速度快。出窑熟料f-CaO较低,最高为4.39%,最低为1.65%,平均2.87%。在煅烧近9d的时间里,平均每天窑产量在110t,在试验过程中,考虑到窑工对此种料煅烧的适应性,避免由于抢产量造成漏生,保证烧成率。开始几天,我们有意识的把生料库下料量降低一些,从而控制窑的产量,待窑工适应此种料的煅烧后,再加大一点下料量。窑工反映此种料易烧,窑的产量还可以有较大幅度的提高。2号方案与1号方案相比,其成球质量稍差,料球表面粗糙,强度稍差,成球不易控制。入窑煅烧后炸球较多,熟料中f-CaO增加。
从试验的配料方案、试验出的水泥性能看,此种水泥具有道路水泥的特性。其熟料中C3A含量较低,最高为4.02%,最低为0.80%,平均2.11%,因此,其抵抗变形的能力较大,反映出来是其后期抗折强度比较高,收缩变形比较小,脱模后其表面比较光滑。另外,熟料中C4AF含量较高,最高21.86%,最低17.48%,平均19.08%。C4AF是一种耐磨性较高的矿物,每增加1%的C4AF,水泥耐磨性的提高远较增加1%的C3S来得显著,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%,而采用煤矸石为原料生产的熟料中C4AF达19.08%,因此其耐磨性是好的。再者，试制出的水泥初凝时间较长，均大于2h，能满足道路的施工程序，因此，利用煤矸石为原料，不仅可生产普通硅酸盐水泥,而且也可以生产道路水泥。
从上述情况分析可得出以下结论:
(1)采用本地煤矸石为原料生产水泥,在工艺技术上是可行的,煤矸石代替80%的粘土和30%的石灰石,总掺量占全黑生料的30%,可以生产出高标号水泥。
(2)采用煤矸石为原料配制的生料易于煅烧,烧成反应速度快,熟料中f-CaO较低,熟料强度高,产量也较高。
(3)单位熟料煤耗降低10.78%,电耗降低1.6%,有利于节能,降低水泥生产成本。
(4)采用煤矸石为原料,投资少,可大幅度提高企业的经济效益。
(5)有利于保护土地资源,变废为宝,减少环境污染,有很好的社会效益。
