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,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(xiàn)有煤矸石儲存量達1050萬t。廣西建材工業(yè)學校與廣西合山礦務局組成聯(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、土立窯中試的基礎上,于1993年1月在廣西合山礦務局現(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、燃料化學成分各原、燃材料化學成分詳見表1,煤的工業(yè)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(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(chǎn)、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
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
表5 熟料化學分析

序號	化學成分							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	凝結時間		抗折強度			抗壓強度
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	凝結時間		安定性	抗折強度			抗壓強度
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 主要技術關鍵
3.1 搞好煤矸石預均化
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＜10%　 4.3 熟料熟料強度＞500號 f-CaO＜3.5%　
4.4 出磨水泥 SO3＜2.8% 細度＜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(chǎn)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(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論:
(1)采用本地煤矸石為原料生產(chǎn)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(chǎn)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(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。