利用煤矸石代替粘土燒制水泥熟料

煤矸石成分與粘土相似，而且具有一定熱值，除此之外，大部分煤矸石內(nèi)含有各種微量或少量組分，如S、Cu、Zn等，所有這些均有利于提高水泥熟料質(zhì)量，降低能耗。本文從工藝角度出發(fā)，并結(jié)合某廠應(yīng)用實(shí)踐，論述利用煤矸石代替粘土燒制水泥熟料所應(yīng)注意的工藝問題。

1　原燃料成分及生產(chǎn)工藝條件

　　
1.1　原燃料成分
　　該廠各材料平均化學(xué)成分及不同礦點(diǎn)煤矸石成分見表1～表4。

表1 原材料平均化學(xué)成分 (%)

材料名稱	Loss	CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	CaF2	Σ
石灰石	42.66	52.43	1.25	0.60	0.65	1.95	－	99.54
鐵 粉	6.44	3.88	15.44	7.33	61.38	0.50	－	95.37
粘 土	7.78	1.56	59.67	16.53	9.41	1.49	－	96.44
螢 石	－	－	－	－	－	－	64.58	－

表2 煤的工業(yè)分析平均成分

Mar	Mad	Vad	FCad	Aad	Qnet,ad/(kJ/kg)	Qnet,ar/(kJ/kg)
7.85	1.27	5.44	49.91	36.33	19 082	17 583

表3 煤灰平均化學(xué)成分

CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	Σ
5.43	66.77	13.87	7.03	2.11	95.15

注:堿性系數(shù)M₀=(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)；質(zhì)量系數(shù)K=(CaO+MgO+Al₂O₃)/(SiO₂+MnO+TiO₂) 表4 不同礦點(diǎn)煤矸石成分

編號(hào)	化學(xué)成分/%							Qnet,ar/(kJ/kg)
	Loss	CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	Σ
1	15.37	0.46	57.43	18.21	6.14	0.11	97.86	1 008
2	17.03	0.39	59.22	17.77	3.32	0.37	98.10	1 206
3	16.45	0.23	57.15	17.98	5.85	0.27	97.93	1 163
4	15.11	0.41	57.87	18.45	6.27	0.09	98.20	1 034
5	10.84	0.50	60.95	16.41	8.72	0.45	97.87	794
6	10.44	0.71	58.88	18.87	8.85	0.22	97.97	810
平均	14.21	0.45	58.58	17.95	6.53	0.25	97.99	1 003

1.2　主機(jī)設(shè)備
　　

Φ3m×10m塔式機(jī)立窯一臺(tái)，Φ2.2m×6.5m生料磨及水泥磨各一臺(tái)，Φ4.0m離心式選粉機(jī)，烘干機(jī)規(guī)格為Φ1.5m×12m，逆流式。

2　應(yīng)注意的工藝問題

　　
2.1　原燃材料及生料均化
　　

該廠煤的質(zhì)量波動(dòng)較大，發(fā)熱量低，入磨材料水分較大，飽磨現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，造成出磨生料成分波動(dòng)很大。加之未能重視生料均化，使得入窯生料CaO合格率僅為50%左右，F(xiàn)e₂O₃合格率亦低于60%，而SiO₂、燒失量則未能作為控制項(xiàng)目，從而造成窯情極不正常，嚴(yán)重影響了立窯的產(chǎn)質(zhì)量。采用煤矸石后，由于煤矸石成分波動(dòng)遠(yuǎn)比粘土大(如表4所示)，其不穩(wěn)定性不僅導(dǎo)致各成分合格率低，而且將會(huì)加劇生料配煤的不穩(wěn)定性。因此，如何提高入窯生料成分的均勻性將成為煤矸石應(yīng)用是否成功的關(guān)鍵。為此，我們首先加強(qiáng)了進(jìn)廠原材料的質(zhì)量管理，重點(diǎn)加強(qiáng)了進(jìn)廠煤炭質(zhì)量的管理工作。采取固定礦點(diǎn)，單人經(jīng)營(yíng)的辦法。同時(shí)對(duì)進(jìn)廠煤由原來單獨(dú)考核發(fā)熱量改為發(fā)熱量及發(fā)熱量均勻性兩方面指標(biāo)同時(shí)考核，而且要求煤炭經(jīng)營(yíng)者保證進(jìn)廠煤儲(chǔ)量500t以上。通過以上措施，進(jìn)廠煤發(fā)熱量基本能控制在18810±1254kJ/kg范圍。再通過堆場(chǎng)搭配，使得入磨煤發(fā)熱量基本可以控制在17974～19646kJ/kg之間，較好地滿足了配料要求。對(duì)于煤矸石質(zhì)量的管理，則采取專人承包負(fù)責(zé)的辦法。承包者根據(jù)化驗(yàn)室對(duì)礦山煤矸石質(zhì)量普查數(shù)據(jù)，按照廠內(nèi)質(zhì)量要求預(yù)先搭配進(jìn)廠并分堆晾曬，使水分達(dá)到要求后再運(yùn)入儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存，要求儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)量不少于500t。最后由承包者用鏟車搭配破碎進(jìn)配料庫(kù)。廠內(nèi)根據(jù)磨頭配料煤矸石水分及其成分波動(dòng)情況對(duì)承包者進(jìn)行考核。上述措施實(shí)施后，煤矸石質(zhì)量基本能夠滿足配料要求，發(fā)熱量基本在4598±418kJ/kg范圍內(nèi)。
　　

為了確保出磨生料成分的均勻穩(wěn)定，電工班還派出專人對(duì)配料秤計(jì)量準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)。而化驗(yàn)室控制項(xiàng)目亦由原來僅控制CaO、Fe₂O₃改為出磨生料CaO、Fe₂O₃、SiO₂、燒失量同時(shí)控制，CaO、Fe₂O₃每小時(shí)控制一次，SiO₂、燒失量每2h控制一次。通過上述措施，出磨生料CaO、Fe₂O₃合格率分別提高到70%及80%以上，SiO₂、燒失量合格率分別可達(dá)65%左右，在此基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步加強(qiáng)了生料倒庫(kù)工作，使得入窯生料比出磨生料成分合格率提高15個(gè)百分點(diǎn)，為提高立窯產(chǎn)質(zhì)量打下了基礎(chǔ)。
2.2　配方問題
　　

由于原有進(jìn)廠煤質(zhì)較差，帶入的煤灰多，實(shí)際生產(chǎn)中粘土配料量不大，生料中Al₂O₃亦不高。而該廠習(xí)慣于高熔劑配方，因此，F(xiàn)e₂O₃控制值較高，生料中Fe₂O₃控制值大部分在3.2%左右。窯內(nèi)煅燒非常困難，經(jīng)常發(fā)生塌邊，出紅料或者抽心現(xiàn)象。中部通風(fēng)很差，窯工不得不經(jīng)常停料提火，嚴(yán)重影響了熟料產(chǎn)質(zhì)量。針對(duì)上述問題，在應(yīng)用煤矸石后，適當(dāng)?shù)靥岣吡薾值，同時(shí)為了底火結(jié)實(shí)，便于用風(fēng)，生料中Al₂O₃含量由原來的3.3%左右提高到3.6%左右，F(xiàn)e₂O₃含量則由3.2%左右降至2.6%左右，飽和比則基本不變。通過上述調(diào)整，窯的中部通風(fēng)狀況明顯好轉(zhuǎn)，熟料質(zhì)量亦有所提高，但物料上火速度仍比較慢，窯的產(chǎn)量不高，一旦由于機(jī)械故障而停窯，窯內(nèi)很易結(jié)大塊。針對(duì)這種現(xiàn)象，我們又采取了三方面的措施:首先針對(duì)物料底火較厚，窯內(nèi)易結(jié)大塊的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)亟档土耸炝吓錈崃浚黄浯吾槍?duì)物料上火慢的問題，改用了優(yōu)質(zhì)煤，進(jìn)廠煤發(fā)熱量由原來的18810kJ/kg左右提高到22990kJ/kg左右；第三，螢石摻量由原來的0.4%提高到0.6%。利用煤矸石前后的生、熟料化學(xué)成分見表5。

表5 使用煤矸石前后水泥生、熟料成分變化

項(xiàng) 目		Loss	CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	SO3	fCaO	Σ	KH	n	P
生料	使用前	41.37	37.80	11.76	3.38	3.19	1.58	－		99.08	0.94	1.79	1.06
	使用后	40.53	38.20	12.06	3.65	2.61	1.56	－		98.61	0.93	1.93	1.40
熟料	使用前	1.45	64.25	19.33	5.47	5.48	2.50	0.41	3.45	98.89	0.98	1.77	1.0
	使用后	0.96	64.75	20.23	6.13	4.62	2.26	0.87	2.82	99.82	0.94	1.88	1.33

2.3　成球問題
　　

煤矸石沒有塑性，難以成球，而且料球不穩(wěn)定，入窯后容易爆裂，嚴(yán)重影響窯內(nèi)通風(fēng)。為此，我們將生料細(xì)度由原來的10%以內(nèi)降至8%以內(nèi)，同時(shí)改善成球裝置，并適當(dāng)增加成球水量，然后狠抓窯工操作，堅(jiān)決杜絕明火或半明火煅燒，提倡深暗火操作。通過上述幾方面措施，成球質(zhì)量完全可以滿足立窯煅燒的需要，而且窯內(nèi)爆球現(xiàn)象很少發(fā)生。

2.4　窯體結(jié)構(gòu)問題
　　

深暗火操作要求窯內(nèi)濕料層加厚，底火下移，而要做到這一點(diǎn)，原有窯內(nèi)喇叭口則已顯得不適應(yīng)。為此，我們將喇叭口高度由原來的1.5m加深到1.8m，角度則由原來的14.5°減小至12.5°。同時(shí)將風(fēng)機(jī)電機(jī)功率由原來的155kW加大至215kW。通過上述改造，較好地滿足了操作要求。

3　效益分析

　　
3.1　提高了主機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量
　　利用煤矸石代替粘土后，提高了主機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量，如表6。

表6 使用煤矸石前后各主機(jī)臺(tái)的產(chǎn)量 t/h

項(xiàng)目	生料磨	立窯	水泥磨
使用前	20.5	8.1	13.0
使用后	22.5	9.0	14.5

　　由表6可知，使用煤矸石后，生料磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量由原來的20.5t/h提高至22.5t/h。其原因在于:①入磨物料水分降低，有利于提高磨機(jī)的研磨效率及選粉效率；②原有粘土含砂量達(dá)30%以上，而煤矸石中基本不含砂質(zhì)，因此易磨性得以明顯改善；③適當(dāng)改進(jìn)了選粉機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)研磨體級(jí)配進(jìn)行調(diào)整。
　

　使用煤矸石后，立窯臺(tái)時(shí)產(chǎn)量由8.1t/h提高到9.0t/h。其原因是:①生料配方由原來的高鐵配方變成了高鋁配方，加之堅(jiān)持暗火操作，改善了立窯煅燒狀況；②煤矸石中帶入了部分硫，并適當(dāng)加大了螢石用量，使得礦化劑礦化效果更為明顯。
　　

水泥磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量由原來的13.0t/h提高到14.5t/h，其原因在于:①使用煤矸石后，熟料中熔劑礦物數(shù)量降低，且由高鐵配方變成了高鋁配方，出紅料現(xiàn)象基本消失，改善了熟料易磨性；②熟料強(qiáng)度得以提高，使得混合材摻入量由原來的8%左右提高到13%左右，改善了入磨物料的易磨性。

3.2　提高了熟料及水泥質(zhì)量
　　

使用煤矸石前后半年的熟料及水泥質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7。

表7 使用煤矸石前后熟料及水泥質(zhì)量對(duì)比情況

項(xiàng)目	時(shí)間	細(xì)度 /%	比表面積 /(m2/kg)	標(biāo)準(zhǔn)稠度 /%	抗折強(qiáng)度/MPa		抗壓強(qiáng)度/MPa		凝結(jié)時(shí)間/(h:min)
					3d	28d	3d	28d	初凝	終凝
熟料	使用前	8.1	310	25.60	5.1	7.2	32.3	56.7	3:23	5:37
	使用后	6.5	305	24.64	5.3	7.4	34.5	59.1	3:22	4:58
水泥	使用前	4.6	333	27.0	5.0	7.1	26.0	47.0	2:46	4:52
	使用后	4.4	339	27.2	5.1	7.2	27.5	48.9	2:32	4:37

　　由表7可以看出，使用煤矸石后熟料強(qiáng)度及其它性能均比使用前有所改善，水泥強(qiáng)度在混合材摻量增加5%左右的條件下仍比原有強(qiáng)度高。

3.3　顯著降低水泥生產(chǎn)成本
　　

根據(jù)該廠財(cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)，得到使用煤矸石前后半年的水泥直接生產(chǎn)成本如表8。

表8 使用煤矸石前后噸水泥生產(chǎn)成本對(duì)比情況

項(xiàng)目	石灰石	粘土	煤矸石	鐵粉	煤	混合材	螢石	石膏	紙袋	工資	電費(fèi)	維修	其它	Σ
使用前	18.81	1.4	0	2.8	41.7	3.2	0.8	9.2	30.3	24.7	66.5	11.7	3.2	214.31
使用后	17.5	0	3.2	2.1	28.4	2.5	1.0	9.1	30.5	21.3	56.5	8.4	2.5	183.0

　　由表8可以看出，使用煤矸石后，噸水泥煤炭成本顯著降低，其原因是:①煤矸石帶入了相當(dāng)部分的熱量；②節(jié)省了烘干粘土所需的煤量；③水泥中混合材摻量增加，減少了噸水泥中的熟料消耗，從而間接地降低了噸水泥煤炭消耗；④配方及窯工操作的改變對(duì)降低煤耗亦有貢獻(xiàn)。由表8還可看出，電耗成本亦在原有基礎(chǔ)上大大降低，其原因主要是主機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量顯著提高及水泥中混合材摻量增加之故。據(jù)統(tǒng)計(jì)使用煤矸石后，噸水泥綜合電耗由原來的95kWh/t降至80kWh/t左右。

4　結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，合理的配方是應(yīng)用煤矸石成敗的關(guān)鍵因素，而要達(dá)到配方合理，材料質(zhì)量及均化程度(尤其是煤矸石均化程度)則是先決條件。除此之外，改善料球質(zhì)量，提高料球在窯內(nèi)的體積穩(wěn)定性，確保窯內(nèi)通風(fēng)狀況良好亦十分重要。實(shí)踐證明，只要工藝措施合理，利用煤矸石代替粘土配料是完全可行的。既有利于環(huán)境保護(hù)，又可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。