利用煤矸石为原料烧制水泥的研究

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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
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
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		抗折强度			抗压强度
		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		安定性	抗折强度			抗压强度
		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＜10%　 4.3 熟料 熟料强度＞500号 f-CaO＜3.5%　
4.4 出磨水泥 SO3＜2.8% 细度＜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。

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