CN106277865B - 一种硅酸盐水泥熟料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅酸盐水泥熟料的制备方法，具体包括以下步骤：通过破碎、均化、配料、烘干、粉磨制备成水泥生料，然后将生料喂入新型预分解窑进行预热、分解，最后经高温煅烧后冷却得到熟料，所述配料过程中将原有粘土的50～60wt%替换为煤矸石。本发明提供的方法实施后，熟料热耗显著下降，水泥磨和回转窑产量有明显提高，降低了生产能耗，减少了CO2、NOx等废气的排放，符合国家节能减排环保政策；同时，水泥的保水性、和易性等也有了明显改善，该方案不仅消耗了大量的废弃物煤矸石，减少了环境污染，保护了生态环境；而且由于熟料强度增强水泥混合材掺入量也有相应增加，降低了生产成本，提高了经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及硅酸盐水泥熟料生产技术领域，具体涉及一种利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料的方法。
背景技术
煤矸石是采煤过程中和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。其主要成分与粘土相似，以二氧化硅、氧化铝为主，另外含有少量的氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钠、氧化钾、五氧化二磷、三氧化硫和微量稀有元素。目前煤矸石是我国年排放量和累计存放量最大的工业废渣，煤矸石弃置不用、占用大片土地，其含有的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体。因此，研究应用煤矸石具有十分重要的社会意义，由于其具有与粘土及其相似的化学成分，而粘土是水泥生产中硅铝质材料通常采用的原料，粘土的反应活化能较高使得水泥能耗过高，且粘土开采破坏植被，毁坏田地，致使许多发达国家已禁止使用粘土烧制水泥。因此研究用煤矸石作为生产原料应用于硅酸盐水泥熟料的生产，既符合国家的资源循环利用产业政策，保护环境，又能够为水泥企业节能减排、降低成本，使其变废为宝，具有重要的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料的方法，能够提高熟料质量，改善生料易烧性，提高回转窑的产量，降低熟料烧成热耗，改善水泥熟料的性能。
一种硅酸盐水泥熟料，水泥熟料f-CaO控制为0.5～1.5％，水泥熟料立升重控制为1280～1350克/升，该水泥熟料的颗粒度为5～15mm，阿利特和贝利特矿物总和含量在75％以上。
所述的水泥熟料包括如下重量份的原料组成：石灰石83％～86％，铁矿石1.5％～2.5％，煤矸石3％～5％，粘土6％～8％，硅砂1％～3％，控制各原料混合后SiO2占总质量的10～15％，Al2O3占总质量的2.5～3.5％，Fe2O3占总质量的1.2～2.0％，CaO占总质量的40～45％。
进一步优选为水泥熟料包括如下重量份的原料组成：石灰石85％，铁矿石2％，煤矸石4％，粘土7％，硅砂2％，控制各原料混合后SiO2占总质量的11.5～13％，Al2O3占总质量的2.7～3％，Fe2O3占总质量的1.6～1.9％，CaO占总质量的42.5～44％。
煤矸石中，控制化学成分CaO：3～6.5％，SiO2：55～60％，Al2O3：17～20％，Fe2O3：4.2～6.5％，MgO：1～2％，SO3：0.5～1％；工业分析值为Aad：84～88％，Vad：3～5.5％，Mad：0.2～0.35％，FCad：8～10％，Qnet.ad：100～800kcal/kg。
本发明提供了一种利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料的方法，具体包括以下步骤：通过破碎、预均化、配料、烘干、粉磨制备成干粉生料，然后将生料喂入新型干法预分解窑进行预热、分解，最后经高温煅烧后冷却得到熟料，所述配料过程中将原有粘土的50～60wt％替换为煤矸石，具体为：
1)将生产原料石灰石、粘土、铁矿石、硅砂、煤矸石分别破碎至≤50mm并储存于堆棚内；
2)以质量计，将石灰石、粘土、铁矿石、硅砂、煤矸石按比例混合均匀后喂入烘干兼粉磨系统进行粉磨，控制粉磨成品水份含量≤1.5wt％，80微米筛的筛余物≤16wt％，得到的为干粉状的生料；
3)将均化后的生料喂入干法预分解窑进行预热、分解，然后在水泥回转窑中进行高温煅烧，煅烧温度为1300～1450℃(进一步优选温度为1400℃)，煅烧8-10min(进一步优选煅烧时间为9min)，得到物料液相量为25-28％的部分熔融状的物料(进一步优选为控制物料液相量为25-28％)，将熔融状的物料在篦冷机上用高压风机鼓风以50～70℃/min的冷却速度冷却至60～100℃得到硅酸盐水泥熟料(进一步优选为在60℃/min的冷却速度冷却至70℃)。
步骤3)中，干法预分解窑规格为￠4.8m×74m，在干法预分解窑内通过5级预热、分解系统进行操作，同时控制物料入回转窑的分解率为90～95％。所述的5级预热、分解系统为，控制水泥回转窑系统分解炉出口温度为860～870℃；水泥回转窑尾烟室温度为950～1050℃；水泥回转窑内二次风温为1150～1200℃；水泥回转窑内三次风温为950～1000℃；篦冷机篦室推动次数为11～12rpm。
上述步骤进一步解释为：控制水泥回转窑系统分解炉出口温度由原来的880～890℃降到860～870℃；窑尾烟室温度由1000～1100℃降到950～1050℃；二次风温由1100～1150℃提高到1150～1200℃；三次风温由880～950℃提高到950～1000℃；篦冷机篦室一段推动次数由9～10rpm提高到11～12rpm。控制物料在烧成带的煅烧时间8～10min，物料液相量在25～28％，保证熟料结粒大小均匀，晶体发育良好，进入篦冷机后快速冷却。该工艺步骤中，前者的参数均为未添加煤矸石的工艺，例如：控制水泥回转窑系统分解炉出口温度由原来的880～890℃降到860～870℃，即为：未添加煤矸石时，水泥回转窑系统分解炉出口温度为880～890℃，经添加煤矸石的生料，在进入水泥回转炉时，水泥回转窑系统分解炉出口温度为860～870℃，下同。
本发明具有以下有益效果：
1)利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料方案，由于煤矸石是含有硫、铝、铁等多种微量元素的富氧矿物，这些矿物的晶相势垒较弱，在高速升温的过程中超过800℃时便能快速放氧，放出来的氧正好起到水泥原料内部解聚出[SiO4]-4反应活性体的作用，从而有效促进熟料A矿烧成，同时煤矸石中的大量微量元素也有助于熟料液相提早出现，有效降低物质的熔点，进一步促进熟料A矿生成；由于A矿数量增加，A矿边缘比以前清晰，A矿棱柱状减少板状增加，A矿出现在空洞周围的现象减少，硅酸盐熟料的物理性能有明显改善，标准稠度由原来的25％下降到23.8％，胶砂流动度由原来的195mm上升到210mm。
2)利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料方案，由于煤矸石的加入可采用高KH、高SM配料、增加了熟料中硅酸盐矿物的含量，生产的硅酸盐熟料强度增幅显著，三天抗压提高了2～3MPa，28天抗压提高1～2MPa左右，水泥中混合材掺量提高了3～4％。
3)利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料方案，由于煤矸石中含有较低的发热量，可有效促进熟料烧成煤耗的降低，加之煤矸石中含有的少量微量元素有效的降低了物料的高温熔点和粘度，改善了生料的易烧性，加速了固相反应的进行，使得熟料烧成煤耗进一步下降，水泥磨和回转窑的产量大幅提高，大大节省了能源，降低了生产成本，减少CO2、NOX等废气的排放。
4)通过本发明提供的方法制备的硅酸盐熟料，由于其物理性能显著改善，使得水泥磨产量有一定的提高；水泥的和易性、保水性、水泥与外加剂的相容性等都得到了提高。用本方案生产的硅酸盐熟料的小磨粉磨时间减少了3～5min，应用于Φ4.2×13m的闭路水泥磨，水泥磨产量可提高10～20t/h。用该熟料生产的水泥制备的砼，在保证其工作性能和质量不变的情况下外加剂的用量可少用8～10％。
5)利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料方案，不仅消耗了大量的固体废弃物煤矸石，减少了对粘土资源的需求，保护了农用耕地；同时也增加了水泥中混合材的掺入量，消耗了大量工业废弃渣如炉渣、粉煤灰等，减少废渣的堆放，有利于美化生态环境。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1：
利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料的方法，在甲企业新型干法预分解窑进行，具体的操作步骤为：
1)将水泥熟料生产原料石灰石、粘土、铁矿石、硅砂、煤矸石等破碎至一定粒径范围并储存于堆棚内。
2)将石灰石85％，铁矿石2％，煤矸石4％，粘土7％，硅砂2％按质量分数的比例混合均匀，其中控制石灰石中MgO含量≤2.5wt％，煤矸石的发热量Qnet.ad≤800kcal/kg。
3)将上述混合物料喂入带热风的立式风扫磨中进行粉磨，控制粉磨成品水份含量≤1.5wt％，80μm筛筛余≤16wt％，得到的为干粉状的生料。
4)将均化后的生料喂入新型干法预分解窑进行预热、分解，然后在水泥回转窑中进行高温煅烧，煅烧温度为1400℃，得到熔融态物料并形成大小均齐、发育良好、富含阿利特和贝利特矿物的颗粒状结晶体，最后经冷却机快速冷却至70℃得到硅酸盐熟料。
硅酸盐熟料质量控制指标：f-CaO在0.5～1.5％、立升重在1280～1350克/升。
熟料率值控制范围为：
石灰饱和系数(熟料中二氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度)：KH＝0.93±0.02；
硅酸率(水泥熟料硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例)：SM＝2.7±0.1；
铝氧率(熟料熔剂矿物中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例)：IM＝1.6±0.1。
其中实施例1中原料的化学成分见表1-1：
表1-1
生产中要加强对石灰石、粘土、煤矸石、硫铁矿、硅砂等原材料的预均化和水分的控制，保证混合物料成份的均衡稳定；加强生料成份的的检验，提高检验结果的准确性；采用在线自动检测控制程序，实现生料成份的即时自动调整。提高KH、SM、IM三率值的合格率。
实施例1中，用煤矸石配料前后熟料化学分析结果对比表1-2：
表1-2
用煤矸石配料前后熟料物理性能对比表1-3：
表1-3
用煤矸石回转窑的产量与熟料标煤耗见表1-4：
表1-4
| 煤矸石掺量 | 日产量 | 标煤耗(kg/t.cli) |
| 0％ | 5950 | 105.6 |
| 4％ | 6100 | 101.3 |
从上表数据知掺入煤矸石配料后，可以适当提高熟料的石灰饱和比和硅酸率，提高熟料中硅酸盐矿物的含量，改善熟料性能，而且熟料的日产量提高了150t/h，熟料标煤耗下降了4.3kg/t，熟料3天强度提高了3.1MPa，28天强度提高了2MPa。综上，采用煤矸石配料后，熟料产质量有较大提高，熟料易磨性也有效提升，熟料性能得到了改善，熟料烧成热耗下降下降明显。
同时，将采用煤矸石配料生产的熟料与当前国内同类研究、同类技术的综合比较，见表A：
表A
| 序号 | 名称 | 煤矸石掺入前 | 煤矸石掺入后 | 增幅 |
| 1 | 熟料3天抗压强度(MPa) | 31.2 | 34.3 | +3.1 |
| 2 | 熟料28天抗压强度(MPa) | 56.5 | 58.5 | +2.0 |
| 3 | 回转窑产量(t/d) | 5950 | 6100 | +150 |
| 4 | 熟料标煤耗(kg/t.cli) | 105.6 | 101.3 | －4.3 |
| 5 | 熟料标准稠度用水量(ml) | 125 | 11 | －6 |
| 6 | P.O42.5水泥混合材掺量(％) | 15 | 18 | +3 |
| 7 | P.C32.5水泥混合材掺量(％) | 36 | 40 | +4 |
| 8 | 熟料小磨时间(min) | 36 | 33 | －3 |
| 9 | 熟料初凝时间(min) | 102 | 96 | －6 |
| 10 | 熟料终凝时间(min) | 152 | 150 | －2 |
可见，用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料，上述各项生产技术指标均已达到目前国内先进水平。
实施例2：
利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料的方法，在甲企业新型干法预分解窑进行，具体的操作步骤为：
1)将水泥熟料生产原料石灰石、粘土、铁矿石、硅砂、煤矸石等破碎至一定粒径范围并储存于堆棚内。
2)将石灰石83％，铁矿石1.8％，煤矸石4.2％，粘土6.4％，硅砂3％按质量分数的比例混合均匀，其中控制石灰石中MgO含量≤2.5wt％，煤矸石的发热量Qnet.ad≤800kcal/kg。
3)将上述混合物料喂入带热风的立式风扫磨中进行粉磨，控制粉磨成品水份含量≤1.5wt％，80μm筛筛余≤16wt％，得到的为干粉状的生料。
4)将均化后的生料喂入新型干法预分解窑进行预热、分解，然后在水泥回转窑中进行高温煅烧，煅烧温度为1450℃，得到熔融态物料并形成大小均齐、发育良好、富含阿利特和贝利特矿物的颗粒状结晶体，最后经冷却机快速冷却至100℃得到硅酸盐熟料。
硅酸盐熟料质量控制指标：f-CaO在0.5～1.5％、立升重在1280～1350克/升。
熟料率值控制范围为：
石灰饱和系数(熟料中二氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度)：KH＝0.93±0.02；
硅酸率(水泥熟料硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例)：SM＝2.7±0.1；
铝氧率(熟料熔剂矿物中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例)：IM＝1.6±0.1。
利用煤矸石配料生产硅酸盐水泥熟料的方法，在乙企业新型干法预分解窑进行，生产的熟料结果如下：
实施例2中，用煤矸石配料前后熟料化学分析结果对比表2-1：
表2-1
用煤矸石配料前后熟料物理性能对比表2-2：
表2-2
用煤矸石前后回转窑的产量与熟料标煤耗见表2-3：
表2-3
| 煤矸石掺量 | 日产量(t/d) | 标煤耗(kg/t.cli) |
| 0％ | 5980 | 126 |
| 4.2％ | 6106 | 102.8 |
从上表数据知掺入煤矸石配料后，在适当提高熟料的石灰饱和比和硅酸率的情况下，熟料的日产量提高了126t/h，熟料标煤耗下降了3.2kg/t，熟料3天强度提高了3.8MPa，28天强度提高了1.9MPa，小磨时间缩短了4min。综上，采用煤矸石配料后，熟料产质量有较大提高，熟料易磨性、熟料性能有明显改善，熟料烧成热耗下降明显。
Claims (6)
1.一种硅酸盐水泥熟料的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将生产原料石灰石、粘土、铁矿石、硅砂、煤矸石分别破碎至≤50mm并储存于堆棚内；
2）将石灰石、粘土、铁矿石、硅砂、煤矸石按质量分数为石灰石83%～86%，铁矿石1.5%～2.5%，煤矸石3%～5%，粘土6%～8%，硅砂1%～3%混合均匀后喂入烘干兼粉磨系统进行粉磨，控制各原料混合后SiO2占总质量的10～15%，Al2O3占总质量的2.5～3.5%，Fe2O3占总质量的1.2～2.0%，CaO占总质量的40～45%，控制粉磨成品水份含量≤1.5wt%，80微米筛的筛余物≤16wt%，得到的为干粉状的生料；
3）将均化后的生料喂入干法预分解窑进行预热、分解，然后在水泥回转窑中进行高温煅烧，煅烧温度为1300～1450℃，煅烧8-10min，得到物料液相量为25-28%的部分熔融状的物料，将熔融状的物料在篦冷机上用高压风机鼓风以50～70℃/min的冷却速度冷却至60～100℃得到硅酸盐水泥熟料；
所述的水泥熟料f-CaO控制为0.5～1.5%，水泥熟料立升重控制为1280～1350 克/升，该水泥熟料的颗粒度为5～15mm，阿利特和贝利特矿物总和含量在75%以上；
熟料率值控制范围为：
石灰饱和系数，熟料中二氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度： KH=0.93±0.02；
硅酸率，水泥熟料硅酸盐矿物与溶剂矿物的比例：SM=2.7±0.1；
铝氧率，熟料熔剂矿物中铝酸三钙与铁铝酸四钙的比例：IM=1.6±0.1。
2.根据权利要求1所述的硅酸盐水泥熟料的生产方法，其特征在于，步骤3）中，干法预分解窑规格为￠4.8m×74m，在干法预分解窑内通过5级预热、分解系统进行操作，同时控制物料入回转窑的分解率为90～95%。
3.根据权利要求2所述的硅酸盐水泥熟料的生产方法，其特征在于，所述的5级预热、分解系统为，控制水泥回转窑系统分解炉出口温度为860～870℃；水泥回转窑尾烟室温度为950～1050℃；水泥回转窑窑头二次风温为1150～1200℃；水泥回转窑三次风温为950～1000℃；篦冷机篦室推动次数为11～12rpm。
4.根据权利要求1所述的硅酸盐水泥熟料的生产方法，其特征在于，步骤3）中，将均化后的生料喂入干法预分解窑进行预热、分解，然后在水泥回转窑中进行高温煅烧，煅烧温度为1400℃，煅烧9min，得到物料液相量为26-27%的部分熔融状的物料，将熔融状的物料在篦冷机上用高压风机鼓风以60℃/min的冷却速度冷却至70℃得到硅酸盐水泥熟料。
5.根据权利要求1所述的硅酸盐水泥熟料的生产方法，其特征在于，水泥熟料包括如下重量份的原料组成：石灰石85%，铁矿石2%，煤矸石4%，粘土7%，硅砂2%，控制各原料混合后SiO2占总质量的11.5～13%，Al2O3占总质量的2.7～3%，Fe2O3占总质量的1.6～1.9%，CaO占总质量的42.5～44%。
6.根据权利要求5所述的硅酸盐水泥熟料的生产方法，其特征在于，煤矸石中，控制化学成分CaO：3～6.5%，SiO2：55～60%，Al2O3：17～20%，Fe2O3：4.2～6.5%， MgO：1～2%，SO3：0.5～1%；工业分析值为Aad：84～88%，Vad：3～5.5%，Mad：0.2～0.35%，FCad：8～10%，Qnet.ad：100～800kcal/kg。
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