CN1850693A - 利用高碳粉煤灰生产水泥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高碳粉煤灰生产水泥的方法，它是将高含碳粉煤灰、石灰石、铁矿石以及石膏等原料经过破碎、混合及粉磨、煅烧、冷却、粉磨等过程，生产成矿物组成为贝利特、无水硫铝酸钙、铁铝酸四钙的贝利特硫铝酸盐水泥。本发明可以有效地利用高碳粉煤灰，利用率达到30％以上；其次，在较低温度下生产一种低能耗水泥，可以降低煤耗；因此本发明实现了工业废渣的利用和绿色低能耗水泥的生产。同时该水泥与普通硅酸盐水泥相比，由于不含CaO高的C₃S，排放的CO₂少，并可利用低品位原料，社会效益明显。

Description

利用高碳粉煤灰生产水泥的方法

技术领域

本发明涉及一种利用高碳粉煤灰生产水泥的方法。

背景技术

部分热电厂锅炉由于煅烧温度低或受煤中矿物质影响，致使煤粉燃烧不完全，排出的粉煤灰的含碳量较高(＞15％)，为低等级粉煤灰。因未燃烧完的碳会使需水量增大，不能用作水泥混合材；如用于混凝土或砂浆掺和料，也会因增大需水量以及降低混凝土与外加剂的适应性等而降低性能；在生产免烧粉煤灰砖等方面也不太可行，因而使高含碳量低等级粉煤灰的利用受到限制。目前我国每年排出近2亿吨的粉煤灰中有25％左右的高含碳量低等级的粉煤灰，由于其利用率极低，已成为环境污染的一大治理难题。如能将其当作原料用于生产水泥，不仅可以大量利用粉煤灰，而且粉煤灰中的碳燃烧还可以起到节约能源的作用。

传统的硅酸盐水泥熟料(主要成分为硅酸三钙3CaO·SiO₂，以下简写为C₃S)需要利用石灰石、粘土、铁粉或铁矿石等原料来烧成，其主要矿物组成为C₃S、C₂S(硅酸二钙2CaO·SiO₂，俗称贝利特，以下简写为C₂S)、C₄AF(铁铝酸四钙4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)、C₃A(铝酸三钙3CaO·Al₂O₃)等。但是受粉煤灰本身化学组成所限，将其取代粘土用于生产硅酸盐水泥尚不太可行。

同时水泥传统以来一直是负荷型、消耗型工业，水泥熟料需要在1450℃的较高温度下煅烧，能耗较高，且排放大量CO₂，造成温室效应。在资源日趋紧张及环保意识越来越强的今天，如何降低水泥能耗，减少污染，一直是国内外研究的热点课题。许多专家提出绿色水泥的概念，即水泥工业的发展方向应该是利用工业废料，变污染环境为保护环境；降低能耗并减少CO₂的排放量等等。因此研究绿色低能耗水泥对于节约能源、保护环境具有重要意义。如能将粉煤灰用于绿色低能耗水泥的生产，则具有重大的社会和经济意义。

发明内容

本发明提供了一种利用高碳粉煤灰生产贝利特水泥的方法，实现了工业废渣的利用和绿色低能耗水泥的生产。

本发明所采用的技术方案为：

高碳粉煤灰生产水泥的方法，包括以下生产步骤：

1)将各原料破碎后均化，使其成分均匀，进行化学全分析，确定其化学成分，然后经过配料计算，各原料的重量百分比为：石灰石50％～65％，高碳粉煤灰15％～35％，铁粉或铁矿石0％～7％，石膏3％～15％，铝矾土0-8％，将原料按配比破碎、混合、粉磨，使出磨生料通过0.08mm方孔筛后筛余＜10％。配料计算使熟料的主要矿物组成含量为：C₂S 50％～65％，C₄A₃ S(无水硫铝酸钙3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄，，以下简写为C₄A₃ S)20％～40％，C₄AF 5％～25％，配料计算时熟料中矿物组成的计算公式为：C₂S＝2.866 SiO₂，C₄AF＝3.04 Fe₂O₃，C₄A₃S＝1.995 Al₂O₃-0.6438 Fe₂O₃。

2)将粉磨后的生料粉或制成料球送入窑炉煅烧，煅烧温度为1200℃～1350℃，保温时间为5min～60min，然后冷却为熟料。

3)将熟料掺加0～20％的硬石膏或二水石膏以及其他混合材粉磨成水泥，细度为250m²/kg～450m²/kg或0.08mm方孔筛筛余0％～10％。

4)将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期，利用压力机测定水泥石的强度。

所述粉煤灰为高碳粉煤灰，其含碳量大于15％。

本发明将高含碳粉煤灰、石灰石、铁矿石以及石膏等原料经过破碎、混合及粉磨、煅烧、冷却、粉磨等过程，生产成主要矿物组成为贝利特、无水硫铝酸钙、铁铝酸四钙的贝利特硫铝酸盐水泥。

在烧成过程中，化学反应式如下：

煅烧中大量的SO₃以及铁相可以避免C₂S的粉化。生成的C₄A₃ S以及C₄AF为两种早强性能较好的矿物，可以代替硅酸盐水泥中的C₃S为水泥提供早期强度，使熟料的矿物组成为C₂S，C₄A₃ S和C₄AF；在低温下生成的固溶有其他元素的C₂S(贝利特)后期强度及性能优良，可以保障水泥的长期强度。这样不仅能使粉煤灰的化学组成满足生产本品种水泥的需要，且矿物的形成温度都在1200℃以下，可以有效地降低能耗。

所以本发明与现有技术相比取得了以下有益效果：

首先，可以有效地利用高碳粉煤灰，利用率达到30％以上，治理和减少了粉煤灰对环境的污染；

其次，本发明生产的水泥与普通硅酸盐水泥相比，其矿物组成中不含含CaO高的C₃S，抗压强度高。C₃S和β-C₂S的最终水化产物都是水合硅酸钙凝胶CaO·xSiO₂·yH₂O(以下简写为C-S-H)和氢氧化钙Ca(OH)₂(以下简写为CH)，C-S-H是水泥石强度的主要来源。与C₃S相比，β-C₂S水化物中CH的量较少，有利于水泥石强度的发展，因为CH对水泥石强度的贡献远小于C-S-H。一般来说，水化物中C-S-H与CH体积比越大，水泥石的抗压强度越高。同样100克的矿物，C₃S可生成75克C-S-H凝胶，而C₂S可生成106克，如按强度和凝胶体积比之间的联系来计算，C₂S最终强度将比C₃S高26％。Williamson曾作其纯矿物相水化强度的对比实验，发现β-C₂S水化2年后的强度为143.5MPa，C₃S为113Mpa。因此，富含C₂S的贝利特水泥最终强度将超过传统硅酸盐水泥。

第三，本发明生产的水泥的矿物的形成温度都在1200℃以下，可以在较低温度下生产一种低能耗水泥，降低煤耗；

第四，本发明生产的水泥是由CaO含量较低的β型硅酸二钙(以下简写为β-C₂S)为主要组成的水泥，其熟料中CaO含量较少，根据生产方式的不同，水泥熟料烧成能耗波动于3300-5900kJ/kg之间，其中CaCO₃分解约占其能耗的一半，一般生产1kg 60-67％CaO的硅酸盐水泥熟料，CaCO₃分解能耗约为1890-2100kJ。Metha曾计算，当水泥熟料中的CaO含量由传统的65％降为50％时，每千克熟料可节约能耗502kJ。因此，本发明生产的水泥与普通硅酸盐水泥相比，由于不含含CaO高的C₃S，不仅能够降低CaCO₃分解所需的热量，还可以利用低品位石灰石，并可以减少CO₂的排放，社会效益明显。

附图说明

图1为本发明的生产流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

取石家庄东方热电集团永泰电厂二号炉粉煤灰以及工业原料石灰石、铁矿石、石膏以及铝矾土为校正原料进行水泥生产实验。各原料的化学成分如下表所示：

表  原料的化学成分/％

原料种类	CaO	SiO2	Fe2O3	Al2O3	SO3	MgO	Loss	Σ
									粉煤灰	3.23	37.10	4.29	29.90	0.21	1.44	22.9	99.07
石灰石	52.39	1.52	0.57	2.84	0.14	0.64	41.26	99.36
									石膏	30.05	4.38	0.63	2.35	40.11	0.32	20.2	98.04
铁矿石	5.33	37.23	38.46	10.35	0.38	2.12	3.48	97.35
									铝矾土	5.2	14.18	0.13	69.03	3.32	0.24	7.57	99.67

本发明的生产流程如图1所示，本发明将高碳粉煤灰、石灰石、铁矿石以及石膏等原料经过破碎、混合及粉磨、煅烧、冷却、粉磨等过程，生产成矿物组成为贝利特、无水硫铝酸钙、铁铝酸四钙的贝利特硫铝酸盐水泥。

实施例1：按重量百分比将石灰石60.4％、粉煤灰32.8％、石膏6.8％进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 58％，C₄A₃ S 32％，C₄AF 8％。烧成熟料后加6.8％石膏后粉磨成细度为350m²/kg的水泥，将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期的强度分别为31.3、45.2和60.8MPa。

实施例2：按重量百分比将石灰石59.5％、粉煤灰25.2％、石膏7.2％、铁矿石2％以及6.1％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 50％，C₄A₃ S 36％，C₄AF 10％，烧成熟料后加7.5％石膏后粉磨成细度为345m²/kg的水泥，将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期的强度分别为37.3、50.2和70.8MPa。

实施例3：按重量百分比将石灰石61.8％、粉煤灰32.2％、石膏6.0％进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 60％，C₄A₃ S 30％，C₄AF 8％，烧成熟料后加6.5％石膏后粉磨成细度为355m²/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为25.3、32.6和54.9MPa。

实施例4：按重量百分比将石灰石63.6％、粉煤灰18.3％、石膏4.1％、铁矿石11.4％以及2.6％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 52％，C₄A₃ S 20％，C₄AF 25％，烧成熟料后加10.5％石膏后粉磨成细度为336m²/kg的水泥后，1天、3天和28天强度分别为33.6、45.3和63.9MPa。

实施例5：按重量百分比将石灰石61.3％、粉煤灰28.3％、石膏6.0％、铁矿石2.7％以及1.7％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 55％，C₄A₃ S 30％，C₄AF 12％，烧成熟料后加10％石膏后粉磨成细度为343m²/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为37.6、45.5和71.8MPa。

实施例6：按重量百分比将石灰石58.6％、粉煤灰26.2％、石膏8.0％以及7.2％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 50％，C₄A₃ S 40％，C₄AF 5％，烧成熟料后加11％石膏后粉磨成细度为343m²/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为40.3、55.2和74.1MPa。

实施例7：按重量百分比将石灰石60.7％、粉煤灰22.1％、石膏6.4％、铁矿石5.8％以及5.0％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 51％，C₄A₃ S 30％，C₄AF 16％，烧成熟料后加9.8％石膏后粉磨成细度为330m²/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为36.3、48.2和66.8MPa。

实施例8：按重量百分比将石灰石61.7％、粉煤灰27.9％、石膏5.9％、铁矿石3.1％以及1.4％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C₂S 54％，C₄A₃ S 28％，C₄AF 12％，烧成熟料后加8.5％石膏后粉磨成细度为340m²/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为32.3、48.2、64.8MPa。

Claims (2)

1、利用高碳粉煤灰生产水泥的方法，其特征在于它由以下生产步骤组成：

1)将各原料破碎后均化，使其成分均匀，进行化学全分析，确定其化学成分，然后经过配料计算，各原料的重量百分比为：石灰石50％～65％，粉煤灰15％～35％，铁粉或铁矿石0％～7％，石膏3％～15％，铝矾土0-8％，将原料按配比破碎、混合、粉磨，使出磨生料通过0.08mm方孔筛后筛余＜10％，配料计算使熟料的主要矿物组成重量百分比含量为：硅酸二钙50％～65％，无水硫铝酸钙20％～40％，铁铝酸四钙5％～25％。

2)将粉磨后的生料粉或制成料球送入窑炉煅烧，煅烧温度为1200℃～1350℃，保温时间为5min～60min，然后冷却为熟料。

3)将熟料掺加0～20％的硬石膏或二水石膏粉磨成水泥，细度为250m²/kg～450m²/kg或0.08mm方孔筛筛余0％～10％。

4)将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期，利用压力机测定水泥石的强度。

2、根据权利要求1所述利用高碳粉煤灰生产水泥的方法，其特征在于：所述粉煤灰的含碳量大于15％。

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