利用煤矸石代替粘土烧制水泥熟料

煤矸石成分与粘土相似，而且具有一定热值，除此之外，大部分煤矸石内含有各种微量或少量组分，如S、Cu、Zn等，所有这些均有利于提高水泥熟料质量，降低能耗。本文从工艺角度出发，并结合某厂应用实践，论述利用煤矸石代替粘土烧制水泥熟料所应注意的工艺问题。

1　原燃料成分及生产工艺条件

　　
1.1　原燃料成分
　　该厂各材料平均化学成分及不同矿点煤矸石成分见表1～表4。

表1 原材料平均化学成分 (%)

材料名称	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
铁 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
萤 石	－	－	－	－	－	－	64.58	－

表2 煤的工业分析平均成分

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 煤灰平均化学成分

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

注:碱性系数M₀=(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)；质量系数K=(CaO+MgO+Al₂O₃)/(SiO₂+MnO+TiO₂) 表4 不同矿点煤矸石成分

编号	化学成分/%							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　主机设备
　　

Φ3m×10m塔式机立窑一台，Φ2.2m×6.5m生料磨及水泥磨各一台，Φ4.0m离心式选粉机，烘干机规格为Φ1.5m×12m，逆流式。

2　应注意的工艺问题

　　
2.1　原燃材料及生料均化
　　

该厂煤的质量波动较大，发热量低，入磨材料水分较大，饱磨现象频繁出现，造成出磨生料成分波动很大。加之未能重视生料均化，使得入窑生料CaO合格率仅为50%左右，Fe₂O₃合格率亦低于60%，而SiO₂、烧失量则未能作为控制项目，从而造成窑情极不正常，严重影响了立窑的产质量。采用煤矸石后，由于煤矸石成分波动远比粘土大(如表4所示)，其不稳定性不仅导致各成分合格率低，而且将会加剧生料配煤的不稳定性。因此，如何提高入窑生料成分的均匀性将成为煤矸石应用是否成功的关键。为此，我们首先加强了进厂原材料的质量管理，重点加强了进厂煤炭质量的管理工作。采取固定矿点，单人经营的办法。同时对进厂煤由原来单独考核发热量改为发热量及发热量均匀性两方面指标同时考核，而且要求煤炭经营者保证进厂煤储量500t以上。通过以上措施，进厂煤发热量基本能控制在18810±1254kJ/kg范围。再通过堆场搭配，使得入磨煤发热量基本可以控制在17974～19646kJ/kg之间，较好地满足了配料要求。对于煤矸石质量的管理，则采取专人承包负责的办法。承包者根据化验室对矿山煤矸石质量普查数据，按照厂内质量要求预先搭配进厂并分堆晾晒，使水分达到要求后再运入储仓内储存，要求储仓内储量不少于500t。最后由承包者用铲车搭配破碎进配料库。厂内根据磨头配料煤矸石水分及其成分波动情况对承包者进行考核。上述措施实施后，煤矸石质量基本能够满足配料要求，发热量基本在4598±418kJ/kg范围内。
　　

为了确保出磨生料成分的均匀稳定，电工班还派出专人对配料秤计量准确性负责。而化验室控制项目亦由原来仅控制CaO、Fe₂O₃改为出磨生料CaO、Fe₂O₃、SiO₂、烧失量同时控制，CaO、Fe₂O₃每小时控制一次，SiO₂、烧失量每2h控制一次。通过上述措施，出磨生料CaO、Fe₂O₃合格率分别提高到70%及80%以上，SiO₂、烧失量合格率分别可达65%左右，在此基础上我们进一步加强了生料倒库工作，使得入窑生料比出磨生料成分合格率提高15个百分点，为提高立窑产质量打下了基础。
2.2　配方问题
　　

由于原有进厂煤质较差，带入的煤灰多，实际生产中粘土配料量不大，生料中Al₂O₃亦不高。而该厂习惯于高熔剂配方，因此，Fe₂O₃控制值较高，生料中Fe₂O₃控制值大部分在3.2%左右。窑内煅烧非常困难，经常发生塌边，出红料或者抽心现象。中部通风很差，窑工不得不经常停料提火，严重影响了熟料产质量。针对上述问题，在应用煤矸石后，适当地提高了n值，同时为了底火结实，便于用风，生料中Al₂O₃含量由原来的3.3%左右提高到3.6%左右，Fe₂O₃含量则由3.2%左右降至2.6%左右，饱和比则基本不变。通过上述调整，窑的中部通风状况明显好转，熟料质量亦有所提高，但物料上火速度仍比较慢，窑的产量不高，一旦由于机械故障而停窑，窑内很易结大块。针对这种现象，我们又采取了三方面的措施:首先针对物料底火较厚，窑内易结大块的特点，适当地降低了熟料配热量；其次针对物料上火慢的问题，改用了优质煤，进厂煤发热量由原来的18810kJ/kg左右提高到22990kJ/kg左右；第三，萤石掺量由原来的0.4%提高到0.6%。利用煤矸石前后的生、熟料化学成分见表5。

表5 使用煤矸石前后水泥生、熟料成分变化

项 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　成球问题
　　

煤矸石没有塑性，难以成球，而且料球不稳定，入窑后容易爆裂，严重影响窑内通风。为此，我们将生料细度由原来的10%以内降至8%以内，同时改善成球装置，并适当增加成球水量，然后狠抓窑工操作，坚决杜绝明火或半明火煅烧，提倡深暗火操作。通过上述几方面措施，成球质量完全可以满足立窑煅烧的需要，而且窑内爆球现象很少发生。

2.4　窑体结构问题
　　

深暗火操作要求窑内湿料层加厚，底火下移，而要做到这一点，原有窑内喇叭口则已显得不适应。为此，我们将喇叭口高度由原来的1.5m加深到1.8m，角度则由原来的14.5°减小至12.5°。同时将风机电机功率由原来的155kW加大至215kW。通过上述改造，较好地满足了操作要求。

3　效益分析

　　
3.1　提高了主机台时产量
　　利用煤矸石代替粘土后，提高了主机台时产量，如表6。

表6 使用煤矸石前后各主机台的产量 t/h

项目	生料磨	立窑	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，生料磨台时产量由原来的20.5t/h提高至22.5t/h。其原因在于:①入磨物料水分降低，有利于提高磨机的研磨效率及选粉效率；②原有粘土含砂量达30%以上，而煤矸石中基本不含砂质，因此易磨性得以明显改善；③适当改进了选粉机内部结构，同时对研磨体级配进行调整。
　

　使用煤矸石后，立窑台时产量由8.1t/h提高到9.0t/h。其原因是:①生料配方由原来的高铁配方变成了高铝配方，加之坚持暗火操作，改善了立窑煅烧状况；②煤矸石中带入了部分硫，并适当加大了萤石用量，使得矿化剂矿化效果更为明显。
　　

水泥磨机台时产量由原来的13.0t/h提高到14.5t/h，其原因在于:①使用煤矸石后，熟料中熔剂矿物数量降低，且由高铁配方变成了高铝配方，出红料现象基本消失，改善了熟料易磨性；②熟料强度得以提高，使得混合材掺入量由原来的8%左右提高到13%左右，改善了入磨物料的易磨性。

3.2　提高了熟料及水泥质量
　　

使用煤矸石前后半年的熟料及水泥质量统计结果如表7。

表7 使用煤矸石前后熟料及水泥质量对比情况

项目	时间	细度 /%	比表面积 /(m2/kg)	标准稠度 /%	抗折强度/MPa		抗压强度/MPa		凝结时间/(h:min)
					3d	28d	3d	28d	初凝	终凝
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，使用煤矸石后熟料强度及其它性能均比使用前有所改善，水泥强度在混合材掺量增加5%左右的条件下仍比原有强度高。

3.3　显著降低水泥生产成本
　　

根据该厂财务统计，得到使用煤矸石前后半年的水泥直接生产成本如表8。

表8 使用煤矸石前后吨水泥生产成本对比情况

项目	石灰石	粘土	煤矸石	铁粉	煤	混合材	萤石	石膏	纸袋	工资	电费	维修	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，吨水泥煤炭成本显著降低，其原因是:①煤矸石带入了相当部分的热量；②节省了烘干粘土所需的煤量；③水泥中混合材掺量增加，减少了吨水泥中的熟料消耗，从而间接地降低了吨水泥煤炭消耗；④配方及窑工操作的改变对降低煤耗亦有贡献。由表8还可看出，电耗成本亦在原有基础上大大降低，其原因主要是主机台时产量显著提高及水泥中混合材掺量增加之故。据统计使用煤矸石后，吨水泥综合电耗由原来的95kWh/t降至80kWh/t左右。

4　结语

　　综上所述，合理的配方是应用煤矸石成败的关键因素，而要达到配方合理，材料质量及均化程度(尤其是煤矸石均化程度)则是先决条件。除此之外，改善料球质量，提高料球在窑内的体积稳定性，确保窑内通风状况良好亦十分重要。实践证明，只要工艺措施合理，利用煤矸石代替粘土配料是完全可行的。既有利于环境保护，又可产生经济效益。