利用工业渣实现低煤耗快烧

一、低煤耗快烧法的形成和意义
　　低煤耗煅烧泛指采用尽可能低的煤耗烧成水泥熟料。立窑上是指标准煤耗低于120kg/t（最低可达100～90kg/t以下）；熟料单位截面积产量≥1800kg／m2?h的水平。低煤耗煅烧的想法始于1976年立窑用8370kJ/kg的石煤作燃料，以115kg/t煤耗（热工测定为3348kJ/kg）烧成水泥熟料。当时用石煤代替全部粘土，石煤灰熔点(<1350℃)比粘土熔点(1400～1560℃)低，煤中含硫化铁和煤灰中V、B等微量元素的矿化能力形成易烧物料,料球粒径<8mm（当时指等球径料球）和每班出料从6～8次增加到9～12次形成模拟机立窑煅烧。这是早期的低煤耗快烧实践。
　　1990年浙江诸暨用尾矿和低钙石配料、全黑生料小料球煅烧获得优质高产低煤耗的效果，提出低煤耗快烧。这是符合优质熟料快速形成规律的烧法，它可以将易烧料用快烧的方法获得较好的技术和经济效益。
　　在研究实施新标准达标中的问题和对策时，低煤耗快烧正是解决达标问题的适用技术。
二、低煤耗快烧的方法
　　在少投资、基本不动设备的前提下，实施低煤耗快烧有3个重点。
1、调整原料结构
（1）基本观念
　　传统原料(高钙石灰石、粘土)具有高分解点、高熔点、高粘度、低潜能等特点，因此是高能耗料。
　　针对这种高能耗开发的矿化剂技术，例如硫（S）型矿化剂石膏（CaSO4）、重晶石（BaSO4），主要用来降低石灰石分解温度；氟（F）型CaF2、KF、NaF等主要用来对付粘土中惰性的SiO2，以提高溶解度和降低粘度；钡（Ba）型矿化剂促进熟料矿物改性。但这些矿化剂由于自身性质所限，不能大剂量掺入，因而效果有限；氟类矿化剂还会对空气造成污染。此外，这些矿化剂由于产量少、价格较贵，使得成本增加，并且对旋窑的长期安全运转还会有影响。
　　传统原料不仅易烧性差，易磨性也较差。从地质学观点看应对传统原料进行如下改进：
　　①用低钙石灰石代替高品位石灰石；
　　②用工业渣代替粘土；
　　③以废渣化代替矿化剂。
　　调整原料结构就是要从高分解点、高熔点、高粘度、低潜能的高能耗传统原料转化为低分解点、低熔点、低粘度、高潜能的低能耗传统原料、转化为低分解点、低熔点、低粘度、高潜能的低能耗料。
　　烧水泥抓两个要点：硅活性，共熔点。
　　方向：寻找新原料，应用活性硅。用工业渣代土，从利废转化为环保。
　　粘土岩矿化的岩矿是指无资源价值的岩石如辉绿岩、变质片岩、高钙矽卡岩和不能利用的低品位矿石及采矿围岩（如煤矸石）。尾矿实际上也是一种岩矿，其熔点低，矿物组成复杂，有地质物理化学潜能，具有促熔、促燃和热激发作用，又有烧水泥所需的化学成分，可以代钙、代铁、代土(硅铝)。岩矿不仅是烧水泥的新型原料，有些还是很好的混合材料，如玄武岩、沸石岩、酸性岩浆喷出岩等。
　　低煤耗快烧主要是利用未经过煅烧的岩矿，如尾矿、煤矸石等。经过煅烧的工业废渣如沸腾炉烧煤矸石、增钙液态渣、粉煤灰等含炭量低于3％的则以作混合材为宜。
（2）配煤的重要性
　　对于不同原料，配煤过多和不足都会影响产质量。对难烧料配煤不宜过少，易烧料配煤则不宜过多。据计算，降低配煤可以提高硅酸盐矿物含量。因此，配煤是配方的关键之一。
　　分析计算结果：在保持KH相同时，减煤后C3S＋C2S含量提高；减铁、提高KH，C3S＋C2S
含量进一步提高。这种办法可称为就料论方，即利用现有原料调整配方提高强度。这里的配煤只考虑了管理水平的提高，采用130kg/t.cl。在有条件的地方，应该研究更主动的就方论料，根据应用需要的配方(例如要早强，选三高率值方案)去选用适用、易烧的原料，特别是工业废渣。对于立窑，因为可以利用全黑生料配料，具有成分正确（能烧高KH料）、高温煅烧（实测可达1500～1600℃以上，高温下液相量大、黏度低，不怕铁低）、快速烧成、适于利废的煅烧特点。从而取得节煤、利废、提高质量的综合效益。由于立窑适于烧难烧且耐烧的高KH料，因而可以提高CaO含量，保证有重金属物料时仍可保持高强度。
　　当前大多数立窑厂的通病是冷却不理想，而配煤适当可以保证快冷、提高强度，快烧是低煤耗料相应的烧法。因此，节煤不仅是为了达到降低成本和减少二氧化碳排放的目的，而且是实现优质高产的方法。
2、改进煅烧方法
　　低煤耗料（含煤量适当）形成热低，快烧形成热更低，因而是节能的煅烧方法。小料球煅烧保证了快烧快冷从而实现低煤耗烧成。例如立窑用尾矿配料、全黑生料快烧。尾矿作水泥原料的研究和应用始于“石煤铅锌矿铜矿尾矿烧制特种水泥—机立窑烧成节能新技术”。在浙江诸暨应店街水泥厂应用铜尾矿、墨城水泥厂应用铅锌矿尾矿，去掉石膏、萤石、铁粉，改变原料构成。最简单时为低钙石灰石、尾矿、煤三组分配料。为了将尾矿中的重金属利用好，配高KH料（达0.98～1.0）。用全黑生料低煤耗（比原来130kg/t降低10％～20％）小料球(以Φ3～7mm粒径占70％以上小而匀的料球，比1976年时用等球径料球、粒径<8mm进了一步)快烧法，产量提高10％～20％，烧成28d抗压强度可达55～63MPa的熟料，生产425＃、525＃普通以至375＃快硬水泥。该成果1991年分获浙江省、煤炭部科技进步一、二等奖，被国家科委列为国家级科技成果重点推广计划项目。用铜、铁、锡、铅、锌、钼、金矿等尾矿，在浙、湘、苏、皖、粤、桂、鲁、冀、辽、蒙、赣不同大小的几十台立窑和湿法回转窑、带预热发电的中小型干法窑上推广应用，获得了显著效益。对提高质量实施新标准、利用废渣、保护环境具有重要意义。
　　采用以上技术要注意的是：（1）保持原料均匀，这是配准生料的前提。废渣成分波动大时必须采取预均化措施。圆库的建筑利用系数最高，利用物料经库和多库搭配就有均化作用。（2）配准生料，确保实现配料方案。通俗地讲：强度的一半是配出来的；（3）控制料流稳定，这是成好料球、稳定底火的保证。
3、低煤耗快烧的发展
　　应用低钙石灰石、尾矿易烧原料，可调整原料结构（—配方）。采用小料球快烧，加快料球烧成速度同时也加快了冷却速度，是改进了煅烧方法（—烧法）的效果。用低钙石灰石配料，fCaO低。因为温度高即化合、低温轻烧又无大碍，不象高钙石灰石每一粗颗粒就能形成一堆fCaO。fCaO少、安定性好，这也是敢于少加煤的一个因素。采用低煤耗快烧的厂多年来生产中从未有过喷窑情况，立窑操作安全、轻松，说明低煤耗煅烧本身就是安全措施。关键是减煤去掉了架窑的祸根。由于熟料好磨，水泥磨电耗减少20％以上，吨水泥综合电耗降至80kWh以下，实现了水泥厂全线节能的目的。
　　铜尾矿等原料中含有少量含氧矿物的氧，在煅烧时能与煤形成里应外合的整体煅烧、促进化合，可谓岩矿供氧。这可以从窑面取出半熟料球的剖面是里熟外生，说明尾矿中的含氧矿物与生料中的炭形成热反应；尾矿配料煅烧时热工测定的废气热损失低，说明与空气供氧必然伴随79％氮的情况不同，因而热损失减少。笔者研究晶种技术机理，也与含氧矿物有关。晶种技术在推广中的问题就在于没有用低煤耗快烧，实际用煤量多、形成过烧所致。将沉降灰均匀加入生料，仅此一举强度提高3MPa～5MPa、产量提高3％～5％。还可减少部分郝氏反应带来的化学热损失，使总热耗低于半黑生料。现在用湿法旋风净化解决收尘、脱硫，收尘浆必须使用，立窑收尘浆是生料、生烧料、熟料的粉尘加上水所组成。利用收尘浆含有氢氧化钙可以脱部分硫，兼有晶种的作用，可谓一举两得。进一步改进通风方式、如采用腰风，提高空气中氧的利用率和布风均匀性，煤耗将会更低。对于西部地区海拔高、氧含量低的地方，这种烧成方法更为适用。
　　采用节能型配套窑衬　节能型窑衬是一种高效新型隔热窑衬，采用该窑衬后综合经济效益显著。这种窑衬因投资少、见效快、实用性强，已成功地应用于多项水泥窑综合节能工程。该窑衬具有以下功效：（1）降低熟料热耗，节能显著；（2）降低窑体表面温度，无须采用外保温措施；（3）增加台时产量；（4）提高熟料质量；（5）结构稳定可靠，保温效果持久、使用寿命长。河北唐山迁西水泥厂（立窑）的节能型配套窑衬已用两年多。能够如此长期应用，这一点目前的旋窑都赶不上。在立窑上应用后不仅降低煤耗、而且减少了断面温差、提高熟料均匀性，形成改善煅烧条件等一系列优点。这对发挥立窑能用劣质煤、低煤耗、就近利废特长并转化为环保产业具有积极的作用，是低煤耗烧成的必要配套技术。
4、低煤耗快烧应用实例
（1）高钙石灰石＋煤渣＋尾矿
　　江西贵溪市水泥厂，原来用的CaO50％的石灰石粘土＋沸腾炉渣＋铁粉＋石膏＋萤石福建煤，配煤12.5％。石灰石无法改动，用成因法Si质原料选用弋阳县基性岩铜尾矿＋锅炉煤渣＋原来的煤进行匹配，锅炉煤渣有残炭发热量2508kJ/kg　配入3％，总的配入热量近125.4kJ/kg铜尾矿熔化温度1100℃，硫化物尤其FeS2在20％～25％，化学潜能高，氧化力强。考虑这种潜在因素，把实际配煤量降到6.0％，煤配入热量为2090kJ/kg熟料，把煤渣热量加上，也只到2215.4kJ/kg，取得很突出的低煤耗烧成结果。
（2）海南兰洋水泥厂，原来用CaO45％～48％石灰石＋粘土＋铁矿石＋石膏萤石＋越南煤。石灰石无法改动，用当地玄武岩石碴粉末代掉粘土、铁粉，稍加一点萤石(主要是要求活化石灰石中的SiO2)，六组分配料改成四组分配。结果，在质量比原来提高的前提下配煤从10.5％降到7％，降低33.3％。3年来都是海南有名的低煤耗厂。
（3）低钙石灰石＋尾矿
　　广东连州市水泥厂原来用石炭纪CaO53％高品位石灰石＋粗石英砂的粘土＋水淘铁矿石(Fe2CO3)＋萤石、石膏＋煤，烧成热耗5016.0～5852.0kJ/kg。用CaO33％～34％、沸腾分解点822.5℃的泥灰岩代替部分高品位石灰石，用邻县的连南县高硫化铁的铜尾矿(加3％～5％)代替粘土和矿化剂，结果月平均烧成热耗最低降到2428.4kJ/kg熟料，煤耗降低一半多。熟料从此稳定，强度提高。产量从原来7.0t/h提高到14.0t/h以上（Φ3×10m窑，磨损较大）。
（4）磷渣＋煤渣
　　贵州省福泉军民水泥厂，用当地磷渣＋煤渣代掉SiO271％的粘土，煤耗从180kg/t熟料降到125kg/t熟料。产量原来是5.5t/h提高0.5～1.5t/h（9％～27％）；熟料强度（28d抗压）从平均55MPa提高到62MPa（老标准）。
（5）其他岩矿
　　甘肃白银市银城水泥厂，用当地矿场辉绿岩废石渣代替粘土，降低煤耗25％、产量提高15％。新疆布尔津县水泥厂，两台小旋窑，原来用CaO46％－50％石灰石＋粘土＋铜渣（铁）＋矿化剂＋煤。把粘土改用黑色页岩，SiO2颗粒细，有发热量，结果煤耗降低18％，产量提高了20％。新疆阿勒泰市水泥厂，把粘土改用低熔点的中性岩浆喷出岩——安山岩，煤耗也降低17％，熟料强度从平均60MPa提高到66MPa。
5、低煤耗快烧实现可持续发展
　　从应用低钙石灰石、工业渣和岩矿原料的节能实例说明：不论立窑或旋窑，用来代土后都有显著的节煤、高产效果。笔者的体会是立窑上的效果更好。研究其机理，是因为立窑煅烧的特长——烧黑生料、高温煅烧、反应迅速、适于利废。黑生料将煤灰全部转化为熟料组分，煤灰熔点低和微量元素的矿化作用都得到利用，利于配高KH料、有足够的CaO、SiO2与重金属化合；高温和原燃料混合在一起保证实现快速煅烧；岩矿中的SiO2活性高、熔点低、烧成温度低，减少了边部温度低形成断面温度不均匀造成的熟料质量波动、有利于延长窑衬寿命。尾矿是没有经过煅烧的岩矿，已经磨细、附有浮选剂、活性更高。有的岩矿在热反应中能够放氧：如绿帘石2Ca2(Fe?Al)3〔SiO4〕〔Si2O7〕O(OH)在>800℃时分解为Ca3Al2〔SiO4〕(钙铝石榴石)＋Ca〔Al2Si2O8〕＋Fe2O3＋H2O＋O2↑，供氧与生料中的炭以至郝氏反应产生的CO起热反应。由此可以解释几个尾矿配料厂热工测定中废气热损失都低于8％的原因。
　　生产水泥要用粘土，按常规计算每产1万t水泥需熟料8500t，粘土2820t。现年产6亿t水泥需粘土1.69亿t。考虑已有许多不用粘土的厂，按70％的厂用土，也要1.2亿t。年用如此大量粘土，如何持续发展？粘土配料难烧、煤耗高，耗用土地影响生态环境。再看另一方面：工业废渣如1996年统计粉煤灰排出1.4亿t，煤矸石1.35亿t，尾矿（包括铁尾矿）年排达到5亿t。排渣占用大量土地，成为可持续发展的一个制约因素。应用工业废渣代土不仅是水泥厂可用低煤耗快烧提高产质量和经济效益的需要，也是合理利用资源、节能、降低排放、改善生态环境实施可持续发展的措施。
　　水泥工业从应用低品位石灰石，利废代土、作混合材到利废生产水泥制品(如用废渣做水泥砌块代红砖，是更大的利废代土)，可以减轻环境负荷，转化为环保产业。立窑和湿法窑还可利用废液、应用高硫煤。固硫转化为水泥的有效组分，可以减少SO2排放，成为治理SO2废气的有效方法。
　　推荐低煤耗快烧是希望水泥厂能采用此法提高质量、降低成本、提高效益，体会到代土之必要和有利，从而大规模的从利废转化为环保产业、实现可持续发展。这也是水泥工业发展的战略方向。
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