利用工業(yè)渣實現(xiàn)低煤耗快燒

一、低煤耗快燒法的形成和意義
　　低煤耗煅燒泛指采用盡可能低的煤耗燒成水泥熟料。立窯上是指標(biāo)準(zhǔn)煤耗低于120kg/t（最低可達(dá)100～90kg/t以下）；熟料單位截面積產(chǎn)量≥1800kg／m2?h的水平。低煤耗煅燒的想法始于1976年立窯用8370kJ/kg的石煤作燃料，以115kg/t煤耗（熱工測定為3348kJ/kg）燒成水泥熟料。當(dāng)時用石煤代替全部粘土，石煤灰熔點(<1350℃)比粘土熔點(1400～1560℃)低，煤中含硫化鐵和煤灰中V、B等微量元素的礦化能力形成易燒物料,料球粒徑<8mm（當(dāng)時指等球徑料球）和每班出料從6～8次增加到9～12次形成模擬機(jī)立窯煅燒。這是早期的低煤耗快燒實踐。
　　1990年浙江諸暨用尾礦和低鈣石配料、全黑生料小料球煅燒獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)低煤耗的效果，提出低煤耗快燒。這是符合優(yōu)質(zhì)熟料快速形成規(guī)律的燒法，它可以將易燒料用快燒的方法獲得較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。
　　在研究實施新標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)中的問題和對策時，低煤耗快燒正是解決達(dá)標(biāo)問題的適用技術(shù)。
二、低煤耗快燒的方法
　　在少投資、基本不動設(shè)備的前提下，實施低煤耗快燒有3個重點。
1、調(diào)整原料結(jié)構(gòu)
（1）基本觀念
　　傳統(tǒng)原料(高鈣石灰石、粘土)具有高分解點、高熔點、高粘度、低潛能等特點，因此是高能耗料。
　　針對這種高能耗開發(fā)的礦化劑技術(shù)，例如硫（S）型礦化劑石膏（CaSO4）、重晶石（BaSO4），主要用來降低石灰石分解溫度；氟（F）型CaF2、KF、NaF等主要用來對付粘土中惰性的SiO2，以提高溶解度和降低粘度；鋇（Ba）型礦化劑促進(jìn)熟料礦物改性。但這些礦化劑由于自身性質(zhì)所限，不能大劑量摻入，因而效果有限；氟類礦化劑還會對空氣造成污染。此外，這些礦化劑由于產(chǎn)量少、價格較貴，使得成本增加，并且對旋窯的長期安全運轉(zhuǎn)還會有影響。
　　傳統(tǒng)原料不僅易燒性差，易磨性也較差。從地質(zhì)學(xué)觀點看應(yīng)對傳統(tǒng)原料進(jìn)行如下改進(jìn)：
　　①用低鈣石灰石代替高品位石灰石；
　?、谟霉I(yè)渣代替粘土；
　?、垡詮U渣化代替礦化劑。
　　調(diào)整原料結(jié)構(gòu)就是要從高分解點、高熔點、高粘度、低潛能的高能耗傳統(tǒng)原料轉(zhuǎn)化為低分解點、低熔點、低粘度、高潛能的低能耗傳統(tǒng)原料、轉(zhuǎn)化為低分解點、低熔點、低粘度、高潛能的低能耗料。
　　燒水泥抓兩個要點：硅活性，共熔點。
　　方向：尋找新原料，應(yīng)用活性硅。用工業(yè)渣代土，從利廢轉(zhuǎn)化為環(huán)保。
　　粘土巖礦化的巖礦是指無資源價值的巖石如輝綠巖、變質(zhì)片巖、高鈣矽卡巖和不能利用的低品位礦石及采礦圍巖（如煤矸石）。尾礦實際上也是一種巖礦，其熔點低，礦物組成復(fù)雜，有地質(zhì)物理化學(xué)潛能，具有促熔、促燃和熱激發(fā)作用，又有燒水泥所需的化學(xué)成分，可以代鈣、代鐵、代土(硅鋁)。巖礦不僅是燒水泥的新型原料，有些還是很好的混合材料，如玄武巖、沸石巖、酸性巖漿噴出巖等。
　　低煤耗快燒主要是利用未經(jīng)過煅燒的巖礦，如尾礦、煤矸石等。經(jīng)過煅燒的工業(yè)廢渣如沸騰爐燒煤矸石、增鈣液態(tài)渣、粉煤灰等含炭量低于3％的則以作混合材為宜。
（2）配煤的重要性
　　對于不同原料，配煤過多和不足都會影響產(chǎn)質(zhì)量。對難燒料配煤不宜過少，易燒料配煤則不宜過多。據(jù)計算，降低配煤可以提高硅酸鹽礦物含量。因此，配煤是配方的關(guān)鍵之一。
　　分析計算結(jié)果：在保持KH相同時，減煤后C3S＋C2S含量提高；減鐵、提高KH，C3S＋C2S
含量進(jìn)一步提高。這種辦法可稱為就料論方，即利用現(xiàn)有原料調(diào)整配方提高強(qiáng)度。這里的配煤只考慮了管理水平的提高，采用130kg/t.cl。在有條件的地方，應(yīng)該研究更主動的就方論料，根據(jù)應(yīng)用需要的配方(例如要早強(qiáng)，選三高率值方案)去選用適用、易燒的原料，特別是工業(yè)廢渣。對于立窯，因為可以利用全黑生料配料，具有成分正確（能燒高KH料）、高溫煅燒（實測可達(dá)1500～1600℃以上，高溫下液相量大、黏度低，不怕鐵低）、快速燒成、適于利廢的煅燒特點。從而取得節(jié)煤、利廢、提高質(zhì)量的綜合效益。由于立窯適于燒難燒且耐燒的高KH料，因而可以提高CaO含量，保證有重金屬物料時仍可保持高強(qiáng)度。
　　當(dāng)前大多數(shù)立窯廠的通病是冷卻不理想，而配煤適當(dāng)可以保證快冷、提高強(qiáng)度，快燒是低煤耗料相應(yīng)的燒法。因此，節(jié)煤不僅是為了達(dá)到降低成本和減少二氧化碳排放的目的，而且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的方法。
2、改進(jìn)煅燒方法
　　低煤耗料（含煤量適當(dāng)）形成熱低，快燒形成熱更低，因而是節(jié)能的煅燒方法。小料球煅燒保證了快燒快冷從而實現(xiàn)低煤耗燒成。例如立窯用尾礦配料、全黑生料快燒。尾礦作水泥原料的研究和應(yīng)用始于“石煤鉛鋅礦銅礦尾礦燒制特種水泥—機(jī)立窯燒成節(jié)能新技術(shù)”。在浙江諸暨應(yīng)店街水泥廠應(yīng)用銅尾礦、墨城水泥廠應(yīng)用鉛鋅礦尾礦，去掉石膏、螢石、鐵粉，改變原料構(gòu)成。最簡單時為低鈣石灰石、尾礦、煤三組分配料。為了將尾礦中的重金屬利用好，配高KH料（達(dá)0.98～1.0）。用全黑生料低煤耗（比原來130kg/t降低10％～20％）小料球(以Φ3～7mm粒徑占70％以上小而勻的料球，比1976年時用等球徑料球、粒徑<8mm進(jìn)了一步)快燒法，產(chǎn)量提高10％～20％，燒成28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)55～63MPa的熟料，生產(chǎn)425＃、525＃普通以至375?？煊菜唷Ｔ摮晒?991年分獲浙江省、煤炭部科技進(jìn)步一、二等獎，被國家科委列為國家級科技成果重點推廣計劃項目。用銅、鐵、錫、鉛、鋅、鉬、金礦等尾礦，在浙、湘、蘇、皖、粵、桂、魯、冀、遼、蒙、贛不同大小的幾十臺立窯和濕法回轉(zhuǎn)窯、帶預(yù)熱發(fā)電的中小型干法窯上推廣應(yīng)用，獲得了顯著效益。對提高質(zhì)量實施新標(biāo)準(zhǔn)、利用廢渣、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。
　　采用以上技術(shù)要注意的是：（1）保持原料均勻，這是配準(zhǔn)生料的前提。廢渣成分波動大時必須采取預(yù)均化措施。圓庫的建筑利用系數(shù)最高，利用物料經(jīng)庫和多庫搭配就有均化作用。（2）配準(zhǔn)生料，確保實現(xiàn)配料方案。通俗地講：強(qiáng)度的一半是配出來的；（3）控制料流穩(wěn)定，這是成好料球、穩(wěn)定底火的保證。
3、低煤耗快燒的發(fā)展
　　應(yīng)用低鈣石灰石、尾礦易燒原料，可調(diào)整原料結(jié)構(gòu)（—配方）。采用小料球快燒，加快料球燒成速度同時也加快了冷卻速度，是改進(jìn)了煅燒方法（—燒法）的效果。用低鈣石灰石配料，fCaO低。因為溫度高即化合、低溫輕燒又無大礙，不象高鈣石灰石每一粗顆粒就能形成一堆fCaO。fCaO少、安定性好，這也是敢于少加煤的一個因素。采用低煤耗快燒的廠多年來生產(chǎn)中從未有過噴窯情況，立窯操作安全、輕松，說明低煤耗煅燒本身就是安全措施。關(guān)鍵是減煤去掉了架窯的禍根。由于熟料好磨，水泥磨電耗減少20％以上，噸水泥綜合電耗降至80kWh以下，實現(xiàn)了水泥廠全線節(jié)能的目的。
　　銅尾礦等原料中含有少量含氧礦物的氧，在煅燒時能與煤形成里應(yīng)外合的整體煅燒、促進(jìn)化合，可謂巖礦供氧。這可以從窯面取出半熟料球的剖面是里熟外生，說明尾礦中的含氧礦物與生料中的炭形成熱反應(yīng)；尾礦配料煅燒時熱工測定的廢氣熱損失低，說明與空氣供氧必然伴隨79％氮的情況不同，因而熱損失減少。筆者研究晶種技術(shù)機(jī)理，也與含氧礦物有關(guān)。晶種技術(shù)在推廣中的問題就在于沒有用低煤耗快燒，實際用煤量多、形成過燒所致。將沉降灰均勻加入生料，僅此一舉強(qiáng)度提高3MPa～5MPa、產(chǎn)量提高3％～5％。還可減少部分郝氏反應(yīng)帶來的化學(xué)熱損失，使總熱耗低于半黑生料?，F(xiàn)在用濕法旋風(fēng)凈化解決收塵、脫硫，收塵漿必須使用，立窯收塵漿是生料、生燒料、熟料的粉塵加上水所組成。利用收塵漿含有氫氧化鈣可以脫部分硫，兼有晶種的作用，可謂一舉兩得。進(jìn)一步改進(jìn)通風(fēng)方式、如采用腰風(fēng)，提高空氣中氧的利用率和布風(fēng)均勻性，煤耗將會更低。對于西部地區(qū)海拔高、氧含量低的地方，這種燒成方法更為適用。
　　采用節(jié)能型配套窯襯　節(jié)能型窯襯是一種高效新型隔熱窯襯，采用該窯襯后綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。這種窯襯因投資少、見效快、實用性強(qiáng)，已成功地應(yīng)用于多項水泥窯綜合節(jié)能工程。該窯襯具有以下功效：（1）降低熟料熱耗，節(jié)能顯著；（2）降低窯體表面溫度，無須采用外保溫措施；（3）增加臺時產(chǎn)量；（4）提高熟料質(zhì)量；（5）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，保溫效果持久、使用壽命長。河北唐山遷西水泥廠（立窯）的節(jié)能型配套窯襯已用兩年多。能夠如此長期應(yīng)用，這一點目前的旋窯都趕不上。在立窯上應(yīng)用后不僅降低煤耗、而且減少了斷面溫差、提高熟料均勻性，形成改善煅燒條件等一系列優(yōu)點。這對發(fā)揮立窯能用劣質(zhì)煤、低煤耗、就近利廢特長并轉(zhuǎn)化為環(huán)保產(chǎn)業(yè)具有積極的作用，是低煤耗燒成的必要配套技術(shù)。
4、低煤耗快燒應(yīng)用實例
（1）高鈣石灰石＋煤渣＋尾礦
　　江西貴溪市水泥廠，原來用的CaO50％的石灰石粘土＋沸騰爐渣＋鐵粉＋石膏＋螢石福建煤，配煤12.5％。石灰石無法改動，用成因法Si質(zhì)原料選用弋陽縣基性巖銅尾礦＋鍋爐煤渣＋原來的煤進(jìn)行匹配，鍋爐煤渣有殘?zhí)堪l(fā)熱量2508kJ/kg　配入3％，總的配入熱量近125.4kJ/kg銅尾礦熔化溫度1100℃，硫化物尤其FeS2在20％～25％，化學(xué)潛能高，氧化力強(qiáng)?？紤]這種潛在因素，把實際配煤量降到6.0％，煤配入熱量為2090kJ/kg熟料，把煤渣熱量加上，也只到2215.4kJ/kg，取得很突出的低煤耗燒成結(jié)果。
（2）海南蘭洋水泥廠，原來用CaO45％～48％石灰石＋粘土＋鐵礦石＋石膏螢石＋越南煤。石灰石無法改動，用當(dāng)?shù)匦鋷r石碴粉末代掉粘土、鐵粉，稍加一點螢石(主要是要求活化石灰石中的SiO2)，六組分配料改成四組分配。結(jié)果，在質(zhì)量比原來提高的前提下配煤從10.5％降到7％，降低33.3％。3年來都是海南有名的低煤耗廠。
（3）低鈣石灰石＋尾礦
　　廣東連州市水泥廠原來用石炭紀(jì)CaO53％高品位石灰石＋粗石英砂的粘土＋水淘鐵礦石(Fe2CO3)＋螢石、石膏＋煤，燒成熱耗5016.0～5852.0kJ/kg。用CaO33％～34％、沸騰分解點822.5℃的泥灰?guī)r代替部分高品位石灰石，用鄰縣的連南縣高硫化鐵的銅尾礦(加3％～5％)代替粘土和礦化劑，結(jié)果月平均燒成熱耗最低降到2428.4kJ/kg熟料，煤耗降低一半多。熟料從此穩(wěn)定，強(qiáng)度提高。產(chǎn)量從原來7.0t/h提高到14.0t/h以上（Φ3×10m窯，磨損較大）。
（4）磷渣＋煤渣
　　貴州省福泉軍民水泥廠，用當(dāng)?shù)亓自涸鬝iO271％的粘土，煤耗從180kg/t熟料降到125kg/t熟料。產(chǎn)量原來是5.5t/h提高0.5～1.5t/h（9％～27％）；熟料強(qiáng)度（28d抗壓）從平均55MPa提高到62MPa（老標(biāo)準(zhǔn)）。
（5）其他巖礦
　　甘肅白銀市銀城水泥廠，用當(dāng)?shù)氐V場輝綠巖廢石渣代替粘土，降低煤耗25％、產(chǎn)量提高15％。新疆布爾津縣水泥廠，兩臺小旋窯，原來用CaO46％－50％石灰石＋粘土＋銅渣（鐵）＋礦化劑＋煤。把粘土改用黑色頁巖，SiO2顆粒細(xì)，有發(fā)熱量，結(jié)果煤耗降低18％，產(chǎn)量提高了20％。新疆阿勒泰市水泥廠，把粘土改用低熔點的中性巖漿噴出巖——安山巖，煤耗也降低17％，熟料強(qiáng)度從平均60MPa提高到66MPa。
5、低煤耗快燒實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展
　　從應(yīng)用低鈣石灰石、工業(yè)渣和巖礦原料的節(jié)能實例說明：不論立窯或旋窯，用來代土后都有顯著的節(jié)煤、高產(chǎn)效果。筆者的體會是立窯上的效果更好。研究其機(jī)理，是因為立窯煅燒的特長——燒黑生料、高溫煅燒、反應(yīng)迅速、適于利廢。黑生料將煤灰全部轉(zhuǎn)化為熟料組分，煤灰熔點低和微量元素的礦化作用都得到利用，利于配高KH料、有足夠的CaO、SiO2與重金屬化合；高溫和原燃料混合在一起保證實現(xiàn)快速煅燒；巖礦中的SiO2活性高、熔點低、燒成溫度低，減少了邊部溫度低形成斷面溫度不均勻造成的熟料質(zhì)量波動、有利于延長窯襯壽命。尾礦是沒有經(jīng)過煅燒的巖礦，已經(jīng)磨細(xì)、附有浮選劑、活性更高。有的巖礦在熱反應(yīng)中能夠放氧：如綠簾石2Ca2(Fe?Al)3〔SiO4〕〔Si2O7〕O(OH)在>800℃時分解為Ca3Al2〔SiO4〕(鈣鋁石榴石)＋Ca〔Al2Si2O8〕＋Fe2O3＋H2O＋O2↑，供氧與生料中的炭以至郝氏反應(yīng)產(chǎn)生的CO起熱反應(yīng)。由此可以解釋幾個尾礦配料廠熱工測定中廢氣熱損失都低于8％的原因。
　　生產(chǎn)水泥要用粘土，按常規(guī)計算每產(chǎn)1萬t水泥需熟料8500t，粘土2820t。現(xiàn)年產(chǎn)6億t水泥需粘土1.69億t?？紤]已有許多不用粘土的廠，按70％的廠用土，也要1.2億t。年用如此大量粘土，如何持續(xù)發(fā)展？粘土配料難燒、煤耗高，耗用土地影響生態(tài)環(huán)境。再看另一方面：工業(yè)廢渣如1996年統(tǒng)計粉煤灰排出1.4億t，煤矸石1.35億t，尾礦（包括鐵尾礦）年排達(dá)到5億t。排渣占用大量土地，成為可持續(xù)發(fā)展的一個制約因素。應(yīng)用工業(yè)廢渣代土不僅是水泥廠可用低煤耗快燒提高產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的需要，也是合理利用資源、節(jié)能、降低排放、改善生態(tài)環(huán)境實施可持續(xù)發(fā)展的措施。
　　水泥工業(yè)從應(yīng)用低品位石灰石，利廢代土、作混合材到利廢生產(chǎn)水泥制品(如用廢渣做水泥砌塊代紅磚，是更大的利廢代土)，可以減輕環(huán)境負(fù)荷，轉(zhuǎn)化為環(huán)保產(chǎn)業(yè)。立窯和濕法窯還可利用廢液、應(yīng)用高硫煤。固硫轉(zhuǎn)化為水泥的有效組分，可以減少SO2排放，成為治理SO2廢氣的有效方法。
　　推薦低煤耗快燒是希望水泥廠能采用此法提高質(zhì)量、降低成本、提高效益，體會到代土之必要和有利，從而大規(guī)模的從利廢轉(zhuǎn)化為環(huán)保產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。這也是水泥工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。
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