調(diào)整原料結(jié)構(gòu)提高整體效果
1、傳統(tǒng)原料的缺點(diǎn)
傳統(tǒng)原料指的是:高品位石灰石(CaO>48%)、粘土、鐵粉、礦化劑。
高品位石灰石在地質(zhì)成巖理論上確立為:(1)是淺海、高能、氧化帶環(huán)境條件沉積。(2)是生物(珊瑚、貝類)吸收CaCO3以生物化學(xué)方式沉積。(3)通過地溫、地壓和時(shí)間集儲(chǔ)作用再膠結(jié)成巖。
這樣的成巖過程給燒水泥帶來的結(jié)果:(1)由于它是高能氧化帶(波浪翻動(dòng)帶),生物要得到生存,必須在吸進(jìn)CaCO3時(shí)排出SiO2、Al2O3、Fe2O3等異己成分形成完整的晶格,達(dá)到最強(qiáng)結(jié)構(gòu)力來抗衡自然條件。最終結(jié)果是高品位石灰石CaCO3分解溫度高,起始分解溫度830℃、沸騰分解溫度950℃、終止分解溫度1100℃,是水泥能耗居高不下的根本原因之一。(2)被生物排出的異己成分由于處在氧化帶,都氧化成高價(jià)穩(wěn)定的化學(xué)成分,例Fe2+→Fe3+,SiO2的Si-O四面體以高粘度的架狀結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn),Al2O3變成高配位穩(wěn)定成分。結(jié)果使石灰石燒成中內(nèi)部固相和液相反應(yīng)不完善,即缺乏自身的反應(yīng)能力,也缺乏內(nèi)在的物理化學(xué)能量。這是產(chǎn)量難以提高的因素之一。
粘土是天然不穩(wěn)定的母巖:沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖經(jīng)風(fēng)化后而達(dá)到最穩(wěn)定組成的一種巖石——第四紀(jì)粘土巖。它的基本缺點(diǎn):(1)無論礦物組成或化學(xué)成分均簡(jiǎn)單穩(wěn)定,如Si是以高粘度架狀結(jié)構(gòu)的石英礦物和高嶺土中的Si4O104-的高粘度層狀結(jié)構(gòu)體形式出現(xiàn);Fe是高價(jià)的赤鐵Fe2O3和褐鐵Fe2O3、nH2O;Al是高熔點(diǎn)的含水鋁石和Al-O四面體中的高粘度Al。所以粘土中的主要化學(xué)成分對(duì)燒水泥來說都是惰性的化學(xué)成分。(2)由于礦物組成簡(jiǎn)單穩(wěn)定、熔點(diǎn)高,如蒙脫石粘土熔點(diǎn)最低1350℃;一般的高嶺土粘土熔點(diǎn)在1580℃;多水高嶺土粘土則高達(dá)1730℃。所以用粘土(含稀土元素粘土除外)是不能節(jié)能和高產(chǎn)的基本結(jié)癥之一。
鐵粉一般是化工廠(硫酸廠)從硫鐵礦FeS2中在較低溫度下提取硫酸后剩下來的Fe2O3渣:(1)在提硫的低溫下(450~700℃)SiO2尚未能轉(zhuǎn)化為活性SiO2。(2)Fe、Al及其它成分都氧化成穩(wěn)定的高價(jià)離子,已經(jīng)損失掉原有地質(zhì)潛在的化學(xué)能量。例如FeS2中的Fe是Fe2+,提硫后變成了Fe3+,氧化放掉了能量。
從上面的分析可知:傳統(tǒng)原料具有高分解點(diǎn)、高熔點(diǎn)、高粘度、低潛能等特點(diǎn),可以確定是高能耗料。由于有這樣的缺點(diǎn),近年開發(fā)了礦化劑技術(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(duì)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,達(dá)不到量變到質(zhì)變,效果有限;這些礦化劑地質(zhì)儲(chǔ)量少、產(chǎn)出少、昂貴,給配料帶來難度,也增加成本。
此外傳統(tǒng)原料不僅易燒性差,相對(duì)易磨性也較差,所以從地質(zhì)眼光看傳統(tǒng)原料,可以提出這樣的看法:(1)用高品位石灰石是不經(jīng)濟(jì)的;(2)用粘土是不合理的;(3)用礦化劑是多余的。當(dāng)然,要因地制宜。
2、水泥燒成的關(guān)鍵與矛盾
SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO是水泥化學(xué)的四大組成成分,也是天然巖石的造巖成分。這四個(gè)成分已經(jīng)分析得很清楚:Al2O3、Fe2O3燒成升到800℃以上時(shí)會(huì)與CaO固相反應(yīng),降溫到1300℃以下時(shí)會(huì)析出C4AF、C3A,是活性最大的組分。CaO到800℃以上與SiO2固相反應(yīng)生成C2S,到1250℃以上再與C2S液相反應(yīng)產(chǎn)出C3S。CaO的化合,取決于SiO2是否有能力。所謂能力,主要是SiO2在原料礦物中存在的結(jié)構(gòu)型式和它相對(duì)應(yīng)的粘度,表現(xiàn)它參與反應(yīng)的不同活性。所以SiO2是四大成分中決定易燒性的主導(dǎo)成分。對(duì)Si質(zhì)原料的選擇是燒成的第一關(guān)鍵。
燒成的第二關(guān)鍵是共熔點(diǎn)(最低共熔點(diǎn),液相出現(xiàn)溫度)。它不僅決定著煤耗,更決定著CaO在液相中溶解進(jìn)入C2S,形成C3S。所以燒水泥主要技術(shù)關(guān)鍵是:SiO2和共熔點(diǎn)。應(yīng)該針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵來采取各種技術(shù)措施。
燒水泥由于原料的分解點(diǎn)與共熔點(diǎn)不吻合而存在這樣一個(gè)矛盾:石灰石在燒成時(shí)的沸騰分解溫度是900~950℃,這時(shí)分解出來的CaO保持著CaCO3微孔型晶格、活性最高,可以形成C2S、C3A、C4AF。但沒有液相,不能擴(kuò)散來形成C3S,要等到最低共熔點(diǎn)(1250℃)出現(xiàn)液相時(shí)才有機(jī)會(huì)擴(kuò)散。但是CaO升到這個(gè)溫度已經(jīng)過燒(死燒石灰),見圖1,原微孔型晶格6.7Å收縮到CaO立方體晶格1.06Å,活性鈍化。所以必須再提高溫度到1400~1500℃,使活性高起來,再進(jìn)入沸騰反應(yīng)階段,才能完成真正的燒成。這就產(chǎn)生了石灰石分解點(diǎn)與共熔點(diǎn)不一致的矛盾,導(dǎo)致水泥燒成能耗高、產(chǎn)量低、效果差。雖用了很多礦化劑技術(shù),也難于扭轉(zhuǎn)這種狀況。
3、調(diào)整原料結(jié)構(gòu)的方向和模式
傳統(tǒng)原料存在地質(zhì)成因的缺點(diǎn)決定了燒成的關(guān)鍵性矛盾。應(yīng)該認(rèn)識(shí):燒水泥是天然巖石通過人為的意圖再造就的一個(gè)人造巖石學(xué)過程,它的成分和形成因素與天然巖石完全一致。巖石燒巖石,燒水泥應(yīng)建立在天然巖石學(xué)基礎(chǔ)上。所以應(yīng)以地質(zhì)成巖理論為基礎(chǔ),來選擇不飽和、低粘度SiO44-等絡(luò)陰離子的Si質(zhì)原料和低熔點(diǎn)巖礦原料。目的是在水泥燒成過程中SiO2能成為積極主動(dòng)參與反應(yīng)的成分,能使石灰石分解點(diǎn)與熔點(diǎn)吻合起來,從而提高燒成整體效果。
3.1 石灰石的調(diào)整方向
石灰石的調(diào)整方向應(yīng)該低品位化。從成巖分析,低品位石灰石是不適合生物生長(zhǎng)的深海還原環(huán)境下化學(xué)沉積形成:(1)SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaCO3、MgCO3等混合型沉積,沒有生物的分異作用。再在較高的地溫和巨大的地壓作用下,CaCO3與SiO2、Al2O3、Fe2O3成分可以相互壓溶化合在一起,造成CaCO3晶格十分不完善,甚至可以形成對(duì)燒成有利的CaSiO3(硅灰石)、CaSO4(石膏)、CaO·Al2O3、CaO·Fe2O3等礦物。(2)由于晶格缺陷,SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgCO3、K、Na等復(fù)雜成分的增加,使CaCO3的分解溫度下降;見圖2,CaO為48%的石灰石,沸騰分解點(diǎn)為860℃、CaO為45%時(shí)分解溫度為840℃、CaO為35%~40%時(shí)分解溫度下降到822.5℃。若是矽卡巖中CaCO3分解溫度可以低到750~800℃。這是降低燒成熱耗的一個(gè)關(guān)鍵。(3)它是缺氧、缺生物活動(dòng)環(huán)境沉積,沉積的變價(jià)金屬離子都是趨于低價(jià)化,例如Fe2O3還原成FeS2或FeO,積蓄了化學(xué)能量;另外海洋中浮游生物死亡沉積和陸上帶去的有機(jī)質(zhì)沉積下去均能保持炭質(zhì)(C)(寒武以前灰?guī)r除外,因?yàn)榈厍蛏线€沒有生物)。例如廣東石炭系沉積CaO45%以下灰?guī)r發(fā)熱量有418~627kJ/kg;浙江寒武系低品位灰?guī)r發(fā)熱量有83.6~125.4kJ/kg。在燒成中發(fā)揮這種能量的作用,會(huì)達(dá)到很好節(jié)能效果。(4)低品位石灰石成分復(fù)雜,礦物組成較多,巖石結(jié)構(gòu)力弱,易磨性好,能起到提高磨機(jī)產(chǎn)量的效果。(5)SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaCO3因機(jī)械沉積,成巖時(shí)巨大的地壓形成它們緊密結(jié)構(gòu)或鑲嵌結(jié)構(gòu),在燒成時(shí)可以進(jìn)行很好的固相反應(yīng),也利于液相反應(yīng)。(6)在巖石中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO是成互輔平衡的關(guān)系。CaO低,SiO2、Al2O3、Fe2O3一定升高。這樣可以代替掉粘土或部分粘土,可以減少用粘土的工藝成本。例如浙江臨安青山水泥廠用CaO40%~44%石灰石+煤兩組分,能耗在3344kJ/kg熟料以下,產(chǎn)量高,強(qiáng)度也好。
3.2 粘土原料的調(diào)整方向
以地質(zhì)巖石存在的熔點(diǎn)規(guī)律:(1)SiO2含量高、飽和度高、熔點(diǎn)高、熔液粘度大。(2)巖石中礦物組成簡(jiǎn)單的熔點(diǎn)高,復(fù)雜的熔點(diǎn)低、結(jié)構(gòu)力弱??偟娜埸c(diǎn)規(guī)律:粘土類最高,變質(zhì)巖類最低:粘土>沉積巖>巖漿巖>變質(zhì)巖。
從降低共熔點(diǎn)和SiO2粘度出發(fā),調(diào)整粘土原料的方向應(yīng)該趨向巖礦化:
(1)除飽和SiO2的花崗巖、石英巖、石英砂巖等巖石外,其它巖石熔點(diǎn)一般在1240℃以下,例如酸性巖漿巖的噴出巖:流紋巖、凝灰?guī)r,熔點(diǎn)在1000℃以下;中性巖漿巖:閃長(zhǎng)巖、安山巖,基性巖漿巖:輝長(zhǎng)巖、輝綠巖均在1100℃以下;熱液變質(zhì)巖在1000~1240℃;沉積的泥質(zhì)巖、頁巖在1300~1400℃;粘土1580℃。
(2)巖石礦物由于地溫、地壓和時(shí)間的集儲(chǔ)作用,具有物理化學(xué)能量,熱液變質(zhì)的矽卡巖有627~1254kJ/kg熱量,輝綠巖有209~600kJ/kg發(fā)熱量,粘土沒有能量。
(3)不飽和SiO2的巖石,燒成分解出來的Si較多的是無粘度的〔SiO4〕4-、〔Si2O7〕6-,低粘度的〔Si3O9〕6-、〔Si4O12〕8-、〔Si6O18〕12-和中粘度〔Si2O6〕4-、〔Si4O10〕4-的絡(luò)陰離子Si,可以更多地增強(qiáng)Si的反應(yīng)能力。
(4)化學(xué)成分與粘土成分相同。用巖礦同粘土比,可以歸納四點(diǎn):SiO2粘度低、活性高、熔點(diǎn)低、潛能高。
3.3 鐵質(zhì)原料的調(diào)整方向
鐵質(zhì)原料常規(guī)用硫酸廠的廢渣——鐵粉,熔點(diǎn)1350℃,屬常規(guī)原料中熔點(diǎn)最低的原料。但從原料活性角度衡量,仍屬不理想。鐵粉目前相對(duì)又緊缺,運(yùn)輸、烘干帶來很多不利。調(diào)整方向應(yīng)該是銅、鉛、鋅、錫、金、銀等金屬冶煉廢渣或金屬礦選礦含鐵(FeS2高)的尾砂、硫鐵礦,即趨向廢渣化。金屬冶煉渣:(1)是鐵高,又多是低熔點(diǎn)、有能量的FeO和FeS2。(2)由于冶煉時(shí)加石灰石熔劑、CaO高,CaO又是以C2S、C3A、C4AF等礦物存在。(3)出渣急冷,許多SiO2鏈結(jié)構(gòu)斷裂,粘度降低,燒成結(jié)塊松脆。采用高鐵,易燒性仍然很好。可以提高產(chǎn)量。
3.4 調(diào)整原料結(jié)構(gòu)的模式
石灰石低品位化,Si、Al質(zhì)原料巖礦化,F(xiàn)e質(zhì)原料廢渣化,都應(yīng)以就地資源為依托,因地制宜。從原料的經(jīng)濟(jì)性出發(fā),可以組合各種模式。石灰石低品位化為主導(dǎo)方向,配置低熔點(diǎn)、低粘度、高潛能的Si、Al、Fe巖礦原料,最大程度代替粘土、礦化劑,降低熱耗和提高產(chǎn)量。在調(diào)整原料結(jié)構(gòu)同時(shí)也應(yīng)該調(diào)整配方率值,因?yàn)椴煌嫌胁煌谉?。根?jù)易燒性應(yīng)該調(diào)整熟料礦物匹配結(jié)構(gòu),也就有它最佳的三率值。例如某廠用低品位石灰石+銅尾礦,把原來用粘土KH=0.91、n=2.1、P=1.1率值調(diào)整到KH=0.98、n=2.8、P=1.8,易燒性好,產(chǎn)質(zhì)量都很高;另有一個(gè)廠用常規(guī)原料,采用高KH配方,意圖獲得高強(qiáng)度,結(jié)果不理想,把鐵粉換成銅冶煉渣,配方調(diào)整到KH=0.88、n=1.8、P=0.8,結(jié)果變得很好。
4 提高整體效果的因素和指標(biāo)
前面提及的內(nèi)容歸納起來有以下幾個(gè)因素:
(1)石灰石趨向低品位化,CaCO3分解溫度降低,可促進(jìn)主體能耗下降。
(2)以石灰石分解與共熔點(diǎn)吻合理論出發(fā),選用低熔點(diǎn)、高潛能、低粘度Si的巖礦原料代粘土,使燒成共熔點(diǎn)降低到與石灰石分解溫度同步或接近,把傳統(tǒng)的燒成三步制反應(yīng)變成或接近一步制疊加反應(yīng),可提高燒成速度,從而提高產(chǎn)量。
(3)應(yīng)用SiO2結(jié)構(gòu)粘度理論,采用低粘度SiO2結(jié)構(gòu)巖礦原料,能促進(jìn)SiO2與CaO的反應(yīng),優(yōu)化形成C3S,提高熟料強(qiáng)度。
(4)應(yīng)用巖礦熱激發(fā)理論,利用巖礦地質(zhì)集儲(chǔ)的物理化學(xué)潛能,低煤耗激發(fā)出高溫反應(yīng)場(chǎng),節(jié)省煤耗。
(5)應(yīng)用巖礦原料,增加原料自磨能力,提高磨機(jī)產(chǎn)量,降低電耗。
(6)簡(jiǎn)化原料組分,降低原材料成本;不用粘土,減少烘干和抗磨性,降低工藝成本。
我們對(duì)近百家廠的推廣應(yīng)用,實(shí)踐檢驗(yàn),如果原料調(diào)整到上表Ⅲ、Ⅴ位置,都能取得降低燒成熱耗、提高立窯產(chǎn)量、提高磨機(jī)產(chǎn)量、降低綜合電耗和提高熟料強(qiáng)度的效果。
5、改進(jìn)工藝技術(shù),提高整體效果
調(diào)整原料之后,為了發(fā)揮得更好,也要調(diào)整一些工藝來適應(yīng)新原料:
(1)應(yīng)用巖礦后,有的巖礦因質(zhì)硬難磨,磨機(jī)減產(chǎn)。經(jīng)實(shí)踐,如果把硬巖礦原料破碎到一定粒度,使它成為片狀而不是碎塊狀,一般稱為瓜子片的粒度與入磨的石灰石形成一定的粒徑比,可以較大地提高產(chǎn)量。海南屯昌水泥廠應(yīng)用這個(gè)道理,粘土換成玄武巖瓜子片,Φ2.2m×7m磨產(chǎn)量提高了23%。浙江上峰水泥廠用基性巖漿巖,入磨物料粒徑比(巖礦粒徑/石灰石平均粒徑)為0.5,磨機(jī)(Φ2.2m×7m)產(chǎn)量提高了2~3t/h。
(2)巖礦代替粘土,可塑性指數(shù)低,成球用水區(qū)間變狹,要改進(jìn)成球盤,將原用的Φ10mm球改成Φ5mm球,可以成好球。小球燃燒面積大,傳熱面積大,能提高單位面積熱發(fā)揮能力,反應(yīng)速度快,抗爆能力強(qiáng),燒成時(shí)動(dòng)態(tài)孔隙率增大,通風(fēng)阻力小,耗電省三分之一,可以提高產(chǎn)量5%~15%。
(3)改進(jìn)窯型。由于應(yīng)用巖礦燒成收縮性小,上火快,要求供氧量充足,因此必須相應(yīng)地采用小角度和深喇叭口。窯冷卻段過高,上升空氣氧損失量大,到真正高溫煅燒帶時(shí)供氧不足,底火加厚,燒成質(zhì)量變差,產(chǎn)量降低。加深喇叭口,為了減少氧損失,可以加快燒成速度,會(huì)明顯增加產(chǎn)量。
(4)改進(jìn)配方模式和率值。從巖礦匹配的技術(shù)角度選定原料后,配方因素基本已經(jīng)決定,化學(xué)成分配方只是一個(gè)調(diào)整熟料礦物組成匹配問題,所以真正的配方應(yīng)該是以下的模式:
巖礦成分匹配+化學(xué)成分匹配=燒成工藝配方。
這樣的配方以原料礦物匹配為第一性,化學(xué)成分匹配為第二性。在應(yīng)用這樣的配方模式時(shí),要利用原料礦物自身性質(zhì)和易燒條件,來調(diào)整配方KH、n、P三個(gè)率值,以獲得最佳技術(shù)效果。
(5)調(diào)整混合材?;旌喜某R?guī)用礦渣,現(xiàn)在已經(jīng)緊缺,價(jià)格變貴,運(yùn)輸也不方便??梢杂枚嘣旌喜模挠脦r礦原料。海南某廠原用廣東運(yùn)去的礦渣,到廠200元/t,摻量在7%~10%,改用當(dāng)?shù)匦鋷r,到廠18元/t,更可貴的是加入后水泥強(qiáng)度比熟料強(qiáng)度高;浙江某廠改用中性巖漿巖的噴出巖——安山巖,摻到15%強(qiáng)度還比熟料強(qiáng)度高;有一個(gè)廠用基性巖漿巖作混合材,加到15%,強(qiáng)度沒有減。所以用巖礦混合材是個(gè)新方向,也有新效益。
6、應(yīng)用非傳統(tǒng)原料有關(guān)問題的說明
6.1 原料的預(yù)處理
大多數(shù)工業(yè)渣成分波動(dòng)大。作為原料應(yīng)有預(yù)處理工藝配套,使用前取具有代表性的樣品進(jìn)行研究:是否能保持原有產(chǎn)品質(zhì)量。使用時(shí)經(jīng)過破碎到一定粒度,避免因粒度不當(dāng)影響生料細(xì)度,破碎后的物料也有利于均化。均化可采取許多辦法,原則是保證相對(duì)均勻、利于配料,又適合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)、確實(shí)能辦到。在浙江常山、湖南常德、黎家坪先后建成日處理量100~1000t的石煤、石灰石預(yù)均化倉,效果顯著。
6.2 有害元素問題
重金屬。經(jīng)研究,許多渣都不超過允許含量,可以使用。由于把分散的細(xì)渣燒結(jié),轉(zhuǎn)化成水泥混凝土固結(jié)起來,大大減輕了隨風(fēng)飄、跟水流引起的危害。
放射性。研究石煤燒水泥時(shí)委托北京防疫站等單位檢測(cè)是否有害?,F(xiàn)在中國(guó)建材院測(cè)試所也有儀器檢測(cè),已成為常規(guī)測(cè)試內(nèi)容。
浙江對(duì)石灰石這種堿性原料測(cè)試放射性很低,而石煤這種酸性原料較高,放射性同酸堿性有關(guān)。由于石煤加量少,水泥的放射性在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi),比粘土黃磚還低。
6.3 對(duì)窯襯的影響
工業(yè)渣配料后好燒,對(duì)窯襯壽命影響如何?在立窯上由于工業(yè)渣配料燒成溫度低,邊壁溫度更低,不構(gòu)成危害。窯襯壽命比高煤耗燒粘土料時(shí)間長(zhǎng)。在回轉(zhuǎn)窯上,經(jīng)過濕法窯(包括長(zhǎng)、短窯)、干法窯(帶立筒預(yù)熱器、余熱發(fā)電和中空窯)的小窯、大窯生產(chǎn),只要生料成分在要求范圍之內(nèi),加上煅燒操作得當(dāng),工業(yè)渣配料有利于長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。這些低品位原料和尾礦利用在浙江諸暨雙鷹(集團(tuán))水泥總廠(包括老廠應(yīng)店街水泥廠)、墨城水泥廠、福利水泥廠、新安江第二水泥廠、上峰水泥廠、廣東惠州和連州幾個(gè)廠,取得了良好的效果,積累了不少經(jīng)驗(yàn)。
7、結(jié)語
應(yīng)用地質(zhì)成巖理論來調(diào)整原料結(jié)構(gòu),提高整體效果,這是一個(gè)新的技術(shù)方向。已在近百家廠推廣應(yīng)用,顯示較好的整體效果。但是很多企業(yè)對(duì)地質(zhì)知識(shí)比較生疏,不會(huì)尋找原料,同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)的概念接受比較深,不容易轉(zhuǎn)軌,總持懷疑態(tài)度。所以建議水泥企業(yè)應(yīng)該與當(dāng)?shù)氐氐V部門協(xié)作,以當(dāng)?shù)刭Y源為依托,對(duì)傳統(tǒng)原料進(jìn)行調(diào)整。原料的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,將使水泥企業(yè)獲得整體效果,尤其是立窯企業(yè)顯得更加有效。
應(yīng)用地質(zhì)成巖理論來調(diào)整原料結(jié)構(gòu)也還有不完善的地方,很多領(lǐng)域還需深入研究,愿同大家一道努力發(fā)展這一技術(shù)。
編輯:
監(jiān)督:0571-85871667
投稿:news@ccement.com