Cement Raw Meal Burnability and Clinker Calcinated Efficiency

水泥生料易燒性與熟料煅燒效率

Cement Raw Meal Burnability and Clinker Calcinated Efficiency

Cement Raw Meal Burnability and Clinker Calcinated Efficiency

凌庭生

1 引言

煅燒是物料加工的重要環(huán)節(jié)，物料易燒性通常以最終產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化程度來(lái)衡量。相同煅燒溫度、煅燒時(shí)間條件下，最終產(chǎn)品含量越高說(shuō)明物料的易燒性越好。

水泥生料由多組分物料按照經(jīng)驗(yàn)率值配料粉磨制備而成，水泥生料易燒性的界定目前已有明確定義，GB/T 26566-2011《水泥生料易燒性試驗(yàn)方法》規(guī)定：選定不同溫度條件下煅燒后物料中fCaO含量來(lái)衡量水泥生料的易燒性，fCaO含量低則易燒性好。生料煅燒成的熟料由于形成的硅酸鹽礦物品種多樣，反映物料易燒性的最終產(chǎn)品的認(rèn)定要復(fù)雜得多。

煅燒效率主要與物料成分特性以及燃料特性（包括熱值、燃料的化學(xué)成分）有關(guān)。水泥熟料的煅燒主要包含三大環(huán)節(jié)：水泥生料預(yù)熱預(yù)分解、水泥生料回轉(zhuǎn)窯煅燒及水泥熟料的冷卻輸送，而其中水泥生料回轉(zhuǎn)窯煅燒屬于最核心最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此，熟料煅燒效率通常主要由回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)熱效率來(lái)反映。回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)熱效率是指單位質(zhì)量熟料的形成熱與燃料（包括生料中可燃物質(zhì)）燃燒放出熱量的比值，GB/T26281-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計(jì)算方法》規(guī)定：

式中：

ηy——回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)熱效率，%

Qsh——熟料形成熱，kJ/kg

不考慮硫、堿影響：

式中：

Al2O3sh、MgOsh、CaOsh、、K2Osh、Na2Osh、——熟料中相應(yīng)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

Na2Os、K2Os、SO3s——生料中相應(yīng)成分的灼燒基質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

QrR——燃料燃燒熱，kJ/kg

QsR——生料中可燃物質(zhì)燃燒熱，kJ/kg

2 主要原料

在水泥生產(chǎn)中，生料配料方案的優(yōu)選是影響水泥熟料產(chǎn)質(zhì)量及能耗的關(guān)鍵[1]。生料煅燒的高溫非均相反應(yīng)過(guò)程受眾多復(fù)雜因素的影響，其中原料特性對(duì)生料高溫反應(yīng)活性起決定性作用，但液相量及液相粘度的大小決定了最終水泥熟料礦物形成的速率。

通常生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料的主要原料為CaO≥48%的石灰質(zhì)原料、SiO2含量55%～72%的粘土質(zhì)原料，以及根據(jù)原料及煅燒特性添加的其他校正原料：鐵質(zhì)校正原料Fe2O3≥40%，鋁質(zhì)校正原料Al2O3＞30%，硅質(zhì)校正原料最好用風(fēng)化砂巖和粉砂巖SiO2含量70%～90%；也可循環(huán)利用工業(yè)廢渣作為水泥的原料、校正料或水泥生產(chǎn)用混合材。

2.1 石灰石

石灰?guī)r中常含有其他混合物，并含有白云石、粘土、石英或燧石及硫酸鈣雜質(zhì)。燧石主要成分為SiO2，通常為褐黑色，質(zhì)地堅(jiān)硬，含量高時(shí)很難粉磨，在煅燒過(guò)程中也不容易與CaO發(fā)生固相反應(yīng)。其中，α-石英晶體以及石英晶體的發(fā)育狀況等對(duì)生料的化學(xué)反應(yīng)活性影響較大。

一般來(lái)說(shuō)，燧石愈不純，α-石英晶體晶粒愈小，且為非均質(zhì)時(shí)，對(duì)粉磨與煅燒的不良影響愈小。石灰石中的方解石礦相結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)形態(tài)、結(jié)晶體完整程度及晶體大小對(duì)熟料煅燒也有著很大的影響，同時(shí)，其雜質(zhì)含量、雜質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、分布情況等也必須充分考慮。所以不同的原料特性會(huì)形成不同的生料易燒性能，致使水泥熟料產(chǎn)質(zhì)量及能耗差異較大。

2.2 粘土及硅質(zhì)原料

粘土質(zhì)原料是生產(chǎn)硅酸鹽水泥的主要原料，大都由花崗巖、玄武巖等風(fēng)化分解后經(jīng)搬運(yùn)或沉積而成。衡量粘土質(zhì)量的指標(biāo)主要有：化學(xué)成分（硅率、鋁率）、含砂量以及粘土的可塑性、熱穩(wěn)定性、正常流動(dòng)度的需水量等。通常SiO2含量55%～72%的粘土無(wú)需再摻加難磨難燒的高硅校正原料。

石英砂作為一種高硅原料，只在缺乏粘土質(zhì)原料資源時(shí)作為水泥生料的配料組分，通常權(quán)作為硅質(zhì)校正原料。石英砂中SiO290%～99%，F(xiàn)e2O3在0.06%～0.02%，耐火度約1 750℃，外觀部分大顆粒，表面有黃皮包囊。石英砂質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在自然界中以石英砂巖、石英巖和脈石英存在；石英砂中礦物含量變化較大，以石英為主，其次為長(zhǎng)石、云母、巖屑、重礦物、粘土礦物等。

2.3 校正原料

（1）鐵礦石

鐵礦石作為水泥生料配料中因?yàn)镕e2O3含量不足摻加的校正原料，F(xiàn)e2O3含量≥40%即可滿足要求，鋼鐵行業(yè)一般低于50%品位的鐵礦石稱為貧礦，可利用鋼鐵行業(yè)貧礦原料。

（2）鋁土礦（礬土礦）

鋁土礦的定義名稱不一，但化學(xué)成分大同小異。鋁土礦鋁含量較高（≥40%），鋁硅比＞2.5；小于此數(shù)值通常稱為粘土礦或鋁土頁(yè)巖或鋁質(zhì)巖。

礬土礦組成成分復(fù)雜，是多種地質(zhì)來(lái)源不同的含水氧化鋁礦石的總稱。如一水軟鋁石、一水硬鋁石和三水鋁石（Al2O3·3H2O）；有的水鋁石和高嶺土（2SiO2·Al2O3·2H2O）相伴構(gòu)成；有的以高嶺石為主，且隨著高嶺石含量的增大，構(gòu)成為一般的鋁土巖或高嶺石質(zhì)粘土。鋁土礦一般是化學(xué)風(fēng)化或外生作用形成的，很少有純礦物，或多或少含有粘土礦物、鐵礦物、鈦礦物及碎屑重礦物等。

（3）高嶺土

高嶺石是一種白色水合物，硅酸鋁質(zhì)粘土礦物，同時(shí)高嶺土也指包含大量高嶺石的礦物?；瘜W(xué)成分上，高嶺土是一種硅酸鋁水合物，化學(xué)分子式為Al2Si2O5（OH）4，通常包含了其他礦物如石英、長(zhǎng)石和方解石。通常是白色，也可能是灰色、黃色或紅色。高嶺土中平均鋁含量為35%～37%。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

為比較物料易燒性與煅燒效率的相關(guān)性，選擇兩組試驗(yàn)組分經(jīng)理論分析后進(jìn)行了一年的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)跟蹤[2]。

試驗(yàn)組分用于根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)OPC和SRC水泥，試驗(yàn)組分的水泥生料按四組分配料：基本的三原料組分為石灰石、石英砂（QPh）、鐵礦石，比較采用不同鋁質(zhì)校正原料礬土與高嶺土配料的生料的易燒性、水泥熟料質(zhì)量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表1 水泥生料原料成分，%

表2 礬土與高嶺土原料成分，%

水泥生料配料基本三組分原料成分如表1。

校正原料礬土與高嶺土原料成分如表2。

依據(jù)石灰石、石英砂和鐵礦石的基本原料化學(xué)成分熒光分析數(shù)據(jù)，鋁質(zhì)校正原料礬土或高嶺土的化學(xué)成分熒光分析數(shù)據(jù)，LSF（95.60）、SM（2.45）、AM（1.12）計(jì)算公式，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)OPC和SRC水泥生料配料方案如表3。

表3 不同鋁質(zhì)校正料的生料配料方案，%

4 理論分析

依據(jù)試驗(yàn)研究的配料成分形成的熟料成分熒光分析數(shù)據(jù)及計(jì)算的相關(guān)參數(shù)如表4。由于煅燒燃料采用天然氣，幾乎無(wú)灰渣，因此，燃料對(duì)煅燒物料化學(xué)成分的影響可以忽略；同時(shí)因缺少實(shí)用天然氣燃料的確切數(shù)據(jù)，暫未計(jì)算回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)熱效率。

水泥熟料試驗(yàn)配料設(shè)計(jì)采用LSF、SM、AM三項(xiàng)率值控制，因熟料成分的率值直接影響到易燒性，因此不同試驗(yàn)方案的率值應(yīng)盡可能接近，以消除由于熟料成分率值的差異對(duì)易燒性造成的額外影響。兩項(xiàng)試驗(yàn)配料設(shè)計(jì)的率值差值分別為L(zhǎng)SF0.29、SM0.12、AM0.01，與設(shè)計(jì)值的偏差還要更小些，總體偏差不大，因而試驗(yàn)方案率值的差異對(duì)易燒性的影響輕微；熟料熒光分析化學(xué)成分及計(jì)算率值數(shù)據(jù)如表4；熟料相關(guān)組成礦物成分及特性參數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)如表5。

新型干法水泥熟料煅燒的率值[3]，適用于通用硅酸鹽水泥（p＞0.64）的率值計(jì)算公式如下：

KH=（C-1.65A-0.35F-0.7S）/2.8S

SM（n）=S/（A+F）

AM（p）=A/F

LSF=（Ca+0.75Mg*）（/2.85Si+1.18Al+0.65Fe）

HM=Ca（/Si+Al+Fe）

S/R=Si（/Al+Fe）

A/F=Al/Fe

C3S=4.071Ca-7.600Si-6.718Al-1.430Fe -2.852S

表4 水泥熟料試驗(yàn)配料成分及率值計(jì)算數(shù)值

表5 水泥熟料相關(guān)組成參數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)

C2S=2.867Si-0.754C3S

C3A=2.650Al-1.692Fe

C4AF=3.043Fe

堿當(dāng)量=Na+0.658K

液相量（%，1 450℃）=3.00Al+2.25Fe+Mg+K+ Na

窯皮趨勢(shì)（指數(shù)）=C3A+C4AF+0.2C2S+2Fe

指數(shù)＜28表示輕窯皮，指數(shù)＞30表示窯皮厚不穩(wěn)定，易結(jié)圈和堆雪人

游離鈣（%，1 400℃）=0.31（%LSF-100）+2.18（S/R-1.8）+0.73Q+0.33C+0.34A

其中：Q=20%HCl酸洗后45μm篩篩余；C= 125μm篩篩余可溶于酸部分；A=45μm篩篩余酸洗，難溶于酸的部分。

要求的煅燒溫度，T（℃）=1 300+4.51C3S -3.74C3A-12.64C4AF。

表5數(shù)據(jù)顯示：高嶺土配料的熟料C3S含量高于礬土配料，表明高嶺土配料的生料易燒性存在優(yōu)于礬土配料生料的趨勢(shì)；高嶺土配料的熟料形成熱低于礬土配料應(yīng)也是易燒性較好的原因之一。這個(gè)結(jié)論與圖1中fCaO測(cè)試結(jié)果所揭示的易燒性結(jié)論類似。

但由于易燒性的判據(jù)一直以來(lái)傾向于使用fCaO的檢測(cè)數(shù)據(jù)，因而實(shí)驗(yàn)中缺少熟料C3S含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致依據(jù)熟料C3S計(jì)算含量來(lái)判斷生料易燒性的可信度受限，這是后續(xù)易燒性實(shí)驗(yàn)可以改進(jìn)的方面。隨著高端熒光衍射儀和晶相顯微鏡在實(shí)驗(yàn)中的使用，熟料C3S含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)將會(huì)很方便地獲取，相應(yīng)對(duì)易燒性的判斷將更為有利、便捷。

由于試驗(yàn)熟料中的游離氧化鈣數(shù)值較低，檢測(cè)誤差較大；相應(yīng)C3S數(shù)據(jù)較高，相對(duì)檢測(cè)誤差較小，因此C3S含量可以作為物料易燒性的一種判斷依據(jù)，且準(zhǔn)確度應(yīng)高于fCaO易燒性的判斷指標(biāo)。更重要的是，水泥熟料中C3S的實(shí)際形成量指標(biāo)也是影響/決定水泥熟料理化性能的重要指標(biāo)。

需要說(shuō)明的是，理論上熟料煅燒后游離氧化鈣數(shù)值、C3S含量均可通過(guò)計(jì)算獲得，但計(jì)算值僅是表明理論上應(yīng)該達(dá)到的一種可能，而實(shí)際煅燒生成熟料組分的數(shù)據(jù)則需要通過(guò)專用檢測(cè)儀器設(shè)備精確檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果的比較分析相對(duì)理論計(jì)算結(jié)果的比較分析更具應(yīng)用價(jià)值。

5 試驗(yàn)研究-易燒性比較

實(shí)驗(yàn)研究包括礬土和高嶺土的原料混合料特性。原料煅燒期間的游離氧化鈣含量的減少在不同溫度下檢測(cè)了一段時(shí)間，獲得的結(jié)果如圖1。礬土生料在較低溫度（1 280℃）游離氧化鈣含量較少。然而，高嶺土生料在煅燒區(qū)間（1 450℃）的游離氧化鈣含量最低，表示形成阿利特的反應(yīng)已廣泛發(fā)生。這表明在加熱過(guò)程中，大量的游離氧化鈣消耗了，通過(guò)消耗C2S增加了C3S。得出的結(jié)論是用高嶺土的生料比礬土的生料易于煅燒。

圖1 礬土、高嶺土制備生料易燒性

理論上，游離氧化鈣數(shù)據(jù)可以計(jì)算獲得，但由于理論計(jì)算需要前置性條件，理論計(jì)算的數(shù)據(jù)不如直接測(cè)定游離氧化鈣簡(jiǎn)單有效。

另外一個(gè)影響易燒性的重要因素是石英砂的數(shù)量。用高嶺土制備的生料比用礬土制備的生料石英砂用量少（表3）。這是由于高嶺土較高的硅含量（43.44wt.%SiO2）。而且，礬土混合料使用較高百分比的石英砂生料中涵蓋了要求數(shù)量的SiO2。在石英砂中，大多數(shù)硅是石英的形式。相反，高嶺土中的硅呈現(xiàn)為與其他化合物結(jié)合的形式，例如偏高嶺土。事實(shí)上，1 600℃熔點(diǎn)的石英在煅燒過(guò)程中要求較高的能量才能與CaO反應(yīng)，這是由于石英的氧化硅由大量的硅四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)在一起。然而，高嶺土中的硅與鋁結(jié)合，可以在較低的溫度（950℃）分解成氧化硅和氧化鋁。

6 運(yùn)行比較-煅燒效率對(duì)比

一年內(nèi)按2種配料方案組織生產(chǎn)，一組用礬土（1號(hào)配料設(shè)計(jì)），一組用高嶺土（2號(hào)配料設(shè)計(jì)）。從1月到6月用礬土配料，7月到12月使用高嶺土配料，根據(jù)記錄和收集的質(zhì)量和工藝參數(shù)，兩個(gè)時(shí)期的比較結(jié)果如下：

（1）兩組試驗(yàn)都成功達(dá)到了原料的設(shè)定要求。

（2）生產(chǎn)的熟料質(zhì)量滿足按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)OPC和SRC水泥的要求。

（3）使用高嶺土配料期間回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)能力改善了。

（4）高嶺土配料中石英砂數(shù)量減少，依配料方案中數(shù)據(jù)計(jì)算，高嶺土配料比釩土配料石英砂用量減少2.37%（7.30%-4.93%=2.37%），可獲得易燒的生料。

試生產(chǎn)顯示高嶺土替代礬土具有潛在的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。另外，數(shù)據(jù)表明使用高嶺土配料可獲得潛在的能源和天然氣節(jié)約。

使用礬土配料的回轉(zhuǎn)窯平均能源消耗是30.2kWh/t熟料，而使用高嶺土配料的回轉(zhuǎn)窯平均能源消耗只有26.9kWh/t熟料，降低電耗大約3.3kWh/t熟料；高嶺土配料大約降低天然氣的消耗9.9m3/t熟料。具體數(shù)據(jù)如圖2、3。

圖2 2010年能源消耗

圖3 2010年燃料消耗

隨著天然氣和能源消耗的減少，使用高嶺土和礬土期間的石英砂的數(shù)量也減少。石英砂用于校正生料中的硅含量。當(dāng)用礬土配料時(shí)石英砂比熟料產(chǎn)量的比率位于0.14～0.21QPh/t熟料之間。然而，用高嶺土配料將減少到0.09～0.13QPh/t熟料。

減少石英砂的益處包括：

（1）改進(jìn)窯喂料的反應(yīng)性和易燒性，可持續(xù)減少天然氣和能源的消耗。

（2）改善耐火材料壽命。

（3）減少破碎機(jī)和原料磨內(nèi)部磨損。

（4）回轉(zhuǎn)窯操作更平穩(wěn)。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥生料易燒性的fCaO指標(biāo)與C3S指標(biāo)具有相關(guān)性，但相關(guān)性的量度尚需更多數(shù)據(jù)支持。

（2）校正原料的調(diào)整能夠改變水泥生料易燒性，同時(shí)改善熟料煅燒效率，優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（3）熟料煅燒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合反映了煅燒效率的高低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)異反映熟料煅燒效率較高。

[1]韓立楊.淺析水泥易燒性的研究對(duì)水泥生產(chǎn)節(jié)能降耗的意義[J].水泥技術(shù)，2015（3），28-32.

[2]Hilal Saif Al-Dhamri.Towards Sustainable Production,Oman Cement Company,Oman,explains how replacing imported bauxite with local kaolin can improve the burnability of raw material and reduce energy and gas consumption[J].World Cement,February 2012,35-39.

[3]李明豫，丁衛(wèi)東.水泥企業(yè)化驗(yàn)室工作手冊(cè)[K].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.■

TQ172.622.29

A

1001-6171（2017）04-0044-05

安徽海螺建材設(shè)計(jì)研究院，安徽蕪湖241070；

2017-01-10；編輯：呂光