第3章原料及预均化技术Word格式文档下载.docx
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10.金刚石。
2.泥灰岩
泥灰岩是由碳酸钙和粘土物质同时沉积所形成的均匀混合的沉积岩,属石灰岩向粘土过渡的中间类型岩石。
泥灰岩因含有粘土量不同,其化学成分和性质也随之变化,如果泥灰岩中CaO量超过45%,称为高钙泥灰岩;
若其CaO含量小于43.5%,称为低钙泥灰岩。
泥灰岩主要矿物也是方解石,常见的为粗晶粒状结构,块状构造。
泥灰岩颜色决定于粘土物质,从青灰色、黄土色到灰黑色,颜色多样。
质软易采掘和粉碎,常呈夹层状或厚层状。
其硬度低于石灰岩,粘土矿物含量愈高,硬度愈低。
耐压强度小于100MPa,含水率随粘土含量和气候而变化。
有些地方产的泥灰岩其成分接近制造水泥的原料,其氧化钙含量在43.5%~45%,可直接用来烧制水泥熟料,这种泥灰岩称天然水泥岩,但这种水泥岩的矿床是不常见的。
泥灰岩是一种极好的水泥原料,因它含有的石灰岩和粘土混合均匀,易于煅烧,有利于提高窑的产量,降低燃料消耗。
3.白垩
白垩是海生生物外壳与贝壳堆积而成的,富含生物遗骸,主要由隐晶或无定形细粒疏松的碳酸钙所组成的石灰岩,其主要成分是碳酸钙,含量80%~90%,有的碳酸钙含量可达90%以上。
4.贝壳和珊瑚类
主要有贝壳、蛎壳和珊瑚石,含碳酸钙90%左右,表面附有泥砂和盐类(如MgCl2、NaCl、KCl)等有害物质,所以使用时需用水冲洗干净。
蛎壳捞自海底,含15%~18%的水分,韧性比较大,不容易磨细,故需要煅烧后再磨碎。
贝壳、蛎壳主要分布于沿海诸省,如河北、山东、浙江、福建、广东等均有产出。
钙质珊瑚石主要分布在海南岛、台湾及东沙、西沙、中沙、南沙群岛。
目前沿海小水泥厂有的采用这种原料。
3.1.1.2石灰质原料的选择
1.石灰质原料的质量要求
石灰质原料使用最广泛的是石灰石,其主要成分为CaCO3,、纯石灰石的CaO最高含量为56%,其品位由CaO含量来确定。
但用于水泥生产的石灰石不一定就是CaO含量越高越好,还要看它的酸性组成含量,如SiO2、Al2O3,、Fe2O3,等是否满足配料要求。
石灰石的主要有害成分为MgO、R2O(Na2O十K2O)和游离SiO2,尤其对MgO含量应给以足够的注意。
石灰质原料的一般质量指标要求见表3—2。
表3—2石灰质原料的质量要求
成分
CaO
MgO
f—SiO2(燧石或石英)
SO3
Na2O十K2O
含量(%)
≥48
≤3
≤4
≤1
≤0.6
2.石灰质原料的选择
在具体选择石灰质原料时,如果石灰质原料CaO含量低于48%,可将其与CaO含量大于48%的石灰质原料搭配使用,以利资源的合理利用。
但值得注意的是,含有白云石(CaCO3·
MgCO3)的石灰石往往易造成水泥中的MgO含量过高。
这是因为白云石是MgO的主要来源,为使水泥中氧化镁的含量小于5.0%,应限制石灰质原料中MgO含量小于3.0%。
含有白云石的石灰石在新敲开的断面上可以看到粉粒状的闪光。
用10%盐酸滴在白云石上有少量的气泡产生,如滴在石灰石上则剧烈地产生气泡,因此可简单地区别白云石和石灰石。
而燧石含量较高的石灰岩,表面通常有褐黑的凸出或呈结核状的夹杂物,其质地坚硬,难磨难烧,宜严格控制。
同理,经过地质变质作用、重结晶的大理石结晶完整、粗大,结构致密,虽化学成分较纯,CaCO3含量很高,但不易粉磨与煅烧,故一般也不宜采用。
新型干法水泥生产中,考虑到K2O、Na2O、SO3、Cl—离子等微量组分对生产水泥质量有影响,故对此在原料质量指标中都作了限制。
3.常见石灰质原料的化学成分
石灰质原料在水泥生产中的作用主要提供CaO,其次还提供SiO2、Al2O3、Fe2O3,并同时带入少许杂质MgO、SO3、R2O等。
我国部分水泥厂所用石灰石、泥灰岩、白垩等的化学成分详见表3.3。
4.石灰质原料性能测试方法
石灰质原料的性能研究主要是研究其诸多性能中对易烧性影响最大的分解性能和反应活性。
随着现代化测试技术的进步,己经可以对石灰质原料的化学成分、矿物组成、微观结构进行定量研究,从而揭示原料性能对易烧性的影响作用机理。
(1)石灰质原料中各种元素(或氧化物)含量:
可用化学分析方法定量确定。
(2)石灰质原料的分解温度:
用差热分析方法可确定其中碳酸盐的分解温度。
(3)石灰质原料的主要矿物组成:
可用x射线衍射方法进行物相定性分析。
(4)石灰质原料的微观结构:
可采用透射电子显微镜来研究方解石的晶粒形态、晶粒大小以及晶体中杂质组分的存在形式;
用电子探针可测试研究杂质组分的形态、含量、颗粒大小、分布均匀程度等。
3.1.2粘土质原料
粘土质原料的主要化学成分是二氧化硅,其次是三氧化二铝、三氧化二铁和氧化钙,在水泥生产中,它主要是提供水泥熟料所需要的酸性氧化物(SiO2、Al2O3,和Fe2O3)。
3.1.2.1粘土质原料的种类与特性
我国水泥工业采用的天然粘土质原料有粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等,其中使用最多的是粘土和黄土。
随着国民经济的发展以及水泥广大型化的趋势,为保护耕地,不占农田,近年来多采用页岩、粉砂岩等为粘土质原料。
1.粘土
粘土是多种微细的呈疏松或胶状密实的含水铝硅酸盐矿物的混合体,它是由富含长石等铝硅酸盐矿物的岩石经漫长地质年代风化而成。
它包括华北、西北地区的红土,东北地区的黑土与棕壤,南方地区的红壤与黄壤等。
纯粘土的组成近似于高岭石(Al2O3·
2SiO2·
2H2O),但水泥生产采用的粘土由于它们的形成和产地的差别,常含有各种不同的矿物,它不能用一个固定的化学式来表示。
根据主导矿物不同,可将粘土分成高岭石类、蒙脱石类(Al2O3·
4SiO2·
nH2O)、水云母类等,它们的某些工艺性能如表3—4所示。
表3—4不同粘土矿物的工艺性能
粘土类型
主导矿物
粘粒含量
可塑性
热稳定性
结构水脱水温度(℃)
矿物分解达最高活性温度(℃)
高岭石类
Al2O3·
2SiO2·
2H2O
很高
好
良好
480~600
600~800
蒙脱石类
4SiO2·
nH2O
高
很好
优良
550~750
500~700
水云母类
水云母、伊利石等
低
差
550~650
400~700
粘土广泛分布于我国的华北、西北、东北、南方地区。
粘土中常常含有石英砂、方解石、黄铁矿(FeS2)、碳酸镁、碱及有机物质等杂质,因所含杂质不同,颜色不一,而多呈红色、黑色与棕色、黄色等。
其化学成分差别较大,但主要是含SiO2、Al2O3,以及少量Fe2O3、CaO和MgO、R2O、SO3,等。
其塑性指数较高,红土约为18~27,黑土与棕土17~20,红壤与黄壤约20~25。
2.黄土
黄土是没有层理的粘土与微粒矿物的天然混合物。
成因以风积为主,也有成因于冲积、坡积、洪积和淤积的。
黄土的化学成分以SiO2、Al2O3,为主,其次还有Fe2O3、MgO、CaO以及碱金属氧化物R2O,其中R2O含量高达3.5%~4.5%,而硅酸率在3.5~4.0之间,铝氧率在2.3~2.8之间。
黄土矿物组成较复杂,其中粘土矿物以伊利石为主,蒙脱石次之,非粘土矿物有石英、长石,以及少量的白云母、方解石、石膏等矿物。
由于黄土申含有细粒状、斑点状、薄膜状和结核状的碳酸钙,一般黄土中CaO含量达5%~10%,碱主要由白云母、长石带入。
黄土以黄褐色为主。
密度2.6~2.7g/cm3,含水量随地区降雨量而异,华北、西北地区的黄土水分一般在10%左右。
黄土中粗粒砂级(0.05mm),颗粒一般占20%~25%,粘粒级(<
0.005mm)一般占20%~40%,黄土塑性指数较低,一般为8~12。
3.页岩
页岩是粘土经长期胶结而成的粘土岩。
一般形成于海相或陆相沉积,或海相与陆相交互沉积。
页岩的主要成分是SiO2、Al2O3,还有少量的Fe2O3、R2O等,化学成分类似于粘土,可作为粘土使用,但其硅酸率较低,一般为2.1~2.8,通常配料时需要掺加硅质校正原料。
若采用细粒砂质页岩或砂岩、页岩互相重叠间层的矿床,可以不再另掺硅质校正原料,但应注意生料中粗砂粒含量和硅酸率的均匀性。
页岩的主要矿物是石英、长石、云母、方解石以及其他岩石碎屑。
页岩颜色不定,一般灰黄、灰绿、黑色及紫红等,结构致密坚实,层理发育,通常呈页状或薄片状,抗压强度l0~60MPa。
页岩的含碱量约2%~4%。
4.粉砂岩
粉砂岩是由直径为0.01~0.lmm的粉砂经长期胶结变硬后的碎屑沉积岩。
粉砂岩的主要矿物是石英、长石、粘土等,胶结物质有粘土质、硅质、铁质及碳酸盐质。
颜色呈淡黄、淡红、淡棕色、紫红色等,质地取决于胶结程度,一般疏松,但也有较坚硬的。
粉砂岩的硅酸率一般大于3.0,铝氧率在2.4~3.0之间,含碱量为2%~4%,可作为水泥生产用的硅铝质原料。
5.河泥、湖泥类
6.千枚岩
3.1.2.2粘土质原料的品质要求及选择
1.品质要求
衡量粘土质量的主要指标是粘土的化学成分(硅率、铝率)、含砂量、含碱量以及粘土的可塑性等。
对粘土质原料的一般质量要求可见表3—6。
表3—6粘土质原料的质量要求
品位
n
p
R2O
塑性指数
一等品
2.7~3.5
1.5~3.5
<3.0
<4.0
<2.0
>12
二等品
2.0~2.7或3.5~4.0
不限
2.选择粘土质原料时应注意的问题
为了便于配料又不掺硅质校正原料,要求粘土质原料硅率最好为2.7~3.1,铝率1.5~3.0,此时粘土质原料申氧化硅含量棋应为55%~72%。
如果粘土硅率过高,大于3.5时,则可能是含粗砂粒(>
0.1mm)过多的砂质土;
如果硅率过小,小于2.3~2.5,则是以高岭石为主导矿物的粘土,配料时除非石灰质原料含有较高的SiO2,否则就要添加难磨难烧的硅质校正原料。
所选粘土质原料应尽量不含碎石、卵石,粗砂含量应小于5.0%,这是因为粗砂为结晶状态的游离SiO2,结晶SiO2高的粘土对粉磨不利,末磨细的结晶SiO2,会严重恶化生料的易烧性。
若每增高1%的结晶SiO2,在1400℃煅烧时熟料中的游离CaO将提高近0.5%。
当粘土质原料n=2.0~2.7时,一般需掺用硅质原料来提高含硅量;
当n=3.5~4.0时,一般需与一级品或含硅量低的二级品粘土质原料搭配使用,或掺加铝质校正原料。
3.粘土质原料的性能测试方法
粘土质原料的矿物颗粒比较细小,大部分颗粒为0.l~l微米,研究测试相对比较困难,一般用化学分析方法测定其化学组成,用X射线衍射和透射电镜观察其矿物组成和矿物形态,用差热分析方法确定粘土矿物的脱水温度。
对粘土质原料中的粗粒石英含量,晶粒大小和形态要予以足够的重视,因为当石英含量为70.5%,粒径超过0.5mm时,就会显著影响生料的易烧性。
3.2水泥生产用辅助原料
3.2.1校正原料
当石灰质原料和粘土质原料配合所得生料成分不能符合配料方案要求时,必须根据所缺少的组分掺加相应的原料,这种以补充某些成分不足为主的原料称为校正原料。
1.铁质校正原料
当氧化铁含量不足时,应掺加氧化铁含量大于4%的铁质校正原料,常用的有低品位铁矿石,炼铁厂尾矿及硫酸厂工业废渣硫铁渣等。
硫铁矿渣(即铁粉)主要成分为Fe2O3,含量大于50%,红褐色粉末,含水量较大,对贮存、卸料均有一定影响。
目前有的厂用铅矿渣或铜矿渣代替铁粉,不仅可用作校正原料,而且其中所含氧化铁(FeO)能降低烧成温度和液相粘度,可起矿化剂作用。
表3—7为各种铁质校正原料的化学成分。
表3—7一些铁质校正原料的化学成分(%)
种类
烧失量
SiO2
Al2O3
Fe2O3
FeO
CuO
总和
低品位铁矿石
46.09
10.37
42.70
0.73
0.14
100.03
硫铁矿渣
3.18
26.45
4.45
60.30
2.34
2.22
100.94
铜矿渣
38.40
4.69
10.29
8.45
5.27
30.90
98.00
铅矿渣
3.10
30.56
6.94
12.93
24.20
0.60
27.30
0.13
99.99
2.硅质校正原料
当生料中SiO2含量不足时,须掺加硅质校正原料。
常用的有硅藻土、硅藻石、含SiO2多的河砂、砂岩、粉砂岩等。
但应注意,砂岩中的矿物主要是石英,其次是长石,结晶SiO2对粉磨和煅烧都有不利影响,所以要尽可能少采用。
河砂的石英结晶更为完整粗大,只有在无砂岩等矿源时才采用。
最好采用风化砂岩或粉砂岩,其氧化硅含量不太低,但易于粉磨,对煅烧影响小
表3—8为几种硅质校正原料的化学成分。
总计
∑M(n)
砂岩
(1)
8.46
62.92
12.74
5.22
4.34
1.35
95.03
3.50
砂岩
(2)
3.79
78.75
9.67
0.47
0.44
77.48
5.62
河砂
0.53
89.68
6.22
1.34
1.18
0.75
99.72
11.85
粉砂岩
5.63
67.28
12.33
5.14
2.80
2.33
95.51
3.85
表3—8一些硅质校正原料的化学成分
3.铝质校正原料
当生料中Al2O3,含量不足时,须掺加铝质校正原料,常用的铝质校正原料有炉渣、煤矸石、铝矾土等。
表3.—9为几种铝质校正原料的化学成分。
表3—9一些铝质校正原料的化学成分
原料名称
铝矾土
22.11
39.78
35.36
0.93
1.60
99.78
煤渣灰
9.54
52.40
27.64
5.08
1.56
98.56
煤渣
55.68
29.32
7.54
5.02
98.49
4.校正原料的质量要求
对校正原料的一般质量要求如表3—10。
表3—10校正原料质量指标
校正原料
硅率
SiO2(%)
R2O(%)
硅质
>4.0
70~90
<
4.0
铝质
Al2O3>
30%
铁质
Fe2O3>
40%
3.2.2燃料
水泥工业是消耗大量燃料的企业。
燃料按其物理状态的不同可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三种。
我国水泥工业目前一般采用固体燃料来煅烧水泥熟料。
1.固体燃料的种类和性质
固体燃料煤,可分为无烟煤、烟煤和褐煤。
回转窑一般使用烟煤,立窑采用无烟煤或焦煤末。
(1)无烟煤
无烟煤又叫硬煤、白煤,是一种碳化程度最高,干燥无灰基挥发分含量小于10%的煤。
其收缩基低热值一般为20900~29700KJ/Kg(5000~7000KCaL/Kg)。
无烟煤结构致密坚硬,有金属光泽,密度较大,含碳量高,着火温度为600~700℃,燃烧火焰短,是立窑煅烧熟料的主要燃料。
(2)烟煤
烟煤是一种碳化程度较高,干燥灰分基挥发分含量为15~40%的煤。
其收到基低热值一般为20900~31400KJ/Kg(5000~7500KCaL/Kg)。
结构致密,较为坚硬,密度较大,着火温度为400~500℃,是回转窑煅烧熟料的主要燃料。
(3)褐煤
褐煤是一种碳化程度较浅的煤,有时可清楚的看出原来的木质痕迹。
其挥发分含量较高。
可燃基挥发分可达40~60%,灰分20~40%左右。
热值为8374~1884KJ/Kg。
褐煤中自然水分含量较大,性质不稳定,易风化或粉碎。
2.煤的质量要求
水泥工业用煤的一般质量要求见表3—11。
表3—11水泥工业用煤的一般质量要求
窑型
灰分(%)
挥发分(%)
硫(%)
低位发热量(KJ/Kg)
湿法窑
≤28
18~30
—
≥21740
立波尔窑
≤25
18~80
≥23000
机立窑
≤35
≤15
≥18800
预分解窑
22~32
3.2.3低品位原料和工业废渣的利用
目前,虽然能用于水泥工业的原料种类繁多,资源丰富,但以往的经验认为生产水泥的主要原料品位要高,矿石的质量要求使得储量、开采、交通运输和工厂建设条件等方面都受到很严的限制,真正能被利用和开采的主要原料并不太多。
特别是石灰石原料要求CaO≥48%,使得很多石灰质原料矿点虽然离交通干线较近,接近供销地区,但因CaO含量偏低,或某些有害杂质偏高而被废置。
从现代水泥工业生产技术要求来看,并不要求十分优质的石灰质原料,即采用CaO≥50%的优质石灰石,在配料时还需加入15%左右的硅质原料加以调整,使人窑CaO的含量在42%~46%。
现在,发达国家一般采用两个矿山分别开采高钙和低钙石灰石,然后再将其按一定比例混合。
从发展趋势看,利用工业废渣,或以某种简单原料为基础,将一个企业的废渣或副产品变为另一个企业的原料,显然具有显著的经济效益和社会效益。
积极利用工业废渣能综合利用资源,减少对环境的污染。
目前在水泥工业中,工业废渣一是代替部分主要原料,二是作为混合材料,三是作为添加剂,如矿化剂等。
1.低品位石灰质原料的利用
所谓低品位原料,即指那些化学成分、杂质含量与物理性能等不符合一般水泥生产要求的原料。
对含量≦48%或含有较多杂质的低品位石灰质原料而言,除白云石质岩不适宜作硅酸盐水泥熟料原料外,其他大多是含有粘土质矿物的泥灰岩,虽然其CaO含量较低,但是只要具备一定的条件仍然可以用于生产水泥。
2.煤矸石、石煤的利用
煤矸石是煤矿生产时的废渣,它在采煤和选矿过程中分离出来,一般属泥质岩,也夹杂一些砂岩,黑色、烧后呈粉红色。
随着煤层地质年代、成矿情况、开采方法不同,煤矸石的组成也不相同。
其主要化学成分为SiO2、Al2O3,少量的Fe2O3、CaO等,并含4180~9360kJ/kg的热值。
有关化学成分详见表3—12所示。
石煤多为古生代和晚古生代菌藻类低等植物所形成的低炭煤,它的组成性质及生成等与煤无本质差别,都是可燃沉积岩。
不同的是含碳量比一般煤少,挥发分低,发热量低,灰分含量高,而且伴生较多的金属元素。
其化学成分如表3—12所示。
表3—12煤矸石、石煤的主要化学成分
名称
南栗赵家屯煤矸石
48.60
42.00
3.81
2.42
0.33
山东湖田矿煤矸石
60.28
28.37
4.94
.92
1.26
邯郸峰峰煤矸石
58.88
22.37
5.20
6.27
2.07
浙江常山石煤
64.66
10.82
8.68
1.71
4.05
常山高硅石煤
81.41
6.72
5.56
-
煤矸石、石煤在水泥工业上的应用,其主要困难是化学成分波动大。
目前的利用途径有三:
一是代粘土配料;
二是经煅烧处理后作混合材;
三是作沸腾燃烧室燃料,其渣作水泥混合材。
煤矸石、石煤作粘土质原料进行配料时,工艺上要作适当性调整。
具体应注意以下几方面:
(1)原料要进行预均化处理。
这是因为煤矸石和石煤的化学成分波动很大,因此要考虑按质量不同分别堆放,并进行预均化。
(2)提高入窑生料合格率,调整配料方案,减少配热。
当KH值>
0.93时,需掺加矿化剂加速熟料煅烧,否则游离CaO较高。
而应用石煤时应注意石煤灰分中Al2O3,含量较低,在设计熟料成分时应予以考虑到。
(3)立窑生产时宜采用预加水成球,浅暗火操作。
因煤矸石、石煤塑性指数偏小,成球质量差以致热稳定性也较差,采用预加水成球,浅暗火操作,可以避免料球的炸裂而影响窑的煅烧。
3.粉煤灰及炉渣的利用
粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后所得的粉状灰烬,除了可以作水泥混合材生产普通水泥和粉煤灰水泥外,还可以代替部分乃至全部粘土参与水泥配料。
炉渣是煤在工业锅炉燃烧后排出的灰渣,也可替代粘土参与配料。
粉煤灰和炉渣代替部分乃至全部粘土配料时,应注意下列问题。
(1)加强均化。
减少SiO2、Al2O3,的波动和残碳热值对窑热工制度和熟料质量的影响。
(2)解决配料精确问题。
这是因为其粒径细小,锁料、喂料都很困难的缘故。
(3)注意带入的可燃物对煅烧的影响。
尤其是高碳粉煤灰、高碳炉渣所带入的可燃物,其燃点较高,上火慢,使立窑底火拉深,熟料冷却慢,易出现还原料及粉化料。
(4)粉煤灰和炉渣可塑性比较差,立窑生产时搞好成球仍是一项技术关键。
北京水泥厂及燕山(700t/d)、冀东(2×
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- 第3章 原料及预均化技术 原料 预均化 技术