《水泥工艺学》第4章硅酸盐水泥的原料及配料计算

第四章硅酸盐水泥的原料及配料计算4.1、水泥生产用主要原料4.2、水泥生产用辅助原料4.3、水泥生料易烧性4.4、配料方案的选择4.5、生料的配料计算硅酸盐水泥原材料种类水泥熟料的质量主要取决于生料率值的控制和成分的均齐。制备合适的生料，并适应煅烧设备的性能，对原料就有一定的要求。需正确合理地选择和控制原料质量。原料必须满足一定的要求：1．化学成分满足要求。否则配料困难，甚至无法配料2．含杂质少。以免影响煅烧、水泥质量3．应具有良好的工艺性能。如易磨性、易烧性、易混合性等类别名称备注主要原料石灰质原料石灰石、白垩、贝壳等1t熟料--1.6t干原料黏土质原料黏土、黄土、页岩、粉煤灰等校正原料铁质校正原料硫铁矿渣、铁矿石、铜矿渣等生产熟料硅质校正原料河砂、砂岩、粉砂岩等铝质校正原料炉渣、煤矸石、铝矾土等外加剂矿化剂萤石、萤石-石膏、金属尾矿等生产熟料晶种熟料生产熟料助磨剂亚硫酸盐纸浆废液、醋酸钠等粉磨用燃料固体燃料烟煤、无烟煤我国常用煤液体燃料重油缓凝材料石膏等水泥组分混合材料粒化高炉矿渣、石灰石等水泥组分4.1水泥生产用主要原料4.1.1石灰质原料凡是以碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙为主要成分的原料都叫石灰质原料。如石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。一般生产1t熟料约用1.3-1.5t石灰质干原料，在生料中约占原料总量的80%以上。一、种类1、天然的：石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。我国水泥工业生产中应用最普遍的是石灰岩（俗称石灰石），泥灰岩次之，个别小厂采用白垩和贝壳。4.1.1石灰质原料①石灰岩：是由碳酸钙所组成的化学与生物化学沉积岩，主要矿物：方解石（CaCO3）微粒常含有白云石（CaCO3·MgCO3）、石英（结晶SiO2）、燧石（又称玻璃质石英、火石，主要成分为SiO2，属结晶SiO2）、粘土质及铁质等杂质。结构致密，呈块状，性脆，莫氏硬度3～4。4.1.1石灰质原料方解石晶体的大小对生料易烧性的影响：CaC03晶体愈小，分解出的Ca0颗粒也愈小，分散度愈大，在相等量熔体条件下，Ca0颗粒与熔体的接触面愈大，故Ca0溶解及参与烧成反应的数量愈多，因此其易烧性越好。CaC03晶体愈大，分解温度愈高。4.1.1石灰质原料石英、燧石（以石英为主要矿物）对生料易磨性、易烧性的影响：化学成分均为SiO2，呈稳定的结晶状态。石英、燧石莫氏硬度7，质地坚硬，难磨。难烧：煅烧时SiO2要与原料中的CaO等起反应，生成矿物，首先必须破坏它原来的结构（使它活化）。破坏结晶SiO2的结构，需要的能量大。4.1.1石灰质原料②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，易采掘。它是一种由石灰石向粘土过渡的岩石。泥灰岩是一种极好的水泥原料，其中石灰岩和粘土混合均匀，易烧性好，有利于提高窑的产量，降低燃料消耗。4.1.1石灰质原料③白垩是由海生生物外壳与贝壳堆积而成，主要由隐晶或无定形细粒疏松的碳酸钙所组成的石灰岩。其中常夹有粘土，碳酸钙含量在90%以上。白垩结构疏松，易于粉磨和煅烧，是水泥生产的优质原料。2、人工的(工业废渣)：电石渣、糖滤泥、碱渣、白泥等。4.1.1石灰质原料二、生产质量要求用作生产硅酸盐水泥原料的石灰岩和泥灰岩，其质量要求如下表GB50295－2008《水泥工厂设计规范》成分CaOMgOf-SiO2（燧石或石英）SO3碱氯离子含量(％)＞48＜3＜8(石英质)或＜4(燧石质)＜0.5＜0.6＜0.034.1.1石灰质原料新型干法水泥生产过程中，采用了石灰石预均化、生料均化等措施，为低品位石灰石的利用提供了保证，使C含量在42%左右、M含量在3-5%之间的低品位石灰石，也能达到生产要求，延长了矿山服务年限，有效利用了资源。低品位石灰石具有易烧、易磨、共熔温度低、晶格有缺陷和碳酸钙分解温度低等优点，但低品位石灰石成分波动大、R2O等有害成分含量高，对配料煅烧有一定影响。4.1.1石灰质原料三、石灰质原料的选择根据配料要求，石灰石中的CaO不能低于48％。但是，为了矿山的开发，原料的综合利用，低品位的石灰石也应利用起来，这样，就需要和一级品搭配使用，但搭配以后的石灰石CaO仍需大于48％。氧化镁如果含量太高，会影响到水泥的安定性，而石灰石中的白云石（CaCO3·MgCO3）是氧化镁的主要来源。为使熟料中MgO小于5.0％，则石灰石中的MgO小于3.0％。碱含量过高，会影响到熟料的煅烧和熟料的质量。4.1.1石灰质原料三、石灰质原料的选择石灰石中夹杂呈结核状或透镜状的燧石（结晶SiO2）称为燧石结核，它以石英为主要矿物，这种物质难磨、难烧，从而影响到窑、磨的产量及熟料的质量。重结晶的大理石与方解石结构致密，结晶粗大，完整，虽化学成分较纯，CaCO3含量较高；但不易磨细与燃烧。4.1.2粘土质原料粘土质原料指提供水泥熟料中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分的原料的总称。一般生产1t熟料约用0.3t-0.4t粘土质原料。在熟料中约占11%-17%。（硅铝质原料）一、种类1、天然的：黄土、粘土、页岩、粉砂岩、河泥等。2、人工的(工业废渣)：煤矸石、粉煤灰、煤渣、磷渣等。一般均只代替部分粘土。我国水泥工业中使用较多的是粘土和黄土。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。4.1.2粘土质原料砂岩页岩4.1.2粘土质原料二、硅铝质原料主要质量指标产品方案中对氧化镁或碱含量有限量要求时，应相应变更。在资源条件允许时，应首选岩石状硅铝质原料(如页岩类、粉砂岩类、砂矿类等)。硅酸率铝氧率氧化镁SO3碱氯离子指标3.00～4.001.50～3.00＜3％＜1％＜4％＜0.03％4.1.2粘土质原料三、衡量粘土质原料质量的因素粘土的化学成分(硅率、铝率)、含砂量、含碱量以及粘土的可塑性、热稳定性、正常流动度的需水量等工艺性能。这些性能随粘土中所含的主导矿物、黏粒多寡及其杂质等不同而异。所谓主导矿物是指粘土同时含有几种粘土矿物时，其中含量最多的矿物。根据主导矿物不同，可将粘土分成高岭石类、蒙脱石类及水云母类等。一般水泥生产中粘土质原料以高岭土居多，为层状结构的二氧化硅。4.2水泥生产用辅助原料校正原料、外加剂、燃料、缓凝剂和混合材料等本章仅介绍校正原料、燃料。4.2.1校正原料在生产中只用石灰质和粘土质两种原料，往往不能满足生产优质熟料、尤其是特种水泥熟料的要求，有的是Fe2O3含量不足，有的则是SiO2、Al2O3的含量不足。为了弥补这些成分的不足，一般选用铁质、硅质和铝质三种校正原料。4.2.1校正原料一、铁质校正原料1．种类：天然的：低品位铁矿石工业废渣：硫铁矿渣(硫铁矿煅烧脱硫后排出的一种粉状残渣，Fe2O3＞50%，在我国用得较多，俗称铁粉。)、炼铁厂尾矿、铜矿渣、铅矿渣等。2．质量要求Fe2O340%；MgO3%；R2O2%。需要说明的是，一些铁质校正原料还会含有某些有益于熟料煅烧或不利于煅烧的微量成分，在使用中需予以注意。P37表4.5几种铁质校正原料的化学成分4.2.1校正原料二、硅质校正原料1．种类：硅藻土、硅藻石、蛋白石，含SiO2高的粘土、硅质渣、砂岩、粉砂岩等，但要注意，砂岩是结晶SiO2，对粉磨、煅烧都不有利的影响，故非特殊情况，一般不予采用。2．质量要求n4.0SiO2(70%-90%)R2O4.0%。P38表4.6几种硅质校正原料的化学成分4.2.1校正原料三、铝质校正原料1．种类：含Al2O3比较多的炉渣、煤矸石、铁矾石和铝矾土等。2．质量要求Al2O330%MgO3%R2O2%。4.2.2燃料水泥工业是消耗大量燃料的工业，燃料按其物理状态不同可分为固体、液体和气体三种。4.2.2燃料一、固体燃料煤的种类固体燃料煤，可用无烟煤、烟煤和褐煤。回转窑一般用烟煤，立窑采用无烟煤或焦煤末。1、无烟煤：无烟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。其收到基低热值一般为20900～29700kJ/kg（5000～7000kcal/kg）。无烟煤结构致密坚硬，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。4.2.2燃料一、固体燃料煤的种类固体燃料煤，可用无烟煤、烟煤和褐煤。回转窑一般用烟煤，立窑采用无烟煤或焦煤末。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）。烟煤结构致密，着火温度为400～500℃，是回转窑煅烧熟料的主要燃料。4.2.2燃料一、固体燃料煤的种类固体燃料煤，可用无烟煤、烟煤和褐煤。回转窑一般用烟煤，立窑采用无烟煤或焦煤末。3、褐煤：褐煤是一种碳化程度较浅的煤，有时可清楚地看出原来的木质痕迹。其挥发分较高，干燥灰分基挥发分可达40～60%，灰分20～40%，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。4.2.2燃料二、煤的组成及分析煤的分析方法通常有二种：元素分析和工业分析。1、元素分析法用化学分析方法，分析燃料的主要元素百分数，即碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）及灰分（A）和水分（M）等。这种分析方法可用于精确地进行燃烧计算。①碳（C）：是燃料中最主要组分，在煤中的含量为55～99%，是固体燃料的主要热能来源。4.2.2燃料二、煤的组成及分析②氢（H）：是燃料中的一种可燃成分，对燃料的性质的影响较大。在煤中有两种存在形式：一种与碳、硫化合，称可燃氢；另一种与氧化合，不能参加燃烧。氢含量越多，燃料的挥发分越高，越容易着火燃烧，燃烧的火焰也越长。在固体煤料中一般不超过4～5%。③氧（O）、氮（N）：不参与燃烧，不能放出热量。固体燃料中含量约为1～3%。4.2.2燃料1、元素分析法④硫（S）：有三种形态，有机硫化物、金属硫化物、无机硫化物，前两种可挥发并参与燃烧，放出热量，称为可燃硫或挥发硫。硫燃烧后放出热量，且会形成SO2气体，对人体有害。污染环境，腐蚀设备，影响产品质量，是燃料中的有害成分。一般含量在2%以下。⑤灰分：燃料燃烧后剩下的不可燃烧的杂质称为灰分。成分多为硅酸盐等无机化合物，如S、F、A、C、M等。其中S及A占大多数。4.2.2燃料灰分是燃料中的有害成分，灰分越多，燃料品质越低。其影响如下：•灰分的存在，降低了燃料中可燃成分含量，同时燃烧过程中灰分升温吸热，消耗热量，降低燃料的发热量。•灰分过高时，热值低，影响燃料的燃烧速度和燃烧温度，使燃烧达不到工艺要求，影响熟料的产、质量。•由于煤灰增加，在烧成温度下物料液相量增多，粘性增大易结圈，影响窑系统的通风，增加排风机电耗。4.2.2燃料煤灰增加，相应地增加煤粉用量，改变工厂的物料平衡，同时会影响煤磨产量，有时需要放宽煤粉细度，这样容易产生不完全燃烧，出现恶性循环。•煤的灰分还影响熟料的化学成分，若煤的来源多，又未能均化，其灰分的波动必然导致熟料化学成分及质量的波动。一般对窑外分解窑，要求煤粉的灰分＜27%。4.2.2燃料⑥水分（M）：燃料中的水分是指自然水分（不包括化合结晶水）。一般是机械地混入燃料的非结合水和吸附在毛细孔中的吸附水。煤粉水分高，使燃烧速度减慢，且汽化时要吸收大量汽化热，降低火焰温度。但少量水分的存在能促进碳和氧的化合，并且在发火后能提高火焰的辐射能力，因此水分一般控制在＜2.0%，最好控制在0.5%～1.0%。4.2.2燃料2、工业分析法煤的工业分析能够较好地反映煤在窑炉中的燃烧状态，而且分析手续简单，因而一般只做工业分析。工业分析包括对水分（W）、挥发分（V）、固定炭（C）、灰分（A）的测定，四项总量为100%。在四项量以外还需测定硫分，作为单独的百分数提出。对煤的灰分应该作全分析，包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等化学成分以及煤的热值(发热量以每公斤煤能发出多少千焦的热量表示，单位为kJ/kg)。分析基准有：4.2.2燃料2、工业分析法①收到基----指工厂实际使用的煤的组成。原称“应用基”，在各组成