原燃料及配料

72原燃料及配料2.1水泥生产原料生产硅酸盐水泥的主要原料为石灰质原料和粘土质原料，有时还要根据原燃料品质和水泥品种，掺加校正原料以补充某些成分的不足，还可以利用工业废渣作为水泥的原料或混合材进行生产。2.1.1石灰质原料石灰质原料是指以碳酸钙为主要成分的石灰石、泥灰岩、白垩和贝壳等。石灰石是水泥生产的主要原料，每生产1吨熟料大约需要1.3吨石灰石，生料中约80％以上是石灰石。石灰岩是由碳酸钙组成的化学生物沉积岩。主要矿物是方解石，并含有白云石、硅石（石英或燧石）、含铁矿物和粘土质杂质，具有微晶或隐晶结构的致密岩石。纯方解石为白色，由于含有各种杂质呈灰白、淡黄、红褐或灰黑等颜色，密度2.6～2.8g/cm3之间，普氏硬度8～10，用小刀易刻出伤痕。生料中氧化钙含量一般为40～44％。为了达到上述要求，一般要求石灰石中氧化钙含量不应低于45％，以免配料困难。为了使熟料中的氧化镁不超过5％，要求石灰石中氧化镁含量不得超过3％。因此含碳酸镁高的石灰石不宜用作生产水泥的原料，但可以与碳酸镁含量低的石灰石搭配使用。另外，石灰石中含有大量硬度大、呈黑色团块或条形的燧石也不宜采用。燧石为隐晶质二氧化硅，质地坚硬，对生料粉磨及煅烧有不利影响。因此，燧石含量高的石灰石也不宜用于制造水泥，若要采用，应控制燧石和石英含量小于4％，生料应尽可能磨得细一些。石灰石中碱含量（R2O）应小于1％，最好小于0.5～0.7％。评价石灰石的质量，除了化学成分是否适宜外，其物理状况也很重要，如硬度、矿物结构、杂质含量及杂质的分布是否均匀等。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。泥灰岩中氧化钙含量超过45％、石灰饱和系数大于0.95时，称为高钙泥灰岩，应加粘土配合使用；若氧化钙含量小于43.5％，石灰饱和系数低于0.8时，称为低钙泥灰岩，通常应与石灰石搭配使用；若氧化钙含量在43.5～45％，各率值和熟料相近，则称为天然水泥岩，自然界很少。泥灰岩硬度低于石灰岩，粘土物质含量愈高，硬度愈低，其颜色决定于粘土物质，从黄色到灰黑色，耐压强度通常小于100MPa。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。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，颜色有白、浅黄、浅绿等，以色白发亮为最纯，碳酸钙含量可达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。此外，许多工业废渣，如电石渣、糖滤泥、碱渣、白泥等都可以作为水泥生产的石灰质原料。通常对水泥生产的石灰石和泥灰岩的质量要求见表2-1。表2-1石灰石质原料的质量要求（％）品位CaOMgOR2OSO3Cl－石英或燧石8石灰石一级品482.51.01.00.0154.0二级品45～483.01.01.00.0154.0泥灰岩35～453.01.21.00.0154.0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CaO含量在42％左右、MgO在3％～5％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。如浙江诸暨、河南七里岗等，所用石灰石CaO含量在40％～46％，SiO2含量为10％～12％，其化学成分见表2-2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。表2-2石灰质原料的化学成分（％）名称LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2O+Na2OΣ石灰岩43.410.120.210.0455.390.5999.4142.781.230.700.253.831.32100.0639.835.821.770.8249.741.1699.1441.843.041.020.6449.613.1999.58泥灰岩40.244.862.080.8050.690.9199.3438.028.642.200.9946.981.3098.13白垩36.6210.242.161.846.281.9599.0136.3712.223.261.445.840.8199.90低品位石灰石40.816.370.850.3946.694.080.76低品位石灰石36.1711.572.761.3544.591.582.1.2粘土质原料粘土质原料主要提供水泥熟料中的SiO2、Al2O3及少量Fe2O3。天然粘土质原料有黄土、粘土、页岩、粉砂岩及河泥等。其中黄土和粘土用的最多。此外，还有粉煤灰、煤矸石等工业废渣。粘土为细分散的沉积岩，由不同矿物组成，如高岭土、蒙脱石、水云母及其它水化铝硅酸盐。粘土的质量主要取决于化学成分、含砂量、含碱量以及粘土的塑性、热稳定性，正常流动度的需水量等工艺性能。这些随粘土中所含的主导矿物，粘粒多少及其杂质不同而异。根据主导矿物的不同可将粘土分成高岭石类、蒙脱石类与水云母类等。南方的红壤土属于高岭石类，华北与西北的黄土属于水云母类。粘土质原料是碱和碱土的铝硅酸盐。主要化学成分是SiO2，其次是Al2O3和少量Fe2O3。一般生产1吨熟料需0.3～0.4吨粘土质原料。为了便于配料又不掺加硅质校正原料，要求粘土质原料硅率为2.5～3.5（最好2.7～3.1），铝率为1.5～3.0，氧化硅含量在55～72％。如果粘土硅率过高，大于3.5时，则可能是含粗砂（粒径大于0.1mm）过多；如果硅率小于2.3～2.5，则是以高岭石为主导矿物的粘土，配料时，要求石灰石中的氧化硅含量较高，否则，要增加硅质校正原料。如粘土铝率不符合要求时，还要加铝质校正原料。通常粘土应尽量不含碎石、卵石。粗砂含量应小于5％。为使熟料中碱含量小于1.3％，应控制粘土中碱含量小于4.0％。当生产低热硅酸盐水泥时，要求熟料中碱含量小于1.0％。悬浮预热器窑、预分解窑生料中碱含量（K2O+Na2O）应小于1.0％。粘土中氧化镁含量应小于3.0％。粘土质原料的技术要求见表2-3。9表2-3粘土质原料的技术要求（％）页岩是粘土受地壳压力胶结而成的粘土岩，层理分明，颜色不定，一般为灰色、褐色或黑色。其化学成分与粘土类似。主要矿物为石英、长石、云母、方解石以及其它岩石碎屑。页岩硅率较低，一般为2.1～2.8，通常需用硅质校正原料。若采用细粒砂质页岩或砂岩、页岩互相重叠的矿床，可不加硅质校正原料，但应注意生料中粗砂粒含量和硅率的均匀性。粉砂岩的硅率一般大于3.0，铝率约2.4～3.0，碱含量2～4％。表2-4是部分水泥厂用粘土质原料的化学成分。表2-4部分水泥厂所用粘土质原料的化学成分（％）LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2O+Na2OSO3ΣSM4.3868.4213.854.852.522.096.023.665.4864.4914.355.521.672.213.5197.233.388.6658.3517.145.853.082.9496.022.5411.8250.8815.475.849.773.343.7100.822.3913.0947.1815.375.859.133.214.121.8199.762.226.3263.5217.765.962.131.733.097.422.686.7661.5419.538.210.230.042.5898.872.236.5667.0416.105.391.451.4097.943.127.7159.6515.626.693.833.042.6896.542.682.1.3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满足配料方案要求时（有的SiO2含量不足，有的Al2O3和Fe2O3含量不足），必须根据所缺少的组分，掺加相应的校正原料。2.1.3.1硅质校正原料新型干法水泥生产配料时，一般采用髙硅酸率配料。为了解决粘土中SiO2的不足，通常用砂岩、河沙、粉砂岩等作为硅质校正原料；砂岩中的矿物主要是石英和长石。一般要求硅质校正原料的SiO2含量在80％以上。表2-5为几种硅质校正原料的化学成分。表2-5几种硅质校正原料的化学成分（％）种类LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOΣSM砂岩8.4662.9212.745.223.341.3595.033.5砂岩3.9778.759.674.340.470.4477.725.62河沙0.5389.686.221.341.180.7599.7211.85粉砂岩5.6367.2812.335.142.802.3395.513.852.1.3.2铝质校正原料铝质校正原料有含Al2O3较高的炉渣、煤矸石、铝矾土等。要求Al2O3含量在30％以上。2.1.3.3铁质校正原料铁质校正原料是用来补充生料中Fe2O3的含量。常用的有低品位铁矿石、菱铁矿、炼铁厂尾矿以及硫酸厂废渣硫酸渣等。硫酸渣主要成分为Fe2O3，含量大于50％，红褐色粉末，含水量较大。品位硅酸率n铝氧率pMgOR2OSO3一级品2.7～3.51.5～3.03.04.02.0二级品2.0～2.73.5～4.0不限3.04.02.010此外，铜矿渣、铅矿渣不仅可作铁质校正原料，而且其中的FeO能降低烧成温度和液相粘度，起到矿化剂的作用。铁质校正原料的质量要求Fe2O340％。表2-6为各种铁质校正原料的化学成分表2-6铁质校正原料的化学成分（％）种类LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOFeOCuOΣ铁矿石－46.0910.3742.70.730.14－－100.03尾矿3.4823.387.5855.245.01.52－－96.31硫酸渣3.1826.456.4560.302.341.22－－99.94铜矿渣－38.404.6910.298.455.2730.90－98.00铅矿渣-3.1030.566.9412.9324.200.627.30.1399.562.2水泥生产燃料水泥工业常用煤作为燃料。煤是古代植物和动物尸骸埋在地下，在隔绝空气的条件下受地质作用，经长期的物理和化学变化而形成的复杂有机化合物。随其形成的地质条件不同各种元素含量各异，燃料的性质也不同。根据埋藏时间及碳化程度不同，可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。2.2.1燃料的组成及表示方法分析燃料的组成通常有元素分析法和工业分析法两种：2.2.1.1.元素分析法用化学分析方法，分析燃料的元素组成，得知燃料是由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素及灰分（A）和水分（M）组成。其基本性质如下：（1）碳（C）碳是燃料中最主要的组分，它在煤中的含量为55～99％，在重油中的含量达86％以上，在燃料中与氧、氢、氮、硫等组成各种有机化合物。当燃料受热燃烧时，这些有机化合物首先分解，然后再进行燃烧，放出大量热。C+O2－→CO2＋408.8（Kj/mol）(2-1)碳是固体和液体燃料的主要热能来源。（2）氢（H）氢是燃料中的一种可燃成分，对燃料性质的影响较大。它在燃料中有两种存在形式：一种是和碳、硫化合的，称可燃氢（或自由氢）；另一种是与氧化合的，称为化合氢。化合氢不能参加燃烧反应。可燃氢在燃烧时具有很高的热效应，1kg可燃氢燃烧放出的热量，约为1kg碳热效应的3.5倍。H2＋21O2－→H2O＋242（Kj/mol）(2-2)氢在固体燃料中含量愈多，燃料的挥发分愈髙，愈容易着火燃烧，燃烧的火焰也愈长。氢在固体燃料中的含量一般不超过4％～5％，在液体燃料中氢含量可达14％。（3）氧（O）和氮（N）燃料中的氧和氮不参与燃烧，不能放出热量，它们的存在，降低了燃料中可燃物的比例，降低发热量。不过在一般固体和液体燃料中，氧和氮的含量不髙（不包括灰分中氧化物中的氧），约为1％～3％，故影响不大。（4）硫（S）燃料中的硫有三种形态：a.有机硫化物，硫与碳、氢、氧等结合成有机化合物，在燃料中分布较均匀。b.金属