復(fù)雜有害成分對熟料煅燒的影響及優(yōu)化措施

??引言

??筆者近期參與某廠二線投產(chǎn)調(diào)試工作，二線與老線共用自有石灰石礦山，采礦點(diǎn)分別為544/555以及503/508平臺，輔料采用紅砂巖、煤矸石、硫酸渣四組分配料。二線配料方案調(diào)整及窯操作參數(shù)均以老線為基礎(chǔ)。二線投料初期，原材料堿含量高、結(jié)晶硅含量高導(dǎo)致出窯熟料質(zhì)量較差，突出表現(xiàn)在早期強(qiáng)度低，熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量高。調(diào)試過程中通過對過程產(chǎn)物理化及反應(yīng)機(jī)制分析、調(diào)整配料方案、優(yōu)化窯上操作、添加礦化劑等手段有效解決了上述質(zhì)量問題，為復(fù)雜有害成分影響下熟料煅燒優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

??從熟料全分析以及中控操作參數(shù)看，化學(xué)成分、礦物組成、升重等各項(xiàng)參數(shù)均在控制范圍內(nèi)，從老線高堿原料生產(chǎn)情況看，堿含量影響主要表現(xiàn)在后期強(qiáng)度低及需水量偏高，早期強(qiáng)度尚可。

??1?熟料質(zhì)量問題分析

??1.1?堿組分對熟料形成的不利影響

??二線熟料質(zhì)量情況見表1。

??表1?二線熟料質(zhì)量情況

??從熟料升重以及窯尾實(shí)測氮氧化物含量（脫硝未投入使用情況下實(shí)測含量800mg/Nm₃）可以看出，窯內(nèi)熱力強(qiáng)度穩(wěn)定且足夠；從礦物組成及含量看，與熟料早期強(qiáng)度密切相關(guān)的C₃S含量（計算值）較高，推斷早期強(qiáng)度低的主要原因是堿含量（K₂O）較高，影響礦物發(fā)育，發(fā)育不完全的礦物阻礙熟料早期強(qiáng)度的發(fā)揮。K2O在熟料形成過程中的不利影響主要表現(xiàn)如下：

??1）排除與硫化合生成K₂SO₄及K₂SO₄·Na₂SO₄外，K₂O優(yōu)先與主要礦物反應(yīng)，生成難以和f-CaO反應(yīng)的含堿固溶體KC23S12（反應(yīng)方程式：12C₂S+K2O=KC₂₃S₁₂+CaO）[1]，使C₃S晶體形成時發(fā)育不完全，并使熟料中f-CaO大量增加，進(jìn)而影響熟料力學(xué)性能的發(fā)揮。

??2）K₂O顯著提高了高溫液相的黏度，降低C₂S和CaO在液相中的溶解速度，惡化C₃S形成環(huán)境，使其晶形發(fā)育不完整，尺寸不均一，對稱性差。

??3）盡管通過計算及巖相分析得出C₃S含量較高，但晶體發(fā)育差，熟料早期水化速度大大提高，需水量顯著增大，使得調(diào)試初期熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量一直大于30.0%。

??1.2?礦物晶體尺寸和結(jié)構(gòu)對熟料強(qiáng)度的影響

??熟料強(qiáng)度不僅與熟料化學(xué)成分有關(guān)，相同的化學(xué)成分下，結(jié)晶程度不同，熟料的強(qiáng)度相差甚大。因此對熟料進(jìn)行礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)的巖相分析能夠有效判斷熟料質(zhì)量問題所在。二線熟料巖相分析見圖1。

圖1?熟料顯微照片

??從圖1可以看出：

??1）熟料礦物發(fā)育不完整，邊緣不規(guī)則，礦物大小顆粒不均齊，尤其是A礦，晶體大至120μm，小至10μm，存在晶體連生現(xiàn)象。

??2）A礦晶體有裂紋，包裹體內(nèi)含有B礦及f-CaO。

??3）液相分布不均且略少，孔洞多而大，結(jié)合熟料全分析，液相量為P=2.95A+2.2F+M+R=2.95×4.91+2.2×3.32+2.15+0.97=24.9%（A:Al₂O₃；F:Fe₂O₃；M:MgO；R:堿含量）。

??4）綜合多次顯微照片分析統(tǒng)計，存在輕微礦物分布不均，成堆聚集現(xiàn)象。

??通過上述分析，判斷窯內(nèi)存在熟料急燒現(xiàn)象[2]，液相量略少，熟料急冷差，生料均化不良，含有粗粒難燒料。

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??1.3?高硅石灰石對熟料形成的不利影響

??為進(jìn)一步探究原材料品質(zhì)，對二線與老線石灰石礦點(diǎn)分別取樣，進(jìn)行X射線衍射分析，兩線石灰石XRD圖譜見圖2和圖3。石灰石化學(xué)成分見表2。

表2?石灰石化學(xué)成分%

圖2?老線503/508平臺石灰石XRD圖譜

圖3?二線544/555平臺石灰石XRD圖譜

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??結(jié)合XRD圖譜及石灰石化學(xué)成分分析，老線503/508平臺巖石主要礦物組成為：方解石、ɑ-石英和白云石，二線544/555平臺巖石主要礦物組成為：方解石和ɑ-石英。不同礦點(diǎn)石灰石對熟料煅燒的影響主要體現(xiàn)在以下方面：

??1）二線石灰石的石英相特征峰更為明顯，化學(xué)成分中SiO2含量遠(yuǎn)高于老線，因此二線石灰石石英相含量高，峰形尖銳，石英礦物發(fā)育較好，結(jié)晶度較高，石灰石難磨，易燒性差。Makashev[3]研究認(rèn)為，不同類型的SiO₂活性順序?yàn)椋菏?lt;α-石英<長石中SiO₂<云母中的SiO₂ <黏土礦物中的SiO₂<玻璃質(zhì)礦渣中的SiO₂。二線高硅石灰石帶入大量活性較差的α-石英，降低了SiO₂與CaO的反應(yīng)活性，導(dǎo)致熟料發(fā)育不完全，熟料力學(xué)性能受到較大程度影響。

??2）XRD圖譜顯示，老線石灰石中白云石礦物衍射峰較為明顯。白云石分解溫度低，分解產(chǎn)物之一的CaO晶體比方解石分解出來的CaO晶體小1/3～1/2，比表面積更大，固相反應(yīng)更快；白云石分解出的MgO與SO₃共處時可降低SO₃的不利影響，促進(jìn)C₃S的形成，提高熟料強(qiáng)度[4]。與此同時，MgO作為助熔劑，降低了熟料燒成過程中的液相黏度，促進(jìn)了f-CaO的吸收，提高固相反應(yīng)速度，促進(jìn)C₃S礦物的形成。

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??2?煅燒優(yōu)化措施

??2.1?加強(qiáng)原材料控制

??對兩條生產(chǎn)線石灰石礦點(diǎn)按照1∶1搭配開采使用，供給兩條生產(chǎn)線，加強(qiáng)礦區(qū)生產(chǎn)探勘工作，做到高低品位石灰石合理搭配使用，在保證窯內(nèi)煅燒優(yōu)良的情況下最大限度提高礦山利用率。控制生料合格率，提高生料均化效果。

??2.2?采用“三高”率值配料

??熟料強(qiáng)度低為調(diào)試期間主要矛盾，要提高熟料強(qiáng)度就必須保證充足的硅酸鹽礦物總量及C₃S含量，因此采取較高的熟料KH值和SM值，設(shè)定KH值0.96±0.1，SM值 2.5±0.1，較高的KH、SM值也使得泥質(zhì)原料使用總量降低，帶入的堿含量也隨之降低。因問題熟料早期強(qiáng)度低，巖相分析顯示液相量不足，因此設(shè)定IM值1.60±0.1，以期提高液相量，優(yōu)化礦物發(fā)育過程，進(jìn)而提高熟料早期強(qiáng)度。

??2.3?優(yōu)化窯上操作

??針對上述問題分析及配料調(diào)整，對應(yīng)優(yōu)化窯上操作，具體如下：

??1)采用高溫煅燒方式。在總用煤量基本不變的情況下，調(diào)整頭尾煤比例（12.4:15.2），增加頭煤量，二次風(fēng)溫控制＞1150℃，生料入窯分解率控制在＞92%。

??2)加強(qiáng)窯內(nèi)通風(fēng)，減小三次風(fēng)閥開度，適當(dāng)加大高溫風(fēng)機(jī)拉風(fēng)，以增大窯內(nèi)通風(fēng)。

??3)將窯速由4.2r/min調(diào)整為3.9r/min，使熟料煅燒更為充分，對應(yīng)抬高燃燒器位置至窯口截面中心線。

??4)篦冷機(jī)固定端采用厚料層控制（≥600mm），提高二次風(fēng)溫，加強(qiáng)熟料急冷效果，改善熟料性能。在高產(chǎn)（窯投料量420t/h）、厚料層的情況下，提高前段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，一方面提高熟料冷卻效果，另一方面補(bǔ)充系統(tǒng)所需風(fēng)量。

??3?調(diào)整后熟料質(zhì)量

??1）經(jīng)過上述優(yōu)化調(diào)整后，熟料質(zhì)量有了明顯改善，見表3。熟料3d抗壓強(qiáng)度平均值由26.2MPa提高至31.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度平均值由44.6MPa提高至51.8MPa，熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量由30.0%下降至28.6%。

表3?優(yōu)化后熟料質(zhì)量情況

??2）優(yōu)化調(diào)整后熟料巖相顯微照片見圖4。

圖4?熟料顯微照片

??從圖4可以看出，A礦數(shù)量充足，邊緣整齊，呈完整形態(tài)板狀結(jié)構(gòu)，無不規(guī)則晶體，礦物顆粒大小均齊，發(fā)育較為完全，液相量適中(P=26.5%)、均勻，孔洞少，為熟料力學(xué)性能的發(fā)揮提供了有力支持。

??4?磷渣作為礦化劑對熟料性能的改善

??為進(jìn)一步改善熟料性能，在配料方案中添加磷渣，利用磷渣中的P₂O₅、F-等微量元素對熟料煅燒的礦化作用來改善熟料性能，同時降低熟料燒成溫度，減少熟料熱耗[5]。大量研究工作表明，磷渣的摻入能夠改善生料的易燒性，降低高溫液相黏度，促進(jìn)熟料礦物形成與析晶，降低熟料形成過程反應(yīng)活化能及熟料中f-CaO含量。根據(jù)業(yè)內(nèi)利用磷渣生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，磷渣摻入量定為4%，調(diào)整配料后熟料性能有了極大提高，3d抗壓強(qiáng)度平均值由31.5MPa提高至34.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度平均值由51.8MPa提高至57.2MPa，熟料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量由28.6%下降至27.0%，熟料初凝時間由80min延長至110min。