工藝節能與巖礦潛能（下）

傅圣勇 來正新 秦至剛

工藝節能與巖礦潛能（下）

傅圣勇 來正新 秦至剛

2 巖礦潛能

2.1 巖礦潛能應建立的幾個概念

2.1.1 巖礦潛能的來源

任何水泥原料都是地質運動（包括自然風化、自然成巖和礦物及礦物組合等）巨大能量運動的結果。按能量守恒規則，這些巨大的能量有一部分必定轉換到巖石、礦物上，所以，巖礦具有潛在能量。這是這個理論的第一個概念。即地殼運動的巨大能量（溫度、壓力和時間）轉換而來的巖礦潛能為基礎，建立起來用巖礦潛能特性和組合物性的匹配，調整出高潛能巖礦原料的燒成節能方向。

2.1.2 巖礦潛能在燒成中的具體體現

（1）原料組成礦物分解點的高低。如低品位石灰石800℃，高品位石灰石900℃，沸騰分解差，能耗就差。

（2）原料組成礦物的熔點及原料的熔點高低。如輝綠玢巖1070℃，粘土1350～1400℃，高嶺石1580℃，石英則要1713℃，熔出的能耗不一樣。

（3）原料礦物含水量的多少。如多水高嶺石組成礦物本身含水24.5%，高嶺石13.96%，脫水省能不一樣。

（4）原料中含能量礦物多少和變價礦物多少。如還原的沉積和熱液變質巖，有FeS2、FeS、CuFS2、PbS、ZuS等自然能放出能量的礦物。

（5）原料中富氧礦物的多少。所謂富氧礦物就是對O2-結合鍵弱的礦物如島狀Si-O結構的綠簾石，Ca2Fe，Al2[SiO4][Si2O7]O（OH），區域變質巖中經常出現的十字石礦物Fe2Al9[SiO4]2O（7OH）等，這些礦物在燒成快速升溫至＞800℃時會分解出O2-內部助燃，更重要的是會在礦物內部解聚Si-O結構成反應體的[SiO4]4-,促進CaO-[SiO4]4-的硅酸鹽熟料反應。

（6）原料礦物組成的元素活力特征大小、遲早。如基性巖漿巖和變質巖中的普通角閃石，（Ca，Na）2-3（Mg，Fe，Al）5[Si（6Si，Al）2O22]（OH，F）2，450～600℃時，Ca、Na很快分解出來，活力性也很高；600～900℃時，由O-Mg、Fe、Al-（OH）組成八面體分解出來Mg、Fe3+、Al2+；而在[Si（6Si，Al）2O22]中的Al3+是四配位的A l-O四面體，不會解離出來Al3+，分析中是有數量，但不存在Al3+元素活力。

2.1.3 耗能高低的概念

水泥原料巖礦中最多的是硅酸鹽礦物，而硅酸鹽礦物的Si-O結構型式決定著水泥燒成能耗的高低，其Si-O結構有5類9種（見表4）。

例綠簾石的Ca2Fe，Al2[SiO4][Si2O7]O（OH），分解出[SiO4]4-只要礦物分解就成了，Si2O7+O2-→2[SiO4]4-，只要沖入1個O2-就可以分解出來2個[SiO4]4-活性離子，而原料最常出現架狀Si-O結構的石英顆粒，溶出一個[SiO4]4-，要4個O2-，并且要同高溫擴散力協同作用才可得到一個[SiO4]4-的效果。

所以，硅酸鹽礦物中的Si-O結構是決定燒成能耗的主宰者，Si-O結構越簡單分解點和熔點越低；架狀石英（SiO2）解聚Si-O結構所需溫度越高，相應熱耗升高，解聚則更困難。

表4 硅酸鹽礦物Si-O類型表

2.1.4 用新巖礦原料應建立新工藝

水泥工藝學上講的理論熱耗，用的原料是好石灰石+粘土，按地質巖礦潛能概念，有很多的巖礦原料特性與它不一樣，因此，在工藝上要進行改革，適應新原料的巖礦特性，否則會一敗涂地。如用低鈣石灰石和銅鉛鋅尾礦巖礦時，為適應上火快，用小料球而改進了燒成；海南華盛天涯水泥有限公司昌江熟料基地把粘土改用千枚巖，分解爐改大了體積；新疆布爾津水泥廠把粘土改用區域變質巖中的綠泥石片巖，易燒性改進，采用快燒快卸的操作方法。這都是建立的新原料、新工藝。

2.2 應用巖礦潛能與建立匹配機制

很顯然，用高品位石灰石（分解點高），是不經濟的，用粘土（熔點高）是不合理的；用礦化劑是多余的。利用巖礦中的潛能一定比傳統能耗低。

立窯平均熱耗只達到4389kJ/kg熟料（1050kcal/kg)。1990年，浙江某廠用低品位石灰石和就地鉛鋅尾礦，熱耗低至2508kJ/kg熟料（600kcal/kg），實際流量測試2236.3kJ/kg熟料（535kcal/kg），熱平衡測試2633.4kJ/kg熟料（630kcal/kg）。這里可以看出兩個內容：

（1）全國立窯平均熱耗與浙江應店街比相差了2152.7kJ/kg熟料（450kcal/kg）。這是巖礦更換后產生的巖礦潛能不同的結果。

（2）流量實驗室測試遠低于熱平衡測試結果，說明更換巖礦之后，巖礦原料有自能礦物和自氧礦物。即巖礦中有氧化放熱的金屬硫物，像FeS2和變價元素礦物及礦物過渡結晶的放熱作用；其次，有對氧鍵結合較弱的富氧礦物，燒成升溫到＞800℃以上，放出氧O2-直接助燃，使燃燒完全和快速解聚出[SiO4]4-活性反應體。可以看出低品位石灰石（寒武系）+鉛鋅尾礦（區域變質）是低低相配，因此產生低能耗、低氧耗比新型干法回轉窯還低627kJ/kg熟料（150kcal/kg），約低20%，如果低品位石灰石（CaO40%～45%），配用高熔點粘土，低高相配，不但不能節省熱耗，熟料也不容易燒好，fCaO高；高品位石灰石配金屬尾礦，同樣高低相配，熱耗不會降低，fCaO高，強度變低。

匹配，在應用巖礦潛能來節能時是一個很重要的技術手段。這個手段必須要掌握原料礦物的分解點時活力元素分解出來的溫度、時間和化合能力，例如巖漿巖中的中性巖、基性巖、像安山巖、玄武巖等SiO2不飽和狀態，不會出現架狀Si-O結構，易燒性好；巖漿巖中酸性噴出巖其原來的架狀結晶SiO2都由于噴出急冷成為非結晶分裂的SiO2，易燒性變好。所有這些原料特性的出現都要很好的匹配才能省能耗。

礦物的自能自氧，要在識別巖礦成因性質上來初步了解，例如細的黑色炭質泥質巖是還原環境生成，保留了黑色易燒炭質，其中沉積的Fe2O3、ZnO、PbO在還原氣氛下把有機硫還原轉化成為FeS，FeS變成有自能礦物；變質巖中的熱液變質、區域變質的巖石中有較多自氧礦物。如綠簾石、十字石等。

把原料巖礦組成特性匹配和原料礦物化學成分特性匹配有機結合起來：水泥燒成元素的活力特性要靠元素所在的礦物特性來表達，燒成的過程是原料礦物特性表現的過程，所以，要掌握原料礦物特性匹配。

原料分析出來的化學成分是抽象的，用抽象成分配方只是初略設定熟料礦物的組成，其實這個設定也是一個虛形的設定，因為巖礦中出來的元素活性有死有活，像四配位Al3+，始終燒不成C4A、C4AF，只代替Si-O四面體的作用，計算時，把生料中A l2O3計算高了，認為早期強度會高，結果不高；低品位石灰石早就分解出CaO，粘土很遲出來活性的[SiO4]4-，燒成中的CaO已經燒死了，但SiO2活性還很高，故CaO-[SiO4]4-反應不好，計算C3S、C2S很高，預計強度很高，結果強度不高，就因為不匹配，反應不好。所以，匹配是很重要的。

2.3 量化巖礦潛能，促進燒成節能

巖礦特性組合匹配能理解，但難于量化，不易操作。其實，量化在實踐中的做法是兩準一評一表法程序。

兩準：（1）以工藝學上的理論熱耗的實驗數據為準。原因是它的原料代表最高能耗；（2）以我國立窯平均熱耗4189kJ/kg熟料為準。原因是該數據代表各種原料燒成可以達到的結果。

一評：對選擇的原料礦物以地質潛能的表現方面加以評估，與理論熱耗標準比較高低。例如：用高品位石灰石沸騰分解點900℃，而用低品位石灰石是800℃。工藝學上，高品位石灰石分解，用掉1988.0kJ/kg熟料，每升高1℃要花掉2.21kJ熱量，（2.21×100）÷4.18＝221kJ=52.87kcal，即用高、低品位石灰石可能熱耗差209kJ左右，則用低品位石灰石1985.5kJ/kg熟料－209kJ/kg熟料=3030.5kJ/kg熱耗。

再例，用粘土與尾礦。粘土脫水花掉167kJ，而尾礦沒有水（結晶水和結構水）或很少水，可算評估它是粘土的一半，83.5kJ；尾礦熔點（1250℃）低于粘土（1350℃），燒粘土花掉523kJ/kg熟料，標準中900℃升到1400℃，升了500℃，每升1℃要花掉1.05kJ，而尾礦熔點低100℃，要省105kJ，所以用尾礦物523kJ/kg熟料－105kJ/kg=418kJ/kg熟料。

一表：見表5。

表5 原料巖礦特性匹配的熱耗計算

按原料巖礦特性評估和工藝學上的理論熱耗的對比評估，至少有一點從抽象化學成分配方向真實性配方邁進了一步，符合原料巖礦組合特性匹配+原料化學組分特性匹配=燒成工藝配方。

所以，在認識和熟悉巖礦特性基礎上，根據當地資源，應用匹配的技術手段，選擇好原料，能夠促進燒成節能的新發展。

3 結束語

以地殼運動的巨大能量，轉移到水泥原料巖礦的潛在能量上的理論為基礎，利用巖礦潛能特性匹配和組合匹配為技術手段，并用合理科學的工藝技術方法，能有效地在水泥燒成中把潛能發揮出來，達到更好的節能目的。

正因如此，應把原料化學成分計算配方轉向到巖礦潛能特性匹配與原料化學特性匹配計算相結合的原料工藝過程上來。

實踐說明，用高品位石灰石因分解點高是不經濟的，用粘土熔點高，而土又是人類賴以生存的源泉，破壞了是不合理的；用礦化劑卻又十分昂貴，所以改用新巖礦原料，其分解點、熔點低了，故是最經濟合算的。

在十多個省市的企業中，我們實踐應用巖礦潛能，取得了令人滿意的效果，最高節能達45%以上。本文表述了一個新的節能方向，在此拋磚引玉，希望引起討論，并歡迎合作。

（連載完）

（編輯：方圓）

TQ172.4文獻標識碼：B文章編號：1007-6344（2010）03-0005-04

2009-10-26】