淺析煤矸石鋁質材料的應用熟料燒煅

陳星赟

（新疆和靜天山水泥有限責任公司，新疆 和靜 841300）

通過對煤炭的開采和洗選，會出現煤矸石固體廢棄物。我國每年煤矸石產量在1.5-2億噸之間，現階段煤矸石積存量高達50億噸，但是每年利用的煤矸石只有0.6億噸。若無法有效利用煤矸石，對環境和土地資源的污染和侵占問題日益嚴重，會威脅到人們的生命健康。為充分利用煤矸石，在水泥生產中，將煤矸石通過水泥熟料生產，生產硅鋁制原料，該原料是水泥制備重要的組成部分。在下文中對煤矸石作為硅鋁質原料制備水泥過程進行分析，為煤矸石利用在水泥生產提供參考依據。

一、實驗

（一）試驗原料

選擇某水泥廠的石灰石、鐵尾礦以及石英砂巖，煤矸石和石膏作為試驗原料，同時選擇某公司PII42．5型硅酸鹽水泥進行試驗。根據試驗原料的化學組成以及XRD圖譜作為試驗參考，應保證石灰石內部還有方解石和白云石成分，煤矸石中還有石英和高嶺石成分，鐵尾礦內還有石英和赤鐵礦成分，石英砂巖中還有石英成分[1]。

（二）生料配合比設計

在水泥熟料使用的配料進行煅燒過程中應根據合理率值，保證熟料進行準確的煅燒。借助煤矸石代替粘土作為生料進行原料煅燒，應控制硅酸鹽水泥熟料合理率值，在熟料合理率值范圍內制備8種水泥。在對生料配合比進行設計時，設計理論率值與實際率值有一定的差距。

（三）生料的制備

制備生料首先將不同的原料進行粉磨，將粉磨后的原料放入到孔徑為0.075mm的方孔篩內進行篩選，并按照比例對合成的原料進行均勻的混合。按照配比要求將10份水與生料進行混合，將混合物放入規格為45mm×13mm規格的生料片內，在壓力為12.5MPa下制作成生料，并制作好的生料放置在105℃環境下進行干燥。

（四）生料的熱分析

對生料進行熱分析，使用德國生產的STA4ogPC／PG型差示掃描量熱重儀進行分析，在空氣環境下以每分鐘2O℃標準提升溫度。

（五）生料的煅燒

達到干燥標準的生料放置在坩堝中，對坩堝進行加熱，并將溫度首次上升到800℃，保持一段時間后將溫度按照50℃的上升標準，從1300℃開始上升到1450℃。最后將加熱的試樣在恒溫的狀態下保存30分鐘，然后放置在室溫下，讓試樣的溫度降至室溫。

（六）熟料的f-CaO含量和線性收縮率測定

對熟料中f-CaO含量和線性收縮率進行測定，先使用孔徑為0.075mm的方孔篩，對熟料進行振動和磨粉處理后，按照乙醇-乙二醇原則對熟料中f-CaO含量進行測定。熟料片的直徑使用游標卡尺測定，根據公式nnS=—／J0---／-]e×100(1)／)計算熟料線性的收縮率，其中線性收縮率用S表示，生料片直徑用D表示。

（七）熟料的礦物組成分析

對熟料中存在的礦物質進行分析，采用3015型X射線衍射儀，分析熟料中礦物質。該儀器額定電壓和電流，分別為40kV和100mA，采用Cu靶原理，產生的單色濾波在10-80范圍內。

（八）水泥的凝結時間、水化熱和抗壓強度測試

在振動和粉磨熟料過程中，借助0.075mm方孔篩篩選熟料，將篩選好的熟料與CaSO·2HO，按照比例96:4進行均勻混合后，以GBT1346-2011標準測試水泥的凝結時間。在測定水泥水化熱時，通過八通道微量熱儀以72小時為標準確定水膠比為0.5。熟料按照水灰比為0.28標準，制成規格為20mm×20mm×20mm的試塊后，放置在標準養護箱1天后，將試塊的模體拆除，并將試塊放置在恒溫20℃環境中，以3天、28天為齡期要求測試試塊的抗壓強度。

二、結果與討論

（一）生料易燒性分析

在對煤矸石生料易燒性分析時發現，煤矸石中f-CaO含量是影響熟料安定性的主要物質，同時也是熟料燒成反應以及配方合理重要的標志。在提升生料的煅燒溫度過程中，生成的熟料中f-CaO含量逐漸減少，在溫度上升到1400℃時，此時燃燒狀態下的熟料中f-CaO含量為最低。以f-CaO含量為水泥熟料制成標準，將KH控制在0.89-0.95，IM控制在1.2-1.6，SM控制在2.1-2.6，都可以滿足水泥熟料制備要求。若生料內含有較多的石灰石成分，降低煅燒溫度的同時，SM、IM降低可以降低f-CaO含量。熟料的收縮率在不同煅燒溫度下，隨著溫度的上升而上升，熟料煅燒時液相量也會增加。煤矸石作為鋁質材料生料進行煅燒，體現出的易燒性與SM、IM有關，對熟料煅燒過程中產生的液向量進行有效的控制，可加減少熟料中f-CaO的含量。

（二）生料的熱分析圖譜

煤矸石制備鋁質材料作為生料進行煅燒，應保證配料方法和煅燒過程相同，利于煤矸石在制備水泥生料時，可以通過常規方法進行煅燒。在0-200℃區間內，生料進行脫水處理。當溫度上升至500℃時，高嶺石脫水后會生成偏高嶺石，再將溫度上升至800℃時，生料中CaCO2會分解成CO2和CaO，這是由于CaCO2受熱發生的變化。在800℃溫度下，CaCO2出現分解吸熱峰情況，與4號生料相比，1號生料會移動至低溫區域，主要是由于1號生料內有較少含量的石灰石，而且存在較多的煤矸石和尾礦所引起的。

（三）水泥的凝結時間和水化放熱

將煤矸石中鋁質材料，與石膏按96:4混合后，在IM=1.55和SM=2.55，以及KH為0.89、0.91、0.93、0.95標準下配置生料，結合試驗確定水泥凝結時間。煤矸石作為硅鋁質原料，使水泥凝結時間符合標準。在不同配方中提高煅燒溫度，水泥制備過程中初凝、終凝時間都略有減少。水泥熟料制備過程中，將煤矸石和尾礦進行熟料制備，在礦物質中豐富的微量元素對熟料煅燒產生明顯的礦化效果，在使CaCO含量減少的同時，有助于減少煅燒過程消耗的能量，使熟料質量進一步提升[2]。

（四）熟料的XRD圖譜分析

水泥熟料以煤矸石配料制備為主，在制備過程中按照KH、IM、SM各自的范圍進行生料配制，產生的熟料中C、S等元素含量較高，但是在不同的熱工工藝處理后，熟料中各礦物質含量會發生變化。以較低的煅燒溫度為例，會提升f-CaO在熟料中的含量。

（五）水泥熟料的抗壓強度

根據熟料理論率值IM=1.55，SM=2.55，KH為0.89、0.91、0.93、0.95為標準配置生料，將煅燒后生成的熟料與石膏按照96:4比例混合配比，對水泥熟料的抗壓強度進行檢測發現，在3d內與PII42．5型硅酸鹽水泥強度相比較低，在28d強度會與PⅡ42．5型硅酸鹽水泥相同。

結論：

綜上所述，將煤矸石作為硅鋁質原料進行水泥生料配制時，按照熟料率KH在0.89-0.95范圍，IM在1.2-1.6范圍內，SM在2.1-2.6范圍內，對配置的生料放置在1400℃下進行煅燒，可以生成符合安定性的水泥熟料。