預熱器窯煅燒黑滑石的半工業化試驗與工藝設計

俞為民，李小燕，彭學平，陳昌華

（天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400）

【試驗研究】

預熱器窯煅燒黑滑石的半工業化試驗與工藝設計

俞為民，李小燕，彭學平，陳昌華

（天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400）

利用模擬新型干法水泥熟料生產的預熱器窯熱態實驗臺進行了煅燒黑滑石的試驗。對煅燒后產品的白度、化學成分和礦物成分進行了分析，并與輪窯煅燒后的產品進行了比較。結果表明，黑滑石經預熱器窯煅燒后，產品可以滿足市場上對滑石產品的白度需求。針對預熱器窯煅燒黑滑石面臨的問題及可能的解決措施，提出了生產線的工藝設計方案。

黑滑石；預熱器窯；增白；礦物成分；工藝設計

1 前言

我國滑石礦產資源豐富，15個省區發現有不同儲量和品質的滑石，儲量較大的有遼寧、山東、江西、廣西、青海等省區，擁有全國滑石儲量的90%以上。盡管我國滑石儲量大、分布廣，但以中低品位滑石居多，優質白滑石(白度85以上，燒失量8.5%以下)占滑石總儲量30%以下，高品級的滑石在各地已出現了供不應求的局面。與白滑石相比，我國黑滑石資源相當豐富，江西的滑石資源主要為黑滑石。據江西省國土廳2009年最新勘測結果表明，江西上饒市廣豐縣境內，黑滑石礦體斷續延長20km，儲量達10億t以上，儲量之大居世界之首，而開采量尚不足1 000萬t。

黑滑石是對黑色、灰黑色滑石的統稱，內含有機碳是其致黑的主要原因。黑滑石經增白后是難得的優質原料，學者們做了不少增白改性研究，包括化學增白和煅燒增白兩種方法，以增加黑滑石的附加值。研究發現，很多情況下化學漂白增加黑滑石白度的效果非常有限[1-2]。煅燒增白是指在高溫條件下，礦樣中有機碳受熱氧化揮發，從而實現白度的增加。煅燒溫度和時間、物料粒徑等都與白度有關[2]。

目前黑滑石煅燒多采用輪窯，黑滑石礦經破碎后采用壓磚機成型為黑滑石磚，并將煤粉制成蜂窩煤，繼而人工將黑滑石磚和蜂窩煤搬運入窯，間隔布磚布煤，煅燒結束之后，用破碎機破碎白滑石磚成為產品。一般窯內煅燒時間是8～10h，之后根據經驗判斷白滑石磚的燒透程度而保溫不同時間，短則2～3天，長則10天。由于窯內溫度分布不均，成品白滑石磚質量差別較大，需要人工將次品磚選出。該生產工藝及使用的設備較為落后，同時黑滑石煅燒過程中產生的SO2氣體未采取任何治理措施直接排放，對當地環境造成極大的污染。

2 黑滑石的煅燒增白試驗

2.1 原料

試驗所用黑滑石取自上饒市廣豐縣，其化學成分分析見表1。黑滑石原礦的自然白度經測定僅為10.3，黑滑石全碳含量是2.48%，包含碳酸鹽碳和有機碳兩部分。根據《土壤農業化學常規分析方法》檢測可得黑滑石中有機碳含量為0.68%。經X-射線衍射儀(XRD)分析，黑滑石樣品的礦物組成主要包括滑石、石英、白云石。

表1 黑滑石樣品的化學成分分析

圖1黑滑石的SEM照片顯示，黑滑石晶體呈鱗片狀或羽毛狀集合體，單晶大小相近，在0.1～0.5μm之間。

圖1 黑滑石粉末的掃描電鏡照片

2.2 試驗系統

我公司依據新型干法水泥熟料生產工藝設計，自行研制的預熱器窯熱態模擬試驗平臺。系統熟料生產能力300kg/h，包括五級預熱器、φ0.9m×8m回轉窯及φ0.5m×2.3m單筒冷卻機，窯頭采用燃油燃燒器。該試驗平臺通過計算機反映工況參數，經常被用于系統研究水泥熟料的生產技術，在本工作中用于黑滑石煅燒的實驗。該試驗平臺的工藝流程圖見圖2。

該預熱器系統是由5級旋風筒(包括連接管道)的熱交換單元串聯組合而成，從上面開始排列旋風筒級別，如最上面一級代號為C1。試驗過程中，黑滑石由C2-C1之間的連接管道喂入，與出窯熱煙氣進行逆流換熱，依次經過C1、C2、C3、C4和C5。物料經過五級預熱器預熱后進入回轉窯內進行煅燒成為白滑石，白滑石出窯后采用單筒冷卻機進行冷卻。

2.3 試驗過程與結果

圖2 熱模系統工藝流程

采用我公司TRM3.6輥式磨將黑滑石原料粉磨至80μm篩余8%～10%。在窯尾煙室溫度達到500～600℃開始投料，窯頭火焰溫度控制在1 200～1 300℃左右，窯速：1～1.2rpm。表2給出了黑滑石煅燒后產品的化學成分分析結果。煅燒后產品編號對應取樣時間，如1310對應13時10分取樣，下同。煅燒后所有產品的白度都超過了85，最高白度達到了89.6，基本可以滿足市場上對滑石產品的白度需求。煅燒前黑滑石全碳含量為2.48%，煅燒后滑石產品全碳含量介于0.02%～0.04%之間，說明煅燒過程中絕大部分碳酸鹽發生分解，而有機碳也基本燃燒完全。黑滑石煅燒前SO3含量為0.17%，煅燒后滑石SO3含量很低或者為零，這說明黑滑石煅燒過程中會有SO2氣體產生，與之相關的脫硫問題和排放引起的環保問題需要慎重考慮。

表2 黑滑石煅燒后產品的化學成分分析(%)

圖3為我公司熱模系統煅燒得到的白滑石粉料(圖3a)和江西廣豐某廠輪窯煅燒得到的白滑石磚(圖3b)的XRD圖譜。熱模系統煅燒后產品的主晶相為硅酸鎂、鈣和鎂的硅酸鹽固溶體、二氧化硅以四方相和六方相存在。熱模系統和輪窯煅燒黑滑石得到的產品的XRD圖譜基本一致。使用江西廣豐該廠生產的白滑石磚做原料的陶瓷生產廠家也證實了，經過我公司熱模系統煅燒得到的白滑石粉料能夠滿足陶瓷工業的需要。

3 黑滑石煅燒生產線工藝設計

3.1 預熱器系統

圖3 煅燒后產品的XRD圖譜

采用預熱器窯系統進行黑滑石煅燒，黑滑石中存在的有機碳會在預熱器中燃燒導致預熱器局部過熱，可能造成預熱器堵塞，同時也有可能造成預熱器收塵困難，影響系統正常運行。我公司多年來在處理帶可燃物的原料煅燒水泥的預熱預分解系統設計方面積累了廣泛的經驗。

圖4 黑滑石煅燒生產工藝流程

圖4 為黑滑石煅燒生產工藝流程圖。由黑滑石自燃爐、燃燒爐和五級旋風筒組成一個預熱器系統，可以實現黑滑石煅燒前的預熱和可燃物燃燒。該系統中喂料點比較靈活，黑滑石可喂入第一級旋風筒的進風管，實現五級預熱器換熱；也可以喂入第二級旋風筒的進風管，實現四級預熱器換熱。燃燒爐可以通過燃燒爐燃燒器引入燃料，調節燃燒爐內的溫度；也可以不引入燃料。該預熱器系統充分考慮到黑滑石中可燃物燃燒放熱的特點，煅燒后產品進入回轉式冷卻機進行冷卻，冷卻機出口設有篩分破碎機，出破碎機的白滑石經進行打散分級，再采用除鐵裝置去除散狀產品中的鐵質，可以進一步提高產品白度。為了保證最終產品的白度，采用天燃氣作為煅燒黑滑石的燃料。

3.2 廢氣處理

黑滑石硫含量較高，煅燒過程中預熱器C1出口高溫氣體中SO2氣體濃度較高，對后續的廢氣處理工藝提出了挑戰。若采用增濕塔降溫，煙氣中水蒸氣體積分數增加會使酸露點溫度升高，可能在設備內壁產生酸腐蝕。可以通過空氣冷卻器或者熱交換器來降低出預熱器廢氣溫度。同時也不能使廢氣溫度降低過多，如果廢氣溫度低于酸露點，則會在袋收塵器內發生結露腐蝕，必要時可對收塵器進行外保溫處理。如果摻入冷風來降低窯尾廢氣溫度，高溫風機、收塵器、窯尾排風機等的規格需要相應加大。設計上，采用在窯尾排風機后設置噴淋吸收塔作為吸收設備、石灰石作為脫硫劑的石灰石—石膏濕法脫硫工藝對煙氣進行脫硫處理。煙氣由收塵器除塵后經窯尾排風機進入噴淋塔，與噴淋層的脫硫液逆流接觸充分反應后去除煙氣中的SO2。經脫硫處理后煙氣中SO2的排放濃度≤200mg/Nm3，符合國家排放標準要求。

3.3 其他

黑滑石粉磨和處理過程要嚴格避免鐵的引入，從而減輕對煅燒后產物白度的不利影響。

4 結論

經過熱模系統試驗證實了，利用帶預熱器的回轉窯系統來煅燒黑滑石，從而使產品達到理想的白度，這種工藝是可行的。試驗過程中將黑滑石粉磨成80μm篩余8%～10%的粉末喂入預熱器系統預熱后再經回轉窯煅燒，經過摸索和調整熱工參數，產品白度均超過了85，可以滿足市場上對滑石產品的白度需求。

針對黑滑石中可燃物燃燒放熱的特點，生產線設計中由黑滑石自燃爐、燃燒爐和五級旋風筒組成一個預熱器系統，從而實現黑滑石煅燒前的預熱和可燃物燃燒。通過空氣冷卻器或者熱交換器降低窯尾廢氣溫度，煙氣由收塵器除塵后經窯尾排風機進入廢氣脫硫環節，經脫硫處理后煙氣中SO2濃度符合國家排放標準要求。采用天燃氣作為煅燒黑滑石的燃料。

與目前輪窯煅燒黑滑石工藝相比，采用預熱器系統預熱及回轉窯煅燒工藝，大大縮短了煅燒時間，顯著提高了生產能力，改善了白滑石的品級；能夠對排放廢氣進行處理，達到國家環保要求；采用干法粉磨，工藝先進；自動化程度高，參數可測可控。

[1]陳正國，邸素梅，祝強.廣豐黑滑石的增白試驗及致黑機理探討[J].非金屬礦，1993(6)：6-8.

[2]許芳芳，李金洪，王宇才.江西廣豐黑滑石煅燒增白及物相變化特征[J].非金屬礦，2010，33(6)：15-17，60.

TD985；P619.253

A

1007-9386(2014)01-0029-03

2013-10-15