萬噸線應用生料礦化催化劑提高窯磨臺時的實踐

聶寶建，王愛麗，徐志超，劉鐵

（徐州中聯水泥有限公司，江蘇 徐州 221011）

0 引言

生料礦化催化劑技術以促進石英的晶型轉變，提高固相反應速率及C2S轉化率為目的，主要作用機理是利用其含有的高效礦化物質和多種微量元素（高效硅酸鹽催化元素），改善生料的易磨性和易燒性，從而達到提高窯磨臺時、改善產品質量的目的。

經過初期試用數據分析，生料礦化催化劑確有一定的提高磨機臺時的作用，但是對于不同的物料，其作用效果并不一致，其作用的發揮與生料組成及催化劑用量密切相關。

1 主要設備

主要設備及型號見表1。

表1 主機設備及型號

2 應用前狀況

近年來，徐州中聯水泥有限公司大力發展工業廢渣綜合利用技術，在生料配料中引入煤矸石、濕排粉煤灰，替代高鋁鐵礦石等鋁質原材料，同時加強了對水泥窯協同處置污染土技術的研究，年均污染土處理量近25萬t，具有顯著的經濟和社會效益。

各種工業固廢的利用加之石灰石品位的降低，也對生產造成一定的影響。固廢中含硅量普遍超過45%，導致物料易磨性差、原料磨臺時偏低、工序電耗高。同時，由于大量結晶硅的存在，磨機篩余物中存在較大部分結晶硅。大量粗顆粒結晶硅造成窯內礦化反應慢、燒結反應不徹底、熟料游離鈣易跑點、回轉窯臺時低、噸熟料工序電耗高、熟料強度低。

3 應用過程

3.1 試用

2020年4月在二線開始試用，在生料制備中摻入萬分之四的生料催化劑。催化劑經計量后由石灰石皮帶秤上加入，實際摻加量根據生料磨臺時自動調整，催化劑添加見圖1。

圖1 催化劑添加

加入催化劑前后原料磨生產數據對比見表2。通過表2可以看出，使用催化劑后兩臺磨機臺時產量分別提高了3 t/h和14 t/h，工序電耗分別下降0.67 kw·h/t和1.38 kw·h/t。但是3號磨提產效果較4號磨相差較大，具體原因是由于石灰石庫下料時產生離析，導致3號磨入磨粒度較細，而4號磨入磨物料粒度較粗，表明生料催化劑在改善粗顆粒物料易磨性方面的作用要強于細顆粒物料。

表2 原料磨生產數據對比

加入催化劑前后生產數據對比見表3，由表3可知，使用催化劑后C1溜管溫度較使用前明顯下降，預熱器系統出口溫度也隨之下降，但窯電流和二次風溫均有上升，說明熟料燒成溫度較高，燒結反應比較徹底，篦冷機冷卻效果改善，熱回收效率提高，為煤耗降低創造了有利條件。窯臺時上升14 t/h，一方面與催化劑的使用有關，另一方面也與4月份窯無故障運行有關，3月份窯因故障停機一次，影響了臺時發揮。

表3 2號回轉窯生產數據對比

加入催化劑前后熟料質量對比見表4，由表4可知，使用催化劑后可適當提高熟料飽和比指標，有利于提高C3S含量，熟料早后期強度均有不同程度的提高，有利于降低水泥生產成本。在生產中發現使用催化劑時熟料硅率不宜過低，硅率小于2.50時其改善易燒性的作用不明顯，硅率在2.55～2.60時窯況最穩定，所生產熟料結構致密、斷面有光澤。

表4 熟料質量對比

3.2 兩條線推廣

根據4月份在二線上的試驗結果，一線在6月中旬檢修結束后開始使用生料催化劑。由于一線使用煤矸石代替高鋁鐵礦石配料，窯尾結皮較多，使用催化劑后，降低了入窯物料溫度控制指標，窯尾結皮量有所降低。

2020年6月一線完成檢修投料開機，直到12月庫滿停窯，連續運行近6個半月，從停窯后系統結皮和耐火材料的檢查情況來看，運轉到春節沒有問題。二線自2020年9月開機以來，直到2021年6月仍在運轉，已連續運行近9個月。目前窯胴體最高溫度402℃，預熱器系統壓力正常，預計運轉到7月底8月初再行檢修。

生料磨全年生產數據對比見表5，根據統計數據對比，生料催化劑對細顆粒物料易磨性無改善作用，與4月份試用結果一致。

表5 生料磨全年生產數據對比

回轉密全年生產數據對比見表6，由表6可知，一線使用煤矸石配料，有一定的節煤效果，結合催化劑使用，標準煤耗下降較多。

表6 回轉窯全年生產數據對比

使用催化劑后，生料配料采用“兩高一中”配料方案，即高飽和系數LSF、高硅率SM、中鋁率IM。全年熟料質量對比見表7，根據統計數據對比，采用“兩高一中”配料方案后，提高了熟料后期強度。由于徐州中聯水泥有限公司石灰石品位不高，氧化鈣含量平均45.63%，同時搭配2.7%的污染土壤，采用“兩高一中”配料方案后，生料配料時石灰石比例提高近1.5%個百分點，降低了校正原料的用量，配料成本有效降低。

表7 全年熟料質量對比

4 熟料巖相分析

一線熟料巖相見圖2、3、4，由圖可知，視野內可見結晶良好的A礦、B礦，邊界清晰，A礦、B礦交叉分布，未見明顯聚集分布傾向，視野中少量Belite晶簇存在，說明該窯線所用生料中含有部分結晶SiO2且尺寸偏大，這與2號生料磨0.2 mm篩余偏大有關。采用催化劑后，0.2 mm篩余略有下降，但仍偏高。

圖2 一線熟料巖相分析

圖3 一線熟料巖相分析

圖4 一線熟料巖相分析

A礦大部分為六角板狀，發育良好；視野內可見柱狀或長柱狀A礦，說明窯內煅燒溫度高、液相量富或KH高；A礦邊界清晰，大部分尺寸20～35μm；B礦在視野內較少，與A礦混雜，尺寸約10～25μm。

A礦發育良好，可見棱角，邊界清晰，尺寸20μm～35μm；B礦發育完整，雙晶紋可見，尺寸10μm～25μm。

為進一步驗證對比生料礦化催化劑效果，徐州中聯水泥有限公司二線在10月、11月停用催化劑，進行空白對比試驗。

二線熟料巖相分析見圖5、6、7，視野內可見結晶A礦(深色)、B礦（淺色），A礦未見明顯邊界，A礦、B礦呈成堆分布傾向明顯，A礦成堆分布，大片聯生，B礦在視野內大片成堆聚集分布。

A礦成堆分布，大片聯生；B礦在視野內大片成堆聚集分布，尺寸20～30μm。

A礦尺寸偏大，邊界不清晰，大片聯生，尺寸30～55μm；B礦雙晶紋可見，聚集分布，尺寸20～30μm。

XRD定量分析表明：一線的A礦含量比二線高約3.8%，有利于熟料強度及熟料易磨性；一線的C3A含量比二線低約1.2%，有利于改善適應性。

圖5 10月份二線熟料巖相分析

圖6 10月份二線熟料巖相分析

圖7 10月份二線熟料巖相分析

5 結語

一年的使用結果表明，對于礦山資源稟賦差、入磨石灰石粒度較大的企業，使用生料催化劑對提高生料制備臺時有明顯幫助。同時，對于因綜合利用固廢引入有害成分導致窯尾結皮多、熟料質量下降的企業，使用催化劑能在一定程度上降低結皮量，降低預熱器系統堵塞的風險，提高結晶硅反應活性，改善窯工況，提高熟料質量。