采用低硫黑煤矸石進行生料配料的研究與實踐

李 強 張金鐲 隋善耘 李付新 潘 政 廉 鋒 劉志強

(平邑中聯水泥有限公司，山東 臨沂 273300)

引言

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，是我國目前工業固體廢棄物中數量最大的一種，也是礦區環境污染和生態惡化的主要原因之一。由于煤矸石具有一定的發熱量，并且部分品種的煤矸石化學成分符合水泥熟料生產企業對鋁質校正材料的要求，因此近年來新型干法水泥企業利用煤矸石進行生料配料的嘗試逐漸增多，通過對這些企業調研發現，煤矸石配料容易出現生料磨臺時降低、SO2排放超標、預熱器結皮加重等問題。平邑中聯水泥有限公司(以下稱公司)在實踐中總結和吸取行業先行者的經驗和教訓，于2019年10月開始使用低硫黑煤矸石配料，效果良好，現將研究和實踐情況向同行分享。

1 研究實踐的背景

1.1 工藝設備條件

公司現有一條日產4 500t的新型干法水泥熟料生產線，回轉窯規格為Φ4.8m*72m，帶五級雙系列旋風預熱器和噴旋式在線分解爐，配套有9MW余熱發電系統，原料粉磨為2臺規格為Φ4.6m×(10+3.5)m的烘干中卸式生料磨系統。預熱器系統及窯尾鍋爐安裝有38臺亞音頻清灰裝置。

1.2 面臨的技術難題

公司原有的配料方案為石灰石、石英砂選礦污泥、鐵礦選礦污泥，鋁質材料四組分配料，其中鋁質材料為粉煤灰和燃煤爐渣搭配使用。一方面，近年來粉煤灰價格飆升，供求矛盾日益加劇，導致出現不少劣質粉煤灰，控制難度非常大，使用粉煤灰配料的生料質量波動較大；另一方面，燃煤爐渣水分可達22%～26%，尤其是去年公司在石灰石生產均化過程中使用了噴淋降塵的方案，導致生料磨入磨水分驟升至4.5%左右，粉煤灰緊缺時，單獨使用燃煤爐渣配料生料磨臺時比使用粉煤灰配料平均降低20t/h，嚴重時出現生料產量低于窯系統喂料量的現象，導致生料均化庫庫位低于有效均化庫位，入窯生料率值波動大，嚴重降低了燒成系統的穩定性。

2 煤矸石配料的難點研究和對策

為解決公司生料配料的被動局面，公司化驗室開始研究使用煤矸石作為鋁質校正原料的方案。通過向相關企業同行學習調研，以及查閱相關資料，總結出使用煤矸石配料的難點和對策。

2.1 易引起窯尾SO2排放超標

相關文獻顯示：新型干法水泥生產過程中的SO2排放與燃料帶入的硫和硫酸鹽在預熱器和窯之間的循環沒有太大關系，而與原料中硫化物和亞硫酸鹽的量密切相關[1]。生料組分中的硫除了硫酸鹽外，主要以硫化物和亞硫酸鹽形式存在。硫化物氧化和亞硫酸鹽分解產生的SO2在通過上級旋風筒時會被部分吸收，其余則隨廢氣一道從預熱器排出。如果廢氣用于烘干原料，則SO2在原料磨中進一步被吸收。但在溫度低于600℃的情況下，CaCO3對SO2的吸收效率要遠低于CaO。上面兩級預熱器中CaCO3分解率較低，且僅有少量CaO被煙氣從高溫部分帶去，吸收效率很低[2]。因此控制SO2排放量主要從控制原料的硫含量入手。

2.2 窯尾及預熱器溫度不好控制，易造成預熱器結皮堵塞

相關文獻表明，多數煤矸石在400℃開始分解失重，450～480℃燃燒放熱，700℃可燃燒完全[3-4]，正對應預熱器2級到4級的溫度區間，可造成預熱器及窯尾溫度偏高，熱工制度異于常態，操作不當易引起預熱器結皮堵塞，因此需要調整燒成工藝方案，降低尾煤用量，控制系統溫度，煤矸石發熱量應控制在在200～400KCal/Kg之間，不宜過高，同時我公司預熱器和窯尾鍋爐安裝有38臺亞音頻清結皮裝置，根據實踐經驗對預熱器結皮有改善作用。

2.3 煤矸石硬度不穩定，易導致生料磨臺時波動，影響工藝穩定性

煤矸石按來源可劃分為掘進矸石和洗選矸石兩大類。掘進矸石即通常所稱的“白矸”,它主要是由煤礦巷道掘進中產生的大量巖石組成。洗選矸石是由工作面采出的夾矸及小量頂底板巖石，經洗煤廠洗選分離后排出，通常稱為“黑矸”。“黑矸”主要是硬度較低的粘土巖或泥灰巖；而“白矸”巖性較復雜，一般硬度較高，沒有或只有很低的發熱量。因此應選用洗選的黑煤矸石作為鋁質材料，同時加強原料驗收，保證黑煤矸石中不混雜白矸石或其他雜質。

3 煤矸石配料實踐

3.1 原燃材料

通過對周邊區域的樣品分析，最終確定以周邊區域某礦洗選的低硫黑煤矸石進行生產試驗，原燃材料的分析數據如表1和表2所示。

表1 原材料及煤灰化學分析(%)

表2 原煤與低硫黑煤矸石工業分析

3.2 配料方案

生料配料使用石灰石、石英砂選礦污泥、鐵礦選礦污泥，鋁質材料四組分配料，其中方案1和方案2是試驗開始前三個月以內的正常生產數據統計值，方案3以低硫黑煤矸石作為鋁質材料，并控制原燃材料產地、品質、均化方案與前兩種方案相同，同時控制熟料的目標率值相同。具體實踐分析數據(平均值)如下。

表3 配料方案及生料主要質量指標

表4 不同配料方案系統參數對比

表5 不同配料方案窯尾SO2排放數據對比

表6 不同配料方案熟料質量對比

3.3 分析

從實踐結果的對比分析數據(表3～表6)可以看出。

(1)洗選的低硫黑煤矸石水分較低，易磨性較好，生料磨臺時與使用粉煤灰的方案1相比幾乎沒有差異，與使用燃煤爐渣的方案2相比可提升20t/h。

(2)方案3的生料細度合格率較前兩種方案也有大幅提高，這是由于粉煤灰計量秤(科里奧利秤)的穩定性比皮帶秤低得多，在加上粉煤灰本身質量波動就大，使用粉煤灰時不論是細度還是率值指標合格率都是最低的，而燃煤爐渣由于水分較大的原因，生料系統波動大，會對生料細度有一定影響。

(3)使用低硫黑煤矸石可降低標煤耗降低0.5%左右，同時余熱發電量提升3%左右。

(4)在原料磨為球磨機的條件下，如果低硫黑煤矸石作為鋁質材料，當控制其全硫含量在0.30%以下時，不會造成窯尾煙氣的SO2排放濃度偏高。

(5)使用低硫黑煤矸石配料，熟料的游離鈣低于其他兩個方案，合格率指標也較高，熟料的28d強度亦較高。

4 結 論

使用低硫黑煤矸石作為鋁質材料進行生料配料，方案可行。方案實施過程中應控制煤矸石的全硫含量和發熱量，并應選用硬度較低的洗選黑煤矸；應減少尾煤用量，控制預熱器溫度，以防止結皮堵塞，建議在預熱器安裝自動清結皮裝置。低硫黑煤矸石配料可提高生料磨臺時和生料細度合格率，降低系統煤耗，提高余熱發電量。同時還有助于改善熟料燒成質量，提高熟料28d強度。