合理利用高镁质石灰石煅烧优质熟料

合理利用高镁质石灰石煅烧优质熟料

祁连山水泥 杨国春

我公司两条2500T/D熟料生产线采用Φ4.0m×60m回转窑，分解炉设计为TDF型。2010年因公司矿山开采面出现大面积条带状红褐色高镁石灰石矿层，使进厂石灰石氧化镁含量上升，且波动幅度较大，导致两台预分解窑热工不稳定，出窑熟料质量波动大, 熟料煅烧困难，质量明显下降，生产较为被动。通过实践摸索，我们采取调整配料方案、优化煅烧操作等一系列措施，取得了较好的效果。现将生产经验浅谈如下，以供参考。

一、入窑生料及出窑熟料MgO含量变化情况：

在正常生产时，熟料配料方案采用KH=0.89、n=2.7、P=1.45，对公司两台干法水泥窑比较适应，其生料和熟料化学成分、率值及矿物组成见表1和表2

入窑生料化学成分 表1

80um细度 14.1 12.5 13.3 CaO 44.58 44.63 44.56 SiO2 12.55 12.99 12.91 Al2O3 2.65 2.59 2.60 Fe2O3 1.88 1.85 1.82 KH 1.13 1.09 1.09 熟料化学成分、率值及矿物组成 表2

SiO2 Al2O3 Fe2O3 22.84 4.89 22.96 4.96 22.76 5.05 CaO MgO f-CaO KH SM AM C3S C2S C3A C4AF 立升重 1207 1207 1201 3.32 65.98 1.44 1.53 0.887 2.78 1.47 51.24 26.85 7.34 10.11 3.31 66.37 1.40 1.73 0.888 2.78 1.50 50.58 27.72 7.54 10.07 3.33 66.24 1.54 1.73 0.891 2.72 1.52 51.00 26.82 7.75 10.11 2010年5~6月，因矿山开采面矿石分布发生变化，且搭配不均匀，造成进厂石灰石氧化镁含量上升，MgO含量由1%上升至6%，且波动幅度较大，入窑生料中MgO含量达2.3%以上。由于使用高MgO石灰石的经验缺乏，配料方案和煅烧操作没有及时有效地作出适应性调整，造成窑况长时间不正常和熟料强度降低的现象。使用高MgO石灰石后,入窑生料和熟料组成,见表3、表4

高MgO石灰石入窑生料化学成分 表3

CaO 43.01 42.96 42.98 SiO2 14.00 13.64 13.62 Al2O3 2.65 2.29 2.57 Fe2O3 1.78 1.65 1.72 MgO 1.92 2.03 2.18 SO3 0.00 0.00 0.00 Na2O 1.03 0.88 0.87 K2O 0.07 0.07 0.06 KH 0.97 1.01 1.00 SM 3.16 3.46 3.18 IM 1.49 1.39 1.49 1

42.89 13.47 2.18 1.71 2.36 0.00 0.88 0.07 1.03 3.46 1.28 高MgO石灰石熟料组成 表4

化学成分/% SiO2 22.8 22.7 23.03 Al2O3 4.7 4.58 4.56 Fe2O3 CaO MgO fCaO 3.24 4.01 2.35 KH 率值 n p 1.61 1.52 1.54 C3S 39.79 40.94 42.78 矿物组成/% C2S C3A C4AF 2.92 64.36 3.62 3.01 65.06 3.43 2.97 64.41 3.23 0.871 2.99 0.888 2.99 0.866 3.06 35.39 7.51 8.89 34.24 7.04 9.16 33.83 7.06 9.04 二、高MgO石灰石对熟料煅烧的影响：

生产中由于入窑生料MgO含量上升，出窑熟料结粒明显增大,粗细不均,飞沙严重，窑内结圈、结蛋现象频繁。从液相量计算公式

L=3.0Al2O3+2.25Fe2O3+K2O+Na2O+MgO可以看出，液相量与熟料中所含Al2O3、Fe2O3、MgO、碱含量有关，熟料中MgO含量超过2%以上需乘以系数1.5，熟料中碱含量为0.6%，通过计算可知，表2中熟料液相量为24.18%，表4中液相量高达26.7%，上升了2.52% ，MgO上升相当于增加了液相量。由于MgO含量的增加，降低了熟料出现液相的温度，使得熟料低温液相量增加，液相粘度降低，从而使过渡带出现了大量的液相量，熟料提前结粒，且结粒逐步增大，这些大结粒的物料到达烧成带后，热量从颗粒表面传到内部需要的时间延长，而预分解窑物料运动速度又比较快，物料在窑内停留时间短，熟料不易烧透，就会造成f-CaO含量增加。为了降低f-CaO含量，中控操作员通常的操作方法是降低窑速，延长煅烧时间，来达到降低f-CaO含量的目的，但这样的做法往往适得其反，更加恶化了窑的煅烧操作。从筒体扫描仪也可以观察到，随着MgO含量的增加，窑皮明显增长,由正常煅烧时的17～19m，增长到21～25m,此时应采取及时降低熟料中Al2O3含量和缩短火焰长度等措施来冲刷窑皮，否则窑皮会长达28米以上，厚度也会增加，我们在停窑查看时最厚处曾达到过700mm,通风直径仅为2.0m,严重影响了窑内通风，致使窑内工况恶化,熟料质量降低,被迫停窑处理结圈和大蛋,给窑的连续运转和稳定操作带来了很大困难。

其次因我公司预热器系统分解炉为带预燃室的TDF炉，使用高镁石灰石配料时，生料的易烧性得到改善，相应降低了液相出现的温度，分解炉出口温度在正常控制的情况下，预燃室结皮或积料较为频繁。

三、使用高镁质石灰石原料对熟料质量的影响

我公司两条干法生产线在使用高MgO石灰石之前，出窑熟料质量基本稳定，

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3天抗压强度平均可达24.5 MPa，28天抗压强度平均达55.0 MPa。搭配高 MgO石灰石后，由于 MgO和Fe2O3的合量增加，熟料液相量增多，粘度下降，虽然熟料的易烧性得到改善，但煅烧范围变窄，不利于f-CaO的吸收和各种矿物晶体发育，窑内易结圈，窑电流比正常生产时大幅度上升，物料被带起的高度增加，为了降低烧成温度，可通过减少用煤量来降低窑的热力强度，但是随着窑头用煤量的减少，窑内热焓降低，出窑熟料结构疏松，f-CaO严重偏高，升重值大幅度下降，熟料质量明显降低。熟料中MgO含量从1.5%上升至3.8%时，出窑熟料3d抗压强度从24.5 MPa下降至21.0 MPa，下降了3.5MPa，28d抗压强度从55.0MPa下降至52.2 MPa，下降了2.8MPa。熟料性能变化见表5

熟料性能变化 表5

比表面积 m2/kg 360 350 细度 % 4.8 4.9 标准稠度 % 22.60 22.80 凝结时间 初凝 92 96 终凝 137 135 抗折强度 3d 5.3 4.6 28d 8.6 8.2 抗压强度 3d 24.5 21.0 28d 55.0 52.2 备注 正常生产时 MgO偏高时 通过生产实践得出的结论是，随着石灰石中MgO含量的上升，熟料强度会逐步降低，因此可通过提高生料中SM和适当提高KH，相应提高C3S和C2S的含量，以提高熟料强度。

四、采取的措施：

为稳定熟料质量和煅烧操作，尽可能降低高镁质石灰石原料对煅烧操作的影响，生产出优质熟料，公司组织相关人员认真分析和总结，从生产过程的各环节进行控制，积极采取措施，取得了较好的效果，具体的做法是：

1、合理并严格搭配高镁质石灰石以稳定配料。

为了使熟料中MgO含量能稳定在2.2%以内，必须控制生料中MgO含量≤1.3%。因此从石灰石进厂和搭配上严格把关，增加检测频次，将高MgO含量的石灰石连续稳定的搭配进厂，尽可能减少MgO含量波动。同时为稳定生料质量，在石灰石进厂时加强对石灰石均化堆场的管理，严禁定点布料，做好原料的均化，确保入窑生料中MgO含量均匀，为稳定操作和熟料煅烧创造条件。

2、对配料方案进行调整

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随着生料中镁含量的逐步升高，明显感觉到熟料结粒粗大、窑内结球、结蛋、长厚窑皮，煅烧困难。因此考虑通过调整配料率值对MgO升高进行调节，但由于原、燃材料中带入的MgO数量及晶体大小、碱、硫及微量元素的影响，很难在实际生产中进行准确计算和测试，只能通过分析、判断和摸索合理的配料方案进行生产。因此我们参考其它预分解窑企业经验，对熟料三率值进行摸索调整，采用“高硅酸率、高铝氧率、中饱和比”的配料方案，主要目的是提高硅率以降低熟料形成的液相量；提高铝率以减少铁的含量，增加液相黏度，有利于减轻窑内结球、结蛋、长厚窑皮，控制飞砂料，因此将熟料三率值确定为KH=0.89～0.91，SM =3.0～3.2，IM=1.8～2.0。调整配料后熟料成分及熟料性能变化见表6、表7

调整配料后熟料化学成分 表6

化学成分/% SiO2 22.30 22.51 Al2O3 4.71 4.83 Fe2O3 CaO MgO fCaO KH 率值 n p C3S 矿物组成/% C2S C3A C4AF 7.94 8.12 2.61 64.42 2.86 1.56 0.893 3.05 1.81 51.09 25.42 8.07 2.67 64.85 3.26 1.64 0.888 3.03 1.86 50.03 26.82 8.28 调整配料前后熟料性能对比 表7

比表面积 m2/kg 360 350 358 细度 % 4.8 4.9 4.8 标准稠度 % 22.60 22.80 23.60 凝结时间 初凝 92 96 88 终凝 137 135 127 抗折强度 3d 5.3 4.6 5.6 28d 8.6 8.2 9.0 抗压强度 3d 24.5 21.0 24.2 28d 55.0 备注 正常生产时 52.2 MgO偏高时 56.8 调整配料后 3、降低生料出磨细度，提高生料易烧性。

我公司低碱熟料生产采用矿山废石作为硅质校正原料，而矿山废石易磨性差，在生料制备中较为难磨，为提高生料立磨台时产量，将出磨生料细度由0.08mm筛的筛余量从12%提高至15%，但实际出磨生料细度的筛余量在饱磨时可能高达20～30%,同时操作员为了提高台时产量，细度跑粗现象较为严重，这也是影响生料易烧性，造成熟料煅烧困难的一个原因。

由于生料中MgO含量的逐步上升，且矿山废石易磨和易烧性差，在细度跑粗时氧化硅粒径增粗，使熟料煅烧困难， f-CaO持续偏高，质量明显下降，经参考大量文献，得出的结论是：在生料制备过程中，降低氧化硅粒径是提高生料易烧性的重要途径。因在熟料煅烧过程中，由硅酸二钙生成硅酸三钙的途径有两条：

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由硅酸二钙靠固相反应自我合成，析出氧化硅；或由硅酸二钙与氧化钙靠液相完成反应。不论是何种方式，反应均在原有颗粒中进行，但这将与生料粒径有很大关系，粒径一定后，C2S、C3S的结晶大小就基本确定，尤其是含氧化硅原料的细度是关键，因为碳酸钙分解后形成多孔的氧化钙，是靠氧化硅向氧化钙的孔内移动后进行反应的。大粒径的SiO2更容易形成瘤状、带状群的C2S，在生料饱和比偏高情况下，既使形成了C3S，结晶也较粗大，游离钙更易形成。因此我们通过降低出磨生料细度控制指标和加强对立磨操作员的管理，控制出磨生料细度在12%以内，提高了生料的易烧性。

4、降低煤粉细度和水分

由于进厂原煤质量差，灰分比较高（26～31%）且波动大（见表6），发热量低，加上煤磨选粉机出现故障和烘干能力差、导致煤粉细度粗、水分大。而煤粉的燃烧速度与煤粉的细度、灰分、挥发分和水分有关，灰分高、细度粗、水分大的煤粉着火点高，燃烧速度慢，黑火头长，容易产生不完全燃烧，在窑内形成低温长带煅烧，煤灰不均匀地掺入生料，火焰过长，窑后温度过高，液相提前出现，容易在窑内结蛋，生料中MgO含量高时更加剧了结球、结蛋、结圈现象的发生，对稳定操作和熟料煅烧极为不利。由于受地域和矿点选定的限制，在原煤的挥发分、灰分基本固定的情况下，只有降低煤粉细度和水分才能满足特定的燃烧工艺要求，因此我们通过调整煤磨钢球级配、对煤磨选粉机进行检修、提高入磨热风温度等手段来降低煤粉细度和水分，加速煤粉燃烧，提高窑前温度，控制火焰长度。

煤粉的工业分析及细度变化 表8

工 业 分 析(%) Mar 9.46 Mad 1.09 Ad 28.59 Vd Fcad 热值(Kj/Kg) Qnet.ad Qnet.ar 煤粉细度变化 检修前 检修后 18.08 52.24 21345 19488 18～25% ≤12% 5、操作中采取的措施：

⑴严格控制分解炉出口温度和窑尾温度，实现预分解窑后系统低温煅烧 由于高MgO的掺入，降低了熟料液相生成温度，增加了液相数量，降低了液相粘度，在生产中体会到若分解炉温度和窑尾温度按正常控制，窑尾烟室和分解炉缩口极易结皮，影响窑内通风，窑内还原气氛加重，形成恶性循环，从而进一

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步加剧了窑内结圈、结蛋现象发生。因此将分解炉出口温度做了严格要求，从正常生产时的870℃降低至850℃，同时谨慎小幅度降低窑头用煤量，将窑尾温度控制在1000±50℃以内，以防液相过早出现，减少因MgO高造成的结皮堵塞现象，同时也避免了因入窑物料分解率过高而引起窑内长厚窑皮、结圈的情况发生，使窑后系统保持在低温煅烧状态，可以缓解Mg0含量高造成烧成范围变窄、操作困难的状况

⑵提高窑速，发挥预分解窑“薄料快转”的特点

由于入窑生料中MgO含量上升，出窑熟料结粒粗大、窑内结球、结蛋现象严重，熟料烧不透，f-CaO增加，因此在操作中严格执行薄料快转制度，提高窑的快转率，将窑速从正常运转时的3.5r/min，提高至3.7 r/min,增加了物料在窑内的翻动频率，减少物料黏结，有利于C3S的形成和热交换的进行。同时薄料快转相对降低了窑内物料的填充率，减少了窑内通风阻力，有利于煤粉燃烧。因此，在保证熟料正常煅烧的前提下，力求将窑保持在高转速，严禁慢窑大料、顶火逼烧，降低了窑内长厚窑皮、结球、结圈的几率，控制出窑熟料结粒细小均齐。

⑶重视篦冷机操作、努力提高二、三次风温，加速熟料冷却

因煤粉细度粗、水分大、燃烧速度慢，容易产生不完全燃烧，在窑内易形成低温长带煅烧，因此在操作中力求控制好篦冷机的料层厚度，降低出篦冷机熟料温度和废气温度，提高入窑二次风温和入分解炉三次风温，保证窑内火焰顺畅和煤粉在分解炉内充分燃烧，高度认识篦冷机在操作中的重要地位是非常必要的。要求篦冷机料层厚度控制在合理范围之内。有效保证入窑二次风温在1050～1150℃，同时三次风温也能控制在850～950℃，从而提高煤粉的燃烧速度和烧成带的温度，提高热回收能力。

另外控制好篦冷机的料层厚度，可加速熟料的冷却，使熟料中C3S、β-C2S晶形稳定,产生更多的玻璃体,避免L(液相)+C3S→C3A+C2S的转熔反应。同时也有利于形成小晶格的MgO矿物，提高MgO在液相中的溶解度,减小方镁石对水泥安定性的影响。

⑷控制合理的烧成带长度

在煅烧高镁质石灰石生料的过程中，从筒体扫描仪观察到窑皮明显增长增厚,浮窑皮长度增加，物料在窑内提前成球，易形成大蛋。在生产中，要根据实际煅

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烧状况控制好一次风用量，及时调节燃烧器间隙和内外风用量。为了提高窑头温度,控制内风阀门开度为100%,外风开度为50～80%,加大一次风量，调节内风出口的间隙,使出口风速加大,增强煤粉与高温二次风的混合,确保煤粉快速燃烧,使火焰缩短,控制烧成带长度。当发现窑电流波动较大，判断窑内有结圈、结蛋迹象时及时移动燃烧器，改变燃烧器火点位臵，从而使结圈在冷热交替的情况下不易形成。也防止窑皮增厚和拉长，稳定火焰的形状，可避免由于火焰不稳定而引起窑皮异常等问题。

6、及时对窑尾烟室及分解炉缩口进行处理，保证窑内通风

因Mg0含量高，窑尾烟室和分解炉缩口极易结皮，影响窑内煅烧，因此制定了相关措施对烟室和分解炉缩口不定期进行清理，以保证窑内通风，减少还原气氛。

五、效果

通过采取上述措施，充分利用现有高镁质矿产资源，实现了回转窑的稳定操作，解决了窑内长厚窑皮、结球、结圈现象，提高了出窑熟料质量和窑的运转率，减少了矿山开采剥离量，取得了较好的经济效益。

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