第 3 章原料及预均化技术

第3章原料及预均化技术

§1 原料一、概述 硅酸盐水泥熟料的主要原料是石灰质原料（主要提供氧化钙）、粘土质原料（主要提供氧化硅、氧化铝，也提供部分氧化铁）及部分校正原料。我国粘土原料及煤炭灰分中一般含氧化铝较高，而往往含氧化铁不足；因此使用天然原料的水泥厂，绝大部分需用铁质校正原料。即采用石灰质、粘土质和铁质校正原料进行配料。

当粘土中氧化硅含量不足时，亦可用高硅原料如砂岩、砂等进行校正；当粘土在氧化铝偏低时，可掺入高铝原料如煤渣、粉煤灰、煤矸石等。当粘土中氧化硅含量不足时，亦可用高硅原料如砂岩、砂等进行校正；当粘土在氧化铝偏低时，可掺入高铝原料如煤渣、粉煤灰、煤矸石等。此外，为改善易烧性，往往掺入少量的萤石、石膏、重晶石尾矿或铜矿渣等作为矿化剂。值得注意的是，随着工业生产的发展，综合利用工业废渣已成为水泥工业的一项重要任务。目前粉煤灰、硫铁矿渣、高炉矿渣等已用水泥原料或混合材；另外如赤泥、油页岩渣、电石渣、钢渣等也在不断加以使用。煤矸石、石煤可代替粘土质原料配料等。

一、石灰质原料 1、石灰质原料的作用提供生成熟料矿物所需的CaO。 2、天然石灰质原料常用的天然石灰质原料有石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。我国大部分水泥厂使用石灰岩和泥灰岩。只有在河南、陕西、四川等地有储量不大的白垩；在湖南、浙江、海南等地有一定储量的贝壳类原料。

（1）石灰岩 石灰岩就是由CaCO3所组成的化学与生物化学沉积岩。主要矿物是方解石（ CaCO3）、白云石（MgO）、硅质（石英或燧石）、含铁矿物和粘土质杂质。是一种具有微晶或潜晶结构的致密岩石。纯方解石含CaO56%、CO244%，即CaCO3 100%，白色。自然界中方解石因含杂质不同，而呈灰白、淡红、红褐或灰黑等颜色。

（2）泥灰岩 泥灰岩是由碳酸钙和粘土质物质同时沉积所形成的均匀混合的沉积岩。它是一种由石灰岩向粘土过渡的岩石。主要有三种： 1）高钙泥灰岩——CaO含量大于45%，KH大于0.95时的泥灰岩。配料时应加粘土配合，如大同、洛阳、贵州等些水泥厂曾采用这类泥灰岩。 2）低钙泥灰岩——CaO含量小于43.5%，KH小于0.8时的泥灰岩。配料时通常应与石灰石搭配使用，如华新水泥厂等。

3）天然水泥岩——CaO介于43.5-45%之间，各率值也和熟料相近，这种泥灰岩称为天然水泥岩。3）天然水泥岩——CaO介于43.5-45%之间，各率值也和熟料相近，这种泥灰岩称为天然水泥岩。泥灰岩是一种极好的水泥原料，因它所含有的石灰岩和粘土呈均匀状态，易于煅烧，有利于窑的产量，降低原料消耗。（3）白白垩白垩是由海生生物外壳与贝壳堆积成的，主要由隐晶或无定形细粒疏散的碳酸钙所组成的石灰岩。我国白垩土一般在黄土层下，土层较薄，埋藏量大。

白垩以白色发亮的为最纯，CaCO3可达90%以上。但常夹有红粘土、燧石等。白垩以白色发亮的为最纯，CaCO3可达90%以上。但常夹有红粘土、燧石等。白垩易于粉磨和煅烧，是立窑水泥厂的优质石灰质原料。白垩制备料浆时，其需水量较高，料浆水份可达40%以上，影响窑的产量与燃料消耗，故不适宜湿法生产。 3、化工石灰质副产品（1）电石渣是化工厂乙炔发生车间消解石灰排出的含水约85-90%的消石灰浆。

1吨电石约可产生1.15吨干渣（相当于6-7吨料浆）。电石渣由80%以上的10-15μm的颗粒组成，可不必磨细，但流动性差，在正常流动度（70mm）时，水份达50%以上，影响煅烧。（2）碳酸法制糖厂的糖滤泥，氯碱法制碱厂的碱渣，造纸厂的白泥等，它们的主要成分是碳酸钙，均可用作石灰质原料，但应注意其中杂质的影响。 4、石灰质原料的品位要求（1）CaO含量应不低于45-48%，以免发生配料困难。一般要求大于等于48%。

（2）石灰岩中不允许有不均匀夹杂的粘土杂质。（2）石灰岩中不允许有不均匀夹杂的粘土杂质。石灰岩中不均匀夹杂的粘土杂质，如风化残积的山坡土和裂隙土，不但使石灰石成份波动大，不利于配料，而且不利于运输、破碎与储存，严重时必须剥离。（3）石灰石中，MgO含量须小于3.0%。石灰石中的白云石（CaCO3·MgCO3）是熟料中MgO的主要来源。为使熟料中MgO小于5.0%，应控制石灰石中MgO小于3.0%。

（4）石灰岩中碱含量应小于1.0%，以免影响煅烧和熟料质量。对于新型干法窑应小于0.6%。三氧化硫含量也应控制在1%以下。（4）石灰岩中碱含量应小于1.0%，以免影响煅烧和熟料质量。对于新型干法窑应小于0.6%。三氧化硫含量也应控制在1%以下。（5）石灰岩中燧石和石英（结晶的SiO2）含量应小于4.0%，同时生产中对含燧石和石英高的原料应磨细一些。燧石通常以α –石英为主要矿物，黑色，质坚，难以磨细和煅烧。这也是部分生料磨控制900孔筛的原因。（6）重结晶的大理石与方解石含量要低，且粉磨时应控制200μm筛余小于0.5-1.0%。

经过地质变质作用，重结晶的大理石与方解石结构致密、结晶完整粗大（晶粒往往大于100μm 以上），虽化学成分较纯，CaCO3含量高，但不易磨细与煅烧。因此应加以控制与磨细。（7）石灰岩中裂隙土（主要矿物为蒙脱石）含量要低。其原因主要针对湿法生产时，增加料浆水份。（8）石灰质原料化学成份应稳定，不能波动太大，生产时应注意搭配使用，并进行预均化。

（9）要有满足服务年限的储量 近年来，各企业越来越重视矿山的资源勘探，其目的主要是： A、保证储量满足服务年限要求，以避免工厂投产生因原料耗尽而转产或关闭； B、使原料储量级别、品位满足矿山开采要求； C、有害成分，如游离氧化硅、碱、硫、氯含量严格限制，确保正常生产。

二、粘土质原料 1、粘土质原料的作用提供生成熟料矿物所需的SiO2、Al2O3及部分Fe2O3。 2、天然粘土质原料主要有黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩、河泥等。其中黄土与粘土用得最广。（1）黄土

黄土与粘土都是由花岗岩、玄武岩等风化分解后，再经搬运或残积形成，随着风化程度不同，所形成矿物也各异。其粘粒（小于5 μm ）含量随风化程度而增长。我国黄土主要分布在华北与西北地区。黄土中的粘土矿物以伊利石为主，还有蒙脱石与拜来石等，以及长石、石英、白云母、方解石、石膏等矿物。黄土中含有细粒状、斑点状、薄膜和结核状的CaCO3，一般含量达5-10%。

黄土中的碱主要由白云母、长石带入，含量约为3.5-4.5%。黄土中的碱主要由白云母、长石带入，含量约为3.5-4.5%。黄土的化学成分以SiO2、Al2O3为主，硅率在3.5-4.0之间，铝率在2.3-2.8之间。比重为2.6-2.7。水分随地区降雨量而异，华北、西北一般为10%左右，南方地区相应要高。对黄土的颗粒分析表明，粗粉砂粒（粒径为0.05-0.01mm）约占25-50%，粘粒（粒径小于0.005mm）约占20-40%。黄土的塑性指标较低，约8-12。

（2）粘土 粘土与黄土一样是由花岗岩、玄武岩等风化分解后形成的。粘土分为华北、西北地区的红土、东北地区的黑土与棕壤，南方地区的红壤与黄壤，其主要特征是粘粒占40-70%。红土中粘土矿物主要为伊利石与高岭石，还有长石、石英及方解石、白云石等。红土中SiO2含量较低，Al2O3与Fe2O3含量较多，硅率较低，约为1.4-2.6，铝率约为2-5，塑性指数约为18-27。

黑土与棕壤土中的粘土矿物主要是水云母与蒙石，还有细分散的石英与长石、方解石、云母等矿物；黑土碱含量约4-5%，棕壤在3.5%以下，它们的SiO2含量较高，硅率约2.7-3.1，IM为2.6-2.9；粘粒含量约为40-55%，塑性指数17-20。黑土与棕壤土中的粘土矿物主要是水云母与蒙石，还有细分散的石英与长石、方解石、云母等矿物；黑土碱含量约4-5%，棕壤在3.5%以下，它们的SiO2含量较高，硅率约2.7-3.1，IM为2.6-2.9；粘粒含量约为40-55%，塑性指数17-20。红土与黄壤土中的粘土矿物主要是高岭石，其次是伊利石、三水铝矿等，有些还含有长石、石英、赤铁矿等。它含碱量低，SM=2.5-3.3，IM=2-3，粘粒含量约40-60%，塑性指数介于17-45之间，一般为20-25。

（3）页岩 页岩是粘土受地壳压力胶结而成的粘土岩，其化学成分与粘土相似。主要矿物为石英、长石、云母、方解石以及其他岩石碎屑。页岩的SM较低，一般为2.1-2.8之间，通常需硅质校正原料。（4）粉砂岩粉砂岩的硅率一般大于3.0，铝率2.4-3.0，含碱量2-4%。

3、非天然粘土质原料 主要有赤泥（铝厂废渣）、煤矸石、粉煤灰等工业废渣。（1）赤泥赤泥是铝工业中用烧结法从矾土中提取氧化铝时所排出的赤色工业渣。每生产1吨氧化铝约产生1.5-1.8吨赤泥。当作粘土质原料使用时，虽然料浆的正常流动度水分高达40-50%，但由于赤泥含有大量的C2S，故热耗仍较低，产量较高。但料浆在储存与运办过程中，易发生的沉淀结硬。

赤泥含碱、钛量较高，对熟料煅烧和质量有较大影响。赤泥含碱、钛量较高，对熟料煅烧和质量有较大影响。赤泥成分随矾土化学成分不同而异，且经常波动，应及时调整并保证生料的均化。（2）煤矸石是采煤时排出的含煤量较低的废石，自燃后呈粉红色。（3）粉煤灰是火力发电厂排出的粉尘。它们由于含氧化铝较多，硅率较低，应掺加硅质校正原料进行调整。

4、粘土及粘土质原料的品质指标及要求 （1）衡量粘土质原料质量好坏的主要指标 1）粘土的化学成分；SM、IM； 2）含砂量； 3）含碱量； 4）粘土的塑性； 5）热稳定性； 6）正常流动度的需水量。

（2）品质指标与要求 1）为便于配料，不掺校正原料时，要求粘土质原料： SM=2.5-3.5，最好为2.7-3.1； IM=1.5-3.0； SiO2含量应为55-72%。如果SM过高，大于3.5时，可能含粗砂（粒径大于0.1mm）过多，为砂质土。如果SM小于2.3-2.5，则是以高岭石为主导矿物的粘土，配料时，除非石灰石含有较高的SiO2，否则要掺加难磨难烧的硅质校正原料。铝率IM不符合要求，也要加校正原料。

2）粘土应尽量不含碎石、卵石、粗砂含量应小于5.0%；2）粘土应尽量不含碎石、卵石、粗砂含量应小于5.0%； 3）碱含量：应小于4.0%； 4）MgO含量：应小于3.0%； 5）可塑性好。立窑与立波尔窑用粘土塑性指数应不小于12。

三、校正原料 当石灰质原料与粘土质原料配合所得成分不能符合配料方案要求时，必须根据所缺少的组分，掺加相应的校正原料。 1、铁质校正原料我国石灰质原料和粘土质原料中通常Fe2O3含量不足，因此，我国绝大部分水泥厂均要掺加含Fe2O3较高的铁质校正原料。（1）品质要求主要要求Fe2O3含量大于40%。

（2）常用铁质校正原料 主要有：铁矿石、炼铁厂尾矿、硫酸盐厂工业硫酸渣（硫铁矿渣）等。硫铁矿渣主要成分为Fe2O3，含量大于50%，红褐色粉末，但含水量较大。铜矿渣与铝矿渣，也可作铁质校正原料，同时其中所含的FeO能降低烧成温度和液相粘度，可起矿化剂作用。

2、硅质校正原料 当SiO2含量不足时，须掺加硅质校正原料。品质要求：硅质校正原料SiO2含量应为：70-90%；但高于90%时，由于石英含量过高，难磨难烧。

四、关于原材料的综合讨论 综述：扩大原料资源，充分合理利用低品位原料和工业废渣，是提高水泥企业经济效益和可持续发展的重要措施。所谓低品位原料就是指那些化学成分、杂质含量与理化性能不符合一般水泥生产要求的原料。如何利用好这些原料是我们义不容辞的职责。

§2 熟料矿物组成的选择一、概述 1、合理选择熟料矿物组成的目的（1）提高和确保水泥质量；（2）提高窑、磨产量；（3）降低消耗；（4）确保设备长期安全运转。

2、合理选择熟料矿物组成应考虑的主要因素 （1）水泥品种；（2）原料品质；（3）燃料品质；（4）生料制备工艺、设备与技术状况；（5）熟料煅烧工艺、设备与技术状况；（6）原燃材料、生料均化等其他工艺条件与技术状况。

一、水泥品种 1、通用硅酸盐水泥对于通用硅酸盐水泥，国标除了规定应具有正常的凝结时间、良好的安定性以及符合相应要求的标号强度等基本性能外，无其他特殊要求，其成分可在一定范围内波动。因此，可采用诸如低铁、低硅、高硅、高KH等多种配料方案。但应注意三个率值要配合适当，不能过分调整某一率值。

2、特种硅酸盐水泥 生产特殊要求的水泥进，应根据它的特殊技术要求，选择合理的熟料组成。如：白水泥，要求Fe2O3低，采用高IM方案；道路水泥，要求C4AF高，采用低IM方案。

二、原料品质 如前讨论，原料的化学成分与工艺性能对熟料的矿物组成影响很大，情况也很复杂。一般情况配料时遵照如下原则：在一般情况下，为了简化工艺，便于生产控制，即使熟料组成略为偏离理想要求，配料时仍采用二种或三种原料的配料方案；除非这种配料不能保证正常生产，才考虑更换某种原料或掺加另一种校正原料。

三、燃料品质 水泥工业用燃料有气体燃料（天然气、石油液化汽等）、液体燃料（石油，以重油为主）和固体燃料多种。我国水泥工业用气体和液体燃料的企业相当少，绝大部分采用煤作为燃料。在此，我们也仅主要讨论煤对矿物组成选择的影响问题。煤的影响主要有三个方面：

1、煤的灰分 煤燃烧后的灰分会进入熟料中。灰分的掺入将使熟料： KH降低0.04-0.16； SM降低0.05-0.20； IM升高0.05-0.30。因此，配料计算时应将煤灰作为一个组分考虑。

2、煤的挥发分 挥发分过高，燃烧速度快，火焰短，热力集中，形成短焰急烧；挥发分过低，燃烧速度低，火焰长，热力分散，形成低温长带煅烧。同理，对于立窑：挥发份过高时，由于燃烧速度快，火力集中，底火层薄，料子在高温带反应时间不足，影响熟料质量，同时挥发分从料球中溢出的速度过快，可能造成破球。 3、煤的热值

四、生料成分的均匀性 生料化学成分的均匀性，对熟料的煅烧和质量有重要影响，因而也影响到配料方案的确定。要特别注意的是：KH必须与生料均匀性相适应。在同样的原料和生产条件下，生料成分的均匀性差的工厂，在配料时，熟料KH应比生料成分均匀性好的工厂低，否则会使熟料f-CaO增加，影响质量。

五、窑型与规格 物料在不同类型窑内的受热情况和煅烧过程不完全相同。因此，设计熟料矿物组成时应有所区别。 1、传统回转窑（主要讨论湿法窑）回转窑内由于物料不断翻转，与立窑、立波尔窑加热相比，物料受热和煤灰掺入都比较均匀，使烧成带物料反应进程比较一致，因而可适当提高熟料的KH。湿法回转窑合理的配料方案为：“一高二低”，即高KH、低SM、低IM。具体建议：KH=0.88-0.92；SM=1.9-2.1；IM=1.1-1.3

2、立窑 立窑的通风、煅烧都不很均匀，因此立窑熟料在不掺矿化剂时，KH应适当低些，不可太高；在掺矿化剂时，可适当提高KH。 3、预热器窑和窑外分解窑这类窑一方面由于生料预热好，分解率高，另一方面为防止结皮、堵塞、结大块，目前趋向于低液相量，高KH的配料方案。分解窑的合理配料方案趋向于“两高一中”，即适中的饱和比KH，较高的铝率IM和较高的硅率SM，具体建议：KH=0.86-0.92，SM=2.4-2.6，IM=1.5-1.6

以上关于熟料率值的选择，除窑型外，回转窑还与规格等性能有关，如：以上关于熟料率值的选择，除窑型外，回转窑还与规格等性能有关，如：窑的长径比（L/D）小时，短窑易造成预烧能力不足，窑内往往形成短焰急烧，物料反应时间不足，不得不降低KH。讨论：熟料的三个率值KH、IM、SM是互为影响、互为制约的，不能片面强调某一率值而忽视其他，必须互相配合。

六、综合讨论 总之，影响熟料矿物组成选择的因素是多方面的。设计一个合理的配料方案应根据所生产水泥的品种和质量要求、原料资源的可能性以及各厂具体条件相结合。另外，各种窑型对生料还有一定特殊要求：湿法窑：要求生料亲水性小，料浆易流动以降低料浆水分；立窑：要求生料易成球，料球性能好；

预热器窑和分解窑：则要求 （1）碱含量低：Na2O+K2O≤ 1%；（2）Cl-含量：＜0.015-0.020%；（3）生料和原料的硫碱比：

§3 原料预均化

一、概述 1、生料均化与原料预均化生料均化过程实际贯穿于生料制备的全过程。一般认为：矿山搭配开采，原、燃料的预均化，生料在粉磨过程中的均化和生料粉磨后储存过程中的均化（生料均化）等四个环节构成均化链。每经过一个环节都会使原料或成品进一步得到均化。各个环节的均化作用不同，均化效果也不一样。原料预均化和生料均化是均化过程的主要环节，它们占全部均化工程量的80%。

2、预均化的发展历史 众所周知，在水泥生产过程生料质量的均齐和稳定，是熟料质量的重要保证。上世纪五十年代以及更早的时期，水泥生产偏重于湿法，主要原因就在于料浆易于均化。自从1951年出现旋风预热器以后，悬浮预热、窑外分解煅烧技术日益发展，研究生料均化技术也随干法生产的发展而不断深入并得到成功。预均化堆场在本世纪初的1905年就已经在美国的冶金工业部门得到应用，但在水泥工业中开始应用则在五十年代末和六十年代初。自从第一台旋风预热器窑问世后，水泥工作者的注意力大多集中于研究各种型式的干法空气搅拌均化库。直到五十年代末，人们越来越发现，仅仅重视生料的均化，并不能完全满足生产工艺对均化的要求，只有在重视生料均化的同时也重视原料的预均化，才能取得最佳的技术经济效果。

3、原料预均化的意义 （1）某些矿山成分波动很大，生料CaCO3 %入库时波动达±5% 或更多，很难满足生料均齐性的要求。（2）入库生料波动大，仅仅均化生料的方法来保证生料均齐性，要耗用更多资金。（3）生料库的均化，特别是间断式的均化，只能减小或解决短时间内的波动，不能解决周期较长的大波动。（4）原料预均化堆场的均化作用是在储存原料的同时实现的，既有利于减少投资费用又有利于满足均化的需要。

4、目前世界预均化技术的现状 在发展预均化技术的同时，世界上发达国家对石灰石的需求进一步增加，冶金、化工、建材都不断发展，高品位矿石越来越少，自然界很难再找到大量高品位的矿石，因此要求水泥工业必须研究利用低品位矿石，包括若干夹石、有害成分在标准边缘的矿石以及非均质原料的利用。水泥工业为了进一步需求生料的均齐性，更经济地取得生料的均齐，扩大矿石原料的资源，也为了均化固体燃料—煤，总之为了进一步提高新型干法生产工艺线的经济效益，在世界范围内比较普遍地研究和发展了在生料粉磨之前的原料均化技术。由于原料是在粉磨之前均化的，所以统称原料预均化。世界上第一家采用原料预均化技术的水泥企业，是1959年美国河岸水泥公司。几十年来，各国预均化技术发展日趋完美，其主要标志是：

（1）均化效果较高，通常是5～8之间，最高达10，保证了生料所需要的均齐性。（1）均化效果较高，通常是5～8之间，最高达10，保证了生料所需要的均齐性。（2）扩大原料使用范围，延长原料矿山使用年限。（3）预均化堆场占地面积相对减少，由过去3.5～4m2/t熟料减少到2～2.5 m2/t熟料。（4）实现自动控制，减少和消灭短、长期的波动。目前预均化技术已被新型干法水泥企业广泛采用。

二、预均化的基本原理1、基本原理及技术经济意义二、预均化的基本原理1、基本原理及技术经济意义（1）基本原理矿石或原料在运输到工厂后，有一个储存、再取用的过程。简单的储、取过程，只发挥了储库或堆场的一个功能，就是储存的功能。如果在储存、取用过程中，利用储和取的不同方法，使储入时成分波动的原料，在取用时成为比较均匀的原料，这就是原料预均化的起始指导思想，也就是使储库或堆场兼有储存和均化的两个功能。

第 3 章 原料及预均化技术