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利用煤矸石为原料烧制水泥的研究
利用煤矸石为原料生产水泥,在外省已有成功的经验,但是,广西的煤矸石成分与外省的煤矸石成分区别较大。外省煤矸石主要含SiO2、Al2O3等成分,CaO含量较低,只能用来代替粘土质原料,所以掺量较低,只占全黑生料的10%左右。广西地处石灰岩地带,其煤层处于石灰石夹层之间,开采出的煤矸石以CaO和SiO2为主,因此,不仅可以用于代替粘土质原料,而且可代替部分石灰石,煤矸石掺量可达全黑生料的30%。
广西合山矿务局开采煤已有80多年历史,现有煤矸石储存量达1050万t。广西建材工业学校与广西合山矿务局组成联合科研小组,共同研究利用煤矸石为原料烧制水泥。在实验室小试、土立窑中试的基础上,于1993年1月在广西合山矿务局现有4.4万t/a的生产线上进行工业性生产试验。此次工业性试验,共生产立窑熟料992t,磨制普通硅酸盐水泥1078.25t,试验过程表明,利用煤矸石为原料生产水泥,能满足生产工艺要求,生料易烧性好,生产出的水泥色泽好,为黑色,用户使用后反映良好,产品经广西建材产品质量监督检测站抽样检测,其性能和各项参数均符合GB175-85的要求。 2 生产条件及试产情况 2.1 主机设备 生料磨采用Φ1.83×7m开路磨机,配料系统采用微机控制配料。 立窑采用Φ2.2×7m液压塔式机立窑,成球采用预加水成球系统。 水泥磨采用Φ1.83×7m开路磨机,配料采用电磁振动给料机配料。 2.2 原、燃料化学成分 各原、燃材料化学成分详见表1,煤的工业分析见表2。
表1 原、燃料化学成分(%)
物料名称 | 烧失量 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO |
石灰石 | 41.96 | 3.17 | 1.02 | 0.60 | 52.10 | 0.97 |
煤矸石 | 33.76 | 20.13 | 2.16 | 1.56 | 39.16 | 1.27 |
粘 土 | 10.53 | 56.34 | 16.31 | 10.71 | 0.46 | 0.76 |
铁矿石 | 11.57 | 17.48 | 21.39 | 39.60 | 0.55 | - |
煤 灰 | 54.92 | 22.39 | 12.32 | 2.02 | - | |
萤石 | CaF2=70.00% |
名称 | Wad | Vad | Aad | FCad | Qnet,ad(kJ/kg) |
煤 | 1.47 | 7.32 | 33.03 | 58.18 | 22040 |
2.3 率值的选取 本次试验采用萤石,结合煤及煤矸石中的SO3形成复合矿化剂,由于原料中含铝较低,为了提高早强矿物含量,只有通过提高KH值来达到,为了保证f-CaO的吸收,促使C3S的形成,必须要有一定量的液相,因此,此次试验采用高饱和比、高铁配料方案。各率值控制指标为:KH=1.00±0.02,n=1.80±0.1,P=0.8±0.1,熟料热耗Q=4598kJ/kg熟料。
考虑到全部掺煤矸石不掺粘土,会影响生料的成球质量,不利于窑的煅烧,从而影响熟料产、质量,此次试验考虑两个方案见表3。
表3 两试验方案的配比(%)
方案 | 石灰石 | 煤矸石 | 粘土 | 铁矿石 | 煤 | 萤石 |
1号 | 50.5 | 30.00 | 2.50 | 4.00 | 12.00 | 1 |
2号 | 47.0 | 35.54 | - | 4.40 | 12.00 | 1 |
表4 生料化学成分
序号 | 烧失量 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | KH | n | P |
1 | 40.6 | 11.55 | 2.81 | 3.56 | 35.20 | 1.05 | 0.91 | 1.81 | 0.80 |
2 | 40.7 | 10.85 | 2.72 | 3.71 | 37.64 | 0.76 | 1.06 | 1.70 | 0.74 |
3 | 40.1 | 11.05 | 2.67 | 4.04 | 37.93 | 0.78 | 1.04 | 1.65 | 0.66 |
4 | 40.2 | 10.85 | 2.52 | 3.47 | 37.92 | 0.63 | 1.07 | 1.81 | 0.73 |
5 | 36.9 | 11.78 | 2.76 | 3.59 | 37.11 | 0.67 | 0.95 | 1.85 | 0.77 |
6 | 38.1 | 11.22 | 2.65 | 3.83 | 37.11 | 0.97 | 1.00 | 1.73 | 0.69 |
7 | 40.3 | 11.10 | 2.50 | 3.23 | 37.78 | 0.64 | 1.05 | 1.94 | 0.77 |
8 | 41.9 | 10.48 | 2.10 | 3.35 | 36.18 | 0.73 | 1.07 | 1.92 | 0.63 |
2.5 熟料化学成分
表5 熟料化学分析
序号 | 化学成分 | 率 值 | 矿物组成 | ||||||||||||
loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | f-CaO | KH | KH | n | p | C3S | C2S | C3A | C4AF | |
1 | 0.28 | 20.80 | 5.26 | 6.41 | 63.69 | 0.90 | 1.96 | 0.91 | 0.85 | 1.78 | 0.82 | 44.25 | 26.25 | 3.11 | 19.49 |
2 | 1.32 | 19.28 | 5.0 | 6.41 | 65.53 | 1.32 | 1.96 | 0.98 | 0.92 | 1.68 | 0.79 | 56.71 | 12.49 | 2.52 | 19.49 |
3 | 0.36 | 19.11 | 4.81 | 6.41 | 65.11 | 0.78 | 2.86 | 1.03 | 0.96 | 1.70 | 0.75 | 63.09 | 7.19 | 1.91 | 19.49 |
4 | 0.00 | 19.73 | 5.30 | 5.93 | 64.70 | 1.62 | 1.65 | 0.98 | 0.92 | 1.76 | 0.89 | 57.39 | 13.27 | 4.02 | 18.03 |
5 | 0.14 | 19.11 | 4.89 | 5.75 | 64.71 | 1.39 | 3.22 | 1.02 | 0.94 | -1.8 | 0.85 | 59.11 | 10.19 | 3.24 | 17.48 |
6 | 0.11 | 20.24 | 4.93 | 6.59 | 63.03 | 0.91 | 2.20 | 0.93 | 0.87 | 1.76 | 0.75 | 46.88 | 22.65 | 1.93 | 20.03 |
7 | 0.27 | 19.84 | 4.89 | 7.19 | 63.79 | 0.97 | 3.76 | 0.96 | 0.88 | 1.64 | 0.68 | 47.88 | 21.08 | 0.81 | 21.86 |
8 | 0.15 | 19.33 | 4.64 | 6.35 | 64.29 | 1.45 | 2.67 | 1.00 | 0.93 | 1.76 | 0.73 | 57.85 | 11.77 | 1.56 | 19.20 |
9 | 0.15 | 19.39 | 3.97 | 5.75 | 66.23 | 1.03 | 4.39 | 1.06 | 0.96 | 1.99 | 0.69 | 64.59 | 6.86 | 4.80 | 17.48 |
10 | -0.1 | 18.77 | 4.27 | 5.99 | 64.79 | 1.27 | 4.00 | 1.06 | 0.96 | 1.83 | 0.71 | 63.18 | 6.14 | 1.19 | 18.20 |
注:后两个样为第2号配料方案。
2.6 熟料物理性能
熟料物理性能见表6。
表6 熟料物理性能
序号 | 细度 | 凝结时间 | 抗折强度 | 抗压强度 | |||||
初凝 | 终凝 | 3d | 7d | 28d | 3d | 7d | 28d | ||
1 | 2.4 | 4:20 | 6:35 | 4.0 | 5.3 | 7.6 | 24.9 | 33.6 | 49.4 |
2 | 2.8 | 5:69 | 7:15 | 4.3 | 5.8 | 7.8 | 23.5 | 38.0 | 50.4 |
3 | 3.0 | 6:40 | 8:10 | 5.0 | 6.9 | 8.3 | 29.7 | 43.6 | 59.9 |
4 | 3.8 | 7:30 | 8:27 | 4.4 | 5.9 | 8.4 | 24.0 | 34.8 | 55.41 |
5 | 4.4 | 6:40 | 7:54 | 4.5 | 6.1 | 8.1 | 27.4 | 38.5 | 57.4 |
6 | 5.4 | 6:30 | 8:35 | 5.1 | 6.6 | 8.4 | 28.8 | 40.8 | 60.0 |
7 | 5.6 | 6:50 | 8:27 | 4.6 | 6.1 | 8.2 | 26.1 | 37.0 | 56.0 |
8 | 4.2 | 6:35 | 8:10 | 4.3 | 5.9 | 7.8 | 25.5 | 36.8 | 57.1 |
9 | 4.8 | 6:30 | 8:10 | 4.8 | 6.3 | 8.2 | 28.0 | 39.2 | 57.8 |
10 | 3.8 | 5:50 | 8:00 | 4.3 | 6.0 | 7.8 | 25.6 | 36.8 | 57.1 |
从以上结果分析,有两个熟料强度接近500号,其余8个熟料强度达550号以上。
2.7 水泥物理性能
由自治区建材产品质量监督检测站抽样检测,水泥物理性能见表7。
表7 水泥物理性能
序号 | 细度 | 凝结时间 | 安定性 | 抗折强度 | 抗压强度 | |||||
初凝 | 终凝 | 3d | 7d | 28d | 3d | 7d | 28d | |||
1 | 4.4 | 2:27 | 3:42 | 合格 | 5.2 | 6.5 | 8.0 | 28.8 | 40.9 | 56.7 |
2 | 4.2 | 4:50 | 6:30 | 合格 | 3.8 | 5.4 | 7.3 | 21.4 | 37.6 | 58.3 |
3 | 5.0 | 6:07 | 6:57 | 合格 | 3.9 | 5.4 | 7.4 | 20.0 | 38.0 | 57.5 |
4 | 4.6 | 2:05 | 3:25 | 合格 | 5.4 | 6.6 | 8.2 | 29.0 | 42.4 | 57.3 |
5 | 4.8 | 4:50 | 6:40 | 合格 | 3.8 | 5.6 | 7.4 | 21.2 | 37.5 | 55.7 |
熟料∶矿渣∶石膏=92∶6∶2。
3 主要技术关键
3.1 搞好煤矸石预均化
3.2 生料配料 根据均化后的煤矸石以及其它原燃料成分情况,选择一个合适的配料,由于各种原燃材料中Al2O3含量较低,此次试验选择了高饱和比、高铁配料方案。
3.3 煅烧 由于煤矸石配料与以往的配料方案不同,生料的不同在窑面反映的情况也不一致,因此,需要使窑工逐步适应这种料子的煅烧。
4 主要技术指标 4.1 均化后煤矸石TCaCO3标准偏差<1.5% 此次试验,共使用近600t煤矸石,用一部铲车均化了2d,然后从不同方向,不同层次取了24个样进行分析,其TCaCO3值平均为71.08%,标准偏差为1.34%。 4.2 出磨生料控制指标 TCaCO3=68.5%±0.5% 合格率>30% TFe2O3=4.0%±0.2% 合格率>30% 细度<10% 4.3 熟料 熟料强度>500号 f-CaO<3.5%
4.4 出磨水泥 SO3<2.8% 细度<5%
4.5 出厂水泥 符合GB175-85对425号和525号普通硅酸盐水泥的要求。
5 试验分析
从试验过程中可以看出,1号方案和2号方案均能满足工艺要求,熟料煅烧质量良好。从窑面情况看,料易烧,上火快,烧成反应速度快。出窑熟料f-CaO较低,最高为4.39%,最低为1.65%,平均2.87%。在煅烧近9d的时间里,平均每天窑产量在110t,在试验过程中,考虑到窑工对此种料煅烧的适应性,避免由于抢产量造成漏生,保证烧成率。开始几天,我们有意识的把生料库下料量降低一些,从而控制窑的产量,待窑工适应此种料的煅烧后,再加大一点下料量。窑工反映此种料易烧,窑的产量还可以有较大幅度的提高。2号方案与1号方案相比,其成球质量稍差,料球表面粗糙,强度稍差,成球不易控制。入窑煅烧后炸球较多,熟料中f-CaO增加。 从试验的配料方案、试验出的水泥性能看,此种水泥具有道路水泥的特性。其熟料中C3A含量较低,最高为4.02%,最低为0.80%,平均2.11%,因此,其抵抗变形的能力较大,反映出来是其后期抗折强度比较高,收缩变形比较小,脱模后其表面比较光滑。另外,熟料中C4AF含量较高,最高21.86%,最低17.48%,平均19.08%。C4AF是一种耐磨性较高的矿物,每增加1%的C4AF,水泥耐磨性的提高远较增加1%的C3S来得显著,耐磨性提高的幅度是后者的7~17倍,道路水泥熟料中通常要求C4AF含量大于18%,而采用煤矸石为原料生产的熟料中C4AF达19.08%,因此其耐磨性是好的。再者,试制出的水泥初凝时间较长,均大于2h,能满足道路的施工程序,因此,利用煤矸石为原料,不仅可生产普通硅酸盐水泥,而且也可以生产道路水泥。 从上述情况分析可得出以下结论:
(1)采用本地煤矸石为原料生产水泥,在工艺技术上是可行的,煤矸石代替80%的粘土和30%的石灰石,总掺量占全黑生料的30%,可以生产出高标号水泥。
(2)采用煤矸石为原料配制的生料易于煅烧,烧成反应速度快,熟料中f-CaO较低,熟料强度高,产量也较高。
(3)单位熟料煤耗降低10.78%,电耗降低1.6%,有利于节能,降低水泥生产成本。
(4)采用煤矸石为原料,投资少,可大幅度提高企业的经济效益。
(5)有利于保护土地资源,变废为宝,减少环境污染,有很好的社会效益。
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