煤矸石制备Q相生态水泥试验研究

【摘要】：在我国的能源消费结构中,煤炭的消耗是主要的组成部分。煤炭开采和洗选加工程中产生的固体废物煤矸石,其巨量排放和简单处置诱发了环境、社会和经济问题,随着经济社会的快速发展,资源、能源、环境等问题愈显突出,煤矸石的综合利用工作越发受到重视。与此同时,水泥工业制备传统水泥熟料面临优质高钙石灰石资源消耗殆尽的严峻局面,由于传统水泥熟料的制备对原料的选取较为严格,对煤矸石的化学组成和石灰石资源的品质要求较高,利用煤矸石制备普通硅酸盐和硫铝酸盐水泥熟料面临工艺、资源等问题。基于煤矸石资源化利用过程中存在的诸多问题和水泥工业存在的优质钙基原料短缺问题,本课题提出开展煤矸石与相对优质石灰石资源较为丰富的低品质钙基质制备Q相生态水泥关键技术研究,力求煤矸石的热、渣联合高效利用和低品质钙基质在水泥工业的资源化。 对试验原料煤矸石以及造纸厂污泥原料进行化学组成分析、熔融特性分析以及热值分析。通过煤矸石以及造纸厂污泥的化学组成分析结果可以清楚的看到,煤矸石的化学成分与水泥生产中的粘土质原料极为相近,硅铝含量较高,因此将煤矸石应用于水泥生产用来代替粘土质原料是完全有可能的,造纸厂污泥中的CaO含量虽然不高,但也可以满足Q相水泥CaO含量的要求。通过煤矸石以及造纸厂污泥的熔融特性分析结果可以看出煤矸石的灰熔点虽然有点高(高于1500℃),但与粘土(熔点1580℃)相比已经较低了,且造纸厂污泥的灰熔点较低,原料的熔点降低,对生料的煅烧过程有一定的积极作用,较低的熔点能够使煅烧过程中液相出现的温度降低,从而促进熟料的烧成,降低烧成温度。此外,通过煤矸石以及造纸厂污泥的热值分析结果可知,煤矸石和造纸厂污泥本身都具有一定的发热量,这样还可以为水泥煅烧提供一定的热量,从而达到节约水泥煅烧煤耗的目的。 以煤矸石、低品质钙基质污泥、分析纯CaO、分析纯MgO、分析纯SiO2为原料,根据Q相水泥的矿物组成中的主要矿物Q相矿物(6CaO·4Al2O3·MgO·SiO2的分子式对Q相水泥生料配方案进行设计计算,共设计三种配料方案：(1)以分析纯CaO、分析纯MgO、分析纯Si02为原料进行设计计算,得到的制备Q相水泥熟料基础配料方案。(2)以分析纯CaO、分析纯Si02、煤矸石为原料,在基础备料方案的基础上进行设计计算,得到的煤矸石制备Q相水泥熟料配料方案。(3)以分析纯CaO、低品质钙基质污泥、煤矸石为原料,在煤矸石制备Q相水泥熟料配料方案的基础上进行设计计算,得到的煤矸石及低品质钙基质共同制备Q相水泥熟料配料方案。 试验采用高温电阻炉模拟水泥煅烧工艺,根据Q相水泥生料配方案对生料进行配制,然后进行生料的粉磨、均化和熟料煅烧,试验中设置了1200℃,1230℃,1260℃,1290℃,1320℃等五个煅烧温度进行煅烧试验,并对煅烧试验得到的熟料样品进行XRD分析。实验结果表明,随着温度的升高,烧成的熟料在外观上可以清楚的石到液相的逐渐增多,并最终在1320℃时熟料已基本烧成。通过对熟料的XRD分析也可以清晰地石到,生料在温度为1320C时煅烧获得的熟料的主要矿物组成为具有较好水化特性的矿物2CaO·SiO2和Q相。 最后,对在1320℃时煅烧获得的熟料进行固硫特性分析,分析结果表明,单用煤矸石制取Q相水泥熟料或利用煤矸石和低品质钙基质共同制备的Q相水泥熟料的固硫效果都较好,平均可达50%以上,其固硫率前者可达72.13％,后者可达51.24%。