工藝節(jié)能與巖礦潛能（下）

傅圣勇 來正新 秦至剛

工藝節(jié)能與巖礦潛能（下）

傅圣勇 來正新 秦至剛

2 巖礦潛能

2.1 巖礦潛能應建立的幾個概念

2.1.1 巖礦潛能的來源

任何水泥原料都是地質(zhì)運動（包括自然風化、自然成巖和礦物及礦物組合等）巨大能量運動的結(jié)果。按能量守恒規(guī)則，這些巨大的能量有一部分必定轉(zhuǎn)換到巖石、礦物上，所以，巖礦具有潛在能量。這是這個理論的第一個概念。即地殼運動的巨大能量（溫度、壓力和時間）轉(zhuǎn)換而來的巖礦潛能為基礎，建立起來用巖礦潛能特性和組合物性的匹配，調(diào)整出高潛能巖礦原料的燒成節(jié)能方向。

2.1.2 巖礦潛能在燒成中的具體體現(xiàn)

（1）原料組成礦物分解點的高低。如低品位石灰石800℃，高品位石灰石900℃，沸騰分解差，能耗就差。

（2）原料組成礦物的熔點及原料的熔點高低。如輝綠玢巖1070℃，粘土1350～1400℃，高嶺石1580℃，石英則要1713℃，熔出的能耗不一樣。

（3）原料礦物含水量的多少。如多水高嶺石組成礦物本身含水24.5%，高嶺石13.96%，脫水省能不一樣。

（4）原料中含能量礦物多少和變價礦物多少。如還原的沉積和熱液變質(zhì)巖，有FeS2、FeS、CuFS2、PbS、ZuS等自然能放出能量的礦物。

（5）原料中富氧礦物的多少。所謂富氧礦物就是對O2-結(jié)合鍵弱的礦物如島狀Si-O結(jié)構(gòu)的綠簾石，Ca2Fe，Al2[SiO4][Si2O7]O（OH），區(qū)域變質(zhì)巖中經(jīng)常出現(xiàn)的十字石礦物Fe2Al9[SiO4]2O（7OH）等，這些礦物在燒成快速升溫至＞800℃時會分解出O2-內(nèi)部助燃，更重要的是會在礦物內(nèi)部解聚Si-O結(jié)構(gòu)成反應體的[SiO4]4-,促進CaO-[SiO4]4-的硅酸鹽熟料反應。

（6）原料礦物組成的元素活力特征大小、遲早。如基性巖漿巖和變質(zhì)巖中的普通角閃石，（Ca，Na）2-3（Mg，F(xiàn)e，Al）5[Si（6Si，Al）2O22]（OH，F(xiàn)）2，450～600℃時，Ca、Na很快分解出來，活力性也很高；600～900℃時，由O-Mg、Fe、Al-（OH）組成八面體分解出來Mg、Fe3+、Al2+；而在[Si（6Si，Al）2O22]中的Al3+是四配位的A l-O四面體，不會解離出來Al3+，分析中是有數(shù)量，但不存在Al3+元素活力。

2.1.3 耗能高低的概念

水泥原料巖礦中最多的是硅酸鹽礦物，而硅酸鹽礦物的Si-O結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定著水泥燒成能耗的高低，其Si-O結(jié)構(gòu)有5類9種（見表4）。

例綠簾石的Ca2Fe，Al2[SiO4][Si2O7]O（OH），分解出[SiO4]4-只要礦物分解就成了，Si2O7+O2-→2[SiO4]4-，只要沖入1個O2-就可以分解出來2個[SiO4]4-活性離子，而原料最常出現(xiàn)架狀Si-O結(jié)構(gòu)的石英顆粒，溶出一個[SiO4]4-，要4個O2-，并且要同高溫擴散力協(xié)同作用才可得到一個[SiO4]4-的效果。

所以，硅酸鹽礦物中的Si-O結(jié)構(gòu)是決定燒成能耗的主宰者，Si-O結(jié)構(gòu)越簡單分解點和熔點越低；架狀石英（SiO2）解聚Si-O結(jié)構(gòu)所需溫度越高，相應熱耗升高，解聚則更困難。

表4 硅酸鹽礦物Si-O類型表

2.1.4 用新巖礦原料應建立新工藝

水泥工藝學上講的理論熱耗，用的原料是好石灰石+粘土，按地質(zhì)巖礦潛能概念，有很多的巖礦原料特性與它不一樣，因此，在工藝上要進行改革，適應新原料的巖礦特性，否則會一敗涂地。如用低鈣石灰石和銅鉛鋅尾礦巖礦時，為適應上火快，用小料球而改進了燒成；海南華盛天涯水泥有限公司昌江熟料基地把粘土改用千枚巖，分解爐改大了體積；新疆布爾津水泥廠把粘土改用區(qū)域變質(zhì)巖中的綠泥石片巖，易燒性改進，采用快燒快卸的操作方法。這都是建立的新原料、新工藝。

2.2 應用巖礦潛能與建立匹配機制

很顯然，用高品位石灰石（分解點高），是不經(jīng)濟的，用粘土（熔點高）是不合理的；用礦化劑是多余的。利用巖礦中的潛能一定比傳統(tǒng)能耗低。

立窯平均熱耗只達到4389kJ/kg熟料（1050kcal/kg)。1990年，浙江某廠用低品位石灰石和就地鉛鋅尾礦，熱耗低至2508kJ/kg熟料（600kcal/kg），實際流量測試2236.3kJ/kg熟料（535kcal/kg），熱平衡測試2633.4kJ/kg熟料（630kcal/kg）。這里可以看出兩個內(nèi)容：

（1）全國立窯平均熱耗與浙江應店街比相差了2152.7kJ/kg熟料（450kcal/kg）。這是巖礦更換后產(chǎn)生的巖礦潛能不同的結(jié)果。

（2）流量實驗室測試遠低于熱平衡測試結(jié)果，說明更換巖礦之后，巖礦原料有自能礦物和自氧礦物。即巖礦中有氧化放熱的金屬硫物，像FeS2和變價元素礦物及礦物過渡結(jié)晶的放熱作用；其次，有對氧鍵結(jié)合較弱的富氧礦物，燒成升溫到＞800℃以上，放出氧O2-直接助燃，使燃燒完全和快速解聚出[SiO4]4-活性反應體?？梢钥闯龅推肺皇沂ê湎担?鉛鋅尾礦（區(qū)域變質(zhì)）是低低相配，因此產(chǎn)生低能耗、低氧耗比新型干法回轉(zhuǎn)窯還低627kJ/kg熟料（150kcal/kg），約低20%，如果低品位石灰石（CaO40%～45%），配用高熔點粘土，低高相配，不但不能節(jié)省熱耗，熟料也不容易燒好，fCaO高；高品位石灰石配金屬尾礦，同樣高低相配，熱耗不會降低，fCaO高，強度變低。

匹配，在應用巖礦潛能來節(jié)能時是一個很重要的技術手段。這個手段必須要掌握原料礦物的分解點時活力元素分解出來的溫度、時間和化合能力，例如巖漿巖中的中性巖、基性巖、像安山巖、玄武巖等SiO2不飽和狀態(tài)，不會出現(xiàn)架狀Si-O結(jié)構(gòu)，易燒性好；巖漿巖中酸性噴出巖其原來的架狀結(jié)晶SiO2都由于噴出急冷成為非結(jié)晶分裂的SiO2，易燒性變好。所有這些原料特性的出現(xiàn)都要很好的匹配才能省能耗。

礦物的自能自氧，要在識別巖礦成因性質(zhì)上來初步了解，例如細的黑色炭質(zhì)泥質(zhì)巖是還原環(huán)境生成，保留了黑色易燒炭質(zhì)，其中沉積的Fe2O3、ZnO、PbO在還原氣氛下把有機硫還原轉(zhuǎn)化成為FeS，F(xiàn)eS變成有自能礦物；變質(zhì)巖中的熱液變質(zhì)、區(qū)域變質(zhì)的巖石中有較多自氧礦物。如綠簾石、十字石等。

把原料巖礦組成特性匹配和原料礦物化學成分特性匹配有機結(jié)合起來：水泥燒成元素的活力特性要靠元素所在的礦物特性來表達，燒成的過程是原料礦物特性表現(xiàn)的過程，所以，要掌握原料礦物特性匹配。

原料分析出來的化學成分是抽象的，用抽象成分配方只是初略設定熟料礦物的組成，其實這個設定也是一個虛形的設定，因為巖礦中出來的元素活性有死有活，像四配位Al3+，始終燒不成C4A、C4AF，只代替Si-O四面體的作用，計算時，把生料中A l2O3計算高了，認為早期強度會高，結(jié)果不高；低品位石灰石早就分解出CaO，粘土很遲出來活性的[SiO4]4-，燒成中的CaO已經(jīng)燒死了，但SiO2活性還很高，故CaO-[SiO4]4-反應不好，計算C3S、C2S很高，預計強度很高，結(jié)果強度不高，就因為不匹配，反應不好。所以，匹配是很重要的。

2.3 量化巖礦潛能，促進燒成節(jié)能

巖礦特性組合匹配能理解，但難于量化，不易操作。其實，量化在實踐中的做法是兩準一評一表法程序。

兩準：（1）以工藝學上的理論熱耗的實驗數(shù)據(jù)為準。原因是它的原料代表最高能耗；（2）以我國立窯平均熱耗4189kJ/kg熟料為準。原因是該數(shù)據(jù)代表各種原料燒成可以達到的結(jié)果。

一評：對選擇的原料礦物以地質(zhì)潛能的表現(xiàn)方面加以評估，與理論熱耗標準比較高低。例如：用高品位石灰石沸騰分解點900℃，而用低品位石灰石是800℃。工藝學上，高品位石灰石分解，用掉1988.0kJ/kg熟料，每升高1℃要花掉2.21kJ熱量，（2.21×100）÷4.18＝221kJ=52.87kcal，即用高、低品位石灰石可能熱耗差209kJ左右，則用低品位石灰石1985.5kJ/kg熟料－209kJ/kg熟料=3030.5kJ/kg熱耗。

再例，用粘土與尾礦。粘土脫水花掉167kJ，而尾礦沒有水（結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水）或很少水，可算評估它是粘土的一半，83.5kJ；尾礦熔點（1250℃）低于粘土（1350℃），燒粘土花掉523kJ/kg熟料，標準中900℃升到1400℃，升了500℃，每升1℃要花掉1.05kJ，而尾礦熔點低100℃，要省105kJ，所以用尾礦物523kJ/kg熟料－105kJ/kg=418kJ/kg熟料。

一表：見表5。

表5 原料巖礦特性匹配的熱耗計算

按原料巖礦特性評估和工藝學上的理論熱耗的對比評估，至少有一點從抽象化學成分配方向真實性配方邁進了一步，符合原料巖礦組合特性匹配+原料化學組分特性匹配=燒成工藝配方。

所以，在認識和熟悉巖礦特性基礎上，根據(jù)當?shù)刭Y源，應用匹配的技術手段，選擇好原料，能夠促進燒成節(jié)能的新發(fā)展。

3 結(jié)束語

以地殼運動的巨大能量，轉(zhuǎn)移到水泥原料巖礦的潛在能量上的理論為基礎，利用巖礦潛能特性匹配和組合匹配為技術手段，并用合理科學的工藝技術方法，能有效地在水泥燒成中把潛能發(fā)揮出來，達到更好的節(jié)能目的。

正因如此，應把原料化學成分計算配方轉(zhuǎn)向到巖礦潛能特性匹配與原料化學特性匹配計算相結(jié)合的原料工藝過程上來。

實踐說明，用高品位石灰石因分解點高是不經(jīng)濟的，用粘土熔點高，而土又是人類賴以生存的源泉，破壞了是不合理的；用礦化劑卻又十分昂貴，所以改用新巖礦原料，其分解點、熔點低了，故是最經(jīng)濟合算的。

在十多個省市的企業(yè)中，我們實踐應用巖礦潛能，取得了令人滿意的效果，最高節(jié)能達45%以上。本文表述了一個新的節(jié)能方向，在此拋磚引玉，希望引起討論，并歡迎合作。

（連載完）

（編輯：方圓）

TQ172.4文獻標識碼：B文章編號：1007-6344（2010）03-0005-04

2009-10-26】