CN107721216B - 一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺，包括炼铁高炉、渣槽、计量皮带、配料仓、生料磨机、烧成池窑、干淬渣余热锅炉、熟料料斗、中间料仓、料液入口、熔化室、硅酸三钙结晶室、溢流室、出料口。本发明的有益效果为：直接利用熔融的、液态的矿渣，其温度1450℃左右，是很好热源，通过对熔融的、液态的矿渣取样化验分析，补齐水泥熟料的化学元素的量，在保持液态的池窑温度中充分混合与扩散、反应直至生成主要矿物硅酸三钙。继而通过干淬渣余热锅炉干淬、粒化、换热，最终得到水泥熟料。减少了矿渣冷却和粉磨的能耗，减少了当前水泥生产烧成中预热、脱水、分解、形成液相烧结的能耗，减少了污染物的排放。真正做到了节能减排，是保护环境的真正减法。

Description

一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼及建筑材料领域，尤其涉及一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺。

背景技术

高炉冶炼过程排出的高温熔融液态渣，其温度可达1400℃以上，高炉液态渣热焓约为1700MJ/t，相当于60Kg标准煤的热量；高炉渣是由铁矿石中脉石、燃料中灰分和溶剂一般是石灰石中非挥发组分形成的物质,其主要成分氧化钙、氧化镁、三氧化二铝、二氧化硅，约占高炉渣总量的95％。高炉渣属于硅酸盐质材料，化学组成与某些天然矿石、硅酸盐水泥等相似，可代替天然岩石和用作水泥生产原料等。

我国高炉熔融渣的处理主要是通过水淬方式粒化并冷却，大量应用于建材领域的需求。水淬时需要消耗大量的水和电力10-15：1，当用作水泥活性混合材时，需要进一步烘干、磨细。

水泥作为主要建筑材料，生产量巨大；水泥生产过程要经历矿石开采、运输、破碎、预均化、磨细、煅烧，在煅烧中水泥材料要在窑内预热、脱水、预分解、分解、固相反应到部分熔融、再溶于液相烧结成水泥熟料，水泥熟料烧成温度在1450℃，在这个过程中最先进的预分解窑熟料热耗通常也在2920—3200KJ/Kg；最常用的硅酸盐水泥熟料主要化学成分为氧化钙、二氧化硅和少量的氧化铝和氧化铁。主要矿物组成为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硅酸盐水泥熟料加适量石膏共同磨细后，即成硅酸盐水泥。

高炉液态渣与硅酸盐水泥熟料化学组成基本相同，只是主要化学成分含量不同，其化学含量见下表：

化学成份	CaO	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO
						水泥熟料	62-67％	20-24％	4-7％	2.5-6％	1.8-3％
高炉矿渣	32-49％	32-41％	6-17％	0.2-4％	2-13％

现有水泥熟料烧成过程中要消耗大量石灰石等资源和电、煤等能源，而作为混合材的矿渣从熔化的液态矿渣到水淬矿渣也消耗了大量的水而且耗电，排放有害气体，造成严重的环境污染问题，烘干、磨细又消耗大量的能量。而直接利用高炉冶炼中大量排出的高温熔融液态矿渣，充分利用其有效成分，在高温液态状态下烧成水泥熟料可以最大幅度地减少水泥生产中矿石开采、运输、破碎、预均化、磨细、煅烧的资源和能源消耗，避免液态矿渣水淬、粒化、冷却中水、电、煤的消耗。

因此，针对以上方面的问题，本发明提出了一种全新的直接利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的生产工艺。

发明内容

本发明提供了一种利用高炉炼铁过程中熔化的液态矿渣在液态状态下，通过取样化验，根据化验结果和水泥熟料的化学组成要求配料，并经淬冷、粒化和换热，从而烧成水泥熟料，同时为后续的余热发电提供高效的能源。避免了水泥生产和矿渣水淬、烘干、磨细过程中的资源和能源消耗，真正作减法，减少温室气体排放、减少粉尘排放的一种利用高炉渣制取水泥熟料的工艺，符合循环经济、清洁生产的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺，包括炼铁高炉、渣槽、计量皮带机、配料仓、生料磨机、烧成池窑、干碎渣余热锅炉、熟料料斗、水泥磨机、料液入口、熔化室、结晶室、溢流室、出料口，其特征在于：

所述一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料工艺包括以下步骤：

a.将炼铁高炉排出的高炉液态矿渣经渣槽流入烧成池窑保持液化状态；

b.对高炉液态矿渣取样化验分析，根据高炉液态矿渣取样化验结果进行配料；

c.配料加入烧成池窑中

配料由配料仓经计量皮带送入生料磨机，由生料磨机磨细的配料经给料计量皮带送入，和高炉液态矿渣一起进入烧成池窑中；

d.配料溶解并与高炉液态矿渣进行相互扩散

配料及高炉液态矿渣在烧成池窑经入料口进入熔化室，在熔化室中保持温度为1550～1600℃，被液态矿渣润湿、熔化、溶解、扩散，配料中三氧化二铝、氧化铁和氧化钙、二氧化硅在高温液态矿渣中全部溶解，并在液相中相互扩散；

e.反应生成液态水泥熟料

结晶室中温度略低于熔化室，料液由高温处经液流洞流入结晶室，随着反应时间的延长CaO和C₂S不断溶解、扩散，C₃S晶核不断形成，并逐渐发育、长大，最终形成几十微米大小、发育良好的硅酸三钙晶体；

在达到石灰饱和系数的浓度时，进行硅酸盐反应，扩散中Ca离子与硅酸根离子、硅酸二钙反应，即硅酸二钙吸收氧化钙而形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙；

其反应式如下：

CaO+C₂S-C₃S，CaO为液态，在1350～1450℃条件下CaO和C₂S反应生成的C₃S可以为固态也可以为液态；

当硅酸盐反应结束，大部分二氧化钙、二氧化硅生成硅酸三钙，形成全液相的液态硅酸盐水泥熟料，完成熟料的烧结过程经溢流室流入出料口；

f.淬冷粒化形成固态水泥熟料

液态水泥熟料通过烧成池窑出口流入干淬渣余热锅炉，在干淬渣余热锅炉中，干淬渣余热锅炉与液态硅酸盐水泥熟料换热，液态硅酸盐水泥熟料被粒化、淬冷，干淬渣余热锅炉吸收液态硅酸盐水泥熟料热量产生蒸汽，液态硅酸盐水泥熟料形成固态水泥熟料从干淬渣余热锅炉排入熟料料斗；

g.混合研磨为成品水泥：

固态水泥熟料排出后经计量皮带在加入石膏和混合材进入水泥磨机，磨到一定细度即是成品水泥。

本发明所述的一种利用高炉渣制取水泥熟料的工艺的有益效果为：

直接利用熔融的、液态的矿渣，不但直接利用液态矿渣化学成分，而且充分利用其液相状态下的高温和热量，完全省去液态矿渣水淬、粒化、冷却；省去烘干，磨细；

使用了和水泥煅烧设备完全不同的烧成设备，即带有熔池的烧成池窑，它可以承接液态的矿渣并保持其液态温度，方便操控窑内温度，为配料的润湿、熔化、熔解、扩散，为硅酸盐反应和形成硅酸三钙，提供了液相温度和液相浓度；

配料直接在液态矿渣中熔解，在液相中进行硅酸盐反应，生成液相的硅酸盐水泥熟料，减少了开采、破碎、粉磨的能耗和资源消耗；

工艺流程短，设备相对简单，占地少，投资省，便于实现全自动化操作；

液态的水泥熟料在干淬渣余热锅炉淬冷，防止硅酸三钙的分解和硅酸二钙的晶型转变，而且其热量回收发电，热效率利用达到最大化；

节能、环保并相应的减少燃烧气体排放，符合可持续发展观。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺流程示意图；

图2是本发明实施例所述一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺流程示意图；

图3是本发明实施例所述一种利用高炉渣制取水泥熟料的工艺的烧成池窑结构示意图。

图中：1、炼铁高炉；2、渣槽；3、计量皮带；4、配料仓；5、生料磨机；6、烧成池窑；7、干碎渣余热锅炉；8、熟料料斗；9、水泥磨机；10、料液入口；11、熔化室；12、结晶室；13、溢流室；14、出料口。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明实施例所述的一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺，包括炼铁高炉1、渣槽2、计量皮带机3、配料仓4、生料磨机5、烧成池窑6、干碎渣余热锅炉7、熟料料斗8、水泥磨机9、料液入口10、熔化室11、结晶室12、溢流室13、出料口14，其特征在于：

所述一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料工艺包括以下步骤：

a.将炼铁高炉1排出的高炉液态矿渣经渣槽2流入烧成池窑6保持液化状态；

b.对高炉液态矿渣取样化验分析，根据高炉液态矿渣取样化验结果进行配料；

c.配料加入烧成池窑6中

配料由配料仓4经计量皮带3送入生料磨机，由生料磨机5磨细的配料经给料计量皮带3送入，和高炉液态矿渣一起进入烧成池窑6中；

d.配料溶解并与高炉液态矿渣进行相互扩散

配料及高炉液态矿渣在烧成池窑6经入料口10进入熔化室11，在熔化室11中保持温度为1550～1600℃，被液态矿渣润湿、熔化、溶解、扩散，配料中三氧化二铝、氧化铁和氧化钙、二氧化硅在高温液态矿渣中全部溶解，并在液相中相互扩散；

e.反应生成液态水泥熟料

结晶室12中温度略低于熔化室11，料液由高温处经液流洞流入结晶室12，随着反应时间的延长CaO和C₂S不断溶解、扩散，C₃S晶核不断形成，并逐渐发育、长大，最终形成几十微米大小、发育良好的硅酸三钙晶体；

在达到石灰饱和系数的浓度时，进行硅酸盐反应，扩散中Ca离子与硅酸根离子、硅酸二钙反应，即硅酸二钙吸收氧化钙而形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙；

其反应式如下：

CaO+C₂S-C₃S，CaO为液态，在1350～1450℃条件下CaO和C₂S反应生成的C₃S可以为固态也可以为液态；

当硅酸盐反应结束，大部分二氧化钙、二氧化硅生成硅酸三钙，形成全液相的液态硅酸盐水泥熟料，完成熟料的烧结过程经溢流室13流入出料口14；

f.淬冷粒化形成固态水泥熟料

液态水泥熟料通过烧成池窑6出口流入干淬渣余热锅炉7，在干淬渣余热锅炉7中，干淬渣余热锅炉7与液态硅酸盐水泥熟料换热，液态硅酸盐水泥熟料被粒化、淬冷，干淬渣余热锅炉7吸收液态硅酸盐水泥熟料热量产生蒸汽，液态硅酸盐水泥熟料形成固态水泥熟料从干淬渣余热锅炉7排入熟料料斗8；

g.混合研磨为成品水泥：

固态水泥熟料排出后经计量皮带3在加入石膏和混合材进入水泥磨机9，磨到一定细度即是成品水泥。

本发明依据的是水泥行业标准，依据水泥原料标准、采用水泥熟料原料成分、化学组成、配料率值，依据水泥熟料烧成过程和原理。但和当前水泥生产工艺完全不同的是直接利用高温熔融状态下液态矿渣，利用液态原料；并使需要加入的配料融入液态矿渣中，在液相中进行硅酸盐反应；即

液相

CaO+C₂S--C₃S

本发明所述的一种利用高炉渣制取水泥熟料的工艺使用了完全不同于当前水泥行业煅烧设备的烧成池窑，其熔池方便于承接液态矿渣和操控温度，设计成抽取窑顶热气，池底喷入，并且和配料一起喷入，增加熔池内搅拌效果，为液态矿渣和配料熔化、熔解、相互扩散提供空间，为硅酸盐反应和形成硅酸三钙提供时间和必要的反应条件，使在完全液相条件下烧成水泥熟料成为可能。

本发明所述的一种利用高炉渣制取水泥熟料的工艺根据液态矿渣化验分析，依据水泥熟料组成和率值配料，只是石灰饱和系数尽量取上限，铁率取下限。全液相条件下一般不会产生fCaO,而利于生成硅酸三钙，三氧化二铁含量高一些利于降低液相粘度，加快溶解速度、离子扩散速度。

根据水泥熟料烧成原理提高温度、增加液相量、提高溶解速率、降低液相粘度、降低液相表面张力均有利于硅酸三钙的形成，从而促进熟料的烧结。在本发明中液相量较多，操作中只要根据液相粘度、液相的表面张力控制温度，防止硅酸三钙晶型粗大，降低活性。操作中提高温度，离子动能增加，减弱了相互间的作用力，因而降低了液相的粘度，液相粘度直接影响硅酸三钙的形成速度和晶体的尺寸，液相粘度小，则液相的粘滞阻力小，液相中质点的扩散速度增加，有利于C₃S的形成和晶体的发育成长，操作中熔池温度愈高，液相表面张力愈小，愈容易润湿熟料颗料，愈加快质点或离子的扩散速度，降低离子扩散活化能，加快反应速度，促使硅酸三钙的形成。

实例1；用宝钢高炉液态渣生产普通水泥熟料

一吨液态渣加入生石灰87.37％、铁粉14％

石灰饱和系数0.96；铁率1.1

产品熟料化学成分：

SiO₂：20％；CaO：63.79％；Al₂O₃：7.75％；Fe₂O₃：4.76％；MgO：4.41％

实例2；用宝钢高炉液态渣和液态钢渣生产普通水泥熟料

化学成分

SiO<sub>2</sub>

CaO

MgO

Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>

Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>

TO<sub>2</sub>

MnO

SO<sub>3</sub>

液态矿渣

32.99％

40.22％

7.77％

2.29％

14.62％

0.44％

0.4％

0.14％

活性石灰

0.84％

94.5％

0.64％

液态钢渣

8.64％

44.55％

7.59％

15.05％

1.48％

FeO17.78％

粉煤灰

54.50％

2.31％

1.60％

7.34％

25.32％

一吨高炉液态渣加入液态钢渣60％、粉煤灰10％、生石灰93％；

石灰饱和系数：0.96铁率：1.49

产品熟料化学成分

SiO₂：18.44％；CaO：62.45％；Al₂O₃：7.21％；Fe₂O₃：4.82％；MgO：5.19％。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本案技术，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，本领域的技术人员根据本案的揭示，对于本案做出的改进和修改都应该在本案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺，包括炼铁高炉(1)、渣槽(2)、计量皮带机(3)、配料仓(4)、生料磨机(5)、烧成池窑(6)、干碎渣余热锅炉(7)、熟料料斗(8)、水泥磨机(9)、料液入口(10)、熔化室(11)、结晶室(12)、溢流室(13)、出料口(14)，其特征在于：

所述一种利用高炉熔融渣液相烧成水泥熟料的工艺包括以下步骤：

a.将炼铁高炉(1)排出的高炉液态矿渣经渣槽(2)流入烧成池窑(6)保持液化状态；

b.对高炉液态矿渣取样化验分析，根据高炉液态矿渣取样化验结果进行配料；

c.配料加入烧成池窑(6)中

配料由配料仓(4)经计量皮带(3)送入生料磨机，由生料磨机(5)磨细的配料经给料计量皮带(3)送入，和高炉液态矿渣一起进入烧成池窑(6)中；

d.配料溶解并与高炉液态矿渣进行相互扩散

配料及高炉液态矿渣在烧成池窑(6)经入料口(10)进入熔化室(11)，在熔化室(11)中保持温度为1550～1600℃，被液态矿渣润湿、熔化、溶解、扩散，配料中三氧化二铝、氧化铁和氧化钙、二氧化硅在高温液态矿渣中全部溶解，并在液相中相互扩散；

e.反应生成液态水泥熟料

结晶室(12)中温度略低于熔化室(11)，料液由高温处经液流洞流入结晶室(12)，随着反应时间的延长CaO和C₂S不断溶解、扩散，C₃S晶核不断形成，并逐渐发育、长大，最终形成几十微米大小、发育良好的硅酸三钙晶体；

在达到石灰饱和系数的浓度时，进行硅酸盐反应，扩散中Ca离子与硅酸根离子、硅酸二钙反应，即硅酸二钙吸收氧化钙而形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙；

其反应式如下：

CaO+C₂S-C₃S，CaO为液态，在1350～1450℃条件下CaO和C₂S反应生成的C₃S可以为固态也可以为液态；

当硅酸盐反应结束，大部分二氧化钙、二氧化硅生成硅酸三钙，形成全液相的液态硅酸盐水泥熟料，完成熟料的烧结过程经溢流室(13)流入出料口(14)；

f.淬冷粒化形成固态水泥熟料

液态水泥熟料通过烧成池窑(6)出口流入干淬渣余热锅炉(7)，在干淬渣余热锅炉(7)中，干淬渣余热锅炉(7)与液态硅酸盐水泥熟料换热，液态硅酸盐水泥熟料被粒化、淬冷，干淬渣余热锅炉(7)吸收液态硅酸盐水泥熟料热量产生蒸汽，液态硅酸盐水泥熟料形成固态水泥熟料从干淬渣余热锅炉(7)排入熟料料斗(8)；

g.混合研磨为成品水泥：

固态水泥熟料排出后经计量皮带(3)在加入石膏和混合材进入水泥磨机(9)，磨到一定细度即是成品水泥。

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