CN87102197A

CN87102197A - 高炉熔融矿渣直接转换成水泥熟料的新工艺

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Publication number: CN87102197A
Application number: CN198787102197A
Authority: CN
Inventors: 孙竹良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1987-03-18
Publication date: 1988-11-02

Abstract

高炉熔融矿渣直接转换成水泥熟料的新工艺属建筑材料的一种制取方法。它是用加压后的高炉煤气与加温加压空气混合并燃烧成1500～1600℃的烟气，与新加粉末原料发生均匀混合。同时产生硅酸盐化学反应，然后在离心集聚反应器中集聚，并使反应彻底生成粒状水泥熟料。

本新工艺能充分利用高炉矿渣，充分利用矿渣热能和煤气热能，生产多种类型硅酸盐水泥熟料。

Description

本发明属建筑材料的制取方法。

现在用高炉矿渣制取水泥是将熔融矿渣用水骤冷、粒化，而制得玻璃体水渣，经烘干后，作为水泥熟料的配加料。一般配比为30～40%。

用配加料法生产矿渣水泥，熔融矿渣的热量未能利用。水渣粉磨耗电量大，效率低。并生产水渣耗水量大，而且矿渣水泥强度只能达400^＃左右，混凝土早期强度低。

通过对高炉矿渣的化学分析，铸造生铁和炼钢生铁的重矿渣，其中的氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO₂）、三氧化二铝（Al₂O₃）和氧化镁（MgO）含量占总量的百分之九十五以上，三氧化二铁（Fe₂O₃）、氧化锰（MnO）和硫（S）的含量一般均为百分之一左右。硅酸盐水泥的化学组成与高炉矿渣的化学组成完全一样，仅含量不同。各大钢厂的高炉矿渣成份见表一。

高炉矿渣的矿物组成，据我国不同成份矿渣的岩相鉴定，由于矿渣中二氧化硅和三氧化二铝的含量较多，生成较多的假硅灰石（α-2CaO·SiO₂）和钙铝黄长石（2CaO·Ai₂O₃·SiO₂）而使矿渣中硅酸二钙（2CaO·SiO₂）的生成量显著降低，并无法生成硅酸三钙（3CaO·SiO₂）

为了充分利用高炉矿渣，充分利用熔融高炉矿渣的热能，设计了一种高炉熔融矿渣直接转换成水泥熟料的新工艺，生产有普遍利用价值的水泥熟料。

本发明是用加压后的高炉煤气与载有高温粉沫原料的加温加压空气混合，并燃烧成1500～1600℃高温二相流气体，以200～300m/S的流速喷吹从混渣炉流出的1450～1500℃熔融矿渣，使其成雾状，并与高温雾状的固体粉沫原料-氧化钙（CaO）、三氧化二铁（Fe₂O₃）、氟化钙（CaF₂）等发生湍流态下的均匀混合，同时发生硅酸盐化学反应。然后在离心集聚反应器中集聚，并控制和延长反应时间，使反应彻底，氧化钙被完成吸收，生成粒状水泥熟料，并使烟气和熟料分开。

本发明水泥熟料生产工艺流程如附图1，工艺设备布置如附图2。

图2中高温高炉熔融矿渣液倒入入口（1）、流入有加热和保温作用的混渣炉（2）通过能控制流量的渣井（20），流入矿渣雾化器（19）中，高温空气与高温雾状的固体粉沫原料-氧化钙、三氧化二铁和氟化钙等组成的二相流通过输送管（16）进入燃烧喷口，与从正面喷入燃烧喷口的经加压到4～6Kg/Cm²的高炉煤气（设备布置中未画出）在燃烧喷口燃烧，喷射出1500～1600℃的高温气体，以200～300m/S的流速喷入雾化器，使矿液雾化，并与原料粉沫发生均匀混合。混合后的原料，通过反应输送管（4），以100～200m/S的流速从切线方向喷入离心集聚反应器（5），在离心集聚反应器（5）中，因离心力作用使生成的高温半液态水泥熟料迅速在筒壁上集结，而与烟气分离。水泥熟料分离出后，靠重力和水冷刮板的定期刮削，而进入旋转输送窑（13），并控制和延长了反应时间。通过有一定倾角的旋转输送窑的旋转，熟料被输送到气流隔离器（14）而落到复合式蓖式冷却机（15）上。此时氧化钙已被完全吸收，生成粒状水泥熟料。然后经4-6Kg/Cm²的压缩空气快速冷却。促进硅酸三钙（3CaO、SiO₂）的生成，增加熟料硅酸三钙的含量，最后通过破碎机（17）破碎，从（18）流到熟料成品库。

在复合式蓖式冷却机（17）中的压缩空气与高温熟料进行热交换，使其温度达750～850℃，高温压缩空气进入热空气输送管（16）中，与从第四级旋风筒热交换器（7）底部流出的高温原料粉沫相汇合，组成二相流而输送到燃烧喷口，最后到达矿液雾化器（19）中。

离心集聚反应器（5）中分离出的高温烟气，通过旋转输送窑（13）而从切线方向进入第四级旋风筒热交换器（7）的热风入口，依次经（8）、（9）、（10）各级旋风筒热交换器，完成对原料粉沫的热交换而排出。

铁矿石、石灰石、萤石经粉碎成90μm以下的粉沫，并按一定配料比混均，自原料仓（12）中经限料控制器（11）而依次进入（10）、（9）、（8）、（7），各级旋风筒热交换器，与高温烟气发生热交换。原料被加热到750～850℃，于第四级旋风筒热交换器（7）的底部进入热空气输送管（16），再由高压高温空气输送到燃烧喷口及矿液雾化器（19）中。

各限料控制器的供料量，风压、风温、风量等均可用电子计算机统一管理，不断实现以上各循环，连续生产水泥熟料。限料控制器的供料量和风量同步控制在误差百分之十范围，均可保证工艺的正常生产。

本工艺要求水泥熟料中的碱金属（Na₂O·k₂O）含量不大于1.2%高炉矿渣中氧化镁（MgO）含量不大于10%。

本工艺要求采用相应的防爆措施和安全措施。

本发明主要工艺设备的设计实施方案说明如下：

本设备设计以年产45万吨铁，日产1232吨高炉矿渣液的炼铁厂为设计基准。

1、矿液喷吹雾化器：

它由长2.4米，外径0.45米，内径0.4米的耐火锅炉无缝钢管组成。钢管外壁用水槽冷却。煤气燃烧后生成的高温烟气，与高温原料粉沫组成的二相流，以279m/S的流速，通过喷管的射流作用，将熔融的高炉矿渣喷吹成雾状，同时与新加原料粉沫混合，发生硅酸盐化学反应。矿液喷吹雾化器结构如附图3：

2、反应输送管

由外径2.5米，厚10毫米的钢管，内砌0.171米厚的高铝耐火砖和0.23米厚的轻质粘土砖构成，其为垂直高度14米，水平长20米的斜线布置。并设有予留通灰孔、出灰孔和入孔。

反应输送管联接雾化器和离心集聚反应器，高温的二相流体进入该管内，未燃烧完的煤气继续燃烧，物料在高速运动中扩散混匀，在高速碰撞中而产生硅酸盐化学反应，同时输送物料。此时流体平均温度为1400～1500℃，并以38m/S的平均流速将流体输送到离心集聚反应器。

3、离心集聚反应器：

由高7米，外径2.5米厚10毫米的钢筒组成，筒内砌有0.171米厚的高铝耐火砖和0.23米厚的轻质粘土砖，自反应输送管内的二相流体，以150m/S的速度从切线方向喷入离心集聚反应器，利用高温矿渣的粘结性和离心力作用，使水泥熟料迅速在筒壁上集结，并将烟气和熟料分开。由于物料间的紧密接触和控制一定的停留时间，氧化钙被彻底吸收，硅酸盐反应彻底。为防熟料大量粘壁，在离心集聚反应器顶部设有钢制水冷园刮板，定期刮下筒壁上的物料。

4、热交换器：

四级旋风筒热交换器及复合式蓖式冷却机选用国家定型设备。

5、空压设备：

按本生产工艺日产水熟泥料1725吨，每秒产熟料19.96千克。则需压力为4-6kg/Cm²。流量为10.94NM³/S的空气和压力为4～6kg/Cm²，流量为12.87NM³/S的高炉煤气，根据压力和流量选用相应的空气，煤气压缩机。

6、破碎、筛分和混料设备

选用相应的原料破碎机、球磨机及筛分混料设备，水泥熟料球磨机及筛分设备。

本新工艺的优点：

1、本新工艺是在1450～1600℃的高温下，多种工序（矿液雾化、混料、烧结硅酸盐、烟气分离）均在不同形式的管道中同时完成，因此设备结构紧凑简单、可靠。

2、本新工艺的化学反应从始至终都在液相中发生，初始反应是在有50%的高炉矿渣液中进行，而硅酸二钙与氧化钙的反应是在有39.36%液相量中发生，氧化钙被不断吸收，硅酸三钙晶体不断被析出。由于液相量的存在，而大大加快硅酸三钙的生成速度。

3、新工艺原料无逐渐加温过程，氧化钙、三氧化二铁、氟化钙等原料通过热交换器予热后，在燃烧喷口瞬间（几十毫秒）加温到1500～1600℃，并与烟气一道，立即喷吹1450～1500℃的高炉矿渣液，使其形成微粒，并相互混合，同时发生反应，避免氧化钙烧成死灰，增加了反应物的结构缺陷，有利于硅酸盐的生成。

4、易于采用控制型、计算型、电子计算机，易于自动控制和技术检测，进一步保证产品质量，易快速更换水泥熟料产品类型。

5、能充分利用工业废料，充分利用废弃的能源。因高温液态喷吹粉碎矿渣和高温混料、输送、化学反应可在密封管道中同时进行。因此又进一步降低单位产品能耗、水耗及原料消耗，并降低对环境的污染。

6、从雾化器至离心集聚器中所产生的化学反应属放热反应。每生产1千克熟料放出51.84千卡热。而铁酸钙（CaO·Fe₂O₃）在1450℃时吸收大量的液化热，因此能有效地保证全过程恒温于1450℃的条件下生产。

经济效果：

以水钢年产50万吨生铁计算，每吨铁产渣量700千克，高炉年产渣35万吨，可回收热能1400亿千卡，相当于2万吨标准煤燃烧产生的热量。全国冶金企业84年年产约2500万吨高炉矿渣，采用本工艺可将其转换成5000万吨水泥熟料。生产出6000多万吨水泥，产值达61亿元。目前常规生产工艺，按每吨水泥熟料需标准煤0.236吨计算，用本新工艺则可节约标准煤1180万吨，按每吨标准煤25元计，可节约燃料费2.95亿元。节省水泥原料和各种运输费3300万元。大大降低了水泥生产成本。由于高炉矿渣属工业废料，干渣排放需占用大遍土地，占用大量人力、物力，因此，本工艺对保护地表，保护土壤，保护生物，均有重大现实意义。

实施方案1

用本工艺生产普通水泥熟料

1、选用原料的化学组成

原料名称	SiO₂	Fe₂O₃	AI₂O₃	CaO	MgO	烧失量
							石灰石	4.02	0.5	1.1	52.18	0.87	40.62
铁质原料	17.5	47.14	3.48	14.6	3.91	10.49
							水钢矿渣	30.5	0.8	13.76	42.89	4.48	6.5

2、经计算，干燥原料重量比选用：

石炭石＝57.2% 铁质原料＝4.1%

高炉矿渣＝38.7%

3、产品熟料化学组成为：

SiO₂＝20% AI₂O₃＝8.24% CaO＝54.49%

Fe₂O＝3.43% MgO＝3.23%

4、水泥熟料各率值为：

KH＝0.94 n＝2.5 p＝2.4

5、已知水钢矿渣产量为9.8Kg/S，则新加原料所需流量为：

石灰石＝14.57Kg/S

铁质原料＝1.04Kg/S

6、本工艺年产水泥熟料58万吨。

实施方案2

用本工艺生产大坝水泥熟料

1、选用原料的化学组成同实施方案1

2、经计算干燥原料重量比选用：

石灰石＝57.0% 铁质原料＝11.51%

高炉矿渣＝31.5%

3、则产品熟料的化学组成为：

SiO₂＝19.17% AI₂O₃＝7.41% CaO＝60.94%

Fe₂O₃＝8.1% MgO＝3.23%

4、大坝水泥熟料的矿物组成为：

C₃S＝40.95% C₂S＝24.02% C₃A＝5.89%

C₄AF＝24.63% C₂F＝6%

5、水泥熟料各率值为：

KH＝0.855 n＝1.24 p＝0.91

6、已知水钢矿渣产量为9.8Kg/S，计算新加原料所需流量为：

石灰石＝17.77Kg/S

铁质原料＝3.6Kg/S

7、大坝水泥熟料年产量为69万吨。

实施方案3

用本工艺生产白色硅酸盐水泥熟料

1、选用原料的化学组成

原料名称	SiO₂	AI₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	烧失量
							石灰石	1.38	0.25	0.09	54.23	0.6	42.81
铁质原料	91.02	0.2	0.6	0.75	0.9	0.53
							水钢矿渣	30.5	13.76	0.8	42.89	4.48	6.502

2、经计算，干燥原料重量比选用：

石灰石＝63.2% 硅质白泥＝5.6% 高炉矿渣＝31%

3、则产品熟料的化学组成为：

SiO₂＝21.87% AI₂O₃＝6.75% CaO＝67.21%

Fe₂O₃＝0.48% MgO＝2.52%

4、计算水泥熟料各率值：

KH＝0.912 n＝3.0 p＝14.12

5、已知水钢矿渣产量为9.8Kg/S，计算新加原料所需流量为：

石灰石＝19.97Kg/S

硅质白泥＝1.77Kg/S

6、白色水泥熟料年产量为69万吨。

附表1

Claims

1、高炉熔融矿渣直接转换成水泥熟料的新工艺，它包含新加原料的粉碎与混匀***，空气与高温熟料的热交换***，高温烟气及原料粉沫的热交换***，高温烟气与高温熟料的分离***。其特征在于用加压后的高炉煤气与加压加热后的空气混合燃烧，产生烟气，形成与新加原料粉沫组成的高动能高温二相流，直接喷吹高炉熔融矿渣，使其成液体雾状，固体粉沫原料在湍流态下与雾状矿渣均匀混合，并发生硅酸盐化学反应。然后在离心集聚反应器中集聚，使烟气与熟料分离，并控制和延长反应时间，使硅酸盐反应彻底，生成水泥熟料。

2、按权利要求（1）所述的新工艺，其特征在于矿渣粉碎雾化与高温固体粉沫原料的均匀混合，以及发生硅酸盐化学反应，是通过雾化器，反应输送管，直至离心集聚反应器中进行的。

3、按权利要求（1）所述的新工艺，其特征在于高炉煤气加压到4～6kg/Cm²。空气加压到4～6kg/Cm²，并热交换后的风温为750～850℃。

4、按权利要求（1）所述的新工艺，其特征在于新加原料经粉碎成90μm以下的固体颗粒，并充分混匀。经旋风筒热交换器加热，温度达750～850℃。

5、按权利要求（1）所述新工艺，其特征在于高炉熔融矿渣温度为1450～1500℃，并在混渣炉中蓄存，经渣井而进入喷吹管。

6、按权利要求（1）所述新工艺，其特征在于，煤气的燃烧使烟气和煤气组成的二相流温度瞬时达到1500～1600℃。

7、按权利要求（1）、（2）所述新工艺，雾化器由锥形耐热钢管组成，外壁采用水槽流水冷却。

8、按权利要求（1）、（2）所述新工艺，其特征在于，输送原料的管道，反应输送管道，离心集聚反应器均为钢制园筒，内砌不同的保温耐火材料。

9、按权利要求（1）、（2）所述新工艺，其特征在于，离心集聚器顶部设有内循环水冷却园括板，通过定期的上下运动，而刮削集聚器内壁上的熟料，使其输送到蓖式复合式冷却机中。

10、按权利要求（1）所述新工艺，其特征在于，二相流向矿液的喷吹速度为200～300m/s，烟气消耗量与水泥熟料产量的重量比为1.3～2。