煤矸石、尾矿代粘土匹配低品位石灰石煅烧水泥熟料试验研究

摘要

我国水泥产量位居世界首位，生产水泥需大量粘土和石灰石，而开采这些资源会破坏植被，影响环境。大量弃置的煤矸石、尾矿则占用土地，污染环境，甚至诱发地质灾害。本文以拓宽水泥原料为研究背景，依托国家“十一五”科技支撑计划重点项目:“煤矸石资源化关键技术研究”，对煤矸石、尾矿、低品位石灰石煅烧水泥熟料进行试验研究和理论分析。
　　 本文根据新型干法回转窑煅烧水泥熟料理论，主要进行了实验室试验研究、理论分析和工业试验等方面的工作。实验室试验研究主要包括:(1)煤矸石、石灰石的粉磨试验研究，(2)煤矸石、石灰石、尾矿理化特性及热解分析，(3)熟料煅烧的影响因素试验研究，(4)水泥熟料水化性能分析。理论分析主要包括:(1)粉体颗粒群粒径分布、粉体紧密堆积模型研究以及粒度分维预测，(2)煤矸石、尾矿和石灰石的热解动力学机理研究，(3)水泥熟料强度预测模型研究，(4)煤矸石、尾矿配低品位石灰石煅烧水泥熟料形成机理分析。最后，在新型干法回转窑上进行部分工业试验以及效益分析。
　　 煤矸石、石灰石的粉磨试验发现煤矸石易磨性不如砂岩，配低品位石灰石的水泥生料在粉磨初期易磨性比配高品位石灰石生料稍差，到后期则相接近。粉磨数据进行粒径分布、粉体紧密堆积模型研究验证了试验结论。
　　 对煤矸石、尾矿、石灰石等进行理化特性分析，结果表明煤矸石和尾矿均属粘土类物质，其重金属含量均优于三级土壤标准和农用粉煤灰中污染物控制标准;研究他们的热解动力学发现，随着热解反应的进行，煤矸石、石灰石、尾矿所需的活化能增加，高品位石灰石热解所需活化能要高于低品位石灰石。
　　 熟料煅烧的影响因素试验研究结果表明:温度是决定熟料质量主要因素之一，试验中烧成温度不高于实际水泥生产温度;煤矸石含有一定热值，能促进水泥熟料的烧成;尾矿具有一定地质潜能，能加速煅烧进程;低品位石灰石的化学组成和品格结构等与高品位石灰石的差异，能降低物料的分解温度，其与尾矿、煤矸石等配制水泥生料，容易进行固相反应。
　　 水泥熟料进行水化性能分析结果可知:随着水化进程的进行和水化龄期的延长，各种水化产物增加，最终成为渐进致密硬化的浆体结构。对熟料进行基于神经网络的熟料性能预测模型研究，建立了误差反向传播(Error Back Propagation，BP)改进模型和径向基函数(Radial-Basis Function, RBF)网络模型，利用煤矸石、尾矿和不同品位石灰石等作为原料配制水泥生料，采用在两个煅烧温度下的熟料所得的主要9个参数为预测模型输入数据，净浆28d强度作为期望输出数据，得出样本输出数据。结果表明，用神经网络的三种水泥熟料预测强度模型训练后的网络是可行的，而且RBF网络模型优于BP改进模型。
　　 对煤矸石、尾矿配低品位石灰石煅烧水泥熟料形成机理进行了研究。主要分析煤矸石、尾矿热活化过程的潜能来源，探讨煤矸石、尾矿、低品位石灰石具有热激发作用。提出了煤矸石、尾矿、低品位石灰石配料的熟料形成动力学理论模型，通过分析物料的CaO转化率和反应表观活化能等参数，表明煤矸石、尾矿、低品位石灰石在煅烧水泥熟料中具有节能作用。
　　 最后，在2500t/d新型干法回转窑水泥生产线上进行了煤矸石、低品位石灰石等煅烧水泥熟料和在5000t/d新型干法回转窑水泥生产线上进行煤矸石代粘土煅烧水泥熟料的工业试验研究，试验结果表明:两生产线可分别年增水泥56381t和280503t，熟料标煤耗每年分别降低3601t和8132t，节约电量分别为1488245kw.h和11351274kw.h，综合利用煤矸石可达29万t。
　　 本文研究工作为煤矸石、尾矿、低品位石灰石煅烧水泥熟料提供了技术和理论参考。

目录

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致谢

摘要

主要符号表

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 水泥工业发展历程

1．1．2 水泥工业产品及其特点

1．1．3 我国水泥工业资源利用现状和严峻形势

1．1．4 水泥工业应用固体废弃物资源的重要意义

1．2 水泥生产技术研究概况及发展趋势

1．2．1 传统水泥生产工艺及其特点

1．2．2 新型干法生产工艺及其特点

1．2．3 水泥技术发展趋势

1．3 水泥行业存在的现实问题

1．4 本文研究的主要内容

1．5 本章小结

2 煤矸石、尾矿、石灰石资源特性概述

2．1 煤矸石特性及其利用简介

2．1．1 煤矸石来源及分类

2．1．2 煤矸石物化性质

2．1．3 煤矸石的危害

2．1．4 煤矸石资源化利用概述

2．2 尾矿特性及其利用概述

2．2．1 金属尾矿特点

2．2．2 尾矿的危害

2．2．3 金属尾矿综合利用现状

2．3 石灰石特性及其利用概述

2．3．1 石灰石的特性

2．3．2 石灰石工业应用概述

2．3．3 低品位石灰石利用潜能

2．4 本章小结

3 煤矸石、低品位石灰石机械粉磨特性试验研究

3．1 粉磨概述

3．1．1 粉磨基本原理

3．1．2 粉磨细度与颗粒特征

3．2 煤矸石机械粉磨特性分析

3．2．1 试验方案

3．2．2 试验结果及讨论

3．3 煤矸石、石灰石等制水泥生料粉磨性能试验研究

3．3．1 试验材料和方法

3．3．2 试验结果

3．4 粉体粒径分布的模型分析

3．4．1 生料粉体颗粒群RRB模型

3．4．2 生料粉体紧密堆积模型分析

3．5 本章小结

4 煤矸石、石灰石、尾矿的理化特性及热解动力学分析

4．1 原料理化特性研究

4．1．1 原料品种及化学成分分析

4．1．2 煤矸石、尾矿熔融特性及微量元素分析

4．1．3 煤矸石的工业分析、发热量和元素分析

4．1．4 煤矸石重金属元素含量分析

4．2 原料热重特性试验研究

4．2．1 试验材料、仪器及方案

4．2．2 试验结果与分析

4．3 原料热解动力学机理分析

4．3．1 热解动力学概述

4．3．2 热解机理模型的建立

4．3．3 煤矸石、尾矿和石灰石热解动力学分析

4．4 本章小结

5 煤矸石、尾矿代粘土煅烧水泥熟料影响因素试验研究

5．1 煅烧温度的影响

5．1．1 试验方案

5．1．2 试验结果与分析

5．2 煤矸石对水泥熟料烧成的影响

5．2．1 试验方案

5．2．2 试验分析及讨论

5．3 金属尾矿、煤矸石对水泥熟料煅烧的影响

5．3．1 试验方案

5．3．2 试验结果及分析

5．4 不同品位石灰石的影响

5．4．1 试验方案

5．4．2 试验结果及分析

5．5 高温保温时间的影响

5．5．1 试验方案

5．5．2 试验结果及分析

5．6 本章小结

6 水泥熟料水化性能分析及强度预测模型研究

6．1 水泥熟料矿物水化特性

6．2 水泥熟料水化产物形态分析

6．3 基于神经网络的熟料性能预测模型研究

6．3．1 神经网络的拓扑结构与学习规则

6．3．2 BP神经网络及其改进算法

6．3．3 径向基函数网络预测模型

6．3．4 熟料强度预测模型学习过程及结果分析

6．4 本章小结

7 煤矸石、尾矿、石灰石配料煅烧水泥熟料形成机理分析

7．1 煅烧水泥熟料矿物形成过程物化分析

7．2 煤矸石煅烧的热活化分析

7．2．1 煤矸石的热活化研究

7．2．2 煤矸石热活化机理模型

7．3 尾矿煅烧的热活化分析

7．3．1 尾矿热活化

7．3．2 尾矿热活化机理

7．4 煤矸石、尾矿、低品位石灰石在煅烧水泥熟料中的机制分析

7．4．1 煤矸石、尾矿、低品位石灰石的岩矿潜能分析

7．4．2 煤矸石、尾矿和低品位石灰石的潜能及其热激发作用分析

7．5 煤矸石、尾矿、低品位石灰石等煅烧水泥熟料的动力学分析

7．5．1 煤矸石、尾矿、低品位石灰石配料的熟料形成动力学理论模型

7．5．2 煤矸石、尾矿、低品位石灰石配料的熟料形成动力学计算

7．6 本章小结

8 煤矸石代替粘土配料在干法回转窑的生产应用研究和效益分析

8．1 煤矸石配料的工业试验过程与结果分析

8．1．1 煤矸石代粘土配料在2 500t／d新型干法回转窑的工业试验

8．1．2 煤矸石配料在5 000t／d新型干法回转窑的工业试验

8．2 煤矸石代粘土煅烧水泥熟料经济效益分析

8．3 本章小结

9 全文总结

9．1 主要研究工作及成果

9．2 主要创新点

9．3 有待深入开展的研究方向

参考文献

附录

作者攻读博士学位期间发表的学术论文

作者攻读博士学位期间参加的科研项目