鐵尾礦在新型干法水泥生產線上的應用
1．前言
尾礦通常是指礦山選礦后，在當時條件下不宜再分選回收的采礦固體廢棄物，其粒度大多介于0.07-0.17毫米之間。我國現有較大規模的尾礦庫400多座，各類尾礦的堆存總量約70億噸，且每年以3億噸的數量遞增，目前尾礦的綜合利用率僅為8.3%左右。尾礦的堆存不僅占用大量土地，掩埋植被，更嚴重的是選礦過程中產生的廢水就近排入河道、溝谷、低地，極大地污染和破壞人類的生存環境，嚴重的甚至造成安全事故和環境災難。
近年來，隨著我國鋼鐵產業的迅猛發展，鐵尾礦的排放量逐年增加，鐵尾礦已經成為影響環境最為嚴重的工業廢棄物之一。鐵尾礦是鐵選廠經礦石破碎（干磁選）、礦石粉磨（濕磁選）、分選鐵粉后產生的廢棄排放物，生產1噸鐵粉將產生1.5噸的鐵尾礦。本溪市作為我國鋼鐵工業基地之一，鐵尾礦現有存量約數億噸，并且每年還要新增排放量1000萬噸左右，基本上未利用。鐵尾礦的綜合治理、廢物利用迫在眉睫。
地處本溪市的遼寧工源水泥集團多年來一直堅持走新型工業化道路，積極使用各種工業廢棄物作為原料生產水泥，已經成功的在工源、本溪水泥廠等現有生產線上大量利用了熔渣、粉煤灰、硫酸渣、銅礦渣、磷石膏等工業廢渣，取得了良好的經濟效益和社會效益。
為了進一步改善地方環境質量，拓寬工業固體廢棄物在水泥行業的應用范圍。遼寧工源水泥集團在做了大量研發工作基礎上，決定在新建設的日產2500噸新型干法熟料線上使用鐵尾礦作為硅質原料，為鐵尾礦的有效利用開辟了一條新路。
2．實驗室研究
2．1 鐵尾礦的的選擇
本溪的鐵尾礦庫有十多座，按照供應必須充足穩定的原則，初選了火連寨、歪頭山、南芬等三處選礦廠的鐵尾礦進行化學分析。
表1
| Loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 | Cl- | |
| 火連寨 | 1.26 | 70.27 | 5.37 | 10.51 | 4.87 | 3.71 | 1.11 | 1.55 | 0.03 | 0.017 |
| 歪頭山 | 1.1 | 70.32 | 5.1 | 10.93 | 4.71 | 4.51 | 1.14 | 1.3 | 0.26 | 0.016 |
| 南 芬 | 2.21 | 63.96 | 1.5 | 20.97 | 2.48 | 3.32 | 2.5 | 3 | 2.97 | 0.013 |
從表1可以看出,三種鐵尾礦中前二種化學成份差距不大，有害害成份較低，考慮運距的因素，決定選用火連寨選礦廠的鐵尾礦作為應用試驗的研究對象。其表觀特征：豆青色，疏散結構，中、小砂粒狀，以細粒為主。
2．2 其它原（燃）料的確定
2．2．1 石灰石：距廠址300米左右的北大嶺礦山；
2．2．2 粉煤灰：距廠址10公里的本鋼發電廠；
2．2．3 硫酸渣：距廠址100公里丹東張家溝；
2．2．4 煤炭：距廠址8公里的本溪彩屯煤礦無煙煤。
以上各種原燃材料的相關分析數據見表2、表3。
表2
| 品名 | Loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 | Cl- |
| 石灰石 | 42.67 | 2.15 | 0.47 | 0.36 | 51.48 | 1.38 | 0.17 | 0 | 0.2 | 0.028 |
| 鐵尾礦 | 1.37 | 69.13 | 5.92 | 10.94 | 4.63 | 4.18 | 1.24 | 1.12 | 0.48 | 0.021 |
| 粉煤灰 | 3.06 | 57.94 | 24.54 | 5.71 | 1.86 | 1.41 | 2.38 | 0.88 | 0.56 | 0.012 |
| 硫酸渣 | 7.12 | 26.52 | 4.71 | 53 | 3.76 | 2.62 | 0.25 | 0.19 | 7.99 | 0.012 |
| 煤 灰 | 45.51 | 33.75 | 8.2 | 3.13 | 0.81 | 1.51 | 0.19 | 2.27 | 0.012 |
煤的工業分析：
表3
| 品名 | Mad | Aad | Vad | Fad | St，ad | Qnet，ad（kJ/kg） |
| 原煤 | 0.86 | 25.99 | 14.96 | 58.19 | 1.77 | 24547 |
2．3 原料易磨性試驗
試驗方法：依照國家標準GB9964-88《水泥原料易磨性試驗方法》（邦德粉磨功指數測定法）進行。
表4
| 方案 | 物 料 配 比 （ % ） | 設計熟料率值 | 粉磨功指數 | |||||
| 石灰石 | 鐵尾礦 | 粉煤灰 | 硫酸渣 | KH | SM | IM | KWh/t | |
| 1 | 81.81 | 11.37 | 6.47 | 0.34 | 0.9 | 2.55 | 1.5 | 11.56 |
| 2 | 81.68 | 10.25 | 7.38 | 0.69 | 0.9 | 2.4 | 0.5 | 11.37 |
| 3 | 81.94 | 12.34 | 5.72 | 0 | 0.9 | 2.7 | 1.52 | 11.89 |
| 4 | 100 | 18.02 | ||||||
經驗認為：當邦德粉磨功指數小于10時，易磨性好；在10-12時，易磨性較好（中等）；在12-14時，易磨性較差；當大于14時，易磨性很差。從表4中數據可以看出，雖鐵尾礦的易磨性極差，但使用鐵尾礦配料的方案1、2、3的物料易磨性皆屬于中等水平，并且隨著鐵尾礦的配比逐漸升高，原料易磨性下降。
2．4生料易燒性試驗
試驗方法：依照國家標準GB9965-88《水泥生料易燒性試驗方法》進行。
表5
| 方案 | 物 料 配 比 （ % ） | 設 計 熟 料 率 值 | 游 離 氧 化 鈣 （%） | 易燒性 | |||||||
| 石灰石 | 鐵尾礦 | 粉煤灰 | 硫酸渣 | KH | SM | IM | 評價 | ||||
| 5 | 81.81 | 11.37 | 6.47 | 0.34 | 0.9 | 2.55 | 1.5 | 2.85 | 1.81 | 1.11 | 較好 |
| 6 | 81.68 | 10.25 | 7.38 | 0.69 | 0.9 | 2.4 | 0.5 | 2.46 | 1.52 | 1.02 | 較好 |
| 7 | 81.94 | 12.34 | 5.72 | 0 | 0.9 | 2.7 | 1.52 | 3.21 | 2.1 | 1.38 | 較好 |
2．5 有害成份評價
對于新型干法熟料生產線，由于原燃材料帶入的R2O、S03、Cl-等揮發性組分在預分解窯系統內形成閉路循環，在高溫下揮發后在低溫區重新凝集，引起預熱器內結皮、堵塞、料流不暢，同時熟料中的R2O含量較高時也會影響熟料的質量，使用高堿含量熟料磨制的水泥制備混凝土時容易產生堿—集料反應，破壞混凝土的安定性。因此，對預分解窯生料中的揮發性組分加以適當控制是十分重要的。一般控制生料中K2O+Na2O≤1.0%， Cl-≤0.015%。
經過檢測，使用鐵尾礦配料后的生料中K2O+Na2O含量大約在0.63%左右，Cl-含量大約在0.007%左右，遠遠低于控制指標。因此，使用鐵尾礦配料完全符合預分解窯系統對有害成份的控制指標要求，在生產中不會由于使用鐵尾礦而引起預分解窯系統的結皮、堵塞。
三個方案中熟料的硫堿比和過剩硫
表6
| 項 目 | 硫堿比（S/1/2R） | 過剩硫（g/100kg熟料） |
| 方 案5 | 1．2582 | 165．681 |
| 方 案 6 | 1．2995 | 234．731 |
| 方 案 7 | 1．2145 | 200．627 |
從表6看出三個方案中熟料的硫堿比均超過一般控制指標（硫堿比小于1），但過剩硫不高，在控制范圍內（小于300），配料方案可行，但燒成系統中應加強防堵措施，多設空氣炮。
3．生產實踐
3．1 日產2500噸熟料新型干法生產線簡介
該生產線由成都建材工業設計研究院進行設計，吸取了國內已建成同規模生產線的經驗教訓，經十三個月的建設，日前已投入試運行。主要配置為:
-- 單段錘式破碎機在平峒內破碎石灰石，能力600t/h；
-- 80米直徑石灰石預均化堆場，有效儲量25000t；
-- 跨度為24m的輔助材料庫，總長54m。分別用于儲存鐵尾礦（6500t）和鐵粉（1250t）；
--沖擊式粘土破碎機用于冬季破碎凍鐵礦尾礦，能力75t/h；
-- 一座∮8米，儲量530t的石灰石配料庫，一座∮8米，儲量450t的鐵尾礦配料庫，一座∮6米，儲量190t的硫酸渣配料庫和一座∮10米，儲量1200t的粉煤灰配料庫；
-- 設計能力190t/h的Φ4.6×(10＋3.5)m單滑履中卸烘干磨系統，磨機主傳動功率為3550kw，采用窯尾廢氣作為烘干熱源；
-- 一座∮15×47米，儲量6500t的IBAU型生料均化庫；
-- 跨度為24m的矩型原煤預均化堆場，總長126m用于儲存原煤（2300×2t）；
-- ZGM95N國產煤立磨，能力20t/h；
-- 熟料煅燒系統采用成都院的CDCS2545預熱及預分解系統、∮4×60米回轉窯和第三代空氣梁篦式冷卻機，能力2500t/d；
-- 二座∮25米的熟料庫，有效儲量50000t；
-- 窯頭、窯尾均采用電收塵器。
3．2 熟料率值的確定：
根據原燃材料的質量情況、生產方法，熟料率值確定為：
KH：0.90±0.02； SM：2.5±0.1； IM：1.5±0.1
熟料燒成熱耗3093kJ/t（740Kcal/t），煤灰摻入量：4.12%。
原料配比及理論料耗
表7
| 原料 | 石灰石 | 鐵尾礦 | 粉煤灰 | 硫酸渣 | 料 耗 |
| 配比 | 85.25% | 8.42% | 6.03% | 0.30% | 1.4953t/t |
3．3 試生產
2004年底日產2500噸新型干法熟料生產線進入試生產調試，生產初期按照事先設計的四組份進行配料，即石灰石、鐵尾礦、粉煤灰、硫酸渣，分析數據見表8。
表8
| 品名 | Loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 |
| 石灰石 | 42.12 | 2.96 | 0.59 | 0.43 | 50.14 | 2.89 | 0.18 | 0.03 | 0.25 |
| 鐵尾礦 | 2.11 | 69.63 | 9 | 11.61 | 3.57 | 3.06 | 1.5 | 1.75 | 0.1 |
| 粉煤灰 | 2.23 | 56.93 | 24.56 | 8.71 | 2.71 | 1.53 | 1.46 | 0.41 | 0.2 |
| 硫酸渣 | 4.55 | 23.74 | 4.32 | 53.78 | 3.7 | 3.69 | 0.71 | 0.43 | 3.7 |
從表8中可以看出，鐵尾礦的氧化鐵含量比設計時升高，最高時達到15%，因此完全可以去掉原有的鐵質校正原料—硫酸渣，采用石灰石、鐵尾礦、粉煤灰三組份配料，就可以滿足配料的要求。
三組份配料的生、熟料化學成份。
表9
| 品名 | Loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 | KH | SM | IM |
| 生料 | 35.92 | 12.77 | 2.88 | 2.16 | 42.17 | 3.06 | 0.39 | 0.24 | 0.23 | 1.025 | 2.53 | 1.33 |
| 熟料 | — | 21.49 | 5.07 | 3.55 | 63.06 | 4.4 | 0.55 | 0.45 | 0.5 | 0.889 | 2.49 | 1.43 |
從生料成份看較為合理，堿、硫等有害成分基本上控制在預想的范圍，滿足了預分解窯對原料有害成份的要求，整個試生產期間的窯尾預熱系統沒有發生結皮堵塞等現象，系統運行比較平穩，原始設計安裝的多點空氣炮清堵裝置足以保證正常的生產需求。同時控制熟料的三率值基本上也都達到了預想的水平。由于在試生產期間，考慮到操作人員對新型干法的生產工藝及設備都要有一個熟悉的過程，為了確保熟料的煅燒質量，將熟料的KH目標值設定在0.860～0.880之間，物料的易燒性相對有所改善。 2005年2-5月份熟料的率值、物理性能等數據見表10。
采用石灰石、鐵尾礦、粉煤灰配料生產已近4個月時間，隨著嚴寒冬季的生產困難期已渡過，工藝、設備問題的日漸完善，鐵尾礦配料技術也已日臻成熟。運轉至今預熱器系統沒有出現嚴重的結皮和堵塞現象。窯內結幾次蛋，分析后認為是由于因配料設備造成的物料成份波動大，熟料中Al2O3+ Fe2O3＞9.5%或熟料中MgO太高以及窯操作不穩定造成。 4月份從穩定物料、穩定成分、穩定操作入手，熟料質量越來越好，5月份生產的熟料已經供應本溪水泥廠穩定生產普通52.5級水泥近5000噸。
表10
| 月份 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | KH | SM | IM | 初凝 | 終凝 | R3壓 | R28壓 | fCaO |
| 2 | 21.79 | 5.29 | 3.43 | 62.84 | 3.97 | 0.867 | 2.49 | 1.54 | 2:13 | 3:12 | 23.2 | 48.1 | 1.48 |
| 3 | 21.16 | 5.27 | 3.65 | 62.02 | 4.2 | 0.877 | 2.37 | 1.44 | 2:06 | 3:09 | 22.6 | 48 | 0.83 |
| 4 | 21.8 | 5.18 | 3.8 | 64.01 | 3.9 | 0.887 | 2.43 | 1.36 | 1:59 | 2:42 | 24.5 | 53.5 | 1.25 |
| 5 | 21.81 | 5.15 | 3.44 | 63.89 | 3.2 | 0.888 | 2.55 | 1.5 | 2:10 | 2:46 | 27.9 | 53.7 | 1.02 |
3．4 使用鐵尾礦配料應注意的問題：
3．4．1冬季由于鐵尾礦粉水分較高，平均在10%左右，最高時達20%，在北方地區存在著凍結、蓬倉、下料不均勻等問題。對此，我們考察后發現選礦廠在分選過程中，采取兩種方式：一種為礦石破碎后進行干狀態下的磁選，另一種是在球磨機加水粉磨后進行有水狀態下的磁選。前者排放物是鐵尾礦廢石，后者廢棄物是鐵尾礦粉，現場取樣分析數據見表11。
表11
| Loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 | |
| 1 | 3.97 | 57.81 | 9.65 | 16.25 | 2.96 | 5.55 | 1.6 | 0.85 | 0.04 |
| 2 | 2.19 | 66.81 | 11.18 | 8.88 | 2.63 | 1.83 | 1.56 | 0.79 | 0.07 |
| 3 | 2.02 | 68.9 | 7.54 | 10.71 | 2.73 | 3.21 | 1.47 | 0.9 | 0.06 |
| 4 | 1.79 | 66.97 | 8.73 | 11.3 | 3.47 | 2.91 | 1.13 | 0.75 | 0.25 |
通過分析選擇了4號鐵尾礦廢石用于配料，解決了冬季生產使用含水量高的鐵尾礦粉所帶來的諸多不便。生產中鐵尾礦廢石的SiO2、Fe2O3含量雖有波動，但通過采取預搭配的辦法，完全可以減小其成分波動對生產的不利影響，保證了在氣溫低于零度時的正常生產。
3．4．2 鐵尾礦粉是選礦廠用泥漿泵向山坳中排放的泥漿廢棄物經沉淀而成，在排放過程中自然形成了平鋪均化。使用中發現在鐵尾礦壩中橫向取料時其成分最均勻，縱向成份差異較大，特別是鐵含量。故此，我們在取料時，盡可能地橫向切取來保證生產的供應，收到了穩定成份的效果。
3．4．3 鐵尾礦粉含水量大，呈砂性，配料設備應采取板喂機強制喂料和定量給料機同步調速的方式，保證喂料量的穩定。
4．結論
4.1 鐵尾礦單獨粉磨易磨性很差；作硅質原料配料時易磨性中等；制備的生料易燒性較好；理論上可以使用。
4．2 采取適當的措施，新型干法水泥生產線完全可用鐵尾礦替代傳統的硅質、鐵質材料，生產的熟料質量較好，可以穩定生產普通52.5級等高標號水泥。并且可以大幅度降低原材料成本，噸熟料成本下降近5元。日產2500噸新型干法生產線年可利用鐵尾礦約10萬噸。
但使用時須注意：
-- 鐵尾礦粉含水量大，應采取強制喂料保證下料順暢。
-- 鐵尾礦配料可能會有輕微結皮，窯尾預分解系統需加強防堵措施，多設空氣炮，穩定煅燒制度；
-- 冬季生產用鐵尾礦廢石效果更佳；
4．3 鐵尾礦在新型干法熟料生產線的成功應用，為鐵尾礦的大量循環再利用找到了新的途徑，解決了環境污染，改善了生態環境，具有巨大的經濟、社會、環境效益。
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