阅读说明：本技术 利用煤矸石替代尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法 (Method for producing silicate clinker by using coal gangue to replace tail coal and silicon-aluminum raw material ) 是由 尹小林 张新策 于 2020-07-01 设计创作，主要内容包括：一种利用煤矸石替代尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法,包括以下步骤：(1)双组分制粉；(2)预热、混合、分解；(3)氧化性煅烧。本发明可解决因生煤矸石的特性产生的结皮粘堵影响熟料产质量、能耗等问题,大量消纳生煤矸石同时替代干法水泥生产的部分尾煤和硅铝质原料,降低水泥生产的燃煤消耗和粘土(页岩)类硅铝质原料的消耗,解决煤矸石堆积带来的环境污染问题。(A method for producing silicate clinker by using coal gangue to replace tail coal and a silicon-aluminum raw material comprises the following steps: (1) preparing powder from two components; (2) preheating, mixing and decomposing; (3) and (4) oxidizing and calcining. The invention can solve the problems that the quality of clinker production and energy consumption are influenced by crusting and blocking caused by the characteristics of raw coal gangue, a large amount of raw coal gangue is consumed to simultaneously replace partial tail coal and silica-alumina raw materials in dry cement production, the coal consumption in cement production and the consumption of the silica-alumina raw materials such as clay (shale) are reduced, and the problem of environmental pollution caused by coal gangue accumulation is solved.)

利用煤矸石替代尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法

技术领域

本发明涉及一种硅酸盐水泥熟料的生产方法，尤其是涉及一种利用煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法。

背景技术

煤矸石是在地壳运动成煤过程中与煤伴生沉积的有机化合物和无机化合物混杂形成的黑灰色脉石矿物，为夹杂在煤层中或煤层顶或底板或夹层中的含可燃物的煤质沉积岩。有煤的地方就有煤矸石，煤矸石是伴随着煤炭采掘、洗选加工过程中产生的固体废弃物，包括岩巷矸石、煤巷矸石、自然矸石、洗矸石、手选矸石和剥离矸石六类。而依据煤矸石的来源可划分为三大类：第一类是掘进矸石，即在矿井建设期，由井筒、井下车场、大巷以及煤矿正常生产阶段等掘进过程中排出的岩石，大约占煤矸石总量的 60％～70％；第二类是采煤矸石，即在煤矿开采过程中产生的煤矸石，大约占煤矸石总量的 10％～30％；第三类是洗选矸石，即在煤炭洗选过程分类别排出来的残渣，大约占煤矸石总量的 10％。

当前，我国从现有煤矸石资源利用的类型划分大致可分为如下三大类：

第一类是白矸（石），为露天煤矿开采剥离以及井下巷道挖掘时所排出的，其特征是含炭量低，大多热值低，白矸热值大多波动为100～1200Kcal×4.18KJ/Kg，且矿物质成分较多，依其矿物质成分不同而实施深度开发利用如提铝、选铁、制保温或耐火材料等。

第二类是选矸（石），为采煤/洗煤过程中挑选出来的煤矸石，其煤矸石中的含煤量较高、热值及成分波动大，选矸热值大多波动为500～2800Kcal×4.18KJ/Kg，选矸又可分门别类的选择利用，如高热值矸石用于工业窑炉、低热值的回填、筑路等。

第三类是熟矸（石），为煤矸石经焙烧或经堆燃热处理去掉绝大部份可燃物后的煤矸石，熟矸热值大多波动为0～200Kcal×4.18KJ/Kg，大多用于制建材或制化学产品。白矸和选矸未经热处理的又统称为生矸石。

其次，还有从白矸和选矸中筛选出砂岩矸石资源化利用于水泥生产中生料配料的，从煤矸石中筛选出来的块状砂岩矸石其热值与熟矸石相当（<200×4.18KJ/Kg)。

此外，还有依煤矸石的主要矿物成分和主要化学成分分类的。依煤矸石主要矿物结构分类一般分为黏土岩类煤矸石、砂岩类煤矸石、碳酸盐岩类煤矸石三类。依主要化学成分分类，因煤矸石的主要化学成分为 SiO₂和A1₂O₃等，依其化学成分相对含量不同，可分为硅质煤矸石、铝质煤矸石等。还有依煤矸石中硫含量高低分为低硫煤矸石和高硫煤矸石等（高硫煤矸石有用于选取硫铁矿、或焙烧出SO₂生产硫酸铵的实践）。

煤矸石的特性就其本质是夹在煤层间的脉石,在开采和洗选过程中被分离出来的煤质沉积岩类废弃物，实际上就是碳质页岩/碳质粘土、碳质砂岩、或碳质碳酸盐岩等和其他页岩/粘土、砂岩、砾岩等的混合物。随着煤层地质年代、地域、成矿条件、开采方法的不同, 煤矸石组成及其质量分数也各不相同，即其矿物组成和化学成分及工业分析（灰份、内水、固定碳、挥发份、热值）差异大，尤其是煤矸石低位热值的波动可从100×4.18KJ/Kg波动至3000 ×4.18KJ/Kg，单位热值差距可达数十倍。既便是同一产地的不同批次的煤矸石的热值差异亦可达数倍。

从煤矸石的矿物组成来看，不同类的煤矸石有较大的差异和一定的特征性。

粘土岩类煤矸石，因粘土矿物固有的吸附性，此类煤矸石中富集了大量的有害微量元素。粘土岩类煤矸石的主要矿物成分为黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石、长石、勃母石），其次为石英、长石、方解石、云母、硫铁矿和碳酸盐等矿物，还含有丰富的植物化石、有机质和碳质等。多为板状、层状或纤维结构，有一定的硬度，透水性大，不易受地下水的影响，在加工过程中容易被粉碎。

砂岩类煤矸石，其主要矿物多数为石英、云母、长石、植物化石和菱铁矿结核等，其次为含有碳酸岩的黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石、长石）、其它无机盐、有机质和碳质等。至于所谓的硅质类煤矸石，客观上为二氧化硅含量很高的砂岩类煤矸石。

碳酸岩类煤矸石，主要矿物组成为方解石、白云石和菱铁矿，其次，混杂有较多的黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石、勃母石）、陆源碎屑矿物、碳质及有机物（包括有机硫）、黄铁矿等。

铝质岩类煤矸石，主要矿物组成为三水铝矿、一水软铝石和一水硬铝石等高铝矿物，其次为石英玉髓、褐铁矿、白云母和方解石及高岭土、长石、蒙脱石等粘土矿物、碳质及有机质等。

概括地说，煤矸石是由黏土【高岭石Al2O₃·2SiO₂·2H₂O、伊利石(Al,R₂+)2[(Si,Al) Si₃O₁₀][OH]₂·nH₂O、蒙脱石(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2[Si₄O₁₀](OH)₂·nH₂O、白云母(K·Al₂ )(AlSi₃O₁₀) (OH)₂、长石（KAlSi₃O₈、NaAlSi₃O₈、CaAl₂Si₂O₈）、勃姆石γ-AlOOH、绿泥石、砂岩(石英SiO₂)、碳酸盐〔方解石CaCO₃、白云石 ( Ca·Mg) (CO₃ ) ₂、菱铁矿FeCO₃〕、硫化物(黄铁矿FeS₂)以及铝土(三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石)、炭质和有机质以及植物化石、无机盐（氯盐、硫酸盐、磷酸盐）及少量的稀有金属矿物等组成。不同地区、不同来源、不同类别的煤矸石的矿物成分含量相差很大。对于煤矸石用于水泥生产来说，值得注意的是，部分煤矸石中含有难以热分解的绿泥石类粘土矿物。

从煤矸石的化学成分构成来看，煤矸石的主要化学成分为SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、SO₃、P₂O₅、TiO₂和Loss(烧失量），微量稀有元素为Ga、Sc、V、Li、Co、Sr及稀土元素Ce 等，可燃物为C（碳）、C_mH_nO（碳氢氧氮硫有机化合物）及M_xS（硫化物）。不同地区、不同来源、不同类别的煤矸石的化学成分含量差异性大，其相应的煤矸石工业分析指标（灰份、内水、固定碳、挥发份、热值）差别很大。

我国是煤资源储量丰富的国家之一，约占世界探明可采煤总储量约9842亿吨的11.63%（中国约1145亿吨），我国也是以煤为主要能源的国家，根据国家***所发布的统计信息，我国2017年原煤产量约为34.45亿吨，煤矸石综合排放量占原煤产量的15%～20%，大量的煤矸石开采后堆存于排废场地，占用了宝贵的土地资源，且造成地下渗透、矸石山坍塌滑坡、自燃***等现象，污染土壤、地下水体和大气环境。20 世纪 60 年代开始，我国即开始对煤矸石展开综合利用研究，数十年来，在利用煤矸石作为工业窑炉燃料或煤矸石发电、利用煤矸石烧砖、焙烧煤矸石作为水泥掺合料和生料配料原料及生产少熟料/无熟料水泥、生产砼骨料、煤矸石微晶玻璃、煤矸石矿棉、利用硅质煤矸石生产碳化硅多孔陶瓷材料及莫来石耐火材料、利用铝质煤矸石生产氢氧化铝/氧化铝和氯化铝/聚合氯化铝、合成硫酸铵等化工产品及提取镓钪锂钒钛钴和稀土等高价元素、利用焙烧煤矸石制取分子筛、白炭黑和炭黒及超细高岭土等填料、利用煤矸石作为路基材料、复垦造田和充填采空区/煤矿塌陷区、利用煤矸石处理酸性矿井水、及生产有机肥等行业/领域均取得了巨大的成果或获得了显著的成功，但煤矸石排废堆积数量仍以每年6 亿吨以上的速度在不断增长着，截至目前，煤矸石累计堆放量逾45亿吨，规模较大的煤矸石山达2600多座。究其原因，上述众多煤矸石应用行业/领域对煤矸石的品质要求、经济性和环保问题等及煤矸石的消耗量有其客观上的局限性。

另一方面，我国是世界上最大的水泥产能国，水泥生产对粘土类硅铝酸盐原料不可再生资源和燃煤消耗巨大。煤矸石本身就是硅铝酸盐为主的矿石，并同时含有一定的碳类可燃物质，即煤矸石本身同时可作为硅铝酸盐原料和劣质燃料资源，具备作为水泥生产原燃材料潜质，有可能成为水泥生产最大的消纳对象，在国家政策的激励下，我国广大的水泥生产领域技术人员一直在努力的探索实践，我国几乎所有的水泥生产科研院所都组织了煤矸石利用的专项课题开发研究，如CN106277865B公开了一种硅酸盐水泥熟料的制备方法、CN104926163B公开了一种硅酸盐水泥熟料及其制备方法，它们分别提供了一种以低挥发份（Vad3~5.5%)、高固定碳（FCad8~10%)、低水分（Mad 0.2~0.35%)、低热值（100～800Kcal/Kg)的特定化学成分范围的煤矸石（掺入量3%～5%）配料生产硅酸盐水泥熟料的方法，其要点：一是选择低挥发份、高固定碳、低水分、低热值的特定化学成分的煤矸石，且控制掺入量5%以内，以求最大限度地减少煤矸石中的可燃物尤其是挥发份对窑系统的结皮粘堵等不利影响，暂不说此类煤矸石可选择的样品有限，至少缺失普适性；二是控制入窑生料分解率在90～95%（一般干法水泥生产入窑生料分解率控制在97.5～99.5%以提高窑系统产能），以求用生粉料减轻预热器和窑系统的结皮粘堵等，这样的技术措施在无燃烧性能好的优质烟煤的水泥企业是行不通的，客观上缺乏实用性。CN104986975B公开了一种G级油井水泥及其加工工艺，其缺陷与CN106277865B公开的硅酸盐水泥熟料的制备方法、CN104926163B公开的硅酸盐水泥熟料及其制备方法相同，只是对煤矸石中的硅含量等要求更高，对硅酸盐水泥熟料的配料要求及生产无借鉴意义。

CN103833244B公开了一种风积砂硅酸盐水泥熟料及其生产方法，：第一步将所有的原料包括7.82份至5.42份煤矸石直接配料、粉磨选粉制成细度为10%至12%的生料粉；第二步，是将均化后冷态的生料粉直接送入回转窑外分解分解炉中的分解炉中进行预热、预分解；第三步是将经过分解炉预热、预分解后的生科送入回转窑煅烧，其中煅烧温度为900℃至1450 ℃。该方法与现有通用的干法水泥生产线以多级预热器预热生料，然后入分解炉分解生料中的碳酸钙的工艺显著不同，而是以分解炉直接预热冷态生料粉并进行生料的预分解，即是将分解炉当作含煤矸石生料的悬浮焙烧炉（类似流化床焙烧），含可燃物生料经分解炉焙烧后然后送入回转窑煅烧，以避免生煤矸石对正常的干法水泥生产线预热器和回转窑系统的工况影响。

CN110790525A公开了一种含有煤矸石的电石渣水泥的制备方法、CN107200486A公开了一种高掺工业废渣水泥及其制备方法，均是以电石渣、煤矸石、黄矸石等系列工业废渣配料生产水泥的工艺，未涉及煤矸石配料对干法水泥生产窑系统的工艺控制技术和窑况影响问题及解决办法。

本领域技术人员公知的是：一是熟石灰（电石渣的主要成分）的分解温度和热耗比石灰石低很多，电石渣干粉替代石灰石生产水泥熟料的正常热耗要低很多，但该方法的熟料热耗不低于正常的石灰石配料的熟料热耗，是因为严重的结皮粘堵导致窑况不稳定而增加了热耗；二是现有电石渣制水泥的干法水泥生产线结皮粘堵情况严重，窑系统稳定性不好，导致熟料热耗与正常的石灰石配料热耗相当或更高，其掺入煤矸石配料也只是结皮、粘堵更严重而已。

CN104386930B公开了一种煤矸石在干法水泥熟料生产中的应用方法，通过实验研究（配料设计、易烧性试验、煤矸石燃烬实验和工业分析）及CFD模拟分析等技术手段，探索煤矸石在干法水泥熟料生产过程中的掺入方式、掺加量、粉磨细度等因素对生产工艺及热工设备的影响，提供了煤矸石作为生料配料使用、煤矸石和煤粉作为混合燃料喷入分解炉两种方式。其对于煤矸石配料使用方式，提示了选用特定质量要求的煤矸石，依煤矸石的主要化学成分硅铝铁铁钙含量，理论上的化学成分率值计算煤矸石可配入9%及9%以下。在可满足配料的目标率值（KH=0.91±0.02,SM=2.6 ± 0.01,IM=1.6±0.01)范围，煤矸石与低硅砂岩配合使用，理论上可配入4.5855%，并提示若在实际操作中，须严格控制关键部位的温度参数，防止系统产生结皮、粘堵，但客观实际中因煤砰石的特性尚无有效的技术控制措施。其作为煤矸石混合燃料入分解炉方式，提示了理论分析煤矸石最高用量为进分解炉燃料量的10%及10%以下（即煤矸石用量低于0.007838kg/kg.cl，仅为生料中理论计算值用量的十分之一），否则会严重影响入分解炉燃料的燃烧性能（分解炉燃烧性能恶化、炉况恶化、进而造成重度结皮粘堵严重影响窑系统工况）。

客观上， CN104386930B公开的煤矸石掺入生料配料及作为分解炉替代燃料两种煤矸石利用方式，也是几十年来水泥行业领域大量技术工作者在反复探索和实践的两种利用煤矸石的方法，尽管本领域人员都认为煤矸石可替代水泥熟料生产的硅铝质原料和燃料，但因煤矸石的特性，至今未见有可行有效的方法解决煤矸石对水泥窑系统工况的影响问题。

数十年来，煤矸石无论作为水泥生产的燃料。还是作为生料配料原料，客观上成为了水泥行业生产企业的“鸡肋”。为解决煤矸石直接配料对干法水泥生产线窑系统工况造成的负面影响，广大技术工作者进行了大量的探索实践，相对有效的技术措施大致可归纳为如下四种技术方案：

方法一：严格限制进厂煤矸石的成分、指标及热值，且控制用量（大多选用低热值煤矸石、或从煤矸石中筛分出来的基本无热值的砂岩），并加强煤矸石的均化，如2019年12月提交申请的CN110845195A公开了一种煤矸石生产硅酸盐水泥熟料的制备方法，介绍了河南焦煤集团下属企业焦作千业水泥有限责任公司，秉承社会责任，经长期的探索实践，采用0～3%的低热值煤矸石（从煤矸石中筛选出来的基本无热值的块状砂岩矸石）直接进行生料配料，以防止煤矸石掺入产生的严重结皮现象，稳定窑系统工况。

方法二；在控制进厂煤矸石热值、用量的前提下采用富氧燃烧，以求改善窑系统的工况，（参见·《四川水泥》（1996 No.3)刊发的《富氧空气助燃煤矸石生产水泥技术经济分析》一文）。生产实际中除经济性存疑外，对解决窑系统的结皮粘堵问题很不乐观。

方法三：对煤矸石采用特殊的破碎筛分分离方式，分离出煤矸石中的可燃物粉料并入燃煤后入窑，基本去除可燃物后的矸石料再用于生料配料，如CN207086075U公开了一种利用煤矸石的水泥生产系统，但该方法煤矸石中可燃物和矿岩两大组分的分离不易，预分离处理能耗亦高。

方法四：煤矸石熟化后掺入配料方法，即先将煤矸石焙烧或堆燃热处理去除绝大部分或全部可燃物，同时热分解去除煤矸石中的硫化物（硫铁矿），然后以焙烧煤矸石（即熟矸石）入生料配料，如CN108328951A公开的一种将煤矸石加工为水泥干粉原料的系统及其加工方法即是如此。该方法或投资较大或占用场地，且浪费了煤矸石中的热能，并产生环境污染。

综上所述，现有干法水泥生产线资源化利用生煤矸石的方法，因受煤矸石的特性产生的结皮粘堵等问题制约，客观上不利于水泥企业大规模消纳煤矸石废渣，水泥行业若要实现大量利用生煤矸石同时替代干法水泥生产的部分或全部硅铝质原料和部分燃料，迫切需要一种可改善生煤矸石特性，并使之适应于干法水泥生产线装备系统特征的新方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种可大量消纳生煤矸石的同时，替代干法水泥生产的部分尾煤和硅铝质原料，降低水泥生产的燃煤消耗和粘土（页岩）类硅铝质原料的消耗，解决煤矸石堆积带来的环境污染问题的利用煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法。该方法可有效解决因生煤矸石的特性产生的结皮粘堵影响熟料产质量、能耗等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种利用煤矸石替代尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法，包括以下步骤：

（1）双组分制粉：在煤矸石中加入改性助烧剂，混合粉磨，对煤矸石进行改性，制成煤矸石粉；将钙质原料、硅铝质原料、硅质校正料、铝质校正料、铁质校正料配料混合粉磨制成生料粉；

（2）预热、混合、分解：将步骤（1）所得的煤矸石粉和生料粉按质量比为3～20∶97～80的比例，分别连续喂入干法水泥熟料生产线的预热器进行预热、混合，送入分解炉内分解，依分解炉出口温度即时波动状态，视煤矸石粉的实际热值高低或用量比例调整波动的具体情况，动态时加减尾煤用量，分解的混合生料粉再送入干法水泥熟料生产线的回转窑内；

（3）氧化性煅烧：将步骤（2）送入回转窑的物料，调整用风控制回转窑内氧化性气氛进行煅烧，得到硅酸盐熟料。

本发明将煤矸石和钙质原料、硅铝质原料、硅质校正料、铝质校正料、铁质校正料，分别配料粉磨制成双组分物料粉。由于煤矸石的矿物质和化学成分大多变化大，实际操作中可能是“均化赶不上变化”，煤矸石粉的成分和热值客观上是波动的；而干法水泥生产正常的钙质原料、硅铝质原料、硅质校正料、铝质校正料、铁质校正料等较易均化，其配料粉磨制成的生料粉的成分可以很好的均化稳定，正常的干法水泥生产对于入窑系统的生料稳定性的控制要求高，其生料粉的成分是相对稳定的。

进一步，步骤（1）中，所述煤矸石为生煤矸石，包括各类低位热值在100×4.18KJ/Kg～2800 ×4.18KJ/Kg之间的白矸石、选矸石在内的粘土岩类煤矸石、砂岩类煤矸石（含硅质岩类煤矸石）、碳酸岩类煤矸石、铝质岩类煤矸石。

进一步，步骤（1）中，在煤矸石中加入改性助烧剂的质量，为煤矸石质量的≤3%；优选用量0.3~2%。以适应不同矿物特性的煤矸石。

进一步，步骤（1）中，所述改性助烧剂为氧化剂与硅胶、铝胶中的一种或两种的混合物；当煤矸石中的碱硫含量低、挥发份亦低不足以产生强还原作用、且不含绿泥石矿物时，可不加改性助烧剂。改性助烧剂的加入是为抑制煤矸石中的碳类有机质对包括煤矸石粉在内的生料粉中的铁氧化物和硫化物等的还原作用、吸收固化煤矸石受热分解挥发出的碱硫，并促进煤矸石在分解炉无烟悬浮燃烧中迅速燃尽，且加速热解绿泥石矿物。

进一步，所述氧化剂为高铁酸盐、高锰酸盐中的一种它们的混合物。

进一步，步骤（1）中，所述煤矸石粉的细度为80μm筛余≤18％。以确保可快速预热膨胀脱除内水和化合水，并节省粉磨能耗。

进一步，步骤（1）中，所述生料粉的细度为80μm筛余≤27％。以适应生料的易烧性和节省粉磨能耗。

本发明通过在煤矸石中加入适量改性助烧剂，制成煤矸石粉，能够大量消纳生煤矸石；将钙质原料、硅铝质原料、硅质校正料、铝质校正料、铁质校正料混合粉磨制成生料粉，突破了非常成熟且已固化的生料制备观念，突破了三率值稳定控制的基本理念，采用以生料的主体稳定，容纳煤矸石成分波动或用量比例调整造成的区间范围波动方法。依“水泥生产窑炉是一套高温热化学反应窑炉系统”，在保证熟料烧成质量和窑系统正常工况的前提下，可满足控制反应物料成分的较大区间波动范围，采用“三率值区间波动控制法”。

进一步，步骤（1）中，依煤矸石、硅质校正料、铝质校正料、铁质校正料、硅铝质原料、钙质原料（石灰石等）的实际情况，三率值在石灰饱和系数KH =0.86～0.98、硅酸率SM=2.2～3.2、铝氧率IM＝1.3～1.9的范围选择适宜的区间率值控制，其中：

KH＝(CaO-1.65Al₂O₃-0.35Fe₂O₃-0.7AO₃)/2.8SiO₂；

SM＝SiO₂/(Al₂O₃+Fe₂O₃)；

IM＝Al₂O₃/Fe₂O₃。

进一步，步骤（1）中，当煤矸石的主要化学成分SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO相对稳定或易于均化稳定时，在釆用“双组分制粉分别入预热器”工艺的同时，其依化学成分计算的“三率值区间波动控制法”可转化为干法水泥生产正常的稳定生熟料三率值控制方式。

进一步，步骤（2）中，当干法水泥熟料生产线预热器系统为五级旋风预热器时，将步骤（1）所得的煤矸石粉经计量连续喂入干法水泥生产线五级预热器系统的C5旋风预热器的上行风管中；将步骤（1）所得的生料粉经连续计量从C2旋风预热器的上行风管喂入，随风拉入C1旋风预热器后卸入C3旋风预热器的上行风管中拉入C2旋风预热器，再从C2旋风预热器卸入C4旋风预热器的上行风管中随风拉入C3旋风预热器，然后卸入C5旋风预热器的上行风管中；喂入C5旋风预热器的上行风管中的煤矸石粉与自C3旋风预热器锥部镏管下来的生料粉连续混合后，随风进入C4旋风预热器中，煤矸石粉经C5旋风预热器的上行风管、C4旋风预热器与生料粉混合形成混合生料粉；预热后的混合生料粉经C4旋风预热器的锥部馏管送入分解炉内，分解炉内预分解的混合生料粉随拉风进入C5旋风预热器，经C5旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内。

煤矸石粉经C5旋风预热器的上行风管、C4旋风预热器与热生料粉、热气流快速的混合预热后既卸入分解炉内（耗时约8秒）随拉风悬浮，即煤矸石粉在缺氧的C5旋风预热器的上行风管、C4旋风预热器中的粉料环境中从常温冷态快速升温至680 ℃～780℃，快速越过煤矸石含碳有机质及硫化物的挥发、裂解温度（350 ℃～600 ℃）段，仅来得及脱除煤矸石中阻碍升温和着火燃烧的内水和化合水，就达到了煤矸石中碳类有机质等可燃物的快速氧化燃烧温度范围（680 ℃～800 ℃），随拉风悬浮于直筒式分解炉内的快速预热（脱水膨化）的煤矸石粉颗粒的燃烧性能大大优于冷态进入分解炉内的无烟煤粉或半烟煤粉（冷态煤粉需要先经过升温、恒温脱水段脱除内水和化合水、再升温的时间段然后才能燃烧），加之改性助烧剂对煤矸石粉颗粒的改性助烧作用，煤矸石中的可燃物在分解炉内以无烟悬浮燃烧方式可以快速燃尽，放出的热量直接供给碳酸钙的分解，从而达到有效的替代尾煤的效果。煤矸石中的硅铝酸盐矿物于分解炉内全部分解为活性氧化物，包括少量绿凝石矿物在改性助烧剂的协同作用下亦崩解为活性氧化物（煤矸石中的硅铝酸盐矿物分解温度一般在580～820 ℃其在C4旋风预热器中没有足够的分解时间，绿泥石的分解温度在1050～1175 ℃）。煤矸石中的硫化物（硫铁矿等）在分解炉内氧化分解为SO₂/SO₃、Fe₂O₃等（在C4旋风预热器内没有足够的分解时间），在分解炉内非还原性气氛下SO₂/SO₃与新生的高活性CaO化合生成硫酸钙而固定。分解炉内预分解的煤矸石混合生料粉随拉风进入C5旋风预热器，经C5旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内，煤矸石成为干法水泥生产硅酸盐熟料的硅铝质原料。

本发明直接解决了煤矸石中的含碳可燃物及碱硫等在多级预热器的C1、C2、C3、C4级预热器内逐步升温挥发/还原分解和逐渐加重生料的还原性、还原性物料进而加重分解炉内还原气氛并连锁性加剧C5级预热器、窑尾烟室乃至回转窑内的还原结皮、粘堵，进而严重影响干法水泥生产的窑况和能耗及产质量的问题（还原反应吸热，结皮粘堵及其处理均增加热耗），同时化解了煤矸石应用导致的碳氢挥发物和二氧化硫污染防治困难的问题。

进一步，步骤（2）中，当干法水泥熟料生产线预热器系统为六级旋风预热器时，将步骤（1）所得的煤矸石粉经计量连续喂入干法水泥生产线六级预热器系统的C6旋风预热器的上行风管中；生料粉经连续计量从C2旋风预热器的上行风管喂入，随风拉入C1旋风预热器后卸入C3旋风预热器的上行风管中拉入C2旋风预热器，再从C2旋风预热器卸入C4旋风预热器的上行风管中随风拉入C3旋风预热器，然后卸入C5旋风预热器的上行风管中随风拉入C4旋风预热器，再从C4旋风预热器卸入C6旋风预热器的上行风管中随风拉风C5旋风预热器；喂入C6旋风预热器的上行风管中的煤矸石粉与C4旋风预热器锥部镏管下来的生料粉连续混合后，随风进入C5旋风预热器中，煤矸石粉经C6旋风预热器的上行风管、C5旋风预热器与生料粉混合形成混合生料粉；预热后的混合生料粉经C6旋风预热器的锥部馏管送入分解炉内，预热的混合生料粉中的煤矸石所含的碳类可燃物于分解炉内无烟悬浮燃烧中燃尽，热能供给混合生料粉中碳酸钙的分解，煤矸石的无机矿物热分解为活性氧化物全部成为生料成分的组分，分解炉内预分解的混合生料粉随拉风进入C6旋风预热器，经C6旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内。

同理，煤矸石粉经C6旋风预热器的上行风管、C5旋风预热器与热生料粉、热气流快速的混合预热后既卸入分解炉内（耗时约8秒）随拉风悬浮，即煤矸石粉在缺氧的C6旋风预热器的上行风管、C5旋风预热器中的粉料环境中从常温冷态快速升温至680 ℃～780℃，快速越过了煤矸石含碳有机质的挥发、裂解温度（350 ℃～600 ℃）段，仅来得及脱除煤矸石中阻碍升温和着火燃烧的内水和化合水，就达到了煤矸石中碳类有机质等可燃物的快速氧化燃烧温度范围（680 ℃～800 ℃），随拉风悬浮于直筒式分解炉内的快速预热（脱水膨化）的煤矸石粉颗粒的燃烧性能大大优于冷态进入分解炉内的无烟煤粉或半烟煤粉（冷态煤粉需要先经过升温、恒温脱水段脱除内水和化合水、再升温的时间段然后才能燃烧），加之改性助烧剂对煤矸石粉颗粒的改性助烧作用，煤矸石中的可燃物在分解炉内以无烟悬浮燃烧方式可以快速燃尽，放出的热量直接供给碳酸钙的分解，从而达到有效的替代尾煤的效果。煤矸石中的硅铝酸盐矿物于分解炉内全部分解为活性氧化物，包括少量绿凝石矿物在改性助烧剂的协同作用下亦崩解为活性氧化物（煤矸石中的硅铝酸盐矿物分解温度一般在580～820 ℃其在C5旋风预热器中没有足够的分解时间，绿泥石的分解温度在1050～1175℃）。煤矸石中的硫化物（硫铁矿等）在分解炉内氧化分解为SO₂/SO₃、Fe₂O₃等（在C5旋风预热器内没有足够的分解时间），在分解炉内非还原性气氛下SO₂/SO₃与新生的高活性CaO化合生成硫酸钙而固定。分解炉内预分解的煤矸石混合生料粉随拉风进入C6旋风预热器，经C6旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内，煤矸石成为干法水泥生产硅酸盐熟料的硅铝质原料。

进一步，步骤（2）中，依分解炉出口温度即时波动范围为860℃～890℃，优选875±10℃，适煤矸石粉的实际热值高低或用量比例调整波动的具体情况，动态适时加减尾煤用量；当煤矸石热值高或用量比例提高，分解炉出口温度升高时则减少尾煤用量，煤矸石热值低或用量比例调低，分解炉出口温度下降时则增加尾煤用量。

进一步，步骤（3）中，所述氧化性气氛煅烧温度为1400℃～1500℃，优选1450 ℃。

本发明在实际操作中，控制两关键环节：一是通过用风调整控制回转窑内氧化性气氛煅烧，烧强窑头一把火稳定熟料的烧成质量，熟料的烧成质量稳定，煤矸石成分波动导致的熟料矿物成分三率值在一定区间范围的波动，对硅酸盐熟料及其水泥的物理力学性能指标的影响在可承受范围之内。二是依分解炉出口温度即时波动范围860℃～890℃，即时加减尾煤用量。因本发明入分解炉已快速预热至燃烧温度（且脱除内水化合水）的煤矸石粉本身已是一种易于燃尽的尾煤燃料，煤矸石热值高则炉温上升适时减少尾煤喂入量、乃至停喂尾煤，以防止燃料过量（过量燃料未及时燃尽的碳会导致C5及下料馏管、窑尾烟室、缩口产生还原结皮、粘堵），如煤矸石热值低，炉温下降，则适时增加尾煤喂入量。

本发明具有如下有益效果：

1）可以有效利用我国庞大产能且广为分布的干法水泥生产线大规模消纳各类生煤矸石，包括所有各类白矸石、选矸石在内的粘土岩类煤矸石、砂岩类煤矸石（含硅质岩类煤矸石）、碳酸岩类煤矸石、铝质岩类煤矸石，且几乎无视煤矸石的成分波动，尤其是无视煤矸石的热值波动，也无视了煤矸石的硫含量高低，煤矸石的低位热值可从 0～3000 ×4.18KJ/Kg任意使用，只要所用煤矸石完全燃烧放出的热能不超过干法水泥生产中正常所用尾煤的热能。最大可取代干法水泥生产线约60%的燃煤（干法水泥生产尾煤一般约占总煤量的60%）、替代全部的硅铝质粘土（页岩）原料。可望解决煤矸石堆积造成的环境污染问题，并为水泥企业节省大量的燃煤、大幅减轻粘土类硅铝质原料的消耗；

2）针对成熟的干法水泥生产线工艺装备特点，及硅酸盐熟料烧成的实质及硅酸盐胶凝材料的物理力学性能形成特征，突破了非常成熟且已固化的生料制备和三率值稳定控制的基本理念，依“水泥生产窑炉是一套高温热化学反应窑炉系统”，在保证熟料烧成质量和窑系统正常工况的前提下，可大幅放宽控制原料成分的波动区间范围，开创了“双组分制粉”、“三率值区间波动控制法”，利于引导水泥生产技术创新发展；

3）针对煤矸石的特性及干法水泥生产线工艺装备特点，本方法简单而直接地解决了煤矸石中的含碳可燃物及碱硫等在多级预热器内逐步挥发/还原分解和逐渐加重生料的还原性、还原性物料进而加重分解炉内还原气氛并连锁性加剧C5级预热器、窑尾烟室乃至回转窑内的还原结皮、粘堵，进而严重影响干法水泥生产的窑况和能耗及产质量的问题（还原反应吸热、结皮粘堵及其处理均增加热耗），同时化解了煤矸石应用导致的碳氢挥发物和二氧化硫污染防治困难的问题。本发明对煤矸石改性处理、快速预热至燃点并脱除阻碍燃烧的煤矸石内水和化合水的方法，使煤矸石有效的转化为一种可以清洁燃烧的替代性燃料和硅铝质原料，为水泥企业利用含可燃物/含硫固体废料提供了一种全新的方法，利于水泥企业的节能减排，降本增效。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例所使用的化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。

实施例1～3在某Φ4.2×64m带五级旋风预热器预分解窑干法水泥生产线上进行，其正常生产的生料配料原料为：钙质原料石灰石、硅铝质原料废粘土/页岩、硅质校正料砂岩、铁质校正料硫酸渣，燃煤采用挥发份11～16%、热值5200～5600Kcal/kg的半烟煤，熟料率值控制在石灰饱和系数KH =0.93±0.02、硅酸率SM=2.6±0.1、铝氧率IM＝1.6±0.1。生产中，煅烧用煤的头尾煤比例约为头煤0.37:尾煤0.63，窑尾烟室、缩口、窑内中度结皮、长圈，窑况较稳定，熟料中夹杂少量粽黄色还原料。正常窑况熟料产量平均为2756t/d，熟料实际标准煤耗116.9kg/t，熟料立升重波动在1163～1327g/L，f-CaO 波动在0.7～1.8%，熟料液相量波动在23.1～27.4%，熟料强度波动在3d 抗压强度 24.7～32.1MPa 、28d抗压强度52.4～58.3MPa，标准稠度需水量波动在22.5～27.5%，流动度波动在162～187mm，凝结时间波动在初凝93～137min、终凝125～173min。

各实施例使用改性助烧剂为湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司生产的Zc-R1液态助烧剂，主要成分为氧化剂高铁酸盐溶液和硅胶的液态混合物。

实施例1

本实施例中煤矸石从堆积的煤矸石山取用，为白矸和选矸混杂的煤矸石，按取样规程取100个煤矸石样分析，煤矸石样外观与分析显示煤矸石成分波动幅度非常大，煤矸石内水含量（w）波动在0.2～5.2%，外水含量（w）波动在4.3～11.6%。工业分析值波动在：灰份（Aad）59.7～91.3%、挥发份（Vad）2.6～21.4%、水份（Mad）0.2～6.4%、固定碳（FCad）1.1～18.3%、热值（Qnet.ad）187～2373 ×4.18 kJ/kg。主要化学成分（w）波动范围为SiO₂ 43.8～67.6%、A1₂O₃ 7.3～21.7%、Fe₂O₃ 3.4～9.1%、CaO 1.3～8.4% 、MgO 0.7～4.8%、K₂O 0.8～2.7%、Na₂O 0.6～1.8%、SO₃ 0.3～3.7%、P₂O₅ 0.00~0.16%、TiO₂ 0.00～0.71%、烧失量（Loss）6.7～27.3%。

经与水泥厂反复分析评估，采用三率值区间波动控制法，拟定以此批次煤矸石替代13.7%的硅铝质原料废土页岩，熟料三率值控制设定为石灰饱和系数KH =0.90～0.97、硅酸率SM=2.31～2.65、铝氧率IM＝1.31～1.70的区间范围率值控制。

本实施例拟定以煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料—废土页岩混合物料，按如下步骤实施煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料：

（1）双组分制粉：在煤矸石中加入相当于煤矸石质量0.7%的所述改性助烧剂，混合粉磨，对煤矸石进行改性，制成细度为80um筛余12％的煤矸石粉；将钙质原料石灰石、硅质校正料砂岩、铁质校正料硫酸渣配料混合粉磨制成细度为80μm筛余16％的生料粉；

（2）预热、混合、分解：将步骤（1）所得煤矸石粉与生料粉按质量比=13.7～14.7∶86.3～85.3的比例，分别连续计量喂入预热器系统；其中，将煤矸石粉经计量连续喂入干法水泥生产线五级预热器系统的C5旋风预热器的上行风管中；生料粉经连续计量从C2旋风预热器的上行风管喂入，随风拉入C1旋风预热器后卸入C3旋风预热器的上行风管中拉入C2旋风预热器，再从C2旋风预热器卸入C4旋风预热器的上行风管中随风拉入C3旋风预热器，然后卸入C5旋风预热器的上行风管中；喂入C5旋风预热器的上行风管中的煤矸石粉与C3旋风预热器锥部镏管下来的生料粉连续混合后，随风进入C4旋风预热器中，煤矸石粉经C5旋风预热器的上行风管、C4旋风预热器与生料粉混合形成混合生料粉；预热后的混合生料粉经C4旋风预热器的锥部馏管送入分解炉内，预热的混合生料粉中的煤矸石所含的碳类可燃物于分解炉内无烟悬浮燃烧中燃尽，热能供给混合生料粉中碳酸钙的分解，煤矸石的无机矿物热分解为活性氧化物全部成为生料成分的组分，依分解炉出口温度波动范围860℃~880℃，及时加减尾煤用量，以保证分解率；分解炉内预分解的混合生料粉随拉风进入C5旋风预热器，经C5旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内；

（3）氧化性煅烧：将步骤（2）送入回转窑的物料采用烧强窑头一把火，调整用风控制回转窑内氧化性气氛煅烧成硅酸盐熟料（熟料烧成温度1450 ℃）；为稳定硅酸盐熟料的烧成质量（针对该厂采用的燃料是半烟煤、实际上是无烟煤为主的配煤，燃烧性能较差窑头火焰烧起来断流，因库存煤量大不便于换燃烧性能好的烟煤，本实验阶段对半烟煤燃料采用了成熟的煤用催化氧化燃烧方法以确保烧好窑头一把火），依分解炉出口温度波动范围870±10℃，视煤矸石粉实际热值高低波动的情况，动态适时加减尾煤用量，以防止燃料过量或不足（过量燃料未及时燃尽的碳会导致C5及下料馏管、窑尾烟室、缩口产生还原结皮粘堵，燃料不足影响炉温及窑况），炉温上升（煤矸石热值高）减少尾煤喂入量，炉温下降（煤矸石热值低）增加尾煤喂入量。

为追综熟料质量波动状况，每个小时取一轮熟料样。

试验连续运行74.6小时，预热器、窑尾烟室、缩口及窑内未见明显结皮粘堵现象，窑头清亮基本无飞砂、熟料结粒性好，未见还原料，熟料立升重波动在1257～1382g/L，f-CaO 波动在0.5～1.2%，窑系统运行工况正常。窑尾废气排放未见任何负面影响，环保在线烟气监测显示SO₂排放值略有下降、脱硝氨水消耗量也略有下降。

煅烧用煤的头煤用量相当，尾煤用量降幅在32～74%之间波动，3天吨熟料平均标准煤耗降至83.6kg/t，吨熟料标煤耗降低33.3 kg/t。

3天熟料产量平均为2867t/d，略有提产。

3天熟料样分析实际率值波动为石灰饱和系数KH=0.914～0.947、硅酸率SM=2.29～2.48、铝氧率IM＝1.36～1.57；熟料液相量波动在24.8～27.5%，熟料强度波动在3d 抗压强度 28.4～34.7MPa 、28d抗压强度57.3～64.7MPa，标准稠度需水量波动在22.8～26.5%，流动度波动在178～186mm，凝结时间波动在初凝97～128min、终凝124～157min。即采用“三率值区间波动控制法”生产的熟料质量的稳定性相较正常的均化稳定三率值控制法反而有所提高，熟料的各项物理力学性能指标均有所提高。

本次生产试验显示，本发明利用煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法是可行的，利用堆积煤矸石山的混杂矸石，一则可节省大量的尾煤，平均节省尾煤达45.22%；二则可替代大量的粘土页岩类硅铝质原料，且能有效解决因煤矸石特性导致的结皮粘堵影响窑系统工况的问题，并能提高熟料质量及其物理力学性能，对烟气排放无负面影响。

实施例2

本实施例中煤矸石选用煤矿采煤作业排弃的选矸，直接从煤矿运输至厂，按取样规程取40个煤矸石样分析，煤矸石工业分析值波动在：灰份（Aad）69.6～88.7%、挥发份（Vad）4.6～17.3%、水份（Mad）1.0～4.7%、固定碳（FCad）2.8～15.3%、热值（Qnet.ad）487～2253 ×4.18 kJ/kg。主要化学成分（w）波动范围为SiO₂ 49.7～65.4%、A1₂O₃ 7.9～19.4%、Fe₂O₃ 3.3～8.4%、CaO 1.7～8.1% 、MgO 0.6～3.9%、K₂O 0.7～2.5%、Na₂O 0.4～1.5%、SO₃ 0.5～4.7%、P₂O₅ 0.00~0.13%、TiO₂ 0.00～0.56%、烧失量（Loss ）8.2～29.1%。试验用煤矸石改性助烧剂由湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司提供(Zc-R1号液剂），主要成分为氧化剂与硅胶、铝胶的液态混合物。

经与水泥厂反复分析评估，采用三率值区间波动控制法，拟定以此批次煤矸石替代13.1%的硅铝质原料页岩，熟料三率值控制设定为石灰饱和系数KH =0.89～0.97、硅酸率SM=2.35～2.75、铝氧率IM＝1.32～1.62的区间范围率值控制。

本实施例拟定以煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料—废土页岩混合物料，按如下步骤实施煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料：

（1）双组分制粉：将煤矸石加入质量比0.4%的改性助烧剂混合粉磨改性，制成细度为80um筛余10％的煤矸石粉；将钙质原料石灰石、硅质校正料砂岩、铁质校正料硫酸渣配料混合粉磨制成细度为80um筛余18％的生料粉；

（2）预热、混合、分解：将步骤（1）所得煤矸石粉与生料粉按质量比=12.9～14.6∶87.1～85.4的比例，分别连续计量喂入预热器系统；其中，将煤矸石粉经计量连续喂入干法水泥生产线五级预热器系统的C5旋风预热器的上行风管中；生料粉经连续计量从C2旋风预热器的上行风管喂入，随风拉入C1旋风预热器后卸入C3旋风预热器的上行风管中拉入C2旋风预热器，再从C2旋风预热器卸入C4旋风预热器的上行风管中随风拉入C3旋风预热器，然后卸入C5旋风预热器的上行风管中；喂入C5旋风预热器的上行风管中的煤矸石粉与C3旋风预热器锥部镏管下来的生料粉连续混合后，随风进入C4旋风预热器中，煤矸石粉经C5旋风预热器的上行风管、C4旋风预热器与生料粉混合形成混合生料粉；预热后的混合生料粉经C4旋风预热器的锥部馏管送入分解炉内，预热的混合生料粉中的煤矸石所含的碳类可燃物于分解炉内无烟悬浮燃烧中燃尽，热能供给混合生料粉中碳酸钙的分解，煤矸石的无机矿物热分解为活性氧化物全部成为生料成分的组分；依分解炉出口温度波动范围875℃~880℃±10℃，及时加减尾煤用量，以保证分解率；分解炉内预分解的混合生料粉随拉风进入C5旋风预热器，经C5旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内；

（3）氧化性煅烧：入回转窑物料采用烧强烧好窑头一把火，调整用风控制回转窑内氧化性气氛煅烧成硅酸盐熟料（熟料烧成温度1450 ℃）；为稳定硅酸盐熟料的烧成质量（针对该厂采用的燃料是半烟煤、实际上是无烟煤为主的配煤，燃烧性能较差窑头火焰烧起来断流，因库存煤量大不便于换燃烧性能好的烟煤，本实验阶段对半烟煤燃料采用了成熟的煤用催化氧化燃烧方法以确保烧好窑头一把火），依分解炉出口温度波动范围875±10℃℃，并视煤矸石粉实际热值高低波动的情况，动态适时加减尾煤用量，以防止燃料过量或不足（过量燃料未及时燃尽的碳会导致C5及下料馏管、窑尾烟室、缩口产生还原结皮粘堵，燃料不足影响炉温及窑况），炉温上升（煤矸石热值高）适时减少尾煤喂入量，炉温下降（煤矸石热值低）适时增加尾煤喂入量。

为追综熟料质量波动状况，每个小时取一轮熟料样。

试验连续运行72.6小时，预热器、窑尾烟室、缩口及窑内未见明显结皮粘堵现象，窑头清亮基本无飞砂、熟料结粒性好，未见还原料，熟料立升重波动在1249～1381g/L，f-CaO 波动在0.4～1.0%，窑系统运行工况正常。窑尾废气排放未见任何负面影响，环保在线烟气监测显示SO2排放值略有下降、脱硝氨水消耗量也略有下降。

煅烧用煤的头煤用量相当，尾煤用量降幅在38～87%之间波动，3天吨熟料平均标准煤耗降至76.3kg/t，吨熟料标煤耗降低40.6kg/t。

3天熟料产量平均为2865t/d，略有提产。

3天熟料样分析实际率值波动为石灰饱和系数KH=0.901～0.958、硅酸率SM=2.32～2.63、铝氧率IM＝1.34～1.59；熟料液相量波动在23.8～26.3%，熟料强度波动在3d 抗压强度 28.2～36.2MPa 、28d抗压强度57.9～68.3MPa，标准稠度需水量波动在22.4～26.3%，流动度波动在180～186mm，凝结时间波动在初凝107～132min、终凝136～154min。即采用“三率值区间波动控制法”生产的熟料质量的稳定性相较正常的均化稳定三率值控制法反而有所提高，熟料的各项物理力学性能指标均有所提高。

本次生产试验显示，本发明利用煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法是可行的，利用堆积煤矸石山的混杂矸石，一则可节省大量的尾煤，平均节省尾煤达55.13%；二则可替代大量的粘土页岩类硅铝质原料，且能有效解决因煤矸石特性导致的结皮粘堵影响窑系统工况的问题，并能提高熟料质量及其物理力学性能，对烟气排放无负面影响。

实施例3

本实施例煤矸石选用某洗煤厂的洗矸，直接从洗煤厂运输进场，按取样规程取38个煤矸石样分析，煤矸石样工业分析值波动在：灰份（Aad）71.3～89.7%、挥发份（Vad）3.7～16.4%、水份（Mad）0.94～5.3%、固定碳（FCad）2.9～12.6%、热值（Qnet.ad）287～1427×4.18kJ/kg。主要化学成分（w）波动范围为SiO₂ 47.9～65.3%、Al₂O₃ 6.8～18.2%、Fe₂O₃3.7～8.7%、CaO 1.6～8.4%、MgO 1.4～4.8%、K₂O 0.8～2.1%、Na₂O 0.5～1.4%、SO₃ 1.6～3.7%、P₂O₅ 0.00~0.13%、TiO₂ 0.00～0.57%、烧失量（Loss）6.5～25.3%。试验用煤矸石改性助烧剂由湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司提供(Zc-R号液剂），主要成分为氧化剂和铝胶的液态混合物。

经与水泥厂反复分析评估，采用三率值区间波动控制法，拟定以此批次煤矸石替代13.1%的硅铝质原料页岩，熟料三率值控制设定为石灰饱和系数KH =0.91～0.98、硅酸率SM=2.35～2.85、铝氧率IM＝1.25～1.65的区间范围率值控制。

本实施例拟定以煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料—废土页岩混合物料，按如下步骤实施煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料：

（1）双组分制粉：将煤矸石加入质量比0.9%的改性助烧剂混合粉磨改性，制成细度为80um筛余8％的煤矸石粉；将钙质原料石灰石、硅质校正料砂岩、铁质校正料硫酸渣配料混合粉磨制成细度为80um筛余16％的生料粉；

（2）预热、混合、分解：将步骤（1）所得煤矸石粉与生料粉按质量比=12.8～14.2∶ 87.2～85.8）的比例，分别连续计量喂入预热器系统；将煤矸石粉经计量连续喂入干法水泥生产线五级预热器系统的C5旋风预热器的上行风管中；生料粉经连续计量从C2旋风预热器的上行风管喂入，随风拉入C1旋风预热器后卸入C3旋风预热器的上行风管中拉入C2旋风预热器，再从C2旋风预热器卸入C4旋风预热器的上行风管中随风拉入C3旋风预热器，然后卸入C5旋风预热器的上行风管中；喂入C5旋风预热器的上行风管中的煤矸石粉与C3旋风预热器锥部镏管下来的生料粉连续混合后，随风进入C4旋风预热器中，煤矸石粉经C5旋风预热器的上行风管、C4旋风预热器与生料粉混合形成混合生料粉；预热后的混合生料粉经C4旋风预热器的锥部馏管送入分解炉内，预热的混合生料粉中的煤矸石所含的碳类可燃物于分解炉内无烟悬浮燃烧中燃尽，热能供给混合生料粉中碳酸钙的分解，煤矸石的无机矿物热分解为活性氧化物全部成为生料成分的组分；依分解炉出口温度波动范围870℃±5℃，及时加减尾煤用量保证分解率；分解炉内预分解的混合生料粉随拉风进入C5旋风预热器，经C5旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内。

（3）调节尾煤用量、氧化煅烧：入回转窑物料采用烧强烧好窑头一把火，调整用风控制回转窑内氧化性气氛煅烧成硅酸盐熟料（熟料烧成温度1450 ℃）；为稳定硅酸盐熟料的烧成质量（针对该厂采用的燃料是半烟煤、实际上是无烟煤为主的配煤，燃烧性能较差窑头火焰烧起来断流，因库存煤量大不便于换燃烧性能好的烟煤，本实验阶段对半烟煤燃料采用了成熟的煤用催化氧化燃烧方法以确保烧好窑头一把火）；依分解炉出口温度波动范围870±5℃，并视煤矸石粉实际热值高低波动的情况，动态适时加减尾煤用量，以防止燃料过量或不足（过量燃料未及时燃尽的碳会导致C5及下料馏管、窑尾烟室、缩口产生还原结皮粘堵，燃料不足影响炉温及窑况），炉温上升（煤矸石热值高）适时减少尾煤喂入量，炉温下降（煤矸石热值低）增加尾煤喂入量。

为追综熟料质量波动状况，每个小时取一轮熟料样。

试验连续运行73小时，预热器、窑尾烟室、缩口及窑内未见明显结皮粘堵现象，窑头清亮基本无飞砂、熟料结粒性好，未见还原料，熟料立升重波动在1237～1391g/L，f-CaO波动在0.5～1.2%，窑系统运行工况正常。窑尾废气排放未见任何负面影响，环保在线烟气监测显示SO₂排放值略有下降、脱硝氨水消耗量也略有下降。

煅烧用煤的头煤用量相当，尾煤用量降幅在27～66%之间波动，3天吨熟料平均标准煤耗降至79.6kg/t，吨熟料标煤耗降低37.3 kg/t。

3天熟料产量平均为2854t/d，略有提产。

3天熟料样分析实际率值波动为石灰饱和系数KH =0.918～0.971、硅酸率SM=2.39～2.73、铝氧率IM＝1.37～1.59；熟料液相量波动在22.8～26.3%，熟料强度波动在3d 抗压强度 28.7～33.9MPa 、28d抗压强度57.8～69.7MPa，标准稠度需水量波动在22.4～26.1%，流动度波动在180～186mm，凝结时间波动在初凝103～128min、终凝135～157min。即采用“三率值区间波动控制法”生产的熟料质量的稳定性相较正常的均化稳定三率值控制法反而有所提高，熟料的各项物理力学性能指标均有所提高。

本次生产试验显示，本发明利用煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法是可行的，利用堆积煤矸石山的混杂矸石，一则可节省大量的尾煤，平均节省尾煤达50.65%；二则可替代大量的粘土页岩类硅铝质原料，且能有效解决因煤矸石特性导致的结皮粘堵影响窑系统工况的问题，并能提高熟料质量及其物理力学性能，对烟气排放无负面影响。

实施例4

本实施例在某Φ4.8×74m带五级旋风预热器预分解窑干法水泥生产线上进行，其正常生产的生料配料原料为：钙质原料石灰石、硅铝质原料页岩、硅质校正料硅石、铁质校正料硫铁矿渣，燃煤采用挥发份28～36%、热值5800～6200Kcal/kg的低硫烟煤，熟料率值控制在石灰饱和系数KH =0.90±0.02、硅酸率SM=2.5±0.1、铝氧率IM＝1.5±0.1。生产中，煅烧用煤的头尾煤比例约为头煤0.36:尾煤0.64，窑尾烟室、缩口、窑内轻度结皮、长圈，窑况稳定，熟料中夹杂少量粽色还原料。正常窑况熟料产量平均为5835t/d，熟料实际标准煤耗107.6kg/t，熟料立升重波动在1210～1340g/L，f-CaO 波动在0.3～1.0%，熟料液相量波动在23.6～25.4%，熟料强度波动在3d 抗压强度 26.0～34.0MPa 、28d抗压强度54.0～59.0MPa，标准稠度需水量波动在22.5～27.5%，流动度波动在175～185mm，凝结时间波动在初凝97～137min、终凝125～165min。

本实施例中煤矸石从堆积的煤矸石山取用，为白矸和选矸混杂的煤矸石，按取样规程取81个煤矸石样分析，煤矸石工业分析值波动在：灰份（Aad）54.7～90.8% 、挥发份（Vad）3.7～21.6% 、水份（Mad）0.25～6.9% 、固定碳（FCad）1.6～15.3% 、热值（Qnet.ad ）139～2287×4.18 kJ/kg。主要化学成分（w）波动范围为SiO₂ 45.8～68.7%、A1₂O₃ 5.3～22.4%、Fe₂0₃ 2.9～8.3%、CaO 1.2～7.8% 、MgO 0.7～3.9%、K₂O 0.6～2.3%、Na₂O 0.4～1.6%、SO₃ 0.2～4.1%、P₂O₅ 0.00~0.12%、TiO₂ 0.00～1.14%、烧失量（Loss ）7.3～26.4%。试验用煤矸石改性助烧剂由湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司提供(Zc-R1号液剂），主要成分为氧化剂和硅胶的液态混合物。

经与水泥厂反复分析评估，采用三率值区间波动控制法，拟定以此批次煤矸石替代10～15%的硅铝质原料页岩，熟料三率值控制设定为石灰饱和系数KH =0.88～0.95、硅酸率SM=2.35～2.75、铝氧率IM＝1.35～1.75的区间范围率值控制。

本实施例拟定以煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料—页岩，按如下步骤实施煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料：

（1）双组分制粉：将煤矸石加入质量比0.3%的改性助烧剂混合粉磨改性，制成细度为80um筛余12％的煤矸石粉；将钙质原料石灰石、硅质原料、硅质校正料硅石、铁质校正料硫铁矿渣配料混合粉磨制成细度为80um筛余18％的生料粉；

（2）预热、混合、分解：将步骤（1）所得煤矸石粉与生料粉按质量比=10～16∶90～84的比例，分别连续计量喂入预热器系统；其中，将煤矸石粉经计量连续喂入干法水泥生产线五级预热器系统的C5旋风预热器的上行风管中；生料粉经连续计量从C2旋风预热器的上行风管喂入，随风拉入C1旋风预热器后卸入C3旋风预热器的上行风管中拉入C2旋风预热器，再从C2旋风预热器卸入C4旋风预热器的上行风管中随风拉入C3旋风预热器，然后卸入C5旋风预热器的上行风管中；喂入C5旋风预热器的上行风管中的煤矸石粉与C3旋风预热器锥部镏管下来的生料粉连续混合后，随风进入C4旋风预热器中，煤矸石粉经C5旋风预热器的上行风管、C4旋风预热器与生料粉混合形成混合生料粉；预热后的混合生料粉经C4旋风预热器的锥部馏管送入分解炉内，预热的混合生料粉中的煤矸石所含的碳类可燃物于分解炉内无烟悬浮燃烧中燃尽，热能供给混合生料粉中碳酸钙的分解，煤矸石的无机矿物热分解为活性氧化物全部成为生料成分的组分；依分解炉出口温度波动范围870℃±10℃，及时加减尾煤用量，以保证分解率；分解炉内预分解的混合生料粉随拉风进入C5旋风预热器，经C5旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内；

（3）氧化性煅烧：将步骤（2）送入回转窑的物料采用烧强窑头一把火，调整用风控制回转窑内氧化性气氛煅烧成硅酸盐熟料（熟料烧成温度1450 ℃）；为稳定硅酸盐熟料的烧成质量（针对该厂采用的燃料是半烟煤、实际上是无烟煤为主的配煤，燃烧性能较差窑头火焰烧起来断流，因库存煤量大不便于换燃烧性能好的烟煤，本实验阶段对半烟煤燃料采用了成熟的煤用催化氧化燃烧方法以确保烧好窑头一把火），控制分解炉出口温度为870±5℃，并视煤矸石粉实际热值高低波动的情况，动态适时加减尾煤用量，以防止燃料过量或不足（过量燃料未及时燃尽的碳会导致C5及下料馏管、窑尾烟室、缩口产生还原结皮粘堵，燃料不足影响炉温及窑况），炉温上升（煤矸石热值高）减少尾煤喂入量，炉温下降（煤矸石热值低）增加尾煤喂入量。

为追综熟料质量波动状况，每个小时取一轮熟料样。

试验连续运行73.4小时，预热器、窑尾烟室、缩口及窑内未见明显结皮粘堵现象，窑头清亮基本无飞砂、熟料结粒性好，未见还原料，熟料立升重波动在1280～1380g/L，f-CaO 波动在0.5～1.0%，窑系统运行工况正常。窑尾废气排放未见任何负面影响，环保在线烟气监测显示SO2排放值略有下降、脱硝氨水消耗量也略有下降。

煅烧用煤的头煤用量相当，尾煤用量降幅在33～72%之间波动，3天吨熟料平均标准煤耗降至76.8kg/t，吨熟料标煤耗降低30.8kg/t。

3天熟料产量平均为5943t/d，略有提产。

3天熟料样分析实际率值波动为石灰饱和系数KH =0.901～0.942、硅酸率SM=2.33～2.68、铝氧率IM＝1.39～1.70；熟料液相量波动在23.7～26.8%，熟料强度波动在3d 抗压强度 27.8～34.6MPa、28d抗压强度57.4～62.7MPa，标准稠度需水量波动在22.7～26.5%，流动度波动在176～188mm，凝结时间波动在初凝94～135min、终凝127～168min。即采用“三率值区间波动控制法”生产的熟料质量的稳定性相较正常的均化稳定三率值控制法反而有所提高，熟料的各项物理力学性能指标均有所提高。

本次生产试验显示，本发明利用煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法是可行的，利用堆积煤矸石山的混杂矸石，一则可节省大量的尾煤，平均节省尾煤达44.73%；二则可替代大量的页岩类硅铝质原料，且能有效解决因煤矸石特性导致的结皮粘堵影响窑系统工况的问题，并能提高熟料质量及其物理力学性能，对烟气排放无负面影响。

实施例5

本实施例在某Φ4.4×53m带六级旋风预热器预分解超短窑干法水泥生产线上进行，其正常生产的生料配料原料为：钙质原料石灰石、硅铝质原料废粘土、硅质校正料硅石、铁质校正料铁粉，燃煤采用挥发份28～32%、热值5600～6000Kcal/kg的低硫烟煤，熟料率值控制在石灰饱和系数KH =0.90±0.02、硅酸率SM=2.4±0.1、铝氧率IM＝1.5±0.1。生产中，煅烧用煤的头尾煤比例约为头煤0.4:尾煤0.6，窑尾烟室、缩口、窑内中度结皮、长圈，窑况较稳定，熟料中夹杂少量粽色还原料。正常窑况熟料产量平均为3108t/d，熟料实际标准煤耗114.8kg/t，熟料立升重波动在1130～1300g/L，f-CaO 波动在0.7～1.5%，熟料液相量波动在24.6～26.7%，熟料强度波动在3d 抗压强度 24.7～30.5MPa 、28d抗压强度53.5～57.0MPa，标准稠度需水量波动在24.5～28.0%，流动度波动在165～180mm，凝结时间波动在初凝103～142min、终凝136～193min。

本实施例中煤矸石选用煤矿采煤作业排弃的选矸，为砂岩类煤矸石，直接从煤矿运输至厂，按取样规程取49个煤矸石样分析，煤矸石工业分析值波动在：灰份（Aad）60.3～90.7%、挥发份（Vad）3.6～16.8%、水份（Mad）2.7～6.3%、固定碳（FCad）2.1～12.3%、热值（Qnet.ad）475～1975×4.18 kJ/kg。主要化学成分（w）波动范围为SiO₂ 53.7～66.8%、A1₂O₃ 6.3～19.4%、Fe₂O₃ 2.6～5.3%、CaO 1.4～6.9% 、MgO 0.6～3.1%、K₂O 0.7～2.1%、Na₂O 0.4～1.1%、SO₃ 0.7～3.8%、P₂O₅ 0.00~0.15%、TiO₂ 0.00～0.59%、烧失量（Loss）9.0～28.3%。试验用煤矸石改性助烧剂由湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司提供(Zc-R1号液剂），主要成分为氧化剂和硅胶和铝胶的液态混合物。

经与水泥厂反复分析评估，采用三率值区间波动控制法，拟定以此批次煤矸石替代10～16%的硅铝质原料废粘土，熟料三率值控制设定为石灰饱和系数KH =0.88～0.96、硅酸率SM=2.30～2.70、铝氧率IM＝1.30～1.70的区间范围率值控制。

本实施例拟定以煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料废粘土，按如下步骤实施煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料：

（1）双组分制粉：将煤矸石加入质量比0.3%的改性助烧剂混合粉磨改性，制成细度为80um筛余16％的煤矸石粉；将钙质原料石灰石、硅质校正料砂岩、铁质校正料硫酸渣配料混合粉磨制成细度为80um筛余18％的生料粉；

（2）预热、混合、分解：将步骤（1）所得煤矸石粉与生料粉按质量比=10～17∶90～83 的比例，分别连续计量喂入预热器系统；其中，将煤矸石粉经计量连续喂入干法水泥生产线六级预热器系统的C6旋风预热器的上行风管中；生料粉经连续计量从C2旋风预热器的上行风管喂入，随风拉入C1旋风预热器后卸入C3旋风预热器的上行风管中拉入C2旋风预热器，再从C2旋风预热器卸入C4旋风预热器的上行风管中随风拉入C3旋风预热器，然后卸入C5旋风预热器的上行风管中随风拉入C4旋风预热器，再从C4旋风预热器卸入C6旋风预热器的上行风管中随风拉风C5旋风预热器；喂入C6旋风预热器的上行风管中的煤矸石粉与C4旋风预热器锥部镏管下来的生料粉连续混合后，随风进入C5旋风预热器中，煤矸石粉经C6旋风预热器的上行风管、C5旋风预热器与生料粉混合形成混合生料粉；预热后的混合生料粉经C5旋风预热器的锥部馏管送入分解炉内，预热的混合生料粉中的煤矸石所含的碳类可燃物于分解炉内无烟悬浮燃烧中燃尽，热能供给混合生料粉中碳酸钙的分解，煤矸石的无机矿物热分解为活性氧化物全部成为生料成分的组分；依分解炉出口温度波动范围870℃±10℃，及时加减尾煤用量，以保证分解率；分解炉内预分解的混合生料粉随拉风进入C6旋风预热器，经C6旋风预热器锥部镏管进入烟室送入回转窑内；

（3）氧化性煅烧：将步骤（2）中送入回转窑的物料采用烧强窑头一把火，调整用风控制回转窑内氧化性气氛煅烧成硅酸盐熟料（熟料烧成温度1450 ℃）；为稳定硅酸盐熟料的烧成质量（针对该厂采用的燃料是半烟煤、实际上是无烟煤为主的配煤，燃烧性能较差窑头火焰烧起来断流，因库存煤量大不便于换燃烧性能好的烟煤，本实验阶段对半烟煤燃料采用了成熟的煤用催化氧化燃烧方法以确保烧好窑头一把火）；并依分解炉出口温度波动范围870±10℃，视煤矸石粉实际热值高低波动的情况，动态适时加减尾煤用量，以防止燃料过量或不足（过量燃料未及时燃尽的碳会导致C5及下料馏管、窑尾烟室、缩口产生还原结皮粘堵，燃料不足影响炉温及窑况），炉温上升（煤矸石热值高）减少尾煤喂入量，炉温下降（煤矸石热值低）增加尾煤喂入量。

为追综熟料质量波动状况，每个小时取一轮熟料样。

试验连续运行74小时，预热器、窑尾烟室、缩口及窑内未见明显结皮粘堵现象，窑头清亮基本无飞砂、熟料结粒性好，未见还原料，熟料立升重波动在1281～1382g/L，f-CaO波动在0.5～1.0%，窑系统运行工况正常。窑尾废气排放未见任何负面影响，环保在线烟气监测显示SO₂排放值略有下降、脱硝氨水消耗量也略有下降。

煅烧用煤的头煤用量相当，尾煤用量降幅在28～83%之间波动，3天吨熟料平均标准煤耗降至78.7kg/t，吨熟料标煤耗降低36.1 kg/t。

3天熟料产量平均为3307t/d，产能提高。

3天熟料样分析实际率值波动为石灰饱和系数KH =0.908～0.947、硅酸率SM=2.39～2.63、铝氧率IM＝1.37～1.61；熟料液相量波动在24.1～26.3%，熟料强度波动在3d 抗压强度 27.9～33.4MPa 、28d抗压强度56.8～61.7MPa，标准稠度需水量波动在22.6～25.8%，流动度波动在180～188mm，凝结时间波动在初凝94～123min、终凝126～155min。即采用“三率值区间波动控制法”生产的熟料质量的稳定性相较正常的均化稳定三率值控制法反而有所提高，熟料的各项物理力学性能指标均有所提高。

本次生产试验显示，本发明利用煤矸石替代部分尾煤和硅铝质原料生产硅酸盐熟料的方法是可行的，利用堆积煤矸石山的混杂矸石，一则可节省大量的尾煤，平均节省尾煤达52.41%；二则可替代大量的粘土类硅铝质原料，且能有效解决因煤矸石特性导致的结皮粘堵影响窑系统工况的问题，并能提高熟料质量及其物理力学性能，对烟气排放无负面影响。