摘 要：本文基于多条水泥熟料生产线热工标定数据与运行工况，研究煤矸石作为原料配料、燃料入分解炉及冷却机投料三种方式对烧成系统的影响。结果表明：原料配料可降煤耗但易致C1分离效率下降、系统积料；燃料入炉能节约成本，炉容不足时易燃烧不完全；冷却机投料热利用率达68.6%，可提升风温。

关键词：煤矸石；水泥熟料；烧成系统；分离效率

0 前言

煤矸石是煤炭开采与洗选过程中产生的固体废弃物。2024年，我国煤矸石的产生量达到8.25亿t，综合利用量为6.07亿t，当年约2亿t煤矸石未被综合利用，我国煤矸石累计堆存量已超过70亿t。这不仅造成土地资源的严重浪费，更因煤矸石中含有重金属、易挥发污染物等成分，还会对土壤、水体及大气环境造成多重污染。

煤矸石由无机矿物质、少量有机物以及微量稀有元素组成，一般情况下，煤矸石中SiO2含量为35%～60%，A12O3含量为15%～30%，低位热值为(500～2000)×4.18kJ/kg，不同煤矿产出的煤矸石化学成分差异显著，且普遍存在有害成分(如硫元素)含量偏高的问题。在水泥生产线中，煤矸石主要通过参与生料配料、作为燃料喂入烧成系统、煅烧作为辅助凝胶材料(SCM)等途径应用。

柏杨等通过研究煤矸石用于生料配料的可行性，得出结论：煤矸石中可燃物的燃烧反应集中在400～800℃区间，将其掺入生料配方中，能够对生料的易烧性起到一定改善作用。进一步的CFD模拟结果显示，煤矸石的添加对煤粉最终燃尽率及生料分解率未产生明显不良影响。

李文福等采用煤矸石替代湿粉煤灰作为铝质原料进行生料配料，研究证实：该方案可使水泥熟料的3d、28d抗压强度有所提升，同时降低配料成本和系统实物煤耗。

朱明秀、冯奇、胡曙光等学者围绕煤矸石煅烧活化技术展开系统研究，重点探究其作为水泥辅助胶凝材料(SCM)的应用可行性。相关研究结果表明：当煅烧温度控制在600～800℃区间时，煤矸石中主要矿物成分高岭土会转化为脱水态无定形亚稳态结构，显著提升其反应活性；与纯水泥浆体或粉煤灰掺混水泥体系相比，掺入该条件下活化煤矸石的水泥基材料，其力学性能(尤其是抗压强度)可实现显著提升。

本文结合热工标定数据与水泥熟料生产线的运行实况，系统分析了煤矸石不同加入方式对烧成系统的影响。

1 煤石在水泥熟料生产线的应用

1.1煤矸石作为原料参与生料配料

1.1.1 配料

在水泥生产线中，为了调配生料成分和降低生产运行成本，采用煤矸石作为硅铝质原料，以北方某条采用双系列五级旋风预热器的5000t/d生产线为例，参与配料的煤矸石低位热值～800×4.18kJ/kg。原料化学成分见表1，原料质量配比见表2，入窑生料、熟料化学成分见表3。熟料三率值分别为：KH=0.91；SM=2.48；IM=1.58。

1.1.2 煤矸石中可燃物燃烧特性

为了研究煤矸石作为原料，参与生料配料对烧成系统的影响，对煤矸石进行热重分析，同时，对该生产线进行了热工标定，预热预分解系统烟气成分、温度和压力见表4。

该线煤矸石热重分析结果表明，煤矸石失重温度范围在500～750℃，其中在～650℃时，煤矸石失重速率最大，主要反应是煤矸石中的可燃物燃烧、高岭土脱羟。

煤矸石随生料进入系统后，到达一定的温度时，其中的可燃物开始反应，导致C1～C3出口气体CO浓度、C1～C4出口气体温度均高于采用常规配料的五级预热器相应旋风筒。其中，在各级旋风筒中，C3出口气体O2浓度最低、CO浓度最高，表明煤矸石中的可燃物在C3筒温度区间，燃烧失重量达到峰值，与热重分析结果一致。

1.1.3 对系统用风和C1分离效率的影响

在C1出口汇合风管处，标定气量(标况下)1.44m3/kg，粉尘浓度109g/m3，经折算C1旋风筒分离效率91.3%。生产运行中，为了减少C1出口CO浓度，操作人员通过提高窑尾高温风机转速的方法来提高窑尾系统内的氧含量，促进煤矸石中可燃物的燃烧，但导致烟气量与常规生产线相比偏大。

从外观来看，C1出口粉尘颜色偏黑，C1飞灰化学成分见表5。结合表2、表3和表5化学成分来看，C1飞灰中的氧化铝和氧化铁含量远大于入窑生料中的含量，而煤矸石是提供铝质和铁质的主要原料，可以判定C1飞灰中煤矸石组分含量偏高，本项目原料配料中加入煤矸石，其中可燃物燃烧后，细粉量增加，从而降低C1分离效率。

1.1.4 对降低热耗的贡献率

热工标定结果显示，C4物料温度为808℃，比常规配料偏高30～40℃，经检测C4物料分解率为23%，与常规配料分解率相当，理论计算显示，C4入分解炉物料显热增加(8.1～10.8)×4.18kJ/kg，每吨熟料可以减少2.44～3.21kg标煤，与业主统计值降低～3kg标煤基本吻合，对降低煤耗而言，本生产线煤矸石热直接利用率～20%。同时，结合同期检测的C5和分解炉出口气体温度在正常范围，生料中加入煤。矸石，进入分解炉物料温度升高，有利于煤粉燃烧，与本文引用的文献[3]结论相当。

1.1.5 其他采用煤矸石配料水泥熟料生产线案例

西南某条采用单系列五级旋风预热器的3300t/d水泥熟料生产线，原料为石灰石、砂岩、有色金属灰渣、黄磷渣和煤矸石，其中，煤矸石配比～5%，低位热值为～987×4.18kJ/kg，C1出口汇合管气体温度393℃，CO浓度为2395×10-6；根据业主统计，原料配料中加入煤矸石，每吨熟料可以减少约3kg标煤，对降低煤耗而言，煤矸石直接热利用率约25%。

现场C3旋风筒锥部出现结皮、垮料现象，C3负压波动大，为了保证生产，在C3锥部和料管共设置9个空气炮，并安排工人定时清理。对C3结皮样进行化学成分分析，其中Cl含量为0.08%、K2O含量为0.70%、Na2O含量为0.56%，从检测来看，有害成分含量不高，可能原因是煤矸石中可燃物在C3所处的温度区间燃烧速度快，形成局部高温，生成低熔点粘性矿物，由于高岭土脱水后产物静电团聚，从而影响物料流动性。可以优化操作、控制用量、增加空气炮等手段来增加物料流动性。同时，对C3锥部、料管和撒料箱进行改造，增大C3旋风筒偏锥角度，料管直径加大，撒料箱角度增大，易积料处，衬砌采用微晶板等方式增加物料流动性，来减少积料。

1.2 煤矸石作为燃料对烧成系统的影响

1.2.1 煤矸石粉磨入炉

高热值煤矸石可作为燃料，进入分解炉，减少常规燃料消耗，其灰分可作为硅铝质原料，降低原料配料成本。表6为不同熟料生产线标定数据。与煤粉相比，煤矸石灰分大，热值低，需要更长燃尽时间。表6为几条采用早期设计的五级预热器生产线实际运行状况，从标定数据来看，1#线分解炉出口至C1出口气体温度均偏高，CO浓度偏大，存在燃料未充分燃烧现象，C1出口烟气量略大；2#线和3#线是同一个厂的两条生产线，由燃烧器喷入分解炉内，C5出口气体出现温度倒挂现象，C1出口烟气量偏大。

早期设计分解炉炉容较小，气体停留时间短(一般不超过5s)，煤矸石中可燃物在分解炉内不能完全燃烧，分解炉出口CO浓度高，C5出口出现温度倒挂，导致C1出口温度高，CO浓度高等现象。应通过扩大分解炉炉容、增加涡流室等手段，延长气体在分解炉内的停留时间，同时，降低煤矸石粉细度，从而保证燃料在炉内充分燃烧，以提高系统运行稳定性及降低热耗。

1.2.2 煤矸石加入冷却机

在南方某条3000t/d水泥熟料生产线上，采用第三代篦冷机及大窑头罩，二、三次风温分别是1100℃、900℃，风温偏低；从窑头罩喂入4.5t/h的煤矸石片状料(当量直径～8cm，厚度～0.5 cm)进入冷却机，二、三次风温分别提高到1170℃、980℃，标煤耗降低了3kg/t，煤矸石热直接利用率约为68.6%。经标定，烟室和分解炉出口氧含量分别为2.4%、3.5%，二、三次风量可以满足窑头和窑尾燃料正常燃烧。从窑头罩添加煤矸石进冷却机，出冷却机的熟料温度变化不明显，根据文献资料8，煤矸石超过900℃煅烧后，灰渣会失去活性，不会增加熟料强度，本条生产线因煤矸石掺入量少，经检测3d和28d强度变化不大。

2 结论

(1)煤矸石作为硅铝质原料，参与原料配料，可以降低煤耗，节约原料，从而降低运行成本。受煤矸石中可燃物不完全燃烧产生CO等可燃气体影响，为降低C1出口的CO浓度，操作人员往往会增加窑尾系统内的氧含量，这会导致废气量增多。在降低煤耗直接贡献方面，煤矸石的热量利用效率较低，通常不超过30%。煤矸石掺量过大，会增加系统积料、结皮的风险，影响生产系统运行的稳定性。同时，会降低C1旋风筒的分离效率。

(2)煤矸石粉磨后入分解炉，可减少常规燃料消耗，其灰分可作为硅铝质原料，因此可降低生产成本。由于煤矸石灰分大，热值低，分解炉炉容较小时，易造成燃烧不完全，窑尾烟气流量偏大，C1出口烟气温度高、CO浓度高，部分生产线，最下级旋风筒出现温度倒挂现象。

(3)为提升煤矸石在冷却机中的资源化利用价值，使其灰渣成为优质辅助性胶凝材料，需系统研究以下关键因素：煤矸石的粒度控制、加入方式及加入位置，并深入探讨其灰渣对水泥水化活性的影响规律。

(4)综上，煤矸石作为硅铝质原料，参与原料配料，通常原料质量配比在5%～15%。煤矸石硅铝质占比高，成分稳定，避免因成分波动导致生料率值，影响熟料质量稳定性，同时，建议选用低热值、有害成分含量低的煤矸石，并对C1、C3旋风筒及料管等进行改造升级。

煤矸石粉磨后入分解炉，建议选用高热值、有害成分含量低的煤矸石，并对分解炉进行扩容改造，以提高气体和物料在分解炉内停留时间，同时，控制煤矸石粉细度，使煤矸石可燃物在炉内燃烧完全。煤矸石在水泥窑头罩内用作SCM，是“以废治废、节能降碳”的高效途径。核心是把握热活化温度窗口(600～900℃)，严控原料品质、工艺参数与质量指标，即可将煤矸石转化为优质辅助胶凝材料，实现经济效益、社会效益与环境效益的统一。