专利名称：利用高碳粉煤灰生产水泥的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用高碳粉煤灰生产水泥的方法。
背景技术：
部分热电厂锅炉由于煅烧温度低或受煤中矿物质影响，致使煤粉燃烧不完全，排出的粉煤灰的含碳量较高(＞15％)，为低等级粉煤灰。因未燃烧完的碳会使需水量增大，不能用作水泥混合材；如用于混凝土或砂浆掺和料，也会因增大需水量以及降低混凝土与外加剂的适应性等而降低性能；在生产免烧粉煤灰砖等方面也不太可行，因而使高含碳量低等级粉煤灰的利用受到限制。目前我国每年排出近2亿吨的粉煤灰中有25％左右的高含碳量低等级的粉煤灰，由于其利用率极低，已成为环境污染的一大治理难题。如能将其当作原料用于生产水泥，不仅可以大量利用粉煤灰，而且粉煤灰中的碳燃烧还可以起到节约能源的作用。
传统的硅酸盐水泥熟料(主要成分为硅酸三钙3CaO·SiO2，以下简写为C3S)需要利用石灰石、粘土、铁粉或铁矿石等原料来烧成，其主要矿物组成为C3S、C2S(硅酸二钙2CaO·SiO2，俗称贝利特，以下简写为C2S)、C4AF(铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3)、C3A(铝酸三钙3CaO·Al2O3)等。但是受粉煤灰本身化学组成所限，将其取代粘土用于生产硅酸盐水泥尚不太可行。
同时水泥传统以来一直是负荷型、消耗型工业，水泥熟料需要在1450℃的较高温度下煅烧，能耗较高，且排放大量CO2，造成温室效应。在资源日趋紧张及环保意识越来越强的今天，如何降低水泥能耗，减少污染，一直是国内外研究的热点课题。许多专家提出绿色水泥的概念，即水泥工业的发展方向应该是利用工业废料，变污染环境为保护环境；降低能耗并减少CO2的排放量等等。因此研究绿色低能耗水泥对于节约能源、保护环境具有重要意义。如能将粉煤灰用于绿色低能耗水泥的生产，则具有重大的社会和经济意义。
发明内容
本发明提供了一种利用高碳粉煤灰生产贝利特水泥的方法，实现了工业废渣的利用和绿色低能耗水泥的生产。
本发明所采用的技术方案为高碳粉煤灰生产水泥的方法，包括以下生产步骤1)将各原料破碎后均化，使其成分均匀，进行化学全分析，确定其化学成分，然后经过配料计算，各原料的重量百分比为石灰石50％～65％，高碳粉煤灰15％～35％，铁粉或铁矿石0％～7％，石膏3％～15％，铝矾土0-8％，将原料按配比破碎、混合、粉磨，使出磨生料通过0.08mm方孔筛后筛余＜10％。配料计算使熟料的主要矿物组成含量为C2S 50％～65％，C4A3S(无水硫铝酸钙3CaO·3Al2O3·CaSO4，，以下简写为C4A3S)20％～40％，C4AF 5％～25％，配料计算时熟料中矿物组成的计算公式为C2S＝2.866 SiO2，C4AF＝3.04 Fe2O3，C4A3S＝1.995 Al2O3-0.6438 Fe2O3。
2)将粉磨后的生料粉或制成料球送入窑炉煅烧，煅烧温度为1200℃～1350℃，保温时间为5min～60min，然后冷却为熟料。
3)将熟料掺加0～20％的硬石膏或二水石膏以及其他混合材粉磨成水泥，细度为250m2/kg～450m2/kg或0.08mm方孔筛筛余0％～10％。
4)将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期，利用压力机测定水泥石的强度。
所述粉煤灰为高碳粉煤灰，其含碳量大于15％。
本发明将高含碳粉煤灰、石灰石、铁矿石以及石膏等原料经过破碎、混合及粉磨、煅烧、冷却、粉磨等过程，生产成主要矿物组成为贝利特、无水硫铝酸钙、铁铝酸四钙的贝利特硫铝酸盐水泥。
在烧成过程中，化学反应式如下
煅烧中大量的SO3以及铁相可以避免C2S的粉化。生成的C4A3S以及C4AF为两种早强性能较好的矿物，可以代替硅酸盐水泥中的C3S为水泥提供早期强度，使熟料的矿物组成为C2S，C4A3S和C4AF；在低温下生成的固溶有其他元素的C2S(贝利特)后期强度及性能优良，可以保障水泥的长期强度。这样不仅能使粉煤灰的化学组成满足生产本品种水泥的需要，且矿物的形成温度都在1200℃以下，可以有效地降低能耗。
所以本发明与现有技术相比取得了以下有益效果首先，可以有效地利用高碳粉煤灰，利用率达到30％以上，治理和减少了粉煤灰对环境的污染；其次，本发明生产的水泥与普通硅酸盐水泥相比，其矿物组成中不含含CaO高的C3S，抗压强度高。C3S和β-C2S的最终水化产物都是水合硅酸钙凝胶CaO·xSiO2·yH2O(以下简写为C-S-H)和氢氧化钙Ca(OH)2(以下简写为CH)，C-S-H是水泥石强度的主要来源。与C3S相比，β-C2S水化物中CH的量较少，有利于水泥石强度的发展，因为CH对水泥石强度的贡献远小于C-S-H。一般来说，水化物中C-S-H与CH体积比越大，水泥石的抗压强度越高。同样100克的矿物，C3S可生成75克C-S-H凝胶，而C2S可生成106克，如按强度和凝胶体积比之间的联系来计算，C2S最终强度将比C3S高26％。Williamson曾作其纯矿物相水化强度的对比实验，发现β-C2S水化2年后的强度为143.5MPa，C3S为113Mpa。因此，富含C2S的贝利特水泥最终强度将超过传统硅酸盐水泥。
第三，本发明生产的水泥的矿物的形成温度都在1200℃以下，可以在较低温度下生产一种低能耗水泥，降低煤耗；
第四，本发明生产的水泥是由CaO含量较低的β型硅酸二钙(以下简写为β-C2S)为主要组成的水泥，其熟料中CaO含量较少，根据生产方式的不同，水泥熟料烧成能耗波动于3300-5900kJ/kg之间，其中CaCO3分解约占其能耗的一半，一般生产1kg 60-67％CaO的硅酸盐水泥熟料，CaCO3分解能耗约为1890-2100kJ。Metha曾计算，当水泥熟料中的CaO含量由传统的65％降为50％时，每千克熟料可节约能耗502kJ。因此，本发明生产的水泥与普通硅酸盐水泥相比，由于不含含CaO高的C3S，不仅能够降低CaCO3分解所需的热量，还可以利用低品位石灰石，并可以减少CO2的排放，社会效益明显。
图1为本发明的生产流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。
取石家庄东方热电集团永泰电厂二号炉粉煤灰以及工业原料石灰石、铁矿石、石膏以及铝矾土为校正原料进行水泥生产实验。各原料的化学成分如下表所示表 原料的化学成分/％
本发明的生产流程如图1所示，本发明将高碳粉煤灰、石灰石、铁矿石以及石膏等原料经过破碎、混合及粉磨、煅烧、冷却、粉磨等过程，生产成矿物组成为贝利特、无水硫铝酸钙、铁铝酸四钙的贝利特硫铝酸盐水泥。
实施例1按重量百分比将石灰石60.4％、粉煤灰32.8％、石膏6.8％进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 58％，C4A3S 32％，C4AF 8％。烧成熟料后加6.8％石膏后粉磨成细度为350m2/kg的水泥，将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期的强度分别为31.3、45.2和60.8MPa。
实施例2按重量百分比将石灰石59.5％、粉煤灰25.2％、石膏7.2％、铁矿石2％以及6.1％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 50％，C4A3S 36％，C4AF 10％，烧成熟料后加7.5％石膏后粉磨成细度为345m2/kg的水泥，将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期的强度分别为37.3、50.2和70.8MPa。
实施例3按重量百分比将石灰石61.8％、粉煤灰32.2％、石膏6.0％进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 60％，C4A3S 30％，C4AF 8％，烧成熟料后加6.5％石膏后粉磨成细度为355m2/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为25.3、32.6和54.9MPa。
实施例4按重量百分比将石灰石63.6％、粉煤灰18.3％、石膏4.1％、铁矿石11.4％以及2.6％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 52％，C4A3S 20％，C4AF 25％，烧成熟料后加10.5％石膏后粉磨成细度为336m2/kg的水泥后，1天、3天和28天强度分别为33.6、45.3和63.9MPa。
实施例5按重量百分比将石灰石61.3％、粉煤灰28.3％、石膏6.0％、铁矿石2.7％以及1.7％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 55％，C4A3S 30％，C4AF 12％，烧成熟料后加10％石膏后粉磨成细度为343m2/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为37.6、45.5和71.8MPa。
实施例6按重量百分比将石灰石58.6％、粉煤灰26.2％、石膏8.0％以及7.2％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 50％，C4A3S 40％，C4AF 5％，烧成熟料后加11％石膏后粉磨成细度为343m2/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为40.3、55.2和74.1MPa。
实施例7按重量百分比将石灰石60.7％、粉煤灰22.1％、石膏6.4％、铁矿石5.8％以及5.0％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 51％，C4A3S 30％，C4AF 16％，烧成熟料后加9.8％石膏后粉磨成细度为330m2/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为36.3、48.2和66.8MPa。
实施例8按重量百分比将石灰石61.7％、粉煤灰27.9％、石膏5.9％、铁矿石3.1％以及1.4％铝矾土进行配料，熟料计算矿物组成为C2S 54％，C4A3S 28％，C4AF 12％，烧成熟料后加8.5％石膏后粉磨成细度为340m2/kg的水泥，1天、3天和28天强度分别为32.3、48.2、64.8MPa。
权利要求
1.利用高碳粉煤灰生产水泥的方法，其特征在于它由以下生产步骤组成1)将各原料破碎后均化，使其成分均匀，进行化学全分析，确定其化学成分，然后经过配料计算，各原料的重量百分比为石灰石50％～65％，粉煤灰15％～35％，铁粉或铁矿石0％～7％，石膏3％～15％，铝矾土0-8％，将原料按配比破碎、混合、粉磨，使出磨生料通过0.08mm方孔筛后筛余＜10％，配料计算使熟料的主要矿物组成重量百分比含量为硅酸二钙50％～65％，无水硫铝酸钙20％～40％，铁铝酸四钙5％～25％。2)将粉磨后的生料粉或制成料球送入窑炉煅烧，煅烧温度为1200℃～1350℃，保温时间为5min～60min，然后冷却为熟料。3)将熟料掺加0～20％的硬石膏或二水石膏粉磨成水泥，细度为250m2/kg～450m2/kg或0.08mm方孔筛筛余0％～10％。4)将水泥成型养护至1天、3天及28天等不同龄期，利用压力机测定水泥石的强度。
2.根据权利要求1所述利用高碳粉煤灰生产水泥的方法，其特征在于所述粉煤灰的含碳量大于15％。
全文摘要
本发明公开了一种利用高碳粉煤灰生产水泥的方法，它是将高含碳粉煤灰、石灰石、铁矿石以及石膏等原料经过破碎、混合及粉磨、煅烧、冷却、粉磨等过程，生产成矿物组成为贝利特、无水硫铝酸钙、铁铝酸四钙的贝利特硫铝酸盐水泥。本发明可以有效地利用高碳粉煤灰，利用率达到30％以上；其次，在较低温度下生产一种低能耗水泥，可以降低煤耗；因此本发明实现了工业废渣的利用和绿色低能耗水泥的生产。同时该水泥与普通硅酸盐水泥相比，由于不含CaO高的C
文档编号C04B7/02GK1850693SQ200610012768
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月25日 优先权日2006年5月25日
发明者李发堂, 李景印, 罗青枝, 江卫华, 仇计清, 郭彦平, 王德松 申请人:河北科技大学