一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺及系统的制作方法

1.本发明涉及新型干法水泥生产技术领域，特别是涉及一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺及系统。


背景技术：

2.煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，一般在煤炭开采、挖掘等生产过程中产生的一般固废。煤矸石中包含多种矿物：高岭石、石英、云母、方解石及含铁矿物相等，其中石英和高岭石是主要的矿物成分。现有的煤矸石循环利用的思路一般是将煤矸石作为水泥混合材使用，由于煤矸石或多或少含有一定量有机碳，这会导致水泥和混凝土产品表面被染成黑色；有机碳的存在也会导致混凝土减水剂使用量增加，这也影响了煤矸石作为混合材使用的范围。另外，可以将煤矸石掺入水泥生料中作为硅铝质补充原料，但是由于煤矸石含有一定的热值，如果其热值在生料中≥100kcal/kg，当掺量大于5％，则会引起预热器堵塞，从而导致水泥生产的不稳定性，甚至产生安全事故。
3.中国专利公开号cn113045227a公开了一种煤矸石活化煅烧方法，其在煅烧工序中，混合物球体在900-1000℃温度下进行煅烧活化，但由于煤矸石中高岭石一般活化煅烧温度不宜高于850℃，此专利采用的煅烧温度会导致煅烧煤矸石中偏高岭土活性大幅度下降，失去了热活化提高活性的意义。中国专利公开号cn103864325a公开了一种悬浮态煅烧煤矸石的生产系统，但该系统适用于低热值含量的煤矸石。一般煤矸石预热器悬浮煅烧的能耗在500kcal/kg，对于煤矸石热值≤500kcal/kg的尚能勉强运行；当煤矸石热值＞500kcal/kg，有机碳和挥发性有机物燃烧带来的热量大于系统需要的量，在这种情况下，现有的悬浮煅烧系统并没有给出解决方案。煤矸石中的有机挥发物挥发温度范围一般在260-550℃，而在预热器悬浮煅烧情况下，煤矸石在进入分解炉前就有可能在第一至三级预热器内就达到了有机物的挥发温度范围，由于预热器内烟气中氧含量为3-5％，大量的有机挥发物则会产生爆燃，甚至烧穿预热器，引起安全事故。如果煤矸石中的热值比较高，则风险更大。并且煤矸石在水泥回转窑系统内煅烧，由于换热效率差，容易欠烧或者过烧，有机碳残留多，活性比较差。上述两个专利都适于与低热值含量的煤矸石作为原料，对于高热值的煤矸石，这两个专利都未能给出解决方案，此外上述两个专利中都没有提到有机挥发物的处置问题，因为悬浮煅烧没有燃尽的挥发性有机物会进入烟气中，水泥窑直接煅烧煤矸石窑尾也存在挥发性有机物进入烟气的问题，这涉及到环保排放问题。
4.综上所述，煤矸石的热活化利用难题就是煤矸石中含有挥发性有机物和有机碳。高热值的煤矸石难以适应预热器悬浮煅烧系统，如果煅烧不完全，产品中残留的有机碳则会影响产品着色问题；采用水泥回转窑直接煅烧，由于煅烧后时间长存在过烧风险，限制了活性发挥；而在预热器悬浮煅烧系统下煅烧则会因为挥发性有机物在进入分解炉之前就产生爆燃，并导致预热器结皮堵塞、甚至烧穿现象。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，该工艺流程简单，可以使用水泥烧成系统现有的烧成设备、收尘器、余热发电系统、烟气处理系统及粉磨系统，成本低，易于实现，为大宗固废煤矸石的高效利用提供了一种有效途径。
6.本发明的另一目的在于提供一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧系统。
7.本发明是这样实现的，一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，该煅烧工艺为首先将煤矸石进行预处理，之后再进行煅烧和冷却处理，冷却后进入粉磨系统超细粉磨，即可得到高活性煅烧煤矸石混合材；
8.其中，对于低热值的煤矸石先送入间接预烧设备回转预烧，回转预烧完成后再送入回转窑内热活化煅烧，热活化煅烧完成后送入篦冷机冷却；间接预烧设备的烘干热源为来自此回转窑窑尾经除尘后的热烟气；
9.对于高热值的煤矸石直接送入间接热活化设备热活化回转煅烧，热活化回转煅烧完成后进入单筒冷却机冷却；间接热活化设备的烘干热源为从正常生产水泥熟料的水泥烧成系统的篦冷机出来经除尘后的热烟气；
10.所述间接预烧设备和间接热活化设备内产生的挥发性有机物废气均送入回转窑窑头作为助燃空气，使挥发性有机物voc在窑内高温燃烧掉；
11.经间接预烧设备和间接热活化设备换热后的热烟气均进入余热发电系统，经余热发电出来的烟气再进入烟气处理系统处理后达标排放。
12.优选的，煤矸石的预处理为将煤矸石原矿经过破碎、筛分处理后，得到颗粒≤5mm的物料。
13.优选的，低热值的煤矸石在间接预烧设备内回转预烧时及高热值的煤矸石在间接热活化设备内热活化回转煅烧时均通入适量的保护气体。
14.优选的，低热值的煤矸石在间接预烧设备内的回转预烧温度为500-600℃，预烧时间为25-40min，转速为3-5r/min；在回转窑内的热活化煅烧温度为800-900℃，煅烧时间为20-35min，窑转速为3-5r/min；所述间接预烧设备的烘干热源的热烟气温度为500-700℃。
15.优选的，对于低热值的煤矸石，篦冷机冷却煤矸石后的余热也送入余热发电系统。
16.优选的，所述间接预烧设备采用耐高温的310不锈钢制成，耐热温度范围≥1100℃，长径比为3-5。
17.优选的，高热值的煤矸石在间接热活化设备内的热活化回转煅烧温度为750-900℃，煅烧时间为35-55min，转速为2-5r/min；所述间接热活化设备的烘干热源的热烟气温度为900-1050℃。
18.优选的，所述间接热活化设备采用耐高温的310不锈钢制成，耐热温度范围≥1100℃，长径比5-10。
19.优选的，所述高活性煅烧煤矸石混合材的比表面积为550
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700m2/kg，活性指数≥90％。
20.一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧系统，包括现有水泥烧成系统的回转窑、篦冷机、收尘系统、粉磨系统、余热发电系统和烟气处理系统；
21.对于低热值的煤矸石，还包括间接预烧设备，所述间接预烧设备的物料出口与回
转窑相连，所述回转窑的窑尾通过收尘系统与间接预烧设备的热烟气入口相连；
22.对于高热值的煤矸石，还包括间接热活化设备和单筒冷却机；所述间接热活化设备的物料出口与单筒冷却机相连，所述单筒冷却机的物料出口与粉磨系统相连，所述篦冷机的烟气出口通过收尘系统与间接热活化设备的热烟气入口相连；
23.所述间接预烧设备和间接热活化设备的挥发性有机物废气出口均与回转窑的窑头相连，所述间接预烧设备和间接热活化设备的热烟气出口均与余热发电系统相连，所述间接预烧设备和间接热活化设备均设置有保护气体入口。
24.本发明具有以下优点和有益效果：
25.1、本发明通过采用间接预烧设备和间接热活化设备将煤矸石中的挥发性有机物voc在500-700℃全部挥发出来，并将含有挥发性有机物的废气送入回转窑窑头烧掉，解决了挥发性有机物的排放及爆燃风险问题；间接预烧设备和间接热活化设备换热后的热烟气都进入现有的余热发电系统，提高了能源利用效率。
26.2、本发明的间接预烧过程针对低热值的煤矸石可以将50％-70％高岭石进行了脱羟基反应，然后再在回转窑二次煅烧可以实现快速煅烧，使得煤矸石活性得到激发，可以达到快速脱有机碳，总体上达到增加了扬料和换热效果，有效的延长了热活化煅烧时间。此外，也避免了挥发性有机物在窑内煤矸石表面燃烧时引起温度过高产生过烧现象，从而导致煅烧煤矸石活性降低。将挥发性有机物送至窑头烧掉可以适当降低燃烧器喷入窑内的燃料量。
27.在间接热活化设备内，高热值的煤矸石可以在隔绝空气的情况下先发生高岭石脱羟基反应，然后煤矸石中的挥发性voc也随着挥发出来，最后完成脱羟基反应和活性激发反应，挥发出来的voc全部送至窑头作为燃料使用，不影响水泥熟料的正常烧成。
28.3、对于热值0-500kcal/kg的煤矸石，本发明的间接预烧方案可以更有效的释放出煤矸石中的有机挥发物，然后含有挥发性有机物的废气被送至窑头烧掉，形成良好的循环，也能提升余热发电量。对于热值500-2000kcal/kg的煤矸石，本发明采用间接热活化煅烧的方式与水泥熟料生产同时运行，将间接挥发出来的有机物送入窑头烧掉，节省能源消耗，同时可以获得水泥熟料和高活性混合材。
29.4、本发明针对煤矸石中挥发性有机物特有的挥发温度范围320-550℃的特性，采用了窑尾或窑头烟气间接换热预烧的创新工艺，将挥发出来的挥发性有机物送到窑头烧掉，首先解决了挥发性有机物的环保排放问题，其次解决了煤矸石在预热器悬浮煅烧产生的风险问题，非常适合于利用现有的水泥回转窑烧成系统等进行简单的改造来制备高活性煤矸石混合材产品。
30.5、本发明大部分利用水泥烧成系统现有的设备，工艺简单，投资少，易于推广，为大规模消纳煤矸石和水泥行业低碳排放提供了一个行之有效的方法，具有显著的经济和社会效益。
附图说明
31.图1是本发明的实施例一提供的低热值煤矸石热活化煅烧系统的流程图；
32.图2是本发明的实施例一提供的低热值煤矸石的热分析图；
33.图3是本发明的实施例二提供的高热值煤矸石热活化煅烧系统的流程图；
1050℃。
48.所述间接热活化设备采用耐高温的310不锈钢制成，耐热温度范围≥1100℃，长径比5-10。长径比是为了调整热活化时间，热值高长径比设置大一些，可以延长热活化时间，间接预烧设备和间接热活化设备也可以采用同一个设备。
49.一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧系统，包括现有水泥烧成系统的回转窑、篦冷机、收尘系统、粉磨系统、余热发电系统和烟气处理系统；
50.对于低热值的煤矸石，还包括间接预烧设备，所述间接预烧设备的物料出口与回转窑相连，所述回转窑的窑尾通过收尘系统与间接预烧设备的热烟气入口相连；
51.对于高热值的煤矸石，还包括间接热活化设备和单筒冷却机；所述间接热活化设备的物料出口与单筒冷却机相连，所述单筒冷却机的物料出口与粉磨系统相连，所述篦冷机的烟气出口通过收尘系统与间接热活化设备的热烟气入口相连；
52.所述间接预烧设备和间接热活化设备的挥发性有机物废气出口均与回转窑的窑头相连，所述间接预烧设备和间接热活化设备的热烟气出口均与余热发电系统相连，所述间接预烧设备和间接热活化设备均设置有保护气体入口。
53.下面对本发明进行进一步详细阐述。
54.实施例1
55.针对热值在286.7kcal/kg、有机物挥发温度范围：326.02-515.22℃的低热值煤矸石(见图2所示)，al2o3≥18％。在水泥烧成系统不生产水泥熟料的条件下，一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧系统，如图1所示，利用水泥厂现有的回转窑、篦冷机、收尘系统、粉磨系统、破碎设备，余热发电系统、烟气处理系统，及新增的间接预烧设备形成煤矸石热活化煅烧系统。
56.煤矸石原矿经过破碎、筛分(颗粒≤5mm)后送入间接预烧设备，预烧温度500-600℃，预烧时间25-40min，窑转速3-5r/min，预烧同时间接预烧设备内通入保护气体，预烧完成后进入回转窑内二次热活化煅烧，热活化煅烧温度800-900℃，煅烧时间20-35min，窑转速3-5r/min，热活化煅烧完成后进入篦冷机冷却，冷却后进入粉磨系统，超细粉磨后进入仓储储存，由此获得比表面积550-700m2/kg、活性指数≥90％的高活性煅烧煤矸石混合材。
57.所用间接预烧设备采用耐高温的310不锈钢制成，耐热温度范围≥1100℃，长径比3-5。
58.烟气流顺序：从回转窑窑尾经除尘后的500-700℃的热烟气进入间接预烧设备，出间接预烧设备的温度为250-300℃的热烟气与篦冷机的余热都进入余热发电系统，经余热发电出来的烟气进入烟气处理系统处理后达标排放。由间接预烧设备内部隔绝空气出来的含有挥发性有机物的废气送入回转窑窑头烧掉，节省能源消耗。
59.实施例2
60.针对热值在760.8kcal/kg、有机物挥发温度范围：354.22-508.19℃的高热值煤矸石(见图4所示)，al2o3≥18％。在水泥烧成系统正常生产水泥熟料的条件下，一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧系统，如图3所示，利用水泥厂现有的回转窑、篦冷机、收尘系统、粉磨系统、破碎设备，余热发电系统、烟气处理系统，与新增的间接热活化设备和单筒冷却机形成煤矸石热活化煅烧系统。
61.煤矸石原矿经过破碎、筛分(颗粒≤5mm)后送入间接热活化设备，热活化煅烧温度
750-900℃，煅烧时间35-55min，转速2-5r/min，煅烧完成后进入单筒冷却机冷却，冷却后进入粉磨系统，超细粉磨后进入仓储储存，由此获得比表面积550-700m2/kg、活性指数≥90％的高活性煅烧煤矸石混合材。
62.所用间接热活化设备采用耐高温的310不锈钢制成，耐热温度范围≥1100℃，长径比5-10。
63.烟气流顺序：从窑头篦冷机引过来经除尘后的900-1050℃的热烟气进入间接热活化设备，出间接热活化设备的温度为450-500℃的热烟气进入余热发电系统，经余热发电出来的烟气进入烟气处理系统处理后达标排放。由间接热活化设备内部隔绝空气出来的含有高浓度挥发性有机物的废气送入回转窑窑头烧掉，高热值煤矸石产生的挥发性气体可以为水泥回转窑窑头提供热值，节省能源。
64.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于：该煅烧工艺为首先将煤矸石进行预处理，之后再进行煅烧和冷却处理，冷却后进入粉磨系统超细粉磨，即可得到高活性煅烧煤矸石混合材；其中，对于低热值的煤矸石先送入间接预烧设备回转预烧，回转预烧完成后再送入回转窑内热活化煅烧，热活化煅烧完成后送入篦冷机冷却；间接预烧设备的烘干热源为来自此回转窑窑尾经除尘后的热烟气；对于高热值的煤矸石直接送入间接热活化设备热活化回转煅烧，热活化回转煅烧完成后进入单筒冷却机冷却；间接热活化设备的烘干热源为从正常生产水泥熟料的水泥烧成系统的篦冷机出来经除尘后的热烟气；所述间接预烧设备和间接热活化设备内产生的挥发性有机物废气均送入回转窑窑头作为助燃空气，使挥发性有机物voc在窑内高温燃烧掉；经间接预烧设备和间接热活化设备换热后的热烟气均进入余热发电系统，经余热发电出来的烟气再进入烟气处理系统处理后达标排放。2.如权利要求1所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，煤矸石的预处理为将煤矸石原矿经过破碎、筛分处理后，得到颗粒≤5mm的物料。3.如权利要求1所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，低热值的煤矸石在间接预烧设备内回转预烧时及高热值的煤矸石在间接热活化设备内热活化回转煅烧时均通入适量的保护气体。4.如权利要求1或3所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，低热值的煤矸石在间接预烧设备内的回转预烧温度为500-600℃，预烧时间为25-40min，转速为3-5r/min；在回转窑内的热活化煅烧温度为800-900℃，煅烧时间为20-35min，窑转速为3-5r/min；所述间接预烧设备的烘干热源的热烟气温度为500-700℃。5.如权利要求1所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，对于低热值的煤矸石，篦冷机冷却煤矸石后的余热也送入余热发电系统。6.如权利要求1所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，所述间接预烧设备采用耐高温的310不锈钢制成，耐热温度范围≥1100℃，长径比为3-5。7.如权利要求1或3所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，高热值的煤矸石在间接热活化设备内的热活化回转煅烧温度为750-900℃，煅烧时间为35-55min，转速为2-5r/min；所述间接热活化设备的烘干热源的热烟气温度为900-1050℃。8.如权利要求1所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，所述间接热活化设备采用耐高温的310不锈钢制成，耐热温度范围≥1100℃，长径比5-10。9.如权利要求1所述的基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，其特征在于，所述高活性煅烧煤矸石混合材的比表面积为550-700m2/kg，活性指数≥90％。10.一种基于权利要求1至9任一项所述煅烧工艺的水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧系统，包括现有水泥烧成系统的回转窑、篦冷机、收尘系统、粉磨系统、余热发电系统和烟气处理系统；其特征在于：对于低热值的煤矸石，还包括间接预烧设备，所述间接预烧设备的物料出口与回转窑相连，所述回转窑的窑尾通过收尘系统与间接预烧设备的热烟气入口相连；对于高热值的煤矸石，还包括间接热活化设备和单筒冷却机；所述间接热活化设备的
物料出口与单筒冷却机相连，所述单筒冷却机的物料出口与粉磨系统相连，所述篦冷机的烟气出口通过收尘系统与间接热活化设备的热烟气入口相连；所述间接预烧设备和间接热活化设备的挥发性有机物废气出口均与回转窑的窑头相连，所述间接预烧设备和间接热活化设备的热烟气出口均与余热发电系统相连，所述间接预烧设备和间接热活化设备均设置有保护气体入口。

技术总结
本发明公开了一种基于水泥烧成系统的煤矸石热活化煅烧工艺，具体为首先将煤矸石预处理，再进行煅烧和冷却处理，之后超细粉磨，得到高活性煅烧煤矸石混合材；其中，对于低热值煤矸石先送入间接预烧设备回转预烧，再送入回转窑内热活化煅烧，再送入篦冷机冷却；间接预烧设备的烘干热源为此回转窑窑尾的热烟气；对于高热值煤矸石直接送入间接热活化设备热活化回转煅烧，再进入单筒冷却机冷却；间接热活化设备的烘干热源为从正常生产水泥熟料水泥烧成系统的篦冷机出来的热烟气；间接预烧设备和间接热活化设备内产生的挥发性有机物废气均送入窑头燃烧掉。本发明解决了挥发性有机物环保排放问题，及煤矸石在预热器悬浮煅烧产生的风险问题。风险问题。风险问题。


技术研发人员：韩辉 范毓林 林莉 隋同波
受保护的技术使用者：天津水泥工业设计研究院有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25