利用高鎂廢石燒制優(yōu)質(zhì)熟料，提高礦山資源綜合利用率

1 摘要

石灰石中氧化鎂含量越高對水泥熟料生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量越不利，為確保熟料品質(zhì)下，要求原料氧化鎂含量盡量越低越好，以維持窯燒成系統(tǒng)穩(wěn)定，致產(chǎn)生大量暫無法利用的高鎂石灰石堆存問題。

本項目屬系統(tǒng)性制程改善，利用地質(zhì)統(tǒng)計數(shù)字化分析，確定全礦生命周期的礦石品質(zhì)地理空間分布，統(tǒng)計不同品質(zhì)政策影響無法利用量的直觀數(shù)據(jù)供決策，改善過程必須維持配料品質(zhì)及燒成系統(tǒng)穩(wěn)定，不同于其他長窯系統(tǒng)，短窯燒成系統(tǒng)尤為控制不易，燒成瓶頸的突破與團(tuán)隊溝通合作至為重要，透過持續(xù)的精細(xì)化改善，希望能夠充分提高礦山資源綜合利用，達(dá)到零排廢，以避免廢石堆置造成的占地、環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害一系列的負(fù)面影響，同時還可以延長礦山可采年限，降低礦山生產(chǎn)成本，為企業(yè)永續(xù)發(fā)展做出正面貢獻(xiàn)。

自2015年3月開始實(shí)施，至2016年6月基本達(dá)成既定目標(biāo)，迄今為止，熟料3天及28天強(qiáng)度維持在30Mpa及58.5Mpa，熟料日產(chǎn)量維持在5400噸以上。

2 背景

「畚箕山礦區(qū)石灰?guī)r礦區(qū)」地處湖北省武穴市長江北岸，屬黃岡亞東水泥公司（以下簡稱黃岡亞東），礦產(chǎn)資源包括：探明的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲量（121b）：2822萬噸；控制的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲量（122b）：8420萬噸；推斷的內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì)資源量（333）：9620萬噸，資源儲量總計20862萬噸，平均剝采比0.37:1，廢石剝離量預(yù)估達(dá)8000余萬噸，此項目施行前（2015年2月底前），水泥廠設(shè)定入倉石灰石原料氧化鎂的管制標(biāo)準(zhǔn)為1.4±0.1%，導(dǎo)致礦場開采過程中大量高鎂石灰石（MgO）含量大于3.5%，無法摻配利用，只能運(yùn)至廢石場丟棄，截至2015年2月累計堆存量高達(dá)400多萬噸，已經(jīng)嚴(yán)重影響礦場的正常臺段降階及推進(jìn)。

廠內(nèi)燒成系統(tǒng)為兩檔短窯，長徑分別為52mL和4.8m?，采取薄料快燒，料在窯內(nèi)停留時間短，要求入窯生料窯外分解率高（95％以上），來料及操作要穩(wěn)定，否會導(dǎo)致預(yù)熱機(jī)結(jié)料，另要求原燃料的有害成分硫、氯、堿分、MgO要低，在思考如何提高氧化鎂管制標(biāo)準(zhǔn)，有以下關(guān)鍵點(diǎn)；

一、如何制定提高新的入倉石灰石氧化鎂的管制標(biāo)準(zhǔn)限值？

二、氧化鎂管制標(biāo)準(zhǔn)放寬后，礦場如何摻配廢石，使入倉石灰石維持穩(wěn)定符合新標(biāo)準(zhǔn)？

三、氧化鎂管制標(biāo)準(zhǔn)提高后，短窯系統(tǒng)熟料生產(chǎn)如何因應(yīng)，以確保品質(zhì)與產(chǎn)量不下降。

為此亞泥（中國）控股公司技術(shù)與生產(chǎn)部于2015年3月召集黃岡亞東采掘、制造及品管三個單位聯(lián)合成立專案小組，并由副執(zhí)行長親自擔(dān)任小組召集人，展開高鎂廢石燒制優(yōu)質(zhì)熟料的專案研究，自2015年4月起氧化鎂管制標(biāo)準(zhǔn)從原來的1.4%提高至1.6%，2015年6月起再提高至1.9%，至2016年1月最終確定入倉石灰石氧化鎂含量為2.5±0.1%，并根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)制定適應(yīng)高氧化鎂的配料方案。

3 發(fā)現(xiàn)問題及分析反應(yīng)

此項目的難度是如何統(tǒng)計全礦生命周期的礦石品質(zhì)地理空間分布，雖然有地質(zhì)勘探資料，但都是以間距（200米以上）剖面方式表示，地質(zhì)報告上品質(zhì)的計量及平均是以勘探線上的鉆孔及探槽取樣分析，依據(jù)化性及物性的不同，劃定圈定不同層位，除了明顯地質(zhì)構(gòu)造造成變化外，兩個剖面件同樣層位連接的部分，基本上是參考兩條剖面的取樣分析結(jié)果的平均化驗(yàn)結(jié)果，整個塊段為一致的呈現(xiàn)，但實(shí)際上此礦存在很多小的不連續(xù)面，不同地理空間的品質(zhì)分布，存在部分的差異，為呈現(xiàn)不同地理空間位置的化性差異，利用相關(guān)的地理資訊系統(tǒng)軟體（GIS）及統(tǒng)計分析方法，進(jìn)行不同地理空間的石灰石化性的推算，實(shí)施步驟：1、建立空間塊體模型：在儲量分布范圍，建立四方體的大塊體模型，再將大塊體分切成6米×6米×6米主塊體；2、制作數(shù)據(jù)庫：包括勘探資料外，另收集三個月的鉆孔化驗(yàn)資料；3、主塊體賦值：特定空間位置的主礦體參考已建數(shù)據(jù)庫的附近的數(shù)據(jù)，依據(jù)距離平方反比權(quán)重法（Inverse Distance Squared Weighting Method）決定已知空間位置的樣本的化性對于特定空間化性影響的權(quán)重；

4、分層礦量及化性統(tǒng)計：全部主塊體經(jīng)過賦值的階段后，再進(jìn)行分層（臺段）礦量及化性的統(tǒng)計，得到全礦區(qū)的灰?guī)r平均品質(zhì)：氧化鈣（CaO）47.29%、氧化鎂（MgO）4.20%，總礦量（含廢石）為2.2億噸；5、分析品質(zhì)政策供決策：依照不同氧化鎂的管制標(biāo)準(zhǔn)模擬，扣除配套設(shè)施#2角材場年處理高鎂灰?guī)r120萬噸外，提出四種情境供決策參考：1）、若品質(zhì)政策訂在氧化鎂（MgO）≤1.5%，全礦區(qū)需要剝離丟棄3122萬噸；2）、若品質(zhì)政策訂在氧化鎂（MgO）≤2.0%，全礦區(qū)需要剝離丟棄1605萬噸；3)、若品質(zhì)政策訂在氧化鎂（MgO）≤2.5%，全礦區(qū)需要剝離丟棄387萬噸；4）、若品質(zhì)政策訂在氧化鎂（MgO）≤3.0%，全礦區(qū)則不需要丟棄。經(jīng)過專案小組充分討論，最終決定將入倉石灰石氧化鎂（MgO）的管制標(biāo)準(zhǔn)訂為2.5±0.1%。（表1）

表 1全礦區(qū)品質(zhì)分布及品質(zhì)政策情境分析

4 組織團(tuán)隊執(zhí)行目標(biāo)

明確分工專案小組各成員的功能與職責(zé)：采掘組負(fù)責(zé)礦場開采石灰石品質(zhì)預(yù)配及人倉品質(zhì)穩(wěn)定，品管組負(fù)責(zé)原燃料品質(zhì)控管及生料配料并管控熟料品質(zhì)，制造組負(fù)責(zé)優(yōu)化生產(chǎn)操作及加強(qiáng)精細(xì)化管理。為及時追蹤品質(zhì)變化，同時由采掘、制造及品管指定專人組成現(xiàn)場采驗(yàn)小組，采驗(yàn)小組每天根據(jù)礦山開采、品質(zhì)檢驗(yàn)與熟料生產(chǎn)情況，及時討論后將訊息反饋至相關(guān)部門，并與相關(guān)部門溝通及建議優(yōu)化改善措施。

4.1 采掘組具體做法： 

4.1.1 地質(zhì)模型定期更新：初步建構(gòu)完成地質(zhì)模型，定期需要做地質(zhì)模型更新，每日進(jìn)行鉆孔收塵粉料堆進(jìn)行取樣，大約8-12個孔取混合樣，并以手持式GPS定位，若是巖層過渡帶，可以密集取樣，并依據(jù)化驗(yàn)結(jié)果更新數(shù)據(jù)庫。

4.1.2 每日鉆孔取樣分析：每日取樣化驗(yàn)的資料填入石灰石取樣表及礦場現(xiàn)存量表。(表2)

表 2 礦場現(xiàn)存表

4.1.3擬定鏟裝運(yùn)輸計劃：依據(jù)礦場現(xiàn)存量表制作隔天的配料計劃，決定卡車配料車數(shù)，并事先安排鏟運(yùn)設(shè)備。（表3）

表 3 生產(chǎn)預(yù)配實(shí)配對照表

4.1.4 當(dāng)日進(jìn)料核實(shí)：當(dāng)日生產(chǎn)依照實(shí)際派遣制作實(shí)際配料表，結(jié)合預(yù)配計劃及實(shí)際配料結(jié)果，入大倉儲存前，設(shè)置有自動取樣器，目前設(shè)置15分鐘取樣一次，上下午各集樣化驗(yàn)一次，于下個班作業(yè)前回饋檢驗(yàn)結(jié)果，并產(chǎn)生當(dāng)日的實(shí)際比較表格，是以檢視進(jìn)破碎機(jī)車數(shù)是否按照計劃控制。（表4）

表 4 每日進(jìn)倉配料匯總表

4.1.5 入倉均化作業(yè)：水泥廠石灰石倉為長方形倉，分成南北兩處堆存，扣除取料機(jī)的作業(yè)空間，每次可以堆存約4萬噸，堆存時間約5-6天，為達(dá)到均化效果，禁止定點(diǎn)下料，執(zhí)行移動堆料，為避免最后一天的品質(zhì)偏移過大，造成堆頭的品質(zhì)與整堆的平均品質(zhì)有較大的變異，換堆取料時變異狀況影響的時間過長，最后一天的堆料時堆頭部分內(nèi)縮1米，其全流程灰?guī)r原料進(jìn)倉品質(zhì)控制全流程詳圖1。

圖 1 灰?guī)r原料進(jìn)倉品質(zhì)控制全流程

4.2 生產(chǎn)和品管組具體做法：為確保熟料生產(chǎn)與質(zhì)量不下降，具體做法如下；

4.2.1 調(diào)整配料方案：根據(jù)高鎂石灰石的特性，配料方案調(diào)整如下（表5）：

4.2.1.1 適當(dāng)降低分解爐溫度來降低脫酸，由目前的95～96％降低到93～94％，相應(yīng)降低入窯生料溫度，需同時注意料、風(fēng)、煤等的配合，因?yàn)闊煞秶瑫?dǎo)致旋窯的不穩(wěn)定。

4.2.1.2 以上變動導(dǎo)致旋窯的不穩(wěn)定及熟料品質(zhì)的波動，但是實(shí)際情況比預(yù)料要差，實(shí)施第一個月，由于生料氧化鎂及熟料三率值控制變化，造成產(chǎn)量降低及f-CaO上升，相關(guān)數(shù)據(jù)體如下（表6）：

表 6 調(diào)整熟料三率值第一個月制程產(chǎn)量及品質(zhì)影響

4.2.1.3初期是預(yù)熱機(jī)結(jié)料嚴(yán)重，結(jié)料快且硬，長時間的捅料使得窯況進(jìn)一步惡化，f-cao頻繁超限，甚至出現(xiàn)跑生料。產(chǎn)量比正常時下降近300噸/天，質(zhì)量方面3天強(qiáng)度雖然變化不大，28天強(qiáng)度可能會有降幅，其正異常熟料比較詳圖2、3及表7。

圖 2正常熟料XRD

圖 3異常熟料XRD

4.2.2 團(tuán)隊討論此一階段出現(xiàn)的問題，并作以下調(diào)整。

4.2.2.1 采取高n值方案，制定熟料三率值：n值為2.85±0.1、p值為1.5±0.05、KH值為0.915±0.01。提高熟料n值，可以降低熟料液相量、提高耐火度，平衡因MgO提高增加的液相，減少窯內(nèi)結(jié)圈結(jié)蛋，影響熟料品質(zhì)；適當(dāng)提高P值以進(jìn)一步降低Fe2O3含量，在一定程度上拓寬燒結(jié)范圍，提高生產(chǎn)操作彈性；適當(dāng)提高熟料的KH值，使熟料強(qiáng)度得到一定的恢復(fù)，同時配料時還要防止MgO與R2O、SO3等低熔點(diǎn)有害物質(zhì)的同時作用。

4.2.2.2 穩(wěn)定生料配料：取樣化驗(yàn)與配料工作采取更高的標(biāo)準(zhǔn)，以確保入窯生料成分一致穩(wěn)定。

4.2.2.3 加強(qiáng)原燃料精細(xì)化管理：A)加強(qiáng)礦山礦層鉆孔取樣的監(jiān)督，精準(zhǔn)及時反饋取樣化驗(yàn)結(jié)果；B)校正配料黏土、砂巖、鐵質(zhì)等做到源頭取樣化驗(yàn)，依照需求通知進(jìn)廠，并做好取樣代表性；倉儲照要求分別堆放，避免混料，加強(qiáng)均化，以提高原料穩(wěn)定性。C)砂巖、粘土、鐵質(zhì)礦的選擇除要求其化學(xué)成份符合外，還特別關(guān)注其物理性質(zhì)，以確保生料易燒性良好。

4.3 制造組具體做法：

4.3.1 轉(zhuǎn)變思想，增強(qiáng)自信：因氧化鎂的大幅提高，必然對于生產(chǎn)造成重大影響，需加強(qiáng)教育生產(chǎn)單位同仁適應(yīng)新的配料方案，努力達(dá)成既定目標(biāo)。

4.3.2 收集文獻(xiàn)，夯實(shí)基礎(chǔ)：收集國內(nèi)各水泥公司在高鎂石灰石應(yīng)用中遇到的情況及解決措施，了解同行業(yè)中高鎂石灰石燒制熟料中出現(xiàn)的問題及處理措施。夯實(shí)基礎(chǔ)知識，提高對高鎂石灰石燒制優(yōu)質(zhì)熟料的認(rèn)知。

4.3.3 加強(qiáng)培訓(xùn)，凝聚力量：加強(qiáng)學(xué)習(xí)MgO對熟料燒成的影響機(jī)理及應(yīng)對措施，了解高鎂石灰石在煅燒過程中的影響，結(jié)球成因，分析窯圈的影響因素，及風(fēng)、煤、料、窯速的配合對黃心料產(chǎn)生的影響，抓住關(guān)鍵點(diǎn)，消除不利影響。

4.3.4 加強(qiáng)精細(xì)化生產(chǎn)管理：a)穩(wěn)定窯尾進(jìn)料室溫度在1000~1050℃，C5下料溫度：850~860℃，避免溫度變化造成窯況不穩(wěn)定。b)加強(qiáng)現(xiàn)場巡檢，及時清理進(jìn)料室、上升道結(jié)料及各下料管的結(jié)皮，預(yù)防堵塞影響系統(tǒng)通風(fēng)。c)對預(yù)熱機(jī)上升道縮頸處進(jìn)行改造，增大通風(fēng)面積，加強(qiáng)窯內(nèi)通風(fēng)，避免燃料燃燒不完全造成還原氣氛，影響生產(chǎn)。d)采用薄料快燒策略，降低窯內(nèi)填充率，防止窯內(nèi)結(jié)圈、結(jié)大球等。e)利用停窯機(jī)會，徹底清理冷卻機(jī)空氣分布板迷宮內(nèi)積料，保證空氣分布板通風(fēng)良好，確保達(dá)到熟料急冷的效果。

4.4 經(jīng)反復(fù)調(diào)試，燒成漸趨于穩(wěn)定，各項指標(biāo)詳述如下。

4.4.1 到2016年5月份，將熟料MgO由2015年初的1.8％提高到3.6％，f-cao及產(chǎn)量已趨正常（表8）；

4.4.2 中間一段時間熟料SM值控制比較高，一度達(dá)到2.9，后續(xù)慢慢往下調(diào)到2.8，燒成也比較穩(wěn)定（表9）；

4.4.3 強(qiáng)度方面有略微降低的趨勢，MgO的提高導(dǎo)致熟料中有效成分CaO降低，及存在一部分的有害游離MgO，導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低（表10）。

表10黃岡亞東2015/01~2016/06熟料3及28天強(qiáng)度變化趨勢

5 經(jīng)驗(yàn)推廣：

黃岡亞東全礦區(qū)生產(chǎn)量約63%的灰?guī)r提供集團(tuán)湖北亞東水泥公司（以下簡稱湖北亞東）船運(yùn)到廠，黃岡亞東灰?guī)r供應(yīng)量約占湖北亞東生產(chǎn)需求量的70-75%，2016年1月黃岡亞東礦區(qū)水泥灰?guī)r氧化鎂（MgO）的管制標(biāo)準(zhǔn)更新為2.5±0.1%，開始供應(yīng)湖北亞東，應(yīng)原料變化，湖北亞東開始調(diào)整制程熟料三率值，表11-13為2015年8月至2017年10月制程調(diào)整前中后各項數(shù)據(jù)變化趨勢，其熟料3天抗壓強(qiáng)度維持在大于30MPa以上，28天抗壓強(qiáng)度大于57MPa以上，熟料產(chǎn)量基本可維持在5400-5500噸之間。

表 11湖北亞東2015/08~2017/10熟料氧化鎂變化趨勢

表 12湖北亞東2015/08~2017/10熟料SM及KH率值變化趨勢

表 13湖北亞東2015/08~2017/10熟料3及28天強(qiáng)度變化趨勢

6 實(shí)施成果：

6.1 2015年7月至2021年5月節(jié)省排廢成本34,158,503元，增加資源利用量4,101,653噸。（表14）

6.2 延長資源使用年限0.71年。

6.3 黃岡亞東窯平均日產(chǎn)量可達(dá)5350-5400噸，湖北亞東窯平均日產(chǎn)量維持在5400-5500噸。

6.4 黃岡亞東熟料3天、28天強(qiáng)度平均達(dá)到30.5MPa及58MPa，最高可達(dá)31MPa及59MPa，湖北亞東熟料3天抗壓強(qiáng)度可以維持在大于30MPa以上，28天抗壓強(qiáng)度大于57MPa以上。

表 14石灰石MGO提高后摻入高鎂石灰石量及節(jié)省金額表

7 結(jié)論：

水泥廠制程從原料的制配到水泥產(chǎn)品的產(chǎn)出，是整體性的系統(tǒng)問題，原料品質(zhì)政策的改變，除改變原來礦場生產(chǎn)的管制作業(yè)外，品管的原料配置及熟料燒制參數(shù)的調(diào)整同樣重要，須協(xié)同尋求系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

本項目目標(biāo)的達(dá)成系有四方面因素：1、數(shù)字化分析：利用數(shù)字化建立礦山的數(shù)值化礦山地質(zhì)塊體模型，準(zhǔn)確統(tǒng)計出全礦區(qū)的平均品質(zhì)及品質(zhì)分布情況，并能模擬各種品質(zhì)管制標(biāo)準(zhǔn)供決策；2、最高技術(shù)主管的決斷：完整數(shù)字分析通過最高技術(shù)主管的果斷決策，使得項目可以順利推展；3、精細(xì)化管理：所有的實(shí)施程序需要透過充分的討論，并引用外界的資訊，將所有的程序細(xì)化至可以操作及成果檢視；4、平行合作：打破專業(yè)藩籬，互相平行探討合作，攻關(guān)克難突破瓶頸。

綠色礦山是國家長期資源政策，為實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)全過程的資源利用的目標(biāo)，本司遵循國家政策，致力實(shí)踐發(fā)展成資源節(jié)約型及品質(zhì)卓越型企業(yè)，本項目于2015年4月啟動，2016年6月達(dá)到既定目標(biāo)，后續(xù)持續(xù)優(yōu)化完善，并于2018年獲選為第一屆綠色礦山科學(xué)技術(shù)獎三等獎。