用油砂泥沙配料生产水泥的试验研究

吴长亮，王德涛，李艳君，崔倩倩，刘晓存

用油砂泥沙配料生产水泥的试验研究

吴长亮1，王德涛2，李艳君1，崔倩倩1，刘晓存1

以印尼油砂泥沙作为钙质原料配料生产硅酸盐水泥熟料，并通过与石灰石配料对比，在实验室研究了对熟料煅烧及水泥性能的影响。结果表明：印尼油砂泥沙能够满足配制生料对其成分的要求，配制的生料易烧性稍差，熟料中fCaO含量比石灰石配料的高。随煅烧温度升高，熟料中fCaO含量接近，烧制熟料的矿物形成良好，所制成水泥的初凝时间及终凝时间相对较长，但初、终凝时间间隔短。采用油砂泥沙与石灰石各50%配料，熟料中fCaO含量较低，生料的易烧性良好，熟料矿物形成正常，水泥的终凝时间缩短。油砂配料，熟料的各龄期强度相对有所提高，其中以全油砂配料较为明显，油砂与石灰石各50%配料次之。油砂泥沙可以部分或全部替代石灰石配料生产水泥。

油砂泥沙；硅酸盐水泥熟料；煅烧；性能

油砂又名沥青砂、焦油砂，是一种含有沥青或焦油的砂或砂岩。其基本组成为泥沙、粘土、石油、水和无机矿物等。一般情况下，油砂中泥沙含量约占70%～80%，水分含量＜10%，油含量约为6%～30%左右［1-2］。油砂储量巨大，是一种重要的非常规石油资源。世界上有70多个国家蕴藏着油砂，油砂资源折算为油砂稠油约4× 1011t，大于天然石油探明储量［3-4］。印度尼西亚油砂油含量达20%～35%，油砂矿埋藏浅，易于开采，是优质的油砂资源，且方便输入我国东部沿海地区进行加工。

油砂泥沙（尾沙）是油砂提炼油以后剩余的固体废弃物，如不加以利用，其堆存将对环境造成危害。多数泥沙富含硅质砂岩等矿物，而印尼油砂泥沙则富含钙质矿物，碳酸钙含量可达80%。印尼钙质泥沙颗粒细小且易磨性好，可以作为钙质原料用于硅酸盐水泥的生产，能减少石灰石、砂岩等的用量，可一定程度上降低生产成本，实现废弃资源的开发利用，是大量处理利用泥沙的有效途径，有重要的经济效益和社会效益，应用前景良好。山东蔚阳集团有限公司水泥公司地处山东蓬莱，石灰石资源紧缺，将油砂泥沙用于水泥生产可缓解石灰石紧缺的局面。本文以水泥公司实际水泥生产为参照，在实验室探讨了用印尼油砂泥沙为钙质原料配料生产水泥的可行性，对油砂泥沙的实际应用有指导意义。

图1　印尼油砂泥沙的粒径分布

表1　原料化学成分分析，%

表2　工厂生产熟料化学成分（%）及率值

1　试验过程

1.1原料与熟料组成设计

1.1.1油砂泥沙组成分析

（1）泥沙的颗粒组成

用粒度分析筛（76～180μm）对印尼油砂泥沙进行粒度分析。筛取方法为：准确称取10.00g沙样，在不同孔径筛下筛取，称重，测其分布。结果如图1所示［2］。

实验结果表明：泥沙粒径76μm以下约含44.45%，这部分泥沙颗粒很小，呈粉尘状。粒径在76～100μm约占13.86%，100～180μm占22.34%，＞180μm占19.35%。加拿大油砂粒径在100～250μm，与之相比印尼油砂泥沙粒径较小。总的来说，印尼油砂泥沙作为水泥原料，其颗粒细小、易粉磨，利于节约能源，降低生产成本。

（2）泥沙的化学组成

油砂泥沙的化学组成见表1。与工厂现有石灰石相比，其成分特点是MgO、K2O等含量低、Fe2O3含量高。MgO、K2O等含量低有利于熟料煅烧及强度等性能的提高；Fe2O3含量高则可以不用铁质校正原料，但也会不利于调节配料；泥沙中含有的SO3偏高达1.79%，全部用泥沙配料，熟料中SO3的含量将达2.5%以上，而引入过多的SO3对水泥熟料的矿物形成及性能不利，同时实际生产上给回转窑系统的操作控制也会带来困难。

蓬莱蔚阳水泥厂现在生产熟料的组成见表2，实验室的配料结果见表4。对比可以看出，工厂熟料中的MgO含量较高，采用油砂泥沙配料可以降低碱的含量，MgO在熟料中的含量也较为适宜，而通过搭配使用石灰石与泥沙亦可将熟料中SO3的含量大幅降低，便于实际生产上的操作控制。

（3）泥沙的矿物组成

油砂泥沙的XRD分析图谱如图2所示。其主要结晶矿物为CaCO3（d=3.83，3.02，2.83，2.49，2.27，1.90，1.87）。由表1的原料化学成分分析中亦可以看出，碳酸钙含量可达80%。所以油砂泥沙可以替代石灰石作为钙质原料配料生产水泥。

1.1.2熟料组成设计

实验室制备硅酸盐水泥熟料采用的工业原料包括：石灰石、油砂泥沙、砂岩、炉渣、硫酸渣等。工业原料成分分析见表1。分别用石灰石、油砂泥沙以及两者各50%搭配作为钙质原料进行配料，并分别编号A、B、C。以少用原料种类并得到合适的熟料率值为原则，调配的熟料率值及矿物组成见表3，生料、熟料的化学组成见表4。按现有原料成分组成，如用油砂泥沙配料，只用泥沙和砂岩两种原料即可配制出比较合适的熟料组成（试样B）。但实际生产中由于有煤灰掺入，成分调配有困难（硅率低），需要更换为SiO2含量较高的砂岩。石灰石与泥沙适当搭配使用，则利于调节配料。

表3　设计熟料及矿物组成（%）及率值

表4　生料熟料化学成分，%

图2　油砂泥沙的XRD分析图谱

1.2生料制备

按配合比将各原料配合，在试验球磨机中磨细，细度控制在0.080mm筛筛余＜12%，制得生料。将生料加水拌合均匀，分别制成φ60mm×8mm、φ30mm×8mm的料饼，烘干，备烧。

1.3熟料煅烧及水泥制备

按照GB/T26566-2011进行易烧性试验。将各组φ 30mm×8mm的生料饼于1 350℃、1 400℃、1 450℃温度下煅烧，考察生料的易烧性。

将各组φ60mm×8mm的生料饼在硅钼棒电阻炉中1 450℃条件下煅烧50min，待炉内温度降至1 300℃时取出，于空气中自然冷却，制得熟料。

图3　易烧性测试试样的fCaO含量

将烧成的水泥熟料破碎，按96%熟料+4%磷石膏的配比在实验球磨机中磨至细度0.080mm筛筛余＜3%，制得硅酸盐水泥。

1.4测试

采用甘油-乙醇法测定水泥熟料中fCaO含量，用D/ max-rA型X射线衍射仪测试水泥熟料的矿物组成，用反光显微镜观察水泥熟料矿物形貌。

将水泥试样按水灰比0.28加水，成型为20mm× 20mm×20mm净浆试体，标准条件下养护，分别测定3d、7d和28d各龄期的抗压强度，用φ4cm×4cm圆柱试模测定水泥的凝结时间。

2　结果分析与讨论

2.1生料的易烧性

采用甘油-乙醇法测定煅烧试样中的fCaO含量，结果如图3所示。在煅烧温度为1 350℃时，A、B、C试样熟料中fCaO的含量都已在1%以下，其中B试样的含量相对较高，约为0.80%，且三者相差不大；煅烧温度增至1 400℃时，各组熟料中fCaO的含量明显降低，其中A、C试样的fCaO含量均≯0.2%，熟料烧成良好；在1 450℃下煅烧，各组熟料中fCaO的含量均在0.25%以下，熟料烧结较致密，各组熟料烧成良好。用油砂配料，各温度下熟料中fCaO的含量略高于石灰石配料，说明用油砂配料生料的易烧性稍差，但不影响其在实际生产上的应用。

图4　试样A、B、C熟料的XRD分析图谱

2.2熟料的矿物形成

分别对A、B、C三组熟料试样进行XRD分析，结果如图4所示。由图4可以看出，熟料试样A、B、C的主要结晶矿物为C3S（d=3.02，2.17，1.76，1.62）、C2S（d=2.77，2.74，2.60）、C3A（d=2.68）以及C4AF（d=7.29），各熟料矿物衍射峰尖锐，矿物形成良好。说明采用油砂配料亦可保证正常的熟料矿物形成。

图5、6、7分别是对试样A、B、C熟料的反光显微镜分析。

图5　A熟料的反光显微镜照片

图6　B熟料的反光显微镜照片

图7　C熟料的反光显微镜照片

通过观察发现，三种配料烧制的熟料中A矿发育良好，呈矩形或多边形，边棱清晰，包裹体少，尺寸15～60μm之间，含量相对较高，占矿物总量的60%以上；B矿的形貌多呈圆形或椭圆形颗粒状，尺寸较小，在5～20μm之间，含量少；分布于A矿和B矿之间的是反光能力强的白色中间相铁相固熔体和反光能力弱的黑色中间相铝酸三钙，黑色中间相较多，白色中间相较少，总体含量在20%左右。对比三种配料试样，油砂配料的B和C熟料试样，A矿尺寸较大，这是由于B、C熟料中SO3含量高，C3S晶核的形成速率变慢，液相粘度低，而其晶体生长的速度却加快，导致一些晶核长成大晶体，致使阿利特的尺寸增大。

2.3水泥性能

试验测得不同配料水泥试样的凝结时间及抗压强度如图8及图9所示。

图8　不同试样的凝结时间

图9不同试样的抗压强度

图8所示为水泥试样的凝结时间。由图可见，油砂泥沙配料的B试样比其他两组配料的初凝时间长，但很快终凝，即初、终凝时间间隔短。A、C组配料的初凝时间基本一致，终凝时间则C试样短于A试样。这与油砂配料会使熟料中的SO3含量增高而带来一系列影响有关，如C3S矿物晶体的异常长大，SO3在晶体中的固熔。A、B和C试样的偏光显微镜分析照片已示出C3S矿物晶体尺寸的显著差别。

图9所示为水泥试样的抗压强度。由图9可知，在实验室电炉煅烧条件下，采用油砂泥沙配料的B和C试样，水泥的各龄期强度较石灰石配料的A试样有所提高，但三者相差不大，其中油砂泥沙配料试样的3d强度提高明显，石灰石、油砂各50%配料次之。这些都与油砂配料会使熟料中的SO3含量增高有关。

以上结果说明，用油砂泥沙配料可制得凝结及强度性能优良的水泥熟料，可满足水泥生产要求。

3　结语

（1）印尼油砂泥沙组成能够满足配制生料对其成分的要求，可以作为钙质原料用于水泥生产配料。

（2）油砂泥沙配制的生料易烧性稍差，熟料中fCaO含量比石灰石配料的高，而用油砂和石灰石各50%配料，熟料中fCaO的含量降低。随煅烧温度升高，熟料中fCaO含量接近，烧成熟料中的矿物形成良好。

（3）全油砂泥沙配料，水泥的初凝时间及终凝时间延长，凝结时间间隔短。油砂和石灰石各50%配料，水泥的凝结时间缩短。油砂泥沙配料，水泥的各龄期强度有所提高。

［1］鲍明福，肇永辉.印度尼西亚油砂萃取工艺研究［J］.石油化工高等学校学报，2012，25（1）：61-65.

［2］高远，武跃，等.印尼油砂组成分析及资源回收方法探索［J］.延边大学学报，2013，39（1）：29-33.

［3］赵旭.油砂未来能源地位凸显［J］.中国石化，2012（9）：75-76.

［4］单玄龙，车长波，李剑，等.国内外油砂资源研究现状［J］.世界地质，2007，26（4）：459-464.

Study on Cement Production with Oil Sand Silt as Raw Material

WU Changliang1，WANG Detao2，LI Yanjun1，CUIQianqian1，LIU Xiaocun1
（1.School of Materials Science and Engineering，University of Jinan，Jinan Shandong，250022；2.Shandong Wei Yang Group Co.，Ltd.，Penglai Shandong，265600.）

Indonesia oil sand silt was used as calcareous raw material to produce portland cement clinker. Effects on clinker burning and cement properties have been studied and compared with limestone. Results showed that， Indonesia oil sand silt as calcareous material， could meet the requirements of cement raw meal preparation. However， the raw meal burnability was poorer and the content of fCaO in clinker was higher than that using limestone as calcareous raw material. With the increase of burning temperature， the content of fCaO in clinker became close， and the clinker mineral formation was good， the initial and final setting time was relatively long， however， the interval between the cement initial and final setting time was short. When the proportion for the oil sand silt and limestone was each 50％， the raw meal burnability became better， the fCaO content in clinker was lower， the normal clinker mineral was formed， and the cement final setting time was shortened. The clinker strength of each age was improved， especially for 100％ oil sand silt as calcareous raw material， followed by 50％ oil sand silt and 50％ oil limestone. The oil sand silt can partially or wholly replace the limestone to produce cement.

oil sand silt； portland cement clinker； burning； properties

TQ172.41

A

1001-6171（2016）03-0027-05

通讯地址：1济南大学材料科学与工程学院，山东济南250022；2山东蔚阳集团有限公司，山东蓬莱265600；

2015-08-29；编辑：赵莲