摘要：文章针对祁阳海螺低品位石灰石，即高铝高硫高铬石灰石利用问题，通过优选低铝煤降低熟料Al2O3 含量、采用石膏或钡渣中的硫酸盐降低熟料六价铬，并拓宽配料窗口，结合辅材优化与有害成分控制提升一采区低品位石灰石搭配比例到18%-25%，以此实现熟料率值稳定以及六价铬可控的目。研究表明，陕煤比例在50%-70% 时综合成本最低，生料SO3 控制在0.80%-0.90% 区间能有效降低熟料六价铬，为资源高效利用与成本优化提供了可行方案，以供参考。关键词：低品位石灰石；高铝高铬；低铝煤；成本最优

祁阳海螺目前有两座自有矿山，分别是曾家巷矿区（以下简称一采区）和高石山矿区（简称二采区，距厂区9.8公里，采用汽车运输到厂区）。由于一采区石灰石品位低，CaO含量仅为42%左右，属于低钙、高铝、高硫、高铬的低品位石灰石，2022年前通过外购高品位石灰石搭配方可满足质量要求，外购石灰石比例达到50%左右，生产成本非常高。2022年起通过加大二采区开采，逐步降低外购石灰石掺量，但二采区也存在总体品位不高，排废量大、生产保供压力大的问题，因此，如何在保证质量的前提下采取措施提升一采区低品位石灰石搭配量，以最大化的利用矿山资源，是公司需面对的现实问题。

1祁阳海螺矿山开采现状与质量分析

高石山矿区（二采区）现保有资源量约1145万吨，其中I级品矿石资源量约705万吨，Ⅱ级品矿石资源量约440万吨，另外全矿有约320万吨低钙夹层物料需剥离转场，将低钙夹层剥离排废后平均CaO含量为49.06%，Al2O3含量2.0%，CaO含量为47%时，Al2O3含量达到3.0%以上。因矿区内现存5条夹层断层贯穿东西方向，145m主出矿平台现有低品位夹层物料约110万吨，同时南侧有一高硫矿带约60万吨，SO3含量在0.8%以上，剥离排废量大，制约了出矿推进工作[1]。

2原材料质量与配料设计思路

2.1原材料质量分析

原材料质量分析中各种辅材的化学成分对熟料配料、有害元素控制都有影响，其中高硅砂岩SiO₂含量为85%，但是总铬偏高（90ppm）；萤石粉末Al2O3含量低（4.0%），但是铬含量高达180ppm；铁质材料中铜尾渣Fe2O3含量最高（60.10%），但是也带来较高的铬（300ppm）和成本。因此选用辅材时要兼顾品位和有害元素含量，优先选用高硅、低铝、低铬原料来支持低品位石灰石掺量的提高。

2.2原煤选择与煤灰成分影响

在祁阳海螺生产中，原煤的选择及煤灰成分对熟料化学组成，特别是Al2O3含量，有直接的影响，是制约低品位石灰石掺量的一个关键因素，大同煤煤炭中Al2O3含量高达39.42%，而陕煤煤灰中Al2O3仅为16.53%。根据熟料中煤灰掺入量为2.5%来算，全部用大同煤将比用陕煤使得熟料中Al2O3含量提高0.5个百分点左右，直接影响到入堆石灰石品位的降低，因为较高的熟料Al2O3容忍度要求石灰石本身Al2O3含量更低。因此，使用低铝煤（陕煤）可以放宽对石灰石Al2O3的限制，使入堆石灰石CaO控制指标降低约1.0个百分点，一采区低品位石灰石的搭配比例提高10个百分点以上。尽管陕煤存在内水高、挥发分高、价格较高等缺点，但是在50%—70%的范围内使用陕煤，可以在控制熟料六价铬和降铬剂成本的前提下，使熟料综合成本最低，因此，优先保证低铝煤的采购和使用比例，是提高低品位石灰石资源利用率最有效的技术手段之一[2]。

2.3配料设计

因石灰石中Al2O3高制约了低品位石灰石搭配量，为降低入堆石灰石CaO控制指标，提高矿山低品位石灰石搭配量，一是应严格控制砂岩及铁质材料中Al2O3含量，采用Al2O3含量较低的高硅砂岩和高品位铁质材料。二是由于煤粉燃烧后灰渣留存在熟料中，为降低熟料Al2O3含量，则在原煤的选择上要优先选择煤灰中Al2O3含量低的煤种。

目前我国原煤煤灰中Al2O3含量低的煤种主要分布在陕西、新疆、内蒙古等西北区域。如陕煤、神华煤煤灰中Al2O3含量在15%左右，但陕煤和神华煤存在内水高、挥发分过高的缺陷，同时原煤采购价格较高。山西大同煤、中煤能源、本地无烟煤都属于高铝煤。其中大同煤燃烧性能好、价格合理，缺点是煤灰Al2O3含量高达35%以上，比陕煤高20个百分点，若按熟料中煤灰掺入量2.5%计算，使用大同煤和陕煤比，使熟料中Al2O3含量上升0.50以上。在同样的熟料Al2O3前提下，使用陕煤可以降低石灰石Al2O3含量0.35左右，则可将入堆石灰石CaO降低1.0以上，一采区低品位石灰石搭配比例提升10百分点以上。2022年陕煤实际使用比例为40%、同煤为60%，入堆石灰石CaO为47.1%，2023年为提高低品位石灰石搭配量，拟将陕煤和同煤按6：4搭配使用，通过配料计算物料湿基配比为：石灰石90.8% 萤石2.2% 砂岩2.2% 铁粉4.8%，生熟料化学成分如下表1：

表1生熟料化学成分组成

以上配料方案基本满足年度最优配料方案三率值控制范围要求（0.910/2.40/1.55），但因为低品位石灰石还存在SO3高、铬高的特点，通过搭配计算入堆石灰石CaO低于46.9时，Al2O3含量达到3.1以上，SO3达到0.60以上，铬含量达到24ppm以上，对应熟料六价铬将超14.0ppm，为确保出厂水泥六价铬达到内控标准要求，每吨水泥将增加降铬剂成本3元，同时低品位石灰石掺量过多，也会造成石灰石和生料SO3过高，增加了制造分厂脱硫系统压力，提高了脱硫运行成本。因此应该综合以上控制好入堆石灰石CaO、Al2O3、SO3、铬含量四种元素，选择最合理石灰石质量控制范围，从而实现质量、综合成本和矿山开采的最佳平衡[3]。

3最优综合成本测算与验证

在寻找低品位石灰石资源利用最优方案的时候，综合成本测算是决定质量、成本和资源效率三者之间关系的关键步骤。根据2022年生产实践经验，研究结合矿山开采成本、原燃料选择、煤料对口、脱硫和降铬剂等附加成本，对不同石灰石质量搭配、煤种结构做了系统的熟料成本测算。表2为研究中设置的六种有代表性的配料方案对比表，如表2所示

表2不同配料方案的熟料消耗原材料成本测算

通过对方案进行分析得出：方案3、方案4成本和质量达到最好的平衡。两个方案中陕煤使用比例控制在50%到70%，入堆石灰石CaO目标控制在46.5%到47.1%之间，一采区低品位石灰石搭配量控制在18%到25%。在此条件下，熟料率值（KH、SM、C3A）保持在合格范围内，熟料六价铬有效控制在12.0ppm以下，吨水泥降铬剂成本大幅度降低[4]。

该方案在保证石灰石总铬和熟料有害成分控制的基础上，尽可能地降低石灰石品位的控制门槛，提高低品位资源利用率，最终实现熟料综合成本最小化。相反，如方案5、6所示，当陕煤比例低于30%或者全部使用高铝大同煤时，为了满足配料要求不得不使用高价外购石灰石，造成生产成本最高，不利于自有矿山资源的消化。因此确立以中高比例低铝煤为主的配料结构，是实现质量、成本和资源综合利用最优化的重要途径。

4提高低品位石灰石掺量的有效实践

4.1使用低铝陕煤

使用低铝陕煤是提高低品位石灰石掺量和降低入堆石灰石CaO指标的最有效手段，因此应优先考虑陕煤采购，确保陕煤采购量在60%以上并尽可能提高陕煤比例，若遇不可抗拒原因陕煤保供不足时也应寻找其他低铝煤资源，减少高铝大同煤使用比例。通过测算陕煤比大同煤高100元/吨时，使用陕煤熟料综合成本仍然较优，若因价差太大导致陕煤性价比差距较大时，供应处应予提示并根据实际情况组织相关部门进行研讨，综合评估后再确定原煤品种结构，确保实现公司利益最大化。

4.2根据季节特点采取不同配料方案

为尽可能提高低品位石灰石掺量，综合考虑水泥使用性能和成本控制因素，需要根据季节特点采取不同配料方案。

（1）夏季方案：在6-10月份高温季节陕煤比例≥70%，控制入堆石灰石CaO：47.0±0.30，Al2O3≤3.10%，SO3≤0.62%，铬≤23.0ppm，一采区低品位石灰石搭配石灰石＞20%，石灰石湿基配比＞90.5%。

（2）冬季方案：在一季度、四季度低温季节可以适当提高熟料C3A，在陕煤使用比例达到70%时，力争将一采区低品位石灰石搭配比例提升到25%以上，控制入堆石灰石CaO在46.5±0.30，Al2O3≤3.30%，SO3≤0.65%，铬≤25.0ppm，石灰石配比＞91.5%，熟料SM：2.35，C3A：9.0±0.5[5]。

在单窑生产时将高铝熟料与低铝熟料分开储存，生产32.5水泥全部使用高C3A、高铬熟料，低铬熟料优先在PO水泥中使用，可以减少其降铬剂掺量，降低水泥生产成本。在选购萤石、砂岩时应尽可能提高品位，确保砂岩SiO2含量≥85%，萤石SiO2含量≥80%，使用高品位铁质材料有利于提升低品位石灰石掺量，因此采购铁质材料应尽可能提高品位，其中高品位铁质材料比例应不低于50%，以降低生熟料中Al2O3、SO3、总铬等有害元素含量。

低品位石灰石中Al2O3含量高、CaO含量低，是限制其大规模应用的主要矛盾。高铝特性直接提高熟料中的铝率，如果不加以控制，就会造成熟料液相量过多、煅烧范围变窄、后期强度发展不良。同时低钙会使得石灰饱和系数（KH）达不到标准，影响熟料主要矿物的形成。为了克服这个瓶颈，就采取了系统性拓宽配料窗口的办法。其核心就是引入低铝煤（陕煤），煤灰中Al2O3含量约16.5%）远低于传统大同煤约39.4%。计算结果表明，全部采用陕煤可以使熟料Al2O3容忍度提高约0.5个百分点，相当于允许入堆石灰石的CaO控制指标降低1.0%以上，为低钙高铝石灰石的大比例掺入创造了关键空间。同时采用Al2O3含量更低的高硅砂岩、高品位铁质校正原料，改善生料组成，在低钙条件下通过调整硅率（SM）、铝率（IM）来保证熟料矿物组成和易烧性，从而实现低品位石灰石掺量大于20%。

4.3使用石膏及钡渣降低熟料六价铬

为解决低品位石灰石搭配后熟料六价铬上涨的问题，我们通过生产试验成功验证了在配料端采取掺入脱硫石膏提升硫含量有效降铬的措施，22年起通过从生料端掺入约0.5%—1.0%的脱硫石膏，控制生料硫含量在0.8%左右，能有效降低熟料中六价铬含量2.0ppm。但在实践中也同样存在一定问题，由于脱硫石膏主要有效成分是硫酸钙，硫酸钙在1350-1400℃温度时会完全分解，产生SO2，并且如果在碳素（煤粉）存在的环境下，分解温度还会显著降低。因此一定程度上会造成烟气中SO2上涨，增加脱硫系统压力。在采用脱硫石膏降铬时要结合公司实际情况进行考虑。

由于我公司基础硫含量偏高，脱硫系统本身压力大，因此通过掺入脱硫石膏降铬实验，发现掺入脱硫石膏时虽然降铬效果明显，但是造成脱硫系统压力增加，环保排放压力增加，因此着手开始使用硫酸钡渣进行搭配提升生料中硫含量，硫酸钡分解分析比硫酸钙高，完全分解需要到达1400℃，且不受煤粉碳素的影响，因此降低硫酸钡在窑内分解程度，降低了脱硫压力。同时通过搭配硫酸钡渣将生料硫提升到0.8%—0.9%，同样有效降低了熟料中水溶性六价铬。钡渣使用前后生熟料数据情况如下表3：

表3：使用钡渣前后生熟料数据对比情况

通过使用前后对比可看出，使用钡渣期间，生料SO3上涨0.14%，达到0.87%，熟料中SO3上涨0.14%，达到0.92%，生熟料率值变化较小，水泥六价铬下降2.6ppm，有明显下降效果，并结合萤石尾渣的使用，形成复合矿化剂效果，熟料强度提升2.0兆帕，实现了提质增效的目标。

4.4抓好矿山精细搭配管理

一是加强一二采区生产勘探，每季度开展一次全面质量普查，建立普查数据台账和质量分布图，为下季度开采及质量搭配提供数据支撑；二是强化源头质量控制，保证矿山有效备矿，确保日常质量搭配计划能有效实施；三是根据煤料对口情况合理设定质量控制目标，提前制定每一堆石灰石的出矿和质量搭配计划，做到“先算后干”，严格控制好“钙、铝、硫、铬”四种成分，确保达到堆平均质量目标；四是根据各平台实际出矿情况做好入堆石灰石质量验证，及时发现和处理异常情况，每堆使用后进行反推验证，做到一堆一档，形成闭环，不断提高矿山搭配及生料配料的精细化和精确性。

5结语：

综上所述，为提高低钙、高铝、高硫、高铬的低品位石灰石掺量，在严格限制硅质、铁质辅材Al2O3含量的基础上，使用低铝煤是最有效的手段，其次应该尽可能提高砂岩和铁质材料品位，并通过使用脱硫剂、降铬剂消除对生产工艺和产品质量的影响，找到从产品质量、生产成本及矿山开采搭配的最佳平衡区间，低品位石灰石掺入比例提高15%以上，实现最优控制方案，努力提高矿山资源利用率和公司效益。

参考文献：

[1]高军伟，章文明，姜忠东，等. 低品位石灰石生产优质熟料的成功实践[J].中国水泥，2024，（S2）：5-7.

[2]高泽宇，田栋校，刘姚，等. 低品位石灰石制备高贝利特硅酸盐水泥熟料及其活性提升研究[J].新型建筑材料，2024，51（10）：22-26.

[3]韦怀珺，曾荣，陶从喜，等. 低品位石灰石矿的开采与利用对策[J].新世纪水泥导报，2024，30（05）：5-8.

[4]刘振河，郭宇航，刘素锋. 低品位石灰石在水泥熟料生产中的应用[J].水泥，2024，（04）：49-51.

[5]安华梅，詹义龙. 低品位石灰石在水泥生产中的应用[J].中国水泥，2022，（S1）：142-146.

作者简介：黄文忠（1974.12-），男，汉族，本科，工程师，主要从事水泥、商砼生产及质量管理工作