利用工業(yè)廢渣制備高性能水泥技術(shù)

1、目的和意義

1．1中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要巨量的水泥混凝土

　　中國(guó)到2010年將全面實(shí)現(xiàn)小康化，國(guó)民生產(chǎn)總值要翻兩番。這必然會(huì)使城市化大發(fā)展，必然伴隨基礎(chǔ)工程和基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模快速發(fā)展，水泥和混凝土的需求量也必然保持高速發(fā)展。混凝土的年消耗量與人口的發(fā)展有一定關(guān)系。世界人口2000年60億，預(yù)計(jì)到2050年增長(zhǎng)到105億，2100年達(dá)到111億?；炷劣昧?000年31億噸，預(yù)計(jì)到2050年達(dá)到180億噸，2100年恢復(fù)到120億噸。發(fā)達(dá)國(guó)家城市化水平已達(dá)80%。2002年中國(guó)城鎮(zhèn)化水平39.1%，人口5.02億。預(yù)測(cè)年增長(zhǎng)1%，2020年達(dá)到57%，人口8.28億。城鎮(zhèn)建設(shè)需要用地是目前全國(guó)所有城市建成區(qū)的1.07倍。工業(yè)、民用建筑、以及交通運(yùn)輸網(wǎng)、水利水電、海洋工程等對(duì)水泥混凝土有巨大的市場(chǎng)需求。水泥用量在未來(lái)幾年中很有可能會(huì)超過(guò)14億噸，中國(guó)水泥消耗量將超過(guò)世界總量的1/2，向2/3逼近。砂石材料年用量將達(dá)90億噸，水用量將達(dá)8億噸以上。

1．2目前中國(guó)水泥工業(yè)的發(fā)展面臨的困難

　　水泥工業(yè)是重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè)，水泥生產(chǎn)在消耗大量的資源和能源的同時(shí)產(chǎn)生大量CO₂。建材工業(yè)占全國(guó)能耗比重的9%、全國(guó)工業(yè)耗能的13%。年排放CO₂、SO₂分別約8億噸和228萬(wàn)噸，占全國(guó)工業(yè)總排放量的26.7%和14.3%。粉塵排放占55.6%。

　　全國(guó)水泥用石灰?guī)r基礎(chǔ)儲(chǔ)量358.54億噸、查明資源儲(chǔ)量643.43億噸。按現(xiàn)有開(kāi)采規(guī)模最多50～70年，約能生產(chǎn)水泥500-700億噸。

　　到2005年底，我國(guó)水泥生產(chǎn)能力已達(dá)10.65億噸，2006年我國(guó)水泥產(chǎn)量突破12億噸，超過(guò)世界水泥總量的1/2。目前在建和當(dāng)年建成投產(chǎn)的新型干法水泥生產(chǎn)能力2.28億噸，2006年開(kāi)工生產(chǎn)能力1.6億噸。兩三年后新增水泥生產(chǎn)能力3.88億噸。過(guò)大的產(chǎn)能必將給水泥行業(yè)的生存發(fā)展帶來(lái)困難。

1.3利用工業(yè)廢渣發(fā)展高性能水泥產(chǎn)業(yè)

　　2005年全國(guó)工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量114509萬(wàn)噸，綜合利用量56061萬(wàn)噸，利用率53%。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將產(chǎn)生越來(lái)越多的工業(yè)固體廢棄物排放堆存，占用土地、污染環(huán)境。例如煤年產(chǎn)量達(dá)到24億噸時(shí)，粉煤灰和煤矸石達(dá)6-8億噸。鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展導(dǎo)致冶金廢渣成倍增加。

　　水泥工業(yè)是消納工業(yè)廢渣的最重要途徑。工業(yè)廢渣在水泥混凝土中應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外均有豐富的科研成果和使用經(jīng)驗(yàn)。但目前國(guó)內(nèi)固體廢棄物在水泥工業(yè)主要是作為水泥混合材，平均用量20%左右。另外只能用少量的磨細(xì)礦渣粉和高等級(jí)粉煤灰作為混凝土摻合料。由于現(xiàn)行技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用規(guī)程等問(wèn)題，未能在水泥混凝土和新型建筑材料中高摻量復(fù)合利用粉煤灰、煤矸石、鋼渣、礦渣、尾礦等工業(yè)廢渣。目前處于一種市場(chǎng)自發(fā)的、很少有行業(yè)指導(dǎo)的狀況。

　　相對(duì)于有限的石灰石資源、相對(duì)于需要大量的煤炭和電力、相對(duì)于放出大量的CO₂而言，中國(guó)的水泥工業(yè)發(fā)展應(yīng)該拓寬思路，將水泥生產(chǎn)和混凝土使用有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，走一條水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展道路。應(yīng)大力扶持和發(fā)展獨(dú)立的全部或絕大部分復(fù)合利用工業(yè)固體廢棄物如粉煤灰、煤矸石、鋼渣、礦渣、尾礦等工業(yè)廢渣生產(chǎn)水泥。制備的高摻量、高性能水泥、可大幅度降低水泥用量、提高混凝土工作性能和耐久性；還可以加堿生產(chǎn)堿激發(fā)膠凝材料制品生產(chǎn)新型墻體材料。如能在一般建筑工程中替代水泥用量的60%以上，對(duì)低膠凝性材料，如砂漿、砌筑水泥，治山治水治沙漠等材料，如能替代水泥用量80～90%，這既有利于工業(yè)固體廢棄物的綜合利用，亦可以調(diào)節(jié)水泥工業(yè)的產(chǎn)量、緩解水泥工業(yè)對(duì)資源、能源的大量消耗和對(duì)環(huán)境的污染。應(yīng)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)的規(guī)律，將電力、鋼鐵、水泥等工業(yè)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系起來(lái)。

2.礦渣高細(xì)粉磨工藝實(shí)施方案

　　我國(guó)傳統(tǒng)水泥粉磨工藝，采用熟料、混合材混和粉磨。由于熟料、礦渣的易磨性不同，當(dāng)熟料的比表面積磨到320-340㎡/Kg時(shí)，礦渣粉的比表面積在250-300㎡/Kg左右，礦渣活性沒(méi)有發(fā)揮，混合材摻量少，不超過(guò)30%，熟料消耗量大，經(jīng)濟(jì)效益不理想。礦渣微粉技術(shù)，利用礦渣微粉在高細(xì)狀態(tài)下活性好可作為水泥主要組分的特點(diǎn)，采用熟料、礦渣分別粉磨工藝（見(jiàn)圖1），高產(chǎn)高細(xì)礦渣磨采用獨(dú)特的磨內(nèi)結(jié)構(gòu)，磨機(jī)產(chǎn)量高、能耗低，如Φ3×13m礦渣磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量達(dá)到22-24t/h。通過(guò)配制“勾兌”水泥，礦渣微粉的實(shí)際摻入量可達(dá)50%～60%，噸水泥生產(chǎn)成本降低20-30元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著！礦渣分別粉磨對(duì)水泥質(zhì)量的影響見(jiàn)表2。

圖1球磨機(jī)分別粉磨合成水泥工藝流程

表2礦渣分別粉磨對(duì)水泥質(zhì)量的影響

3. 礦渣粉磨工藝主要注意事項(xiàng)

3．1粉磨平衡

　　一般來(lái)說(shuō)，物料粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，出磨粒度越細(xì)。但是，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，物料比表面積逐漸增大，其比表面能也增大，因而，細(xì)微顆粒相互聚集、結(jié)團(tuán)的趨勢(shì)也逐漸增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，磨內(nèi)會(huì)處于一個(gè)“粉磨   團(tuán)聚”的動(dòng)態(tài)態(tài)平衡過(guò)程，達(dá)到所謂的“粉磨極限”。在這種狀態(tài)下，即使再延長(zhǎng)粉磨時(shí)間，物料也難粉磨得更細(xì)，有時(shí)甚至使粒度變粗。同時(shí)，粉磨能耗成倍增加、粉磨效率降低。這種現(xiàn)象在常規(guī)粉磨時(shí)并不明顯，但在高細(xì)粉磨和超細(xì)粉磨中經(jīng)常出現(xiàn)。解決辦法是：添加助磨劑。它能形成物料顆粒表面的包裹薄膜，使表面達(dá)到飽和狀態(tài)，不再互相吸引粘結(jié)成團(tuán)，改善其易磨性。助磨劑通過(guò)保持顆粒的分散，來(lái)阻止顆粒之間的聚結(jié)或團(tuán)聚。粉磨粒度越細(xì)，使用助磨劑的效果越顯著。

3．2粉磨工藝參數(shù)調(diào)整

　　粉磨礦渣時(shí)，由于入磨物料粒度的減小，球磨機(jī)磨內(nèi)研磨體的平均球徑必然要隨之減小。一般來(lái)說(shuō)，最大球的球徑不要超過(guò)Φ60。根據(jù)磨機(jī)的倉(cāng)位，減大球、換小球。兩倉(cāng)磨，還應(yīng)該將隔倉(cāng)板前移，增加細(xì)磨倉(cāng)長(zhǎng)度，并將隔倉(cāng)板篦縫縮小到7毫米左右；由于礦渣難磨，研磨體的裝載量應(yīng)適當(dāng)高于磨機(jī)設(shè)計(jì)裝載量，約增加5～10%，不要超過(guò)15%。

   江蘇YZ水泥制造有限公司將一臺(tái)Φ2.2×7米閉路球磨機(jī)改為開(kāi)路篩分磨單獨(dú)粉磨礦渣微粉,產(chǎn)品比表面積≥400㎡/kg，磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量達(dá)到6t/h,當(dāng)加入5%左右的粉煤灰后，磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量提高到7t/h。綜合電耗為65～70kWh/t。球磨機(jī)由雙倉(cāng)磨改為三倉(cāng)磨，各倉(cāng)比例為：L₁：L₂：L₃=1：1：2.8；研磨體總裝載量為33.5噸，級(jí)配與填充率見(jiàn)表3。

表3    Φ2.2×7m 三倉(cāng)開(kāi)路篩分磨研磨體級(jí)配

4. 為什么礦渣磨不能用立式烘干機(jī)?

4.1烘干效果差, 20m的立式烘干機(jī)，物料從頂部下落，在空中停留時(shí)間約15秒，根本不能保證烘干效果。

4.2物料適應(yīng)性差 立式烘干機(jī)為了防止物料快速下落，在烘干機(jī)內(nèi)部設(shè)置撒料錐和滑料盆，很容易發(fā)生堵塞，只能烘干松散性物料。

4.3逆流工藝導(dǎo)致物料活性大幅度降低

   立式烘干機(jī)采用逆流工藝,已經(jīng)烘干的物料最后必須經(jīng)過(guò)700-800℃高溫的烘烤,才能出烘干機(jī)。礦渣等混合材在高溫下會(huì)發(fā)生化學(xué)變化,活性降低10-15%,烘干礦渣、粉煤灰等活性材料生產(chǎn)高性能水泥不能使用立式烘干機(jī)。

5. 應(yīng)用實(shí)例

5．1南京ZY水泥廠配置“勾對(duì)”水泥

　　南京ZY水泥廠原有Φ2.2×7m水泥磨，利用礦渣和粉煤灰作混合材生產(chǎn)水泥，經(jīng)濟(jì)效益不理想。2006年8月，新上1臺(tái)Φ3×13m礦渣開(kāi)路磨專門(mén)生產(chǎn)礦粉，原有Φ2.2×7m水泥磨專門(mén)磨熟料，按1：1的比例配置“勾對(duì)”水泥。為了降低成品強(qiáng)度，礦渣磨按50%礦渣、24%石灰石、26%粉煤灰配比。目前，礦渣磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量在23-24 t/h，比表面積在400㎡/Kg以上。

5.2鎮(zhèn)江GZ礦渣粉公司專營(yíng)礦粉

　　鎮(zhèn)江GZ礦渣粉公司利用附近水泥廠比較集中，靠近鎮(zhèn)江市區(qū)，商品混凝土需求量比較大的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，2006年5月新上了一條礦渣生產(chǎn)線，專業(yè)生產(chǎn)礦渣粉。主機(jī)是1臺(tái)Φ3×13m圈流磨，選用KF型高效高細(xì)分級(jí)機(jī)和KSC布袋除塵器。按90%礦渣、5%復(fù)石、5%粉煤灰配比生產(chǎn)礦粉。配套了立式烘干機(jī)，烘干效果不太好，對(duì)磨機(jī)產(chǎn)量有一定影響。目前，Φ3×13m磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量在26-27t/h，比表面積在420-450㎡/ Kg以上。商品礦粉可以20%的比例摻入水泥或者商品混凝土。

6.利用廢渣生產(chǎn)高性能水泥

　　基于各種廢渣微粉摻合料的交互疊加效應(yīng)，通過(guò)各種摻合材料的合理匹配，能提高混凝土的致密性，形成低滲透、高密度、低缺陷的混凝土結(jié)構(gòu)，大大提高混凝土的使用壽命。由單種礦渣加水泥熟料組成的高性能水泥，在水泥中其摻量可以從35%提高到50%。磷渣從20%提高到40%，粉煤灰從15%提高到35%，仍可生產(chǎn)42.5級(jí)相應(yīng)水泥，當(dāng)復(fù)合兩種或兩種以上工業(yè)廢渣作水泥主要組分是時(shí)，例如粉煤灰＋礦渣復(fù)合摻量達(dá)50%～70%。仍可生產(chǎn)52.5R、42.5R高摻量的復(fù)合水泥。復(fù)合利用礦渣＋粉煤灰＋特種無(wú)堿外加劑混凝土標(biāo)號(hào)可由C30提高到C40。

　　扶持和發(fā)展獨(dú)立的全部或絕大部分復(fù)合利用工業(yè)固體廢棄物如粉煤灰、煤矸石、鋼渣、礦渣、尾礦等工業(yè)廢渣生產(chǎn)高性能水泥，大幅度提高工業(yè)廢渣綜合利用資源化效率，可以將多種行業(yè)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系起來(lái)，為在受資源、能源、環(huán)境和成本的制約下的中國(guó)水泥工業(yè)和混凝土產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展探索尋找一條可持續(xù)發(fā)展途徑。