在水泥建材中综合利用工业废渣节能增效分析

2018-03-20周小勇

散装水泥 2018年3期

周小勇

随着社会主义市场经济改革和发展的不断深入，水泥等建材产品市场竞争愈来愈激烈。为进一步贯彻落实国家产业政策，推动区域经济发展和资源综合利用，加快水泥企业发展，不断适应我国建材工业的发展规划和市场经济对企业的要求，我市水泥企业与高等院校、水泥研究机构合作，研究综合利用钢渣微粉及矿渣微粉等工业废渣。现就以下几个方面对在水泥建材中综合利用工业废渣节能增效进行初步分析。

一、综合利用工艺流程

（一）钢渣、矿渣预均化堆场

堆场选用65m×260m长型露天堆场，其中65m×160m储存钢渣，有效储量为8万吨，储期为100天，65m×100m储存矿渣，有效储量为2万吨，储期为13天，储存的钢渣、矿渣经铲车取料，由胶带输送机送至烘干车间烘干。

（二）钢渣、矿渣烘干

钢渣、矿渣由钢渣、矿渣预均化堆场经胶带输送机送入一台Φ3.6m×28m烘干机烘干，当入料水份≤12%、出料水份≤1%时，系统烘干能力为100t/h,烘干后的矿渣经辊式除铁后，由胶带输送机、提升机分别送入三座Φ8m×24m储存库储存。烘干热源采用燃煤高效节能沸腾炉。烘干收尘采用袋式除尘器。

（三）钢渣、矿渣配料库

烘干后的钢渣、矿渣经胶带输送机送入三座Φ8m×24m储存库储存，其中二座储存矿渣，一座储存钢渣，矿渣库、钢渣库底均各设一台定量给料机。矿渣、钢渣经计量后分别送入二台矿渣粉磨和一台钢渣粉磨中粉磨。

（四）钢渣粉磨

钢渣粉磨是由一台Φ3.8m×9m中卸磨和一台组合式选粉机组成的粉磨系统。钢渣由钢渣配料库底经定量给料机秤量后经一台胶带输送机由辊式除铁器除铁后送至一台Φ3.8m×9m的中卸磨中粉磨，钢渣粉磨后的出磨物料经循环提升机送至组合式选粉机分选，粗粉经管式除铁器选铁后重新送回磨机粉磨，细粉由分离器和收尘收集后作为半成品，一起经空气输送斜槽送入半成品储存及搅拌车间储存。当钢渣入磨粒度≤25mm，水份≤1%，成品比表面积为≥380m2/kg左右时，系统粉磨钢渣能力为35t/h。钢渣选出的铁经一个储存仓储存，经汽车运输出厂。

（五）矿渣粉磨

矿渣粉磨系统是由二台规格为Φ3.8m×13m管式球磨机组成，磨机为开路粉磨系统。当矿渣进磨粒度≤5mm，入料水份≤1%，成品比表面积为≥420m2/kg左右时，每套粉磨系统粉磨矿渣能力为32t/h。

（六）石膏堆场及破碎

石膏经汽车运输进厂后堆入一个24m×42m石膏堆棚，有效储量为3500吨，储期为12天，石膏经铲车送入卸车车坑，由胶带输送机送入颚式破碎机破碎后由斗式提升机送入石膏库储存。

（七）煤矸石储存及破碎

煤矸石经汽车运输进厂后直接卸入卸车坑，经胶带输送机送入一个Φ40m的帐篷库堆放，其有效储量为2万吨，储期为27天，煤矸石库底设置三条出料胶带输送机，煤矸石经转运入库侧煤矸石破碎机破碎后由提升机送入煤矸石配料库储存。

（八）煤矸石、石膏、外加剂配料库

设置两座Φ6m×18m储存圆库，其中一座储库储存煤矸石，一座储库储存石膏，设置一座Φ4m×10m储库储存外加剂。进厂外加剂直接由提升机入库。各库库底均各设置一台定量给料机，物料经给料机分别计量后由一台胶带输送机送至煤矸石、石膏粉磨车间分别粉磨。

其中：Iα-1, 4和 Iα-1, 6分别代表淀粉分子中 α-1,4键（大约5.11×10-6）和α-1,6键（大约4.75×10-6）在核磁共振图谱中所代表峰的积分面积。

（九）煤矸石、石膏粉磨

煤矸石、石膏粉磨系统采用一台规格为Φ3.2m×9m球磨机、一台O_Sepa选粉机的闭路粉磨系统。煤矸石、石膏粉磨后出磨的物料经循环提升机送至O_Sepa选粉机选粉后，粗粉经空气输送斜槽重新送回磨机内粉磨，细粉由分离器和收尘器收集后作为半成品一起经空气输送斜槽送入半成品储存及搅拌车间储存。当煤矸石进磨粒度≤5mm、入料水份≤1%、成品比表面积为≥380m2/kg左右时，每套粉磨系统粉磨煤矸石能力为45t/h。当石膏进磨粒度≤5mm、入料水份≤1%、成品比表面积为≥350m2/kg左右时，每套粉磨系统粉磨石膏能力为70t/h。

（十）半成品储存及搅拌

Φ8m×24m带充气系统的钢板均化库，其中两座储存矿渣粉、两座储存煤矸石、一座储存钢渣粉、一座储存石膏粉。库下均设置一台转子秤，四种物料根据产品品种，按一定比例配料后由空气输送斜槽送入混合机混合，将混合料搅拌均匀后即成钢渣微粉和矿渣微粉成品，成品经提升机、空气输送斜槽送入成品库储存。

二、环保治理措施

综合利用工业废渣对环境的污染主要是生产过程中产生的粉尘、废气、噪声和废水。

（一）粉尘

主要产生于钢渣、矿渣、煤矸石和石膏的粉磨、输送、包装等环节。为有效控制粉尘，在工艺设备的选型和布置上，均采用除尘效率高、性能质量可靠的袋式除尘设备，对于大型袋式除尘器采用循环风的方式减少粉尘排放量。确保达到参照的《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）。

（二）废气

综合利用工业废渣各粉磨系统为物理变化过程，系统无废气产生，仅在矿渣和钢渣烘干车间燃烧煤产生废气，产生的有害废气主要有SO2和NOx等。SO2的排放主要是烘干车间，经计算排放浓度为0.03mg/Nm3,吨产品排放量0.144kg/t，符合国家标准要求。烘干车间沸腾炉的最高烟气温度一般在900度左右，因此，只会有极少量NOx形成，因此，NOx的排放量很少。

（三）噪声

噪音污染是综合利用工业废渣项目生产除粉尘等大气污染之外，较为严重的影响之一。这与粉磨生产工艺中主要以冲击、挤压、碾磨和流体介质的增压及管道输送与排放的机械和流体动力性加工工艺有关。对于高出标准很多分贝值的噪音，在建筑设计时加吸声、消声措施，如在粉磨房加设双层玻璃窗，门缝密封的操作室，确保操作工人在8小时当班中90%的工作时间处在80dB（A）以下。

（四）废水

三、节能降耗措施

为了确保各项能耗指标达到设计要求，综合利用工业废渣项目采用了一系列节能效果明显、技术先进可靠的新工艺、新技术和新装备。

（一）所有原材料均采用分别粉磨的工艺

可按工艺要求调节微粉的颗粒级配，节省单位产品的煤耗和电耗，节能效果十分明显。

（二）强化计量工作

计量工作不仅能促进生产，保证产品质量，而且对节约能源、降低消耗有重要作用。原料配料采用微机控制配料系统，使原料配料计量精确，从而为生产高质量的钢渣微粉和矿渣微粉提供了基本条件，使钢渣微粉和矿渣微粉产量、质量大幅提高，热耗下降。

（三）在适用前提下，尽可能选用节能产品

FU型链式输送机，XZ型空气输送斜槽和NE型高效斗式提升机等新型输送设备，该设备具有输送量大、运距远、运行安全可靠、低故障率、无扬尘、可比传统输送设备节电40%以上等优点。

（四）采取了较完善的收尘措施

生产中产生的粉尘99.9%都被回收，不仅产生较好的经济效益，而且回收了大量的资源。

（五）在电气设计方面采用节能电力设备

如节能变压器、变频调速装置等；功率因素补偿，采取就地和集中补偿相结合的方式减少无功损耗，使总降功率因素达0.92以上；在各用电系统上安装计量表，以便考核奖惩，促进节电管理。

四、综合利用增效分析

伴随着我国经济的持续增长，水泥掺和料市场需求量呈上升趋势，由此带来的资源、能源、环境等问题越来越成为我国建材行业发展的制约因素。建材行业走可持续发展和循环经济的道路，大量利用和消耗工业废渣、生活垃圾等有害废弃物，实现“四零一负”的战略目标，已是中外业界人士的普遍共识。所谓“四零一负”是指建材行业生产过程对生态环境的零污染、对外界电能的零消耗、对废水的零排放、对天然化石燃料的零消耗，以及对全社会部分废物的循环利用。

（一）钢渣

钢渣的处理利用问题仍是当前钢铁企业迫切需要解决的重要课题,提高钢渣的综合利用率也是国家节能减排、循环经济的重要内容。

1、钢渣的形成。钢渣是炼钢过程中利用空气或氧气去氧化炉料中所含的碳、硅、锰、磷等元素，并在高温下与熔剂起反应，形成的熔渣，数量约为钢产量的15%～20%。钢渣主要是来自金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料。钢渣的形成温度在1500～1700℃,高温下呈液体状态，缓慢冷却后呈块状或粉状。转炉渣一般为深灰、深褐色,电炉氧化渣多为黑色,电炉还原渣多为白色。钢渣夹带部分铁粒,硬度大,密度一般为 3.0～3.59g/cm3。

2、活性分析。钢渣是由钙、铁、硅、铝、镁、锰、磷等氧化物所组成,其中氧化钙、氧化硅、氧化铁占绝大多数。钢渣的矿物成分比较复杂,钢渣慢冷或急冷均为晶体结构,其主要矿物组成为硅酸三钙、硅酸二钙、橄榄石、普薇辉石、R0等,其中C3S和C2S为活性矿物,具有水硬胶凝性。评价钢渣活性高低一般用钢渣碱度Ca0/(Si02+P205)来衡量。此外,钢渣中一般含有5%～10%的残钢需要进行回收利用。

3、综合利用分析。钢渣处理工艺应与钢渣利用途径相匹配。钢渣可以说是一种过烧硅酸盐水泥孰料，钢渣粉的主要成分也是 Si02、Al2O3、Fe2O3、Ca0 等，其矿物成份主要为C3S、C2S。钢渣粉具有潜在水硬性，因此钢渣粉可以做混凝土掺合料。其综合性能仅次于粒化高炉矿渣粉,但较高的耐磨性、抗冻性、碱度高、后期强度高等特性是其它矿物掺合料所不及的。因此,钢渣粉作混凝土掺合料也是钢渣高价值利用的方向之一。目前,最能提高钢渣利用价值的是利用废弃钢渣生产钢渣微粉作为生产水泥和混凝土的掺和料,提高钢渣的附加值。钢渣冷却后,经破碎——筛分——磁选——回收废钢——粉磨后,由于钢渣中含有一定量C3S、C2S等水硬胶凝活性矿物,把它与一定量的煤矸石、石膏配合磨细即可生产优质的钢渣微粉。所产钢渣微粉可符合《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》GB/T20491—2006，可作为混凝土添加剂，广泛应用于工业与民用建筑、道路工程、水利工程、机场道面工程中。

（二）矿渣

1、矿渣的形成。高炉矿渣是钢铁厂高炉炼铁的副产品,经水淬急冷处理后,呈浅灰色玻璃晶体颗粒状,属于工业废渣材料。

2、活性分析。长期以来被直接作为水泥混合材使用。由于矿渣比水泥孰料易磨性差,在通常的水泥粉磨后所含矿渣的粒度比水泥的粒度粗很多,矿渣的活性得不到充分发挥，粗粒度的矿渣在水泥水化过程中仅起到微集料的填充作用。近几年，经过大量细致的实验研究，将矿渣研磨成高比表积、高细度、使其改性成为具有潜在的胶凝性材料的可能已变成现实,其在碱性条件下活性能够得到充分发挥,使混凝土和水泥的多项性能得到了极大的改善和提高，矿渣粉磨站生产规模将影响企业经济效益。因此,以提高混合材掺量的方式实现企业规模生产就显得经济而重要。具有“潜在水硬性”的矿渣是生产水泥最好的混合材。高炉水淬矿渣(水渣)是炼铁高炉中以熔融态流出的铁渣经水淬急冷处理而成,水淬好的矿渣为微晶状态，活性好，含有80%～90%的玻璃相。资料表明，我国年产矿渣数千万吨，50%以上用作水泥生产的混合材。

3、综合利用分析。矿渣作为混合材可生产普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥。国家标准规定：普通硅酸盐水泥中矿渣掺量不能超过15%，而矿渣硅酸盐水泥中矿渣掺量可为20%～70%。因此，矿渣硅酸盐水泥对最大限度地利用矿渣和降低水泥生产成本更有意义。但是，传统矿渣硅酸盐水泥的生产方法是将水泥熟料和矿渣在粉磨设备（主要为球磨机）内混合粉磨而成,因熟料和矿渣两者易磨性差别较大，所得水泥中矿渣平均粒度偏大,细粉含量低,其潜在活性得不到有效发挥，影响了水泥的早期强度等性能,也制约着矿渣掺量的提高。研究表明：超细粉磨的矿渣不仅可以提高水泥中矿渣的掺量,而且可以显著地改变水泥和混凝土的性能。以前，从废物利用及节能环保角度将矿渣作为“经济组分”掺入水泥中，如今，随着对其材性的深入研究，超细粉磨的矿渣具有更大的水硬活性和优越的施工性能，而将其发展成为“功能组分”加以利用。矿渣超细粉改性的深入研究为其在水泥和混凝土中的应用开辟了新的途径,而高效低耗的矿渣超细粉磨技术的不断进展又为其实际应用提供了可能。