浅谈工业固废在水泥熟料生产中的应用

前言

水泥熟料是以石灰石和粘土、铁质校正原料为主要原料，按适当的比例配制成生料，经高温烧至部分或全部熔融，再经冷却而获得的半成品。

生产硅酸盐水泥熟料的主要原料是石灰质原料和粘土质原料两大类，石灰质原料如石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等物质，它们主要提供氧化钙成分；粘土质原料如粘土、粘土质页岩、黄土等，它们主要提供二氧化硅、氧化铝以及少量的氧化铁成分。当石灰质原料和粘土质原料配合所得到的生料成分不能符合要求时，应根据所缺少的组分，掺加相应的校正材料，如铁质校正料等。

生产硅酸盐水泥熟料的石灰石、粘土都是不可再生资源，因此，如何利用替代原材料生产水泥熟料，是水泥工业必须考虑和研究的课题。本文就如何利用工业固废煅烧水泥熟料进行简单介绍，与行业同仁交流、探讨。

1、利用钢渣配料生产水泥熟料

钢渣是炼钢生产过程中的废渣，化学成分主要是氧化钙（CaO）、氧化铁（Fe2O3）及二氧化硅（SiO2）、氧化铝（AI2O3）及氧化镁（MgO）等，硬度大，易磨性较差，粒度在5mm以下。

大量的钢渣堆放不仅占用土地资源，还对生态环境造成严重的污染。而从化学成分和矿物组分分析可以看出，钢渣与水泥熟料成分较相似，理论上钢渣可以用于生产水泥熟料。综合多家水泥生产企业对钢渣利用的实践经验，可以得出以下结论：

（1）由于钢渣含有与硅酸盐水泥熟料相似的矿物成分，在熟料高温煅烧过程中，降低了晶体的成核势能，起到了诱导结晶的作用，改善了生料的易烧性。

（2）由于钢渣起到了晶种的作用，加速了C3S的形成，游离氧化钙（f-CaO）含量减少了，其熟料强度得到明显的提高。

（3）钢渣的含铁量较高，铁含量高于20%时，可以取代铁粉作为铁质校正原料。

（4）配料方案中，采用KH、SM、IM三率值为控制指标，KH为0.91～0.93，SM为2.5～2.7，IM为1.5～1.6。当然，由于不同钢渣成分有差异，因此需根据实际钢渣成分调整配料率值。

（5）钢渣用于配制水泥生料，熟料的生产状况良好，可以明显提高熟料的产量，熟料的强度也有所提高，且碱度大的钢渣，熟料C3S含量较高，能降低熟料的烧成煤耗（80～100KJ/kg）和能耗，且碱度大的钢渣降低煤耗较多。

（6）控制钢渣配料带入水泥熟料中氧化镁（MgO）含量小于2.0%，不会形成方镁石晶体，影响水泥的安定性。

（7）预分解窑采用钢渣低铁配料，可以改善熟料质量，尤其可以提高水泥熟料早期强度。

总之，采用钢渣用于配制生料煅烧水泥熟料，得到的水泥熟料用于生产硅酸盐水泥，水泥的各项性能指标均与普通熟料配制的水泥相近，完全符合国家标准。

这里想特别强调的是，2023年11月27日，新颁布的GB175-2023《通用硅酸盐水泥》正式实施，其中引起钢铁行业和水泥行业广泛关注的是，钢渣不能再作为通用硅酸盐水泥的混合材料，这里要特别注意的是，新版《通用硅酸盐水泥》只是将钢渣从原来水泥配料的混合料中取消，没有规定钢渣不能用于水泥生料的配制，这是水泥厂需要注意的事。

2、利用磷石膏生产水泥熟料

磷石膏是用磷矿石与硫酸反应，制取磷酸的副产品，生产一吨磷酸大约产出3～5吨的磷石膏。磷石膏的大量堆放不仅占用土地资源，还对生态环境造成严重的污染，因此，如何科学合理的处理堆存的磷石膏是当前迫在眉睫的事情。

磷石膏主要化学成分与天然石膏（CaSO·2H2O）基本相同，存在的差异是磷石膏中氧化硫（SO3）的含量较高，且含有水溶性五氧化二磷、水溶性氟等有害环境的元素，含有20%～35%的水分，呈分散细粒状。PH=3～4，显弱酸性。

磷石膏一般用于生产硫酸联产水泥，我国早在1987年就自行开发、设计、建设了日产235吨硫酸和250吨水泥熟料的装置，在云南磷肥厂建成投产。该装置经过近三年的试运行，于1990年通过了国家验收和鉴定。

利用磷石膏生产水泥熟料的生料配料原则：

为了满足硫酸生产的要求，必须保证窑气中有足够浓度的SO2，而影响SO2来源的主要因素，主要是由生料中的SO3提供，因此，在配料方案中应尽可能提高生料中的SO3含量。

由于磷石膏生料分解温度较高，出现液相温度偏低，易烧性好，所以回转窑内分解带比较长，分解带末端与烧成带前端重叠。这对生料的分解和熟料矿物的形成都是不利的。为了消除或减少此不利因素的影响，适当提高熟料的硅酸率、铅氧率，降低其氧化铁（Fe2O3）的含量是非常必要的。

磷石膏生料成分必须同时满足制得合格的SO2窑气和水泥熟料的要求。在生产操作过程中，正常的控制方法是：使窑内高温区气氛呈中性或弱还原性，或控制全窑程弱氧化性气氛。

煅烧磷石膏生料回转窑窑尾气体主要工艺参数与普通水泥煅烧窑相近，在回转窑内分解带与烧成带部分重叠，物料的温度、组分变化有自己的特点，形成的水泥熟料主要矿物也与普通水泥生产相似。

由于原料成分的限制和煅烧操作的影响，磷石膏水泥熟料的物理力学性能波动较大，与普通水泥熟料比较，凝结时间稍长，早期强度偏低。

3、利用电石渣生产水泥熟料

电石渣是电石水解获取乙炔气体后的以氢氧化钙为主要成分的废渣。利用电石渣生产水泥不仅能处理电石渣，还能减少二氧化碳的排放。每使用1吨电石渣可节省1.28吨的石灰石，同时减少0.56吨二氧化碳气体排放量。利用电石渣生产水泥，可实现大掺量、无害化利用电石渣，是电石渣最有效的处理途径。

湿电石渣浆通过压滤后的水分一般在30%～40%，干电石渣的水分在3%～10%，湿电石渣由于水分含量较大，输送与烘干是个难题，干电石渣中由于存在反应不完全的现象，在储存、输送过程中容易发生爆炸，这是处理电石渣存在的一个难题，需要做好防爆、粉尘收集与处理。

3.1 与石灰石配料相比，电石渣配料在工艺上的特点

（1）电石渣主要成分为Ca(OH)2,CaO含量高，电石渣及其生料中镁、碱含量低，液相量偏低，易烧性稍差。

（2）电石渣细度较细，与水泥生料相比，颗粒较为均匀，粉磨过程中主要是电石渣的烘干与辅助原料的均化混合过程，易磨性很好。

（3）由于Ca(OH)2的分解热远低于CaCO3，因此电石渣配料，熟料的形成热大幅度降低。

（4）由于电石渣的烧失量小，因此生料的理论料耗低。

（5）由于电石渣中有效成分较高，所以一般电石渣熟料的强度较高。

（6）不同的电石渣里硫和氯的差别很大，如果硫和氯含量太高，会使窑尾系统堵塞，影响熟料煅烧和熟料质量。

3.2 直接入磨干磨干烧工艺

直接入磨干磨干烧工艺，就是先将电石渣通过压滤机脱水，成为含水35%（水的质量）左右的料饼，然后与石灰石等其它原料一起配料，采用烘干能力强的立式磨利用窑尾废气对这种高湿生料进行烘干粉磨；成品生料经均化计量后进入新型干法预分解窑煅烧成水泥熟料。这种工艺采用先进的立式粉磨和窑外分解窑煅烧等技术，回转窑单位容积产量高，熟料烧成热耗低，电石渣经过压滤机脱水装置少，但由于压滤后的料饼含水分高，立式磨的烘干能力受限，所以电石渣配比不高，一般为15%左右。

3.3 预烘干干磨干烧工艺

直接入磨干磨干烧工艺电石渣配比不高，若电石渣经预烘干到含水小于15%入磨，则其配比可提高到60%以上（替代80%以上石灰石）。同时便于配料提高电石渣入磨的稳定性。预烘干干磨干烧工艺采用先进的高效预烘干、立式粉磨和窑外分解窑煅烧等技术，回转窑单位容积产量高，综合能耗低，容易大型化形成规模效益，但是有生产工艺环节多，流程较复杂的缺点。

4、利用煤矸石代替粘土生产高强水泥熟料

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排出的一种工业固体废弃物，其主要化学成分是二氧化硅（SiO2）、氧化铝（AI2O3）、氧化铁（Fe2O3）、氧化钙（CaO）氧化镁（MgO）及氧化钾（K2O等，其中二氧化硅（SiO2）、氧化铝（AI2O3）、氧化铁（Fe2O3）含量合计大于70%，成分与粘土很相似，可替代粘土质原料配料生产水泥熟料，而煤矸石中含有的少量硫、钒、硼等元素的化合物，起到矿化剂的作用，对熟料的煅烧有利。能提高熟料的强度，而且煤矸石中还残存有部分煤，具有一定的热量，可以降低煤耗，用煤矸石配料生产水泥熟料，不仅起到变废为宝的目的，还能达到降低熟料煤耗的作用，有着较好的经济效益和社会效益。

据陈华东等人介绍，以煤矸石50%替代泥岩配料，即以石灰石、煤矸石、泥岩、砂岩和硫酸渣五组分配料，熟料三率值为：KH=0.90±0.02，SM=2.55±0.10，IM=1.45±0.10。使用煤矸石配料后，熟料的C3S量有所增加，而C2S量有所降低，立升重提高，游离氧化钙含量降低。这说明煤矸石中的硼、钒、钡等元素对熟料的煅烧非常有利，对熟料的烧成质量有促进作用。另外，煤矸石中含有的硫、氟、钒、硼、银、钡等微量元素，具有矿化作用，掺入煤矸石配料后的物料易烧性好，回转窑电流降低，二次风温提高。同时，煤矸石含有一定的热量，物料进入预热器后能加速物料的预分解，能显著降低头、尾煤的用量，提高分解炉温度。此外，掺入煤矸石后预热器的C1出口温度提高了18℃，余热发电量增加了3.14%，由于煤矸石多为层状结构，易破碎，辊压机台时产量能提高6吨作用，生产效率提高了约2.4%。

在水泥生产过程中合理地利用煤矸石，具有较大的经济、环境和社会效益，但在生产中要控制好煤矸石的质量，做好原料的均化，确保生料成分的稳定性，以避免窑尾系统结皮和窑内结球的出现。

5、结束语

本文简单介绍了钢渣、磷石膏、电石渣、煤矸石等工业固废在水泥熟料生产中的应用，水泥生产企业可以参考借鉴。

控制温室气体排放，实现“碳中和”目标，是大势所趋。通过大力开展工业固废替代水泥原材料的研究和规模化应用，可显著降低对天然矿产资源和能源消耗，是我国水泥行业实现绿色、可持续发展的重要途径之一，更是践行“绿水青山就是金山银山”理念的积极行动。

来源：泥人君

本网站对转载、分享、陈述、图片、观点保持中立，图片文字均来自网络，目的仅在于传递更多消息。版权归原作者。有版权方面不当之处，欢迎回消息告知删稿事宜，本网站将尽快处理。谢谢!