试论在水泥生产中充分利用工业废渣
摘 要:水泥生产需要消耗大量的天然资源,利用废弃物代替水泥生产中的原燃料,利用水泥窑的工艺特点合理处置工业和城市废弃物,加强与环境的亲和力,是水泥企业和环境保护可持续发展的重要方向之一,本文主要探讨工业废渣在水泥生产中的应用。
关键词:工业废渣 水泥生产 应用方法
工业废渣是现代工业生产过程中产生的。现代工业产品日益丰富多样。从各个生产环节和各种产品生产中排出的废渣种类,也日益庞杂,形成一个“废渣大家族”。废渣也是物质。物质不灭,把它们埋藏、填坑、填海、或者燃烧都可能造成二次污染,不是好办法,最好的办法就是综合利用。我国在这方面已经创造了许多成功经验。并且,随着生产技术的不断提高和科学实验的实践的不断进步,变“废”为“宝”,不断已是水泥生产的一大趋向,以下将探讨在水泥生产中,如何利用废渣的新方法。
一、利用工业废渣进行水泥生产的重要性
按照目前的技术水平和水泥需求发展,我国的水泥行业必然面临资源、能源和环境问题的严峻挑战,将给整个社会的可持续发展带来极不利的影响。
水泥是以CaO、SiO2、A12O3和Fe2O3,为主要化学组成的原材料煅烧而成的人工材料,同时是以活性CaO、SiO2、A12O3,和Fe2O3的水化反应实现其胶凝作用。因此,从理论上讲,凡是可以提供水泥组分所需CaO、SiO2、A12O3和Fe2O3等氧化物的物料均可用于水泥生产。
水泥工业可以消纳大量的工业废渣,既可用作水泥熟料的原燃料,也可用作水泥混合材,同时其固体废弃物排放量为负值,这是水泥生产对环境改善的最突出特点。因此,利用工业固体废渣作为代用原料、替代燃料及混合材生产水泥,既处置了废料,又节约了资源和能源,对水泥工业的可持续发展具有深远意义。
二、水泥生产中利用工业废渣的主要途径
(1)水泥混合材料:工业废渣用作水泥混合材料是最有效利用的途径。
(2)水泥调凝剂:用作水泥调凝剂的工业废渣主要是由气硬性的石膏系列工业废渣组成,如磷石膏、氟石膏、盐田石膏、环保石膏等。这些石膏通过改性后,可全部或部分代替天然石膏。
(3)水泥混凝土矿物掺合料:可以用作水泥}昆合材料的工业废渣,都可做水泥混凝土矿物掺合料,以改善水泥混凝土的使用性能和耐久性能,这已成为当代商品混凝土、大体积混凝土、高性能混凝土不可或缺的组分之一。
(4)水泥原燃料:可燃性的工业废渣,如汽车轮胎、废油、废有机物等可以用作水泥熟料烧成的燃料。含有硅、铝、铁、钙等元素的城市建筑垃圾等可用作水泥的部分原料。我国水泥行业利用工业废渣的情况以及与国际先进国家的比较见表1,根据现代的高性能混昆凝土的研究结果表明,细磨混合材料(矿物掺合料)是制备、生产高性能混凝土的最有效措施之一。
三、水泥生产利用工业废渣的主要方法
1、水泥粉磨站在消纳无机固废中发挥重要作用水泥工业消纳废弃物,粉煤灰、矿渣、钢渣等工业固体废弃物经过粉磨加工后,可作为水泥混合材使用。形成初步的产业协作,并在此基础上形成部分产业伴生或者协作的联盟。
2、利用水泥回转窑消纳废弃物显现优越发展前景实践证实,利用现代新型干法水泥回转窑系统处理废弃物与垃圾焚烧炉相比具有明显优势,被国际上公认为焚烧处理城市和工业废弃物最有效的方法。
(1)水泥回转窑可以消纳废弃物的种类多。水泥窑内温度高达1600℃,热容量和热惯性特大。无论是固体或液体的,块状、粒状或膏状的,一般的、有危险性或有毒性的,都可在水泥窑内燃烧殆尽。按照各种废物的性能与特点,可以分别用作水泥工业的混合材、替代原料(如电石渣、硫酸渣、夹层土、脱硫石膏等)或替代燃料。水泥的消费量和生产规模很大,水泥窑的单机产能很高,水泥工业对各种废物的消纳发展潜力巨大。
(2)水泥回转窑对消纳各种废弃物有很强的适应能力。也不会影响窑的正常操作运行。尤其是对兼作替代原料和替代燃料的废物,如煤矸石、河道淤泥、动物骨肉等,无论其热值多少,都能充分利用,可燃废弃物在水泥窑内燃烧所产生的热能可全部直接用于窑系统内的热交换过程。
(3)水泥回转窑消纳废弃物可不产生二次污染。可燃废物在水泥回转窑内燃烧后的残渣,即使其中含有硫、氯或某些重金属等有害物质,也可通过控制有害物质成分浓度,使残渣全部固熔在水泥熟料之中,保证在水泥混凝土制品中的低释放水平,满足环保法令的要求。
3、工业废渣的综合利用
(1)煤矸石、石煤的综合利用
煤矸石是煤矿生产时的废渣,它在采煤和选矿过程中分离出来,一般属泥质岩,也夹杂一些砂岩,通常为黑色,烧后呈粉红色。其主要化学成分为SiO2、A12O3,以及少量的Fe2O3、CaO等,并含4180～9360kJ/kg的热值。煤矸石、石煤在水泥工业上的应用,其主要困难是化学成分波动大。目前的利用途径有三个:一是代替黏土配料;二是经煅烧处理后作混合材料;三是作沸腾燃烧室燃料,其渣作水泥混合材料。
煤矸石、石煤作黏土质原料进行配料时,工艺上要作适当性调整。具体应注意以下几方面:
①原料要进行预均化处理。这是因为煤矸石、石煤的化学成分波动很大,因此要考虑按质量不同分别堆放,并进行预均化。
②提高入窑生料合格率,调整配料方案,减少配热。当KH>0.93时,需掺加矿化剂加速熟料煅烧,否则游离CaO含量较高。而应用石煤时,应注意石煤组分中A12O3的含量较低,在设计熟料成分时应予以考虑。
③立窑生产时宜采用预加水成球,浅暗火操作,可以避免料球的炸裂而影响窑的煅烧。
(2)粉煤灰及炉渣的综合利用
粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后所得的粉状灰烬,除了可以作为水泥混合材料生产普通水泥和粉煤灰水泥外,还可以代替部分乃至全部黏土参与水泥配料。炉渣是煤在工业锅炉中燃烧后排出的灰渣,也可代替黏土参与配料。
粉煤灰和炉渣的化学成分因煤的产地不同而不同,且SiO2和Al2O3的相对含量波动大。一般来说都是Al2O3含量偏高。大部分水泥厂都是用做校正黏土中硅的含量而添加的,同时也是废料的综合利用。
粉煤灰和炉渣代替部分乃至全部黏土配料时,应注意下列问题:
①加强均化。减少SiO2、Al2O3含量的波动和残碳热值对窑热工制度和熟料质量的影响。
②解决配料精确问题。这是由于其粒径细小,锁料、喂料都很困难的缘故。
③注意带入的可燃物对煅烧的影响。尤其是高碳粉煤灰、高碳炉渣所带入的可燃物,其燃烧点较高,上火慢,使立窑底火拉深,熟料冷却慢,易出现还原料及粉料。
④粉煤灰和炉渣可塑性比较差,立窑生产时控制好成球仍是一项关键技术。
(3)电石渣
电石渣是化工厂乙炔发生车间消解石灰排出的含水85%～90%的废渣。其主要成分是Ca(OH)2,可代替部分石灰质原料。电石渣由80%以上的10～50μm的颗粒组成,不必磨细,但流动性差,在正常流动时水分高达50%以上。因此,即使用湿法回转窑生产也会影响窑的产量和煤耗,但可考虑浆的脱水处理。
四、工业废渣在水泥生产利用中的瓶颈问题
水泥是涉及人民生命财产安全的产品,在水泥生产过程中要有一定的工艺参数才能稳定生产。因此,无论是作为二次原燃料,还是用作水泥的混合材料,工业废渣在水泥行业中的应用存在的瓶颈如下:
(1)有害物质的处理技术。这其中包括对水泥性能的有害物质,以及对人体、环境有害的物质。如有色冶金渣中带有重金属、化工废渣中含有酸性物质、甚至含有有毒物质等潜在危及人体健康安全;如冶金废渣中有的含有方镁石以及硫化物,影响水泥混凝土的体积安定性等。
(2)品质的稳定性。原材料的产地不同以及原材料质量的波动,都会影响工业废渣的成分波动,以及活性高低的波动,为水泥生产的稳定控制带来影响。
(3)工业废渣的形态、处理难易程度等。由于工艺的不同,工业废渣的形态不同,有的为颗粒状,有的是粉末状,而有的是膏状。因此,需要对工业废渣进行处理,而膏状物料由于其含水量大、内比表面高、烘干设备的不配套、处理成本高等原因,限制了其在水泥行业中的利用,其中,比较典型的有赤泥、电解锰渣等。
(4)作为水泥混合材使用,最大的瓶颈为缺少工业废渣标准规范。因此,工业废渣在水泥行业中的利用必须首先制定有关工业废渣的技术标准,无标准可依,是不能乱掺乱用的。
五、结束语
水泥工业节能工作目前处在最有利的环境中,通过我国及世界水泥工业者的共同努力,充分挖掘水泥生产过程中的节能潜力,水泥工业一定能够为节约能源和环境保护做出更大的贡献。
参考文献:
1.周祖德.工业废渣制造绿色建材的必要性与紧迫性[J].中国建材,2009,3.
2.黄弘,唐明亮,沈晓冬,钟白茜.工业废渣资源化及其可持续发展——典型工业废渣的物性和利用现状[J].材料导报,2010.
3.楼紫阳,宋立言,赵由才,张文海.中国化工废渣污染现状及资源化途径[J].化工进展,2010年。