利用工业废渣制备高性能水泥技术

1、目的和意义

1．1中国社会经济发展需要巨量的水泥混凝土

　　中国到2010年将全面实现小康化，国民生产总值要翻两番。这必然会使城市化大发展，必然伴随基础工程和基础设施的大规模快速发展，水泥和混凝土的需求量也必然保持高速发展。混凝土的年消耗量与人口的发展有一定关系。世界人口2000年60亿，预计到2050年增长到105亿，2100年达到111亿。混凝土用量2000年31亿吨，预计到2050年达到180亿吨，2100年恢复到120亿吨。发达国家城市化水平已达80%。2002年中国城镇化水平39.1%，人口5.02亿。预测年增长1%，2020年达到57%，人口8.28亿。城镇建设需要用地是目前全国所有城市建成区的1.07倍。工业、民用建筑、以及交通运输网、水利水电、海洋工程等对水泥混凝土有巨大的市场需求。水泥用量在未来几年中很有可能会超过14亿吨，中国水泥消耗量将超过世界总量的1/2，向2/3逼近。砂石材料年用量将达90亿吨，水用量将达8亿吨以上。

1．2目前中国水泥工业的发展面临的困难

　　水泥工业是重要的基础原材料工业，水泥生产在消耗大量的资源和能源的同时产生大量CO₂。建材工业占全国能耗比重的9%、全国工业耗能的13%。年排放CO₂、SO₂分别约8亿吨和228万吨，占全国工业总排放量的26.7%和14.3%。粉尘排放占55.6%。

　　全国水泥用石灰岩基础储量358.54亿吨、查明资源储量643.43亿吨。按现有开采规模最多50～70年，约能生产水泥500-700亿吨。

　　到2005年底，我国水泥生产能力已达10.65亿吨，2006年我国水泥产量突破12亿吨，超过世界水泥总量的1/2。目前在建和当年建成投产的新型干法水泥生产能力2.28亿吨，2006年开工生产能力1.6亿吨。两三年后新增水泥生产能力3.88亿吨。过大的产能必将给水泥行业的生存发展带来困难。

1.3利用工业废渣发展高性能水泥产业

　　2005年全国工业固体废弃物产生量114509万吨，综合利用量56061万吨，利用率53%。随着社会经济的发展，将产生越来越多的工业固体废弃物排放堆存，占用土地、污染环境。例如煤年产量达到24亿吨时，粉煤灰和煤矸石达6-8亿吨。钢铁工业的大发展导致冶金废渣成倍增加。

　　水泥工业是消纳工业废渣的最重要途径。工业废渣在水泥混凝土中应用在国内外均有丰富的科研成果和使用经验。但目前国内固体废弃物在水泥工业主要是作为水泥混合材，平均用量20%左右。另外只能用少量的磨细矿渣粉和高等级粉煤灰作为混凝土掺合料。由于现行技术、标准和应用规程等问题，未能在水泥混凝土和新型建筑材料中高掺量复合利用粉煤灰、煤矸石、钢渣、矿渣、尾矿等工业废渣。目前处于一种市场自发的、很少有行业指导的状况。

　　相对于有限的石灰石资源、相对于需要大量的煤炭和电力、相对于放出大量的CO₂而言，中国的水泥工业发展应该拓宽思路，将水泥生产和混凝土使用有机地联系起来，走一条水泥工业的可持续发展道路。应大力扶持和发展独立的全部或绝大部分复合利用工业固体废弃物如粉煤灰、煤矸石、钢渣、矿渣、尾矿等工业废渣生产水泥。制备的高掺量、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；还可以加碱生产碱激发胶凝材料制品生产新型墙体材料。如能在一般建筑工程中替代水泥用量的60%以上，对低胶凝性材料，如砂浆、砌筑水泥，治山治水治沙漠等材料，如能替代水泥用量80～90%，这既有利于工业固体废弃物的综合利用，亦可以调节水泥工业的产量、缓解水泥工业对资源、能源的大量消耗和对环境的污染。应用循环经济的规律，将电力、钢铁、水泥等工业用循环经济联系起来。

2.矿渣高细粉磨工艺实施方案

　　我国传统水泥粉磨工艺，采用熟料、混合材混和粉磨。由于熟料、矿渣的易磨性不同，当熟料的比表面积磨到320-340㎡/Kg时，矿渣粉的比表面积在250-300㎡/Kg左右，矿渣活性没有发挥，混合材掺量少，不超过30%，熟料消耗量大，经济效益不理想。矿渣微粉技术，利用矿渣微粉在高细状态下活性好可作为水泥主要组分的特点，采用熟料、矿渣分别粉磨工艺（见图1），高产高细矿渣磨采用独特的磨内结构，磨机产量高、能耗低，如Φ3×13m矿渣磨台时产量达到22-24t/h。通过配制“勾兑”水泥，矿渣微粉的实际掺入量可达50%～60%，吨水泥生产成本降低20-30元，经济效益十分显著！矿渣分别粉磨对水泥质量的影响见表2。

图1球磨机分别粉磨合成水泥工艺流程

表2矿渣分别粉磨对水泥质量的影响

3. 矿渣粉磨工艺主要注意事项

3．1粉磨平衡

　　一般来说，物料粉磨时间越长，出磨粒度越细。但是，随着粉磨时间的延长，物料比表面积逐渐增大，其比表面能也增大，因而，细微颗粒相互聚集、结团的趋势也逐渐增强。经过一段时间后，磨内会处于一个“粉磨   团聚”的动态态平衡过程，达到所谓的“粉磨极限”。在这种状态下，即使再延长粉磨时间，物料也难粉磨得更细，有时甚至使粒度变粗。同时，粉磨能耗成倍增加、粉磨效率降低。这种现象在常规粉磨时并不明显，但在高细粉磨和超细粉磨中经常出现。解决办法是：添加助磨剂。它能形成物料颗粒表面的包裹薄膜，使表面达到饱和状态，不再互相吸引粘结成团，改善其易磨性。助磨剂通过保持颗粒的分散，来阻止颗粒之间的聚结或团聚。粉磨粒度越细，使用助磨剂的效果越显著。

3．2粉磨工艺参数调整

　　粉磨矿渣时，由于入磨物料粒度的减小，球磨机磨内研磨体的平均球径必然要随之减小。一般来说，最大球的球径不要超过Φ60。根据磨机的仓位，减大球、换小球。两仓磨，还应该将隔仓板前移，增加细磨仓长度，并将隔仓板篦缝缩小到7毫米左右；由于矿渣难磨，研磨体的装载量应适当高于磨机设计装载量，约增加5～10%，不要超过15%。

   江苏YZ水泥制造有限公司将一台Φ2.2×7米闭路球磨机改为开路筛分磨单独粉磨矿渣微粉,产品比表面积≥400㎡/kg，磨机台时产量达到6t/h,当加入5%左右的粉煤灰后，磨机台时产量提高到7t/h。综合电耗为65～70kWh/t。球磨机由双仓磨改为三仓磨，各仓比例为：L₁：L₂：L₃=1：1：2.8；研磨体总装载量为33.5吨，级配与填充率见表3。

表3    Φ2.2×7m 三仓开路筛分磨研磨体级配

4. 为什么矿渣磨不能用立式烘干机?

4.1烘干效果差, 20m的立式烘干机，物料从顶部下落，在空中停留时间约15秒，根本不能保证烘干效果。

4.2物料适应性差 立式烘干机为了防止物料快速下落，在烘干机内部设置撒料锥和滑料盆，很容易发生堵塞，只能烘干松散性物料。

4.3逆流工艺导致物料活性大幅度降低

   立式烘干机采用逆流工艺,已经烘干的物料最后必须经过700-800℃高温的烘烤,才能出烘干机。矿渣等混合材在高温下会发生化学变化,活性降低10-15%,烘干矿渣、粉煤灰等活性材料生产高性能水泥不能使用立式烘干机。

5. 应用实例

5．1南京ZY水泥厂配置“勾对”水泥

　　南京ZY水泥厂原有Φ2.2×7m水泥磨，利用矿渣和粉煤灰作混合材生产水泥，经济效益不理想。2006年8月，新上1台Φ3×13m矿渣开路磨专门生产矿粉，原有Φ2.2×7m水泥磨专门磨熟料，按1：1的比例配置“勾对”水泥。为了降低成品强度，矿渣磨按50%矿渣、24%石灰石、26%粉煤灰配比。目前，矿渣磨台时产量在23-24 t/h，比表面积在400㎡/Kg以上。

5.2镇江GZ矿渣粉公司专营矿粉

　　镇江GZ矿渣粉公司利用附近水泥厂比较集中，靠近镇江市区，商品混凝土需求量比较大的区位优势，2006年5月新上了一条矿渣生产线，专业生产矿渣粉。主机是1台Φ3×13m圈流磨，选用KF型高效高细分级机和KSC布袋除尘器。按90%矿渣、5%复石、5%粉煤灰配比生产矿粉。配套了立式烘干机，烘干效果不太好，对磨机产量有一定影响。目前，Φ3×13m磨机台时产量在26-27t/h，比表面积在420-450㎡/ Kg以上。商品矿粉可以20%的比例掺入水泥或者商品混凝土。

6.利用废渣生产高性能水泥

　　基于各种废渣微粉掺合料的交互叠加效应，通过各种掺合材料的合理匹配，能提高混凝土的致密性，形成低渗透、高密度、低缺陷的混凝土结构，大大提高混凝土的使用寿命。由单种矿渣加水泥熟料组成的高性能水泥，在水泥中其掺量可以从35%提高到50%。磷渣从20%提高到40%，粉煤灰从15%提高到35%，仍可生产42.5级相应水泥，当复合两种或两种以上工业废渣作水泥主要组分是时，例如粉煤灰＋矿渣复合掺量达50%～70%。仍可生产52.5R、42.5R高掺量的复合水泥。复合利用矿渣＋粉煤灰＋特种无碱外加剂混凝土标号可由C30提高到C40。

　　扶持和发展独立的全部或绝大部分复合利用工业固体废弃物如粉煤灰、煤矸石、钢渣、矿渣、尾矿等工业废渣生产高性能水泥，大幅度提高工业废渣综合利用资源化效率，可以将多种行业用循环经济联系起来，为在受资源、能源、环境和成本的制约下的中国水泥工业和混凝土产业结构调整和发展探索寻找一条可持续发展途径。