用脫堿赤泥替代生料制備水泥熟料試驗(yàn)研究

吳　鋒，李　輝，楊　康

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安　710055)

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用脫堿赤泥替代生料制備水泥熟料試驗(yàn)研究

吳鋒，李輝，楊康

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安710055)

以蒙古大唐高鋁煤碳研發(fā)中心赤泥為原料，通過(guò)碳化脫鈉法將赤泥中堿含量降至小于1%，部分替代生料制備水泥熟料，研究表明：赤泥摻量小于15%時(shí)，摻入后基本不改變生料的化學(xué)組成、礦物組成，可以使熟料中晶粒和液相微觀結(jié)構(gòu)更加均勻，燒成溫度低。后期熟料的基本性能都符合要求，28 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到525R水泥強(qiáng)度，符合要求。

赤泥； 熟料； 碳化脫鈉； 堿含量

1　引　言

赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣，平均每生產(chǎn)1噸氧化鋁，附帶產(chǎn)生 1.0～2.0噸赤泥。中國(guó)作為世界第四大氧化鋁生產(chǎn)國(guó)，每年排放的赤泥高達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸。大量的赤泥不能被充分利用，只能依靠大面積的堆場(chǎng)堆放，占用了大量土地，也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[1]。大量的赤泥的產(chǎn)生已經(jīng)對(duì)人類(lèi)的生活造成多方面的直接和間接的影響，所以最大限度的減少赤泥的產(chǎn)量和危害，實(shí)現(xiàn)多渠道、大數(shù)量的資源化已迫在眉睫。

研究發(fā)現(xiàn)，赤泥中含大量C2S、C3S，兩者是硅酸鹽水泥的主要膠凝成分，含有的SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO也是生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料所必須的成分，因此有可能將其應(yīng)用到硅酸鹽水泥的生料及摻和料中[2]。由于赤泥中極高的含堿量不符合生產(chǎn)水泥的條件，若將赤泥通過(guò)合理的方法和工藝將其中的堿含量降到低于1%，赤泥可被大量的用于水泥生產(chǎn)等方面，這不僅對(duì)提高粉煤灰綜合利用率具有重要的意義，而且可以緩解大量赤泥因排放堆積帶來(lái)的二次污染[3,4]。本試驗(yàn)探討利用赤泥作為水泥熟料生產(chǎn)原料的可能性，研究了赤泥配料、水泥易燒性及熟料后期的膠凝性能，為赤泥的綜合利用打下良好的理論基礎(chǔ)。

2　試　驗(yàn)

2.1原料

試驗(yàn)原料來(lái)自?xún)?nèi)蒙古大唐高鋁煤碳研發(fā)中心，通過(guò)碳化脫鈉將堿含量將至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，即<1%，在105 ℃下烘干12 h，冷卻后粉磨至所需細(xì)度，封存?zhèn)溆谩１?是原料的化學(xué)元素分析結(jié)果，所用儀器為德國(guó)布魯克公司S4-Pioneer型X射線熒光光譜儀；物相分析所用儀器為日本理學(xué)(RIGAKU)生產(chǎn)的D/MAX2200型X-ray衍射儀(Cu靶，掃描速率10°/min，2θ角度5°～70°)，圖1為該原泥與脫堿赤泥的XRD圖譜，結(jié)合化學(xué)元素分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行礦物相定性分析；圖2為赤泥脫堿前后對(duì)比圖。

圖1　赤泥XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of red mud

圖2　赤泥脫堿前(a)后(b)表觀形貌Fig.2　Surface morphology before(a) and after(b) the red mud dealkalization

主要的礦物組成為赤鐵礦、水化石榴石、鈣霞石、鈣鈦礦( CaTi4O9) 、氧化鋁( Al2O3) 、等。根據(jù)赤鐵礦含量的不同，拜耳法赤泥的顏色可呈灰紅色、深紅色和暗紅色。由于原料性質(zhì)及氧化鋁生產(chǎn)工藝參數(shù)的不同，產(chǎn)生赤泥的化學(xué)成分也不盡相同。通常拜耳法赤泥的化學(xué)成分主要包括Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、Na2O 和MgO。 如圖2所示，其中(a)為提鋁殘?jiān)?b)為脫堿后提鋁殘?jiān)Ｃ搲A前，顆粒表面粗糙不平，結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，脫堿后顆粒變疏松，表面氣孔增多，相對(duì)于脫堿前密實(shí)結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，密實(shí)度降低，這與實(shí)際測(cè)得比表面積、密度值變化趨勢(shì)相吻合。且在一定范圍內(nèi)，隨堿含量的降低，顆粒結(jié)構(gòu)疏松程度相應(yīng)增加。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)原赤泥進(jìn)行碳化脫堿，取10 g 過(guò)60目篩的赤泥試樣，加入三口燒瓶中，按一定液固比定量加入去離子水，充分?jǐn)嚢杌旌铣赡酀{狀，并在設(shè)定溫度下，按一定氣體速率通入CO2進(jìn)行氣液固三相脫堿反應(yīng)。反應(yīng)40 min后，將混合物進(jìn)行真空抽濾，使得固渣與澄清液分離，收集固渣，再次加入等量的去離子水重復(fù)進(jìn)行上述脫堿反應(yīng)，共洗滌3次，收集固渣，用真空干燥箱105 ℃灼燒12 h，冷卻封裝備用。采用火焰光度法溶樣測(cè)量其中的鈉含量[5]。

2.3分析方法

采用X射線熒光能譜儀結(jié)合X射線衍射儀分析對(duì)赤泥替代生料燒制的水泥熟料進(jìn)行分析和表征。具體方法為：通過(guò)XRF檢測(cè)熟料的主要元素，通過(guò)XRD檢測(cè)分析熟料的物相組成和微晶結(jié)構(gòu)；用混合石膏的熟料進(jìn)行了凝結(jié)時(shí)間，抗壓強(qiáng)度等可擴(kuò)展性測(cè)試，對(duì)3 d，7 d，28 d的水化產(chǎn)物進(jìn)行了物相分析。

2.4配料計(jì)算及方案

本試驗(yàn)采用石灰石、粘土、砂巖、銅礦渣、赤泥五組分進(jìn)行配料，在保證熟料質(zhì)量的原則下，為盡量多利用赤泥，降低赤泥帶來(lái)的二次污染，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了六個(gè)配料方案，見(jiàn)表2。各原料之間的配合比見(jiàn)表3。

表2　配料方案

表3　各原料的配比

按配比稱(chēng)取各種生料，在磨機(jī)中磨細(xì)，磨出的料損失不大，篩余都在9%～11%之間，符合要求。由表3可以看出，隨著赤泥摻量的提高，石灰石的含量相對(duì)降低，起到一定的節(jié)約成本的效果。

3　結(jié)果與討論

3.1各配料方案在不同溫度下鍛燒熟料fCaO值

在不同溫度下燒制的水泥熟料，未反應(yīng)的石灰含量(游離氧化鈣)與熟料燒結(jié)溫度的關(guān)系如表4所示。

表4　游離氧化鈣滴定結(jié)果

由表4可以看出，方案2、3、4在1350 ℃、1400 ℃、1450 ℃條件下，游離氧化鈣含量均小于1.07%，說(shuō)明這三個(gè)方案的生料易燒性性能較好；方案5和方案6由于提鋁殘?jiān)鼡搅窟^(guò)高，由于液相量過(guò)多導(dǎo)致樣品熔融，不易燒成，故不可取。

3.2各配料方案的不同溫度緞燒熟料的化學(xué)成分分析

把各配料方案在1400 ℃下緞燒所得熟料作化學(xué)分析，所用儀器為德國(guó)布魯克公司S4-Pioneer型X射線熒光光譜儀，測(cè)試結(jié)果如表5。

表5　1400 ℃溫度煅燒熟料的化學(xué)成分

3.3熟料的礦物相分析

對(duì)各配料方案在各個(gè)溫度下緞燒所得熟料進(jìn)行了X-射線衍射分析。添加赤泥與為添加赤泥的礦物相組成如圖3所示。

圖3　添加赤泥后熟料1400 ℃的礦物組成Fig.3　Clinker mineral composition after adding red mud in 1400 ℃

由圖3，可以看出赤泥的加入并不影響水泥熟料的礦物組成，主要的礦物相依然是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵鋁酸四鈣和游離氧化鈣，鐵鋁酸四鈣含量相對(duì)于參考熟料而言較多，主要是由于其中的鈣質(zhì)原料被赤泥部分替代，提高了鐵鋁含量所造成的。

3.4熟料的巖相分析

圖4　熟料的微觀形貌(a)大晶體硅酸三鈣，硅酸二鈣集群；(b)指狀物硅酸二鈣因?yàn)榫徛睦鋮s；(c)小晶體的鋁酸三鈣；(d)均勻分布的游離氧化鈣Fig.4　Microstructure of clinker

熟料的微觀性能在光學(xué)顯微鏡下觀察，如圖4，脫堿赤泥的摻入并未影響到水泥熟料的微觀結(jié)構(gòu)及其特征礦物相，且阿利特晶體更容易形成。貝利特晶體與阿利特晶體均勻分布，說(shuō)明生料混合均勻?qū)κ炝蠠煞磻?yīng)有著很大的影響。摻入赤泥后水泥中游離氧化鈣比未添加赤泥熟料時(shí)分布更均勻一些，含量也有所減少，主要是由于前者的生石灰含量較高所導(dǎo)致的。

3.5熟料的基礎(chǔ)性能實(shí)驗(yàn)

根據(jù)熟料物相、微觀結(jié)構(gòu)組成及游離氧化鈣含量結(jié)果分析，選取方案3、4進(jìn)行放大試驗(yàn)，根據(jù)熟料易燒性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在1400 ℃下煅燒30 min，所得熟料加入5%石膏磨至相應(yīng)粒度(80 μm篩余9%～11%)，測(cè)其物理性能及抗壓、抗折性能，具體結(jié)果如表6所示。

方案2與方案4所燒制的水泥熟料性能基本相似，整體強(qiáng)度都較高，3 d抗折強(qiáng)度已達(dá)到6.0 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到525R水泥標(biāo)號(hào)，達(dá)到使用要求。

表6　水泥性能

4　結(jié)　論

試驗(yàn)將脫堿赤泥按不同比例摻入水泥生料制備水泥熟料，主要研究了摻入赤泥后水泥熟料的物相、微觀形貌及水泥基本物理性能，結(jié)果表明。

(1)赤泥的摻入量應(yīng)控制在15%以?xún)?nèi)，摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致液相生成量增多，樣品易燒融，用赤泥配料時(shí)，飽和比系數(shù)KH可以適當(dāng)控制偏高一些，硅率SM控制偏低一些;

(2)摻入赤泥后，水泥熟料的礦物組成、微觀形貌并未發(fā)生明顯變化，摻入赤泥后的熟料中，貝利特晶體與阿利特晶體均勻分布，液相也以小晶體形式均勻分布，說(shuō)明生料混合均勻?qū)κ炝蠠煞磻?yīng)影響很大;

(3)用赤泥配水泥生料的易燒性較好，熟料的燒成溫度較低，因此在實(shí)際生產(chǎn)中熟料的燒成溫度可選擇得低些，節(jié)約了生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)了窯爐襯的壽命;

(4)摻入赤泥后，水泥熟料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均可以達(dá)到使用要求，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到525R水泥的標(biāo)準(zhǔn)，符合要求。

[1] 彭小芹, 張祺,李曉盼,等.赤泥對(duì)水泥固化體性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2015.34(4):1101-1104

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Dealkalization Red Mud Instead of Raw to Prepare Cement Clinker

WUFeng,LIHui,YANGKang

(School of Material and Mineral Resources,Xi’an University of Architecture Science and Technology,Xi’an 710055,China)

With Mongolia datang alumina coal research and development center red mud as the raw material, alkali content in red mud have fallen to less than 1% through the carbonization sodium-free method, partly replaced raw meal preparation of cement clinker, the results showed that when red mud content less than 15%, the chemical composition and mineral composition were basically without ang changing after incorporating, and the grain in the clinker and liquid phase microstructure was more homogeneous, firing temperature was low. The basic properties of the clinker later all conform to the requirements, 28 d compressive strength can reach 525R cement strength, and meet the requirements.

red mud;clinker;carbonization sodium-free;alkali content

吳鋒(1987-)，女，碩士研究生.主要從事固體廢棄物資源化利用方面的研究.

TU525

A

1001-1625(2016)04-1306-05