在水泥建材中綜合利用工業廢渣節能增效分析

周小勇

隨著社會主義市場經濟改革和發展的不斷深入，水泥等建材產品市場競爭愈來愈激烈。為進一步貫徹落實國家產業政策，推動區域經濟發展和資源綜合利用，加快水泥企業發展，不斷適應我國建材工業的發展規劃和市場經濟對企業的要求，我市水泥企業與高等院校、水泥研究機構合作，研究綜合利用鋼渣微粉及礦渣微粉等工業廢渣。現就以下幾個方面對在水泥建材中綜合利用工業廢渣節能增效進行初步分析。

一、綜合利用工藝流程

（一）鋼渣、礦渣預均化堆場

堆場選用65m×260m長型露天堆場，其中65m×160m儲存鋼渣，有效儲量為8萬噸，儲期為100天，65m×100m儲存礦渣，有效儲量為2萬噸，儲期為13天，儲存的鋼渣、礦渣經鏟車取料，由膠帶輸送機送至烘干車間烘干。

（二）鋼渣、礦渣烘干

鋼渣、礦渣由鋼渣、礦渣預均化堆場經膠帶輸送機送入一臺Φ3.6m×28m烘干機烘干，當入料水份≤12%、出料水份≤1%時，系統烘干能力為100t/h,烘干后的礦渣經輥式除鐵后，由膠帶輸送機、提升機分別送入三座Φ8m×24m儲存庫儲存。烘干熱源采用燃煤高效節能沸騰爐。烘干收塵采用袋式除塵器。

（三）鋼渣、礦渣配料庫

烘干后的鋼渣、礦渣經膠帶輸送機送入三座Φ8m×24m儲存庫儲存，其中二座儲存礦渣，一座儲存鋼渣，礦渣庫、鋼渣庫底均各設一臺定量給料機。礦渣、鋼渣經計量后分別送入二臺礦渣粉磨和一臺鋼渣粉磨中粉磨。

（四）鋼渣粉磨

鋼渣粉磨是由一臺Φ3.8m×9m中卸磨和一臺組合式選粉機組成的粉磨系統。鋼渣由鋼渣配料庫底經定量給料機秤量后經一臺膠帶輸送機由輥式除鐵器除鐵后送至一臺Φ3.8m×9m的中卸磨中粉磨，鋼渣粉磨后的出磨物料經循環提升機送至組合式選粉機分選，粗粉經管式除鐵器選鐵后重新送回磨機粉磨，細粉由分離器和收塵收集后作為半成品，一起經空氣輸送斜槽送入半成品儲存及攪拌車間儲存。當鋼渣入磨粒度≤25mm，水份≤1%，成品比表面積為≥380m2/kg左右時，系統粉磨鋼渣能力為35t/h。鋼渣選出的鐵經一個儲存倉儲存，經汽車運輸出廠。

（五）礦渣粉磨

礦渣粉磨系統是由二臺規格為Φ3.8m×13m管式球磨機組成，磨機為開路粉磨系統。當礦渣進磨粒度≤5mm，入料水份≤1%，成品比表面積為≥420m2/kg左右時，每套粉磨系統粉磨礦渣能力為32t/h。

（六）石膏堆場及破碎

石膏經汽車運輸進廠后堆入一個24m×42m石膏堆棚，有效儲量為3500噸，儲期為12天，石膏經鏟車送入卸車車坑，由膠帶輸送機送入顎式破碎機破碎后由斗式提升機送入石膏庫儲存。

（七）煤矸石儲存及破碎

煤矸石經汽車運輸進廠后直接卸入卸車坑，經膠帶輸送機送入一個Φ40m的帳篷庫堆放，其有效儲量為2萬噸，儲期為27天，煤矸石庫底設置三條出料膠帶輸送機，煤矸石經轉運入庫側煤矸石破碎機破碎后由提升機送入煤矸石配料庫儲存。

（八）煤矸石、石膏、外加劑配料庫

設置兩座Φ6m×18m儲存圓庫，其中一座儲庫儲存煤矸石，一座儲庫儲存石膏，設置一座Φ4m×10m儲庫儲存外加劑。進廠外加劑直接由提升機入庫。各庫庫底均各設置一臺定量給料機，物料經給料機分別計量后由一臺膠帶輸送機送至煤矸石、石膏粉磨車間分別粉磨。

其中：Iα-1, 4和 Iα-1, 6分別代表淀粉分子中 α-1,4鍵（大約5.11×10-6）和α-1,6鍵（大約4.75×10-6）在核磁共振圖譜中所代表峰的積分面積。

（九）煤矸石、石膏粉磨

煤矸石、石膏粉磨系統采用一臺規格為Φ3.2m×9m球磨機、一臺O_Sepa選粉機的閉路粉磨系統。煤矸石、石膏粉磨后出磨的物料經循環提升機送至O_Sepa選粉機選粉后，粗粉經空氣輸送斜槽重新送回磨機內粉磨，細粉由分離器和收塵器收集后作為半成品一起經空氣輸送斜槽送入半成品儲存及攪拌車間儲存。當煤矸石進磨粒度≤5mm、入料水份≤1%、成品比表面積為≥380m2/kg左右時，每套粉磨系統粉磨煤矸石能力為45t/h。當石膏進磨粒度≤5mm、入料水份≤1%、成品比表面積為≥350m2/kg左右時，每套粉磨系統粉磨石膏能力為70t/h。

（十）半成品儲存及攪拌

Φ8m×24m帶充氣系統的鋼板均化庫，其中兩座儲存礦渣粉、兩座儲存煤矸石、一座儲存鋼渣粉、一座儲存石膏粉。庫下均設置一臺轉子秤，四種物料根據產品品種，按一定比例配料后由空氣輸送斜槽送入混合機混合，將混合料攪拌均勻后即成鋼渣微粉和礦渣微粉成品，成品經提升機、空氣輸送斜槽送入成品庫儲存。

二、環保治理措施

綜合利用工業廢渣對環境的污染主要是生產過程中產生的粉塵、廢氣、噪聲和廢水。

（一）粉塵

主要產生于鋼渣、礦渣、煤矸石和石膏的粉磨、輸送、包裝等環節。為有效控制粉塵，在工藝設備的選型和布置上，均采用除塵效率高、性能質量可靠的袋式除塵設備，對于大型袋式除塵器采用循環風的方式減少粉塵排放量。確保達到參照的《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB4915-2004）。

（二）廢氣

綜合利用工業廢渣各粉磨系統為物理變化過程，系統無廢氣產生，僅在礦渣和鋼渣烘干車間燃燒煤產生廢氣，產生的有害廢氣主要有SO2和NOx等。SO2的排放主要是烘干車間，經計算排放濃度為0.03mg/Nm3,噸產品排放量0.144kg/t，符合國家標準要求。烘干車間沸騰爐的最高煙氣溫度一般在900度左右，因此，只會有極少量NOx形成，因此，NOx的排放量很少。

（三）噪聲

噪音污染是綜合利用工業廢渣項目生產除粉塵等大氣污染之外，較為嚴重的影響之一。這與粉磨生產工藝中主要以沖擊、擠壓、碾磨和流體介質的增壓及管道輸送與排放的機械和流體動力性加工工藝有關。對于高出標準很多分貝值的噪音，在建筑設計時加吸聲、消聲措施，如在粉磨房加設雙層玻璃窗，門縫密封的操作室，確保操作工人在8小時當班中90%的工作時間處在80dB（A）以下。

（四）廢水

三、節能降耗措施

為了確保各項能耗指標達到設計要求，綜合利用工業廢渣項目采用了一系列節能效果明顯、技術先進可靠的新工藝、新技術和新裝備。

（一）所有原材料均采用分別粉磨的工藝

可按工藝要求調節微粉的顆粒級配，節省單位產品的煤耗和電耗，節能效果十分明顯。

（二）強化計量工作

計量工作不僅能促進生產，保證產品質量，而且對節約能源、降低消耗有重要作用。原料配料采用微機控制配料系統，使原料配料計量精確，從而為生產高質量的鋼渣微粉和礦渣微粉提供了基本條件，使鋼渣微粉和礦渣微粉產量、質量大幅提高，熱耗下降。

（三）在適用前提下，盡可能選用節能產品

FU型鏈式輸送機，XZ型空氣輸送斜槽和NE型高效斗式提升機等新型輸送設備，該設備具有輸送量大、運距遠、運行安全可靠、低故障率、無揚塵、可比傳統輸送設備節電40%以上等優點。

（四）采取了較完善的收塵措施

生產中產生的粉塵99.9%都被回收，不僅產生較好的經濟效益，而且回收了大量的資源。

（五）在電氣設計方面采用節能電力設備

如節能變壓器、變頻調速裝置等；功率因素補償，采取就地和集中補償相結合的方式減少無功損耗，使總降功率因素達0.92以上；在各用電系統上安裝計量表，以便考核獎懲，促進節電管理。

四、綜合利用增效分析

伴隨著我國經濟的持續增長，水泥摻和料市場需求量呈上升趨勢，由此帶來的資源、能源、環境等問題越來越成為我國建材行業發展的制約因素。建材行業走可持續發展和循環經濟的道路，大量利用和消耗工業廢渣、生活垃圾等有害廢棄物，實現“四零一負”的戰略目標，已是中外業界人士的普遍共識。所謂“四零一負”是指建材行業生產過程對生態環境的零污染、對外界電能的零消耗、對廢水的零排放、對天然化石燃料的零消耗，以及對全社會部分廢物的循環利用。

（一）鋼渣

鋼渣的處理利用問題仍是當前鋼鐵企業迫切需要解決的重要課題,提高鋼渣的綜合利用率也是國家節能減排、循環經濟的重要內容。

1、鋼渣的形成。鋼渣是煉鋼過程中利用空氣或氧氣去氧化爐料中所含的碳、硅、錳、磷等元素，并在高溫下與熔劑起反應，形成的熔渣，數量約為鋼產量的15%～20%。鋼渣主要是來自金屬爐料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蝕的爐襯料和爐材料、金屬爐料帶入的雜質和為調整鋼渣性質而特意加入的造渣材料。鋼渣的形成溫度在1500～1700℃,高溫下呈液體狀態，緩慢冷卻后呈塊狀或粉狀。轉爐渣一般為深灰、深褐色,電爐氧化渣多為黑色,電爐還原渣多為白色。鋼渣夾帶部分鐵粒,硬度大,密度一般為 3.0～3.59g/cm3。

2、活性分析。鋼渣是由鈣、鐵、硅、鋁、鎂、錳、磷等氧化物所組成,其中氧化鈣、氧化硅、氧化鐵占絕大多數。鋼渣的礦物成分比較復雜,鋼渣慢冷或急冷均為晶體結構,其主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、橄欖石、普薇輝石、R0等,其中C3S和C2S為活性礦物,具有水硬膠凝性。評價鋼渣活性高低一般用鋼渣堿度Ca0/(Si02+P205)來衡量。此外,鋼渣中一般含有5%～10%的殘鋼需要進行回收利用。

3、綜合利用分析。鋼渣處理工藝應與鋼渣利用途徑相匹配。鋼渣可以說是一種過燒硅酸鹽水泥孰料，鋼渣粉的主要成分也是 Si02、Al2O3、Fe2O3、Ca0 等，其礦物成份主要為C3S、C2S。鋼渣粉具有潛在水硬性，因此鋼渣粉可以做混凝土摻合料。其綜合性能僅次于粒化高爐礦渣粉,但較高的耐磨性、抗凍性、堿度高、后期強度高等特性是其它礦物摻合料所不及的。因此,鋼渣粉作混凝土摻合料也是鋼渣高價值利用的方向之一。目前,最能提高鋼渣利用價值的是利用廢棄鋼渣生產鋼渣微粉作為生產水泥和混凝土的摻和料,提高鋼渣的附加值。鋼渣冷卻后,經破碎——篩分——磁選——回收廢鋼——粉磨后,由于鋼渣中含有一定量C3S、C2S等水硬膠凝活性礦物,把它與一定量的煤矸石、石膏配合磨細即可生產優質的鋼渣微粉。所產鋼渣微粉可符合《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》GB/T20491—2006，可作為混凝土添加劑，廣泛應用于工業與民用建筑、道路工程、水利工程、機場道面工程中。

（二）礦渣

1、礦渣的形成。高爐礦渣是鋼鐵廠高爐煉鐵的副產品,經水淬急冷處理后,呈淺灰色玻璃晶體顆粒狀,屬于工業廢渣材料。

2、活性分析。長期以來被直接作為水泥混合材使用。由于礦渣比水泥孰料易磨性差,在通常的水泥粉磨后所含礦渣的粒度比水泥的粒度粗很多,礦渣的活性得不到充分發揮，粗粒度的礦渣在水泥水化過程中僅起到微集料的填充作用。近幾年，經過大量細致的實驗研究，將礦渣研磨成高比表積、高細度、使其改性成為具有潛在的膠凝性材料的可能已變成現實,其在堿性條件下活性能夠得到充分發揮,使混凝土和水泥的多項性能得到了極大的改善和提高，礦渣粉磨站生產規模將影響企業經濟效益。因此,以提高混合材摻量的方式實現企業規模生產就顯得經濟而重要。具有“潛在水硬性”的礦渣是生產水泥最好的混合材。高爐水淬礦渣(水渣)是煉鐵高爐中以熔融態流出的鐵渣經水淬急冷處理而成,水淬好的礦渣為微晶狀態，活性好，含有80%～90%的玻璃相。資料表明，我國年產礦渣數千萬噸，50%以上用作水泥生產的混合材。

3、綜合利用分析。礦渣作為混合材可生產普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥。國家標準規定：普通硅酸鹽水泥中礦渣摻量不能超過15%，而礦渣硅酸鹽水泥中礦渣摻量可為20%～70%。因此，礦渣硅酸鹽水泥對最大限度地利用礦渣和降低水泥生產成本更有意義。但是，傳統礦渣硅酸鹽水泥的生產方法是將水泥熟料和礦渣在粉磨設備（主要為球磨機）內混合粉磨而成,因熟料和礦渣兩者易磨性差別較大，所得水泥中礦渣平均粒度偏大,細粉含量低,其潛在活性得不到有效發揮，影響了水泥的早期強度等性能,也制約著礦渣摻量的提高。研究表明：超細粉磨的礦渣不僅可以提高水泥中礦渣的摻量,而且可以顯著地改變水泥和混凝土的性能。以前，從廢物利用及節能環保角度將礦渣作為“經濟組分”摻入水泥中，如今，隨著對其材性的深入研究，超細粉磨的礦渣具有更大的水硬活性和優越的施工性能，而將其發展成為“功能組分”加以利用。礦渣超細粉改性的深入研究為其在水泥和混凝土中的應用開辟了新的途徑,而高效低耗的礦渣超細粉磨技術的不斷進展又為其實際應用提供了可能。

五、綜述

通過對工業廢渣包括鋼渣和礦渣的粉磨,生產鋼渣微粉、礦渣微粉，推進工業廢渣在水泥建材中的資源綜合利用，即符合水泥企業發展和技術進步的需要，為企業帶來更高的經濟效益，也符合我國綠色循環經濟發展道路的需求，減少污染、改善環境,為經濟建設和社會發展作貢獻。