水泥企業使用石灰石廢石生產機制砂的應用

戶寧

天然砂是不可再生資源，對其剛性的需求至今沒有其他產品可以替代。砂是一種區域性的原材料，不宜長距離運輸，適宜就近生產運輸。隨著國家基礎建設的日益發展，近幾年我國的用砂量達數十億噸以上，居世界第一。一些地區的可采天然砂資源正逐步減少，甚至枯竭，在大城市和經濟發達地區砂的供需矛盾尤為突出。

隨著天然砂資源的日益短缺，不合理的開采對環境造成了嚴重的破壞，國家和各地政府開始嚴格限制或禁止開采天然砂。天然砂限制或禁采政策的出臺，進一步減少了天然砂的來源。為緩解這一突出矛盾，積極推廣使用機制砂，成為砂石行業產業結構轉型升級的主要發展方向。

1 工程背景

1.1 原廢石生產線工程概況

金隅鼎鑫水泥有限公司第一分公司石灰石廢石生產線于2012 年順利投產運營，年處理低品位的石灰石廢石量達200 余萬噸。此生產線的投產部分解決了水泥礦山低品質石灰石廢石的處置問題，但仍有約32%的廢渣無法處置，只能作為工程場地平整用料等被使用，產品附加值低，資源綜合利用率較低，無法滿足企業日益增長的環境和效益要求。

技改前的石灰石廢石生產線工藝流程如圖1所示。

石灰石廢石通過重型板喂機進入錘式破碎機（第一級破碎），破碎后到1 號振動篩篩分（兩層篩網分別為25mm、30mm），此時篩分出三種產品：25～30mm 石料、＜25mm 和＞30mm 的石料。＞30mm的石料返回反擊破碎機（二次破碎）處破碎后再回到1 號振動篩，＜25mm 的石料進入2 號振動篩（兩層篩網分別為5mm、10mm）篩分，分別形成10～25mm石子、5～10mm石子和0～5mm石粉。

1.2 原廢石生產線的不足之處

原有石灰石廢石生產線生產的產品中有32%的廢石變為產品附加值低的石粉，資源利用率及經濟效益不理想，原有石灰石廢石生產線生產的產品比例及售價情況如表1所示。

對第一分公司礦山石灰石廢石生產線產生的石粉進行篩分檢測，得到其平均粒徑組成，如表2所示。

機制砂的顆粒級配圖如圖2所示。

此生產線的缺點主要有：

表1 原石灰石廢石生產線產品比例及售價情況

表2 石粉的平均粒徑組成

圖2 0～5mm石粉樣品顆粒級配圖

（1）產品成品率低。0～5mm 石粉的比例在32%，按照最大產量400t/h 計，如每天運行18h，產生石粉量約為2 300t/d，鼎鑫水泥公司的熟料生產線無法全部摻配使用，剩余部分必須對外銷售。

（2）產品附加值低。由于破碎出的0～5mm 的石粉粒形不好，且含泥量約15%，亞甲藍檢測結果MB 值在5g/kg 以上，混凝土攪拌站無法使用，工程需求量不大，存在沒有買家或者石粉價格特別低的情況，產品的附加值極低。

第一分公司礦山石灰石廢石的化學成分分析如表3所示。

從表3 中可以看出，石粉的氧化鎂、堿含量較高，金隅鼎鑫公司的五條熟料生產線無法將每天產生的約2 300t石粉全部用于生料配料。經過計算，鼎鑫公司每天可將石粉中的一半用于生料配料，故還需要為剩余的另一半石粉尋找“出路”。

從表2中可以看出：石粉中2.5mm 以上的物料約占石粉總量的一半以上，通過對石粉含泥量進行檢測，2.5mm 以上石粉含泥量＜0.5%，而2.5mm 以下石粉含泥量在20%～30%。如果將2.5mm以上石粉分離出來并整形制成機制砂，就可以在混凝土中使用。

要解決以上問題，就需要進行相應的技術改造，從而大幅提高石灰石廢石生產線的產品附加值，增加石灰石廢石生產線的綜合經濟效益，實現資源綜合利用。

2 生產工藝及設備的對比與選擇

目前，機制砂的主要生產工藝有濕法水洗制砂和干法制砂兩種。在機制砂發展早期，濕法制砂工藝較多，但濕法制砂需消耗大量的水資源，且水污染嚴重，水洗后機制砂中的微細石粉隨水流失，導致使用其生產的混凝土易出現泌水等問題。隨著國家環保標準要求的提高和混凝土行業的發展，濕法水洗制砂工藝基本退出了機制砂行業。

傳統的干法制砂工藝有錘式破碎機制砂、反擊破碎機制砂、圓錐破碎機制砂以及由以上破碎機組合使用的制砂工藝，但均存在產品含粉量過高、粒形差、級配不合理、成品率低、設備磨損大等缺陷，傳統的干法制砂工藝也基本退出了機制砂市場。

目前國內的制砂企業主要使用新型干法制砂工藝，包括雙軸錘式破碎機制砂、立軸破碎機制砂、對輥破碎機制砂等三種工藝。

以上三種制砂工藝設備的優缺點對比如表4所示。

由表4 的比較可見，從產品質量來看，立軸破碎機最好，行業中最好的立軸破碎機能達到Ⅰ類建設用砂的要求；對輥破碎機次之，能達到Ⅱ類建設用砂的要求；雙軸錘式破碎機最差，只能達到Ⅲ類建設用砂的要求。從產品成品率來看，對輥破碎機和雙軸錘式破碎機產品成品率均是100%，立軸破碎機的成品率和設備及原料的硬度有關，大致在60%～85%。從設備復雜程度、投資、能耗和運營成本來看，立軸破碎機最高，對輥破碎機次之，雙軸錘式破碎機最低；從環保性對比來看，立軸破碎機最優。

根據鼎鑫公司生產線的需求，處置一半的石粉，每小時需處置的最大石粉量為400×32%×50%=64t，設備選型為70t/h即可，產能方面三種設備均能滿足要求。

表3 一分公司礦山石灰石廢石的化學成分分析，%

表4 制砂工藝設備對比

經過對石家莊混凝土用戶的走訪和調查，了解到石家莊地區的普通河砂的到站價為每噸35～40元，除去每噸15元的運費，鼎鑫機制砂的出廠定價約為每噸20～25 元，結合投資和運營成本考慮，立軸破碎機由于投資和運營成本太高而不能作為此項目的選項；而混凝土客戶要求供應能滿足Ⅱ類建設用砂的機制砂產品，只有立軸破碎機和對輥破碎機能滿足。

綜合考慮成本和產品質量的要求后，此項目最終選用對輥破碎機制砂的生產工藝。

3 工藝方案及優化

3.1 工藝方案

此項目在現有的石灰石廢石生產線的基礎上進行優化改造，最大程度利用其原有石子廠的石粉大棚。在石粉皮帶輸送機末端下方，增加分料閘板和入振動篩的皮帶輸送機；將公司之前技改換下的振動篩安裝在石粉棚內東北角；為增加篩分效率，振動篩的篩網安裝為兩層防堵篩網，篩分出＜2.5mm 的石粉，由鏟車和自卸卡車倒運，在水泥廠內部消化；＞2.5mm的石粉（約占石粉總量的50%）通過皮帶輸送機進入制砂機制砂，進入制砂機的物料全部變為機制砂，成品率為100%，無多余石粉產生。

雖然裝車是在石粉棚內進行，但石粉棚的南北兩扇門通常都處于開啟狀態，極易因空氣對流而出現粉塵外溢的無組織排放，存在相當大的事故隱患。為增加裝車作業環境的舒適度和整潔度，在石粉棚內增設了兩臺袋式收塵器。

項目調試期間發現，由于制砂機離地面較高（約5m），在機制砂落地時成品存在離析現象，影響客戶攪拌站的使用效果。同時，由于機制砂成品與地面的落差大，易產生揚塵，雖然項目為制砂機配置了收塵器，但由于制砂機下料口面積較大，收塵器無法起到太好的效果。

3.2 方案優化

為了解決機制砂離析和揚塵問題，最初采取的方法是對機制砂成品進行噴水降塵，水分的存在，使機制砂成品有一定的粘聚力，可減輕成品的離析。但是由于噴水量不易控制，噴水量過大會導致機制砂水分過高，影響使用；噴水量過小又達不到降低離析和抑塵的作用。

1.2.1 納入標準 符合1999年WHO制定的2型糖尿病診斷標準［1］；符合2015年美國ADA制定的DPN確診診斷標準［1］；右利手；受教育年限至少為6年；18歲≤年齡≤70歲。

經過調研和摸索，最終決定在制砂機后增加一臺滾筒攪拌機，在滾筒攪拌機中均勻加入約3%的水，這樣既能防止機制砂的離析，又能通過均勻地加入水分防止揚塵。

在制砂機下方增設滾筒式混料裝置，能力為70t/h，機制砂成品經混料裝置攪拌均勻后，由布置在制砂機旁的皮帶輸送機輸送至機制砂堆棚內，皮帶輸送機布置要滿足車輛通行，皮帶輸送機最大能力為100t/h。

圖3 石灰石廢石生產線技改工藝流程圖

項目優化調整后的最終的工藝流程如圖3 所示。

滾筒攪拌機等設備安裝調試后達到了預期效果，現場揚塵受到了抑制，環境得到了明顯改善，機制砂的含水量可控制在（3±1.5）%，離析現象基本消失。

4 產品驗證

4.1 產品指標驗證

機制砂產品須符合GB/T 14684-2011《建設用砂》中Ⅱ類建設用砂的各項指標要求。按照此標準要求，我們對項目的機制砂成品質量指標逐項進行驗證。

工藝改進前后產品的顆粒級配檢測結果如圖4所示，從圖4可看出，改進后產品的顆粒級配有了明顯改觀，改進后機制砂產品在2 區砂的顆粒級配要求范圍內，經計算其細度模數為2.8，符合2區中砂的級配及細度模數要求。

機制砂成品的質量指標驗證結果如表5所示，由表5 可知，各項技術指標均符合GB/T 14684-2011《建設用砂》中Ⅱ類建設用砂的要求。

4.2 混凝土試驗驗證

圖4 機制砂產品的顆粒級配

表5 機制砂成品的質量指標驗證結果

表6 C30混凝土使用機制砂前后混凝土配比對比，kg/m3

表7 C30混凝土使用機制砂前后混凝土坍落擴展度及強度對比

表8 C50混凝土使用機制砂前后混凝土配比對比，kg/m3

表9 C50混凝土使用機制砂前后混凝土坍落擴展度及強度對比

C30 混凝土使用機制砂前后混凝土坍落擴展度及強度對比如表7所示。

同時，我們還嘗試將機制砂用于C50 混凝土中，使用機制砂前后C50混凝土配比對比如表8所示。

C50混凝土使用機制砂前后，混凝土坍落擴展度及強度對比如表9所示。

從以上C30 和C50 混凝土使用機制砂的試配試驗對比可以看出，使用機制砂后混凝土的配比中水泥用量均有所降低，使用了機制砂的混凝土坍落擴展度均有所增加，同時混凝土的各個齡期的抗壓強度均有所升高。鼎鑫公司生產的機制砂完全能夠適用于不大于C60的混凝土中。

5 結果及展望

此技改建成后，機制砂產品平均不含稅售價為每噸18.68 元，經過核算平均綜合總成本為每噸10.74元，毛利潤為每噸7.94元，機制砂產品的綜合成本較低，工業附加值高。

鼎鑫公司的機制砂生產線生產的機制砂產品完全能夠滿足GB/T 14684-2011《建設用砂》中Ⅱ類建設用砂的各項指標要求，在混凝土中的應用也獲得了較好的效果。

本次技改解決了原石灰石廢石生產線的產品成品率低、質量差、附加值低、資源綜合利用率低等問題，說明使用石灰石廢石生產機制砂是可行的，可以解決水泥礦山的廢渣利用問題。

由于此技改是立足于河北金隅鼎鑫水泥有限公司第一分公司的廢石生產線的技術改造，原生產線的某些缺陷不能完全克服，而且由于機制砂產品需要與本地低價河砂進行市場競爭，方案的選擇只能因地制宜，以課題投資和運營成本最低、實現課題投入產出比最高為主要的工藝選擇指導指標，產品的性能還不能達到最優。如果原廢石生產線能夠在進料端就將來自礦山的原料石材除土，則后端的機制砂生產工藝布置將會更加合理。