鋰渣配料方案選擇與優(yōu)化

鄒波，樊莉，胡景亮，沈炳，鄧杰

1 前言

四川宜賓等地區(qū)水泥混合材以鋼廠粒化高爐釩鈦礦渣、電廠燃煤爐渣、粉煤灰、石灰石和火山灰質(zhì)混合材等為主，這些混合材大部分屬于非活性混合材，活性指標(biāo)不高，其中，爐渣、粉煤灰等活性約為75%，釩鈦礦渣活性僅為50%左右。當(dāng)使用這些非活性混合材時(shí)，為保障水泥成品強(qiáng)度和品質(zhì)，水泥生產(chǎn)時(shí)需增加熟料配比，生產(chǎn)成本較高，且四川宜賓地區(qū)水泥企業(yè)相對(duì)集中，混合材需求量較大，存在一定的供需矛盾，導(dǎo)致混合材原材料短缺，價(jià)格上漲，急需開發(fā)適宜的其他可替代混合材原材料。

鋰渣是一種高活性混合材料（活性可達(dá)95%～110%），主要來自于生產(chǎn)鋰電池的化工企業(yè)，生產(chǎn)成本較低，鋰渣酸性鋰渣和堿性鋰渣兩種，酸性鋰渣是硫酸法生產(chǎn)碳酸鋰時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，由鋰精礦經(jīng)1 300℃左右高溫焙燒及酸化焙燒，再由水浸及固液分離產(chǎn)生。本文主要研究了四川宜賓地區(qū)的鋰渣應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過不同配料方案及實(shí)驗(yàn)分析了鋰渣作為水泥混合材時(shí)的適宜配合比，以提高水泥性能，降低生產(chǎn)成本。

2 鋰渣應(yīng)用現(xiàn)狀及性能分析

2.1 鋰渣應(yīng)用現(xiàn)狀

鋰渣屬于一般工業(yè)廢渣，呈粉狀且水分含量較高，應(yīng)用于水泥生產(chǎn)時(shí)，上料輸送過程中易堵料，早期應(yīng)用率不高。隨著國(guó)家新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展，涉及副產(chǎn)物鋰渣的化工企業(yè)增多，鋰渣產(chǎn)量增加，相對(duì)現(xiàn)有其他水泥混合材成本較低，作為水泥混合材使用時(shí)，能提高水泥磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量，改善水泥性能，彌補(bǔ)水泥后期強(qiáng)度，調(diào)節(jié)水泥標(biāo)號(hào)，降低熟料占比，成為眾多水泥企業(yè)可選替代混合材原料。但不同地區(qū)，鋰渣的化學(xué)組成、采購(gòu)成本不盡相同，具體使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)分析、摻量方案對(duì)比。

2.2 鋰渣化學(xué)成分分析及作混合材上料輸送問題

四川宜賓等地區(qū)的鋰渣主要來自于鋰電池化工企業(yè)，取樣進(jìn)行化學(xué)分析，鋰渣化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，宜賓等地區(qū)鋰渣中有害成分氯離子含量很低，水分含量較高。當(dāng)?shù)厮嗥髽I(yè)為解決鋰渣作混合材上料輸送易堵料問題，均單獨(dú)堆存放鋰渣原料，建立獨(dú)立的小上料倉，采用獨(dú)立上料系統(tǒng)，單獨(dú)使用配料秤配料、皮帶輸送，避免與其他混合材混合輸送入配料站。配料站大倉易出現(xiàn)物料離析，鋰渣與其他混合材一起輸送，易造成粉磨系統(tǒng)粉磨效果差、下料困難甚至堵倉。獨(dú)立上料系統(tǒng)有效解決了鋰渣水分重、易粘結(jié)的難題。

2.3 鋰渣活性分析

鋰渣活性主要取決于鋰原礦的品質(zhì)，各化工企業(yè)產(chǎn)出的鋰渣活性不盡相同，單從顏色區(qū)分而言，宜賓地區(qū)有黃色和偏白色兩種鋰渣，如圖1 所示。若企業(yè)所用的原料中有較多進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋰礦，則顏色呈黃色，反之，顏色偏白。

圖1 兩種不同顏色的鋰渣

不同鋰渣的活性試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2 數(shù)據(jù)可以看出，不同的化工企業(yè)，使用的鋰原礦存在差異，其產(chǎn)出的鋰渣活性指數(shù)也存在較大差異，但總體而言，鋰渣活性指數(shù)均較高，是較為理想的水泥混合材。將鋰渣應(yīng)用于水泥生產(chǎn)的同時(shí)，還可有效解決鋰渣造成的環(huán)境污染問題。

表2 鋰渣活性試驗(yàn)結(jié)果

3 鋰渣使用方案的選擇與優(yōu)化

結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，考慮熟料及水泥質(zhì)量、混合材活性及價(jià)格因素的影響等，制訂多個(gè)鋰渣使用方案，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 鋰渣使用方案確定的依據(jù)和選擇側(cè)重點(diǎn)

鋰渣作為高活性混合材，具有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，確定其使用方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮熟料質(zhì)量、鋰渣采購(gòu)成本、水泥品質(zhì)要求、鋰渣摻量對(duì)水泥磨生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量、水泥細(xì)度及比表面積的影響等。具體而言，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾種使用方案選擇側(cè)重點(diǎn)：

（1）根據(jù)企業(yè)熟料的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的增進(jìn)情況，選擇使用方案。

（2）根據(jù)客戶對(duì)于不同季節(jié)或溫度條件下，水泥早期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度的要求變化，選擇使用方案。

（3）綜合考慮鋰渣的采購(gòu)成本，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有水泥質(zhì)量和水泥質(zhì)量提升目標(biāo)，選擇使用方案。

3.2 鋰渣不同使用方案的實(shí)驗(yàn)對(duì)比及選擇

3.2.1 熟料后期強(qiáng)度增進(jìn)相對(duì)不高時(shí)的方案選擇

以A水泥生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線窯系統(tǒng)工藝優(yōu)化情況較好，煅燒狀況整體較優(yōu)，但受資源成分的影響，熟料后期強(qiáng)度相對(duì)不高，相對(duì)于高早期強(qiáng)度的3d 強(qiáng)度而言，后期強(qiáng)度增進(jìn)率偏弱；特別是夏季，施工要求水泥早期強(qiáng)度略低，以避免早期開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，在水泥質(zhì)量控制方面，A 水泥生產(chǎn)線需降低早期強(qiáng)度的同時(shí)，獲得較高的后期強(qiáng)度，以保證水泥及混凝土整體質(zhì)量。

摻加鋰渣可有效改善水泥后期強(qiáng)度的增進(jìn)，但使用時(shí)同時(shí)需考慮鋰渣的代入成本，既要達(dá)到理想的水泥強(qiáng)度，又要控制成本的增加。A水泥生產(chǎn)線摻加鋰渣作混合材的5 種配料方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3，不同配料方案成本測(cè)算比較見表4。

表3 A 水泥生產(chǎn)線5 種配料方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比*

表4 A水泥生產(chǎn)線不同配料方案成本測(cè)算比較，元/t

從表3、表4 可以看出，隨著鋰渣摻量的增加，其鋰渣代入成本也在不斷增加，水泥后期強(qiáng)度增加，同時(shí)熟料消耗量隨之減少，水泥整體品質(zhì)隨之優(yōu)化，方案5 成本最優(yōu)，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均較好。經(jīng)綜合考慮，鋰渣摻入量控制在5.0%較優(yōu)。但需注意，在冬季時(shí)，如客戶對(duì)水泥早期強(qiáng)度要求較高，方案2可作為備選方案，但成本優(yōu)勢(shì)較小。

3.2.2 熟料后期強(qiáng)度增進(jìn)較優(yōu)時(shí)的方案選擇

B水泥生產(chǎn)線所在區(qū)域的石灰石資源較好，平均CaO 含量≥50.0%，且堿含量≤0.15%。對(duì)于熟料配料方案而言，整體的硅率SM控制較理想，熟料C3A 含量≤8.5%，控制值較低。雖然熟料早期強(qiáng)度略低，但熟料后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較好。水泥配料方案，隨著混合材配料優(yōu)化方案的變化而變化，整體以提高水泥早期強(qiáng)度為主。早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)大的混合材摻量增加，水泥28d 強(qiáng)度仍能得到較好的保證。B 水泥生產(chǎn)線摻加不同鋰渣的配料方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5，不同配料方案成本測(cè)算比較見表6。

表5 B水泥生產(chǎn)線4種配料方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)*

表6 B水泥生產(chǎn)線不同配料方案成本測(cè)算比較，元/t

從表5 可以看出，B 水泥生產(chǎn)線熟料早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度高，因此，水泥質(zhì)量控制以提高早期強(qiáng)度為目標(biāo)；隨著鋰渣的摻加，可以相應(yīng)增加對(duì)早期強(qiáng)度幫助相對(duì)較大、且成本偏低的硫磺渣的摻入比例。從水泥性能變化可以看出，隨著煤渣摻量的減少，水泥凈漿流動(dòng)度逐漸變好。

另外，B水泥生產(chǎn)線的鋰渣成本相對(duì)A水泥生產(chǎn)線低很多，可適當(dāng)增加鋰渣的使用量。綜合比較，方案3、4水泥早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度更能滿足客戶的需求，且整體成本下降。

3.2.3 方案的優(yōu)化

從表3、表5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，鋰渣的摻入有利于水泥后期強(qiáng)度增加，在降低水泥早期強(qiáng)度的同時(shí)，熟料消耗量也會(huì)有所下降；從表4、表6可以看出，摻入鋰渣降低了水泥成本。在冬季時(shí)，對(duì)水泥早期強(qiáng)度的要求略高，方案選擇應(yīng)隨之改變。若熟料早期強(qiáng)度低、后期強(qiáng)度增進(jìn)較好，則可適當(dāng)增加硫磺渣摻加量，減少鋰渣的摻入，以進(jìn)一步降低成本。

4 結(jié)語

鋰渣作為高活性混合材，越來越廣泛地應(yīng)用于水泥生產(chǎn)，本文僅列舉了兩條水泥生產(chǎn)線采用鋰渣配料的實(shí)驗(yàn)方案及成本測(cè)算。不同的企業(yè)，熟料早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度不同，輔助混合材的品種不同，不同混合材對(duì)早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不同，采購(gòu)價(jià)格也有所不同。因此，選擇鋰渣配料方案時(shí)，不能僅考慮摻加鋰渣對(duì)熟料消耗量降低或成本降低的貢獻(xiàn)，應(yīng)將水泥品質(zhì)是否滿足客戶需求放在首位，以質(zhì)量最優(yōu)、成本最低為原則進(jìn)行方案選擇。