水泥生产工艺：工业废渣的有效利用

第五节　工业废渣的利用

我国每年从工业部门排出大量废渣，其中包括粉煤灰、煤矸石、高炉矿渣、钢渣、铝渣、电石渣、碱渣等。水泥工作者为工业废渣利用积极开展试验、研究工作，变废为宝，以求物尽其用，为国家生产更多水泥。

在水泥工业中，工业废渣主要有两个利用途径，即:

(1)作为水泥原料之一，与其他原料一起入窑煅烧成水泥熟料。

(2)作为混合材料与水泥熟料一起研磨制成水泥。

下面介绍几种被用作水泥原料的工业废渣。

一、赤泥

赤泥是铝厂用烧结法制造铝氧排出的废渣，每生产1t铝氧，排出1.5～1.8t铝渣，如果不加利用，须占用大量土地进行堆存。因其排出的水分含有NaOH和Na₂CO₃污染环境和农田。铝渣中氧化钙含量高达42%～50%，其主要矿物组成为β-C₂S，是良好的水泥原料，主要问题是含碱量高，其化学成分见表3-12。

表3-12　赤泥化学成分(质量%)

赤泥的化学成分与水泥熟料的化学成分比较，Al₂O₃和Fe₂O₃含量高，CaO含量低，所以只要掺加石灰质等原料，就可以配制成生料。

自氧化铝厂排出的赤泥浆，水分一般约为75%～83%，浓缩后水分为45%。用湿法回转窑生产，配制成料浆后其水分为39%～43%。

二、电石渣

电石渣主要是生产乙炔排出的废渣，其反应式如下:

每1t电石消解可排出电石渣约1.15t.其化学成分见表3-13。

表3-13　电石渣的化学成分(质量%)

由表3-13可知，电石渣的主要成分是Ca(OH)₂，所以可代替部分石灰质原料，用以生产水泥。电石渣颗粒均匀，细度细，配制成料浆后水分高达54%，可采用湿法回转窑生产。

利用铝渣和电石渣作为水泥原料时，存在的问题是料浆水分比较高，熟料的热耗高，故还有大量的铝渣、电石渣没有被利用。三、煤矸石、石煤

煤矸石是煤矿中夹在煤层的脉石，在开采和选矿过程中被分离出来。它实际上是含碳岩石(碳质页岩、碳质灰岩，还有少量煤)和其他岩石(页岩、砂岩等)的混合物。随着煤层的地质年代、成矿情况、开采方法不同，用作水泥原料时须要鉴别，以便合理使用。

石煤多为古生代和晚古生代菌藻类低等植物所成的低碳煤，它的组成性质及其生成等与泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤均无本质差别，都是可燃沉积岩。不同的是含碳量比一般煤少，挥发分低，发热量低，灰分高，而且拌生较多的金属元素。

我国有些小型立窑厂利用石煤或煤矸石做原料，并利用其中煤的发热量。煤矸石及石煤的化学成分见表3-14。

表3-14　煤矸石、石煤的化学成分(质量%)

煤矸石的成分随岩石种类和矿物组成而变化，如黏土质岩类煤矸石的SiO₂波动为40%～60%，Al₂O₃波动为15%～30%;砂岩类煤矸石的SiO₂含量高达70%;铝质岩类Al₂O₃可达40%左右;碳酸盐煤矸石中CaO含量可达30%左右。

用煤矸石、石煤作水泥原料时，要注意以下几个问题:

(1)煤矸石和石煤的化学成分波动很大，因此要考虑不同质量分别出矿、堆放和采用预均化措施。

(2)有的煤矸石含有砂岩、辉绿岩等岩石，质硬难磨，含碳也低，不易作水泥原料。

(3)采用中、高铝煤矸石代替黏土和矾土，可以提供足够的Al₂O₃，制成一系列不同凝结时间、快硬性能的特种水泥。(www.xing528.com)

(4)由于煤矸石和石煤本身均含有碳，又比黏土易烘干，所以可降低煤耗。石煤中还含有少量的矾、镍、硼等化合物，其中硼化合物是一种助熔剂，矾能有效阻止β-C₂S向r-C₂S转变，防止熟料粉化。石煤中含硫较多，通常以CaSO₄存在，能起矿化剂作用。

四、粉煤灰

粉煤灰是火电厂煤粉燃烧后排出的灰渣。一个普通发电厂，每天要排放出好几百吨粉煤灰。粉煤灰化学成分见表3-15。

表3-15　粉煤灰化学成分(质量%)

粉煤灰可以代替黏土配制水泥生料。由于粉煤灰中二氧化硅含量低，三氧化二铝含量高，所以要加硅质校正原料进行调整。

粉煤灰也可作水泥混合材料使用。

五、粒化高炉矿渣

随着冶金行业的迅速发展，矿渣的排放量也越来越多。高炉矿渣是冶炼生铁的废渣。每年我国冶炼厂矿渣的生产能力在1 200～1 500万吨/年。大量矿渣的利用，既解决了污染问题，又节约了资源和能源，经济效益和社会效益是很大的。

粒化高炉矿渣的化学成分主要为氧化钙、氧化硅、氧化铝，其总量在90%以上，另外还有少量的氧化镁、氧化亚铁和一些硫化物，如硫化钙、硫化亚锰、硫化亚铁等。在个别情况下，由于矿石成分、熔剂种类和所炼生铁种类的关系，还可能含有氧化钛、五氧化二钒等。根据矿石成分、熔剂种类和所炼生铁种类，矿渣的化学成分可以在较大范围内波动。表3-16列出了我国及国外部分高炉粒化矿渣的化学成分。

表3-16　高炉粒化矿渣的化学成分

粒化高炉矿渣既可以代替黏土配制水泥生料，又可作混合材生产水泥。

本章小结

生产硅酸盐水泥的主要原料是石灰质原料(主要供给氧化钙)和黏土质原料(主要供给二氧化硅、三氧化二铝以及少量的氧化铁)，有时还要根据原、燃料品质和水泥品种，掺加(铁质、硅质或铝质)校正原料以补充某些成分(如氧化铁、氧化硅或氧化铝)的不足。还可掺加少量的萤石、石膏或用矿渣等作为矿化剂。石膏还可作为水泥缓凝剂。

水泥工业是消耗大量燃料的工业。燃料按其物理状态不同可分为固体、液体和气体燃料三种。我国水泥工业主要采用固体燃料煅烧水泥熟料。回转窑工厂一般采用烟煤，立窑工厂一般采用无烟煤和焦炭屑。

目前，粉煤灰、硫铁渣已用作水泥原料，赤泥、油页岩渣、电石渣等也在逐步利用，煤矸石、石煤等用来代替黏土质原料进行生产。

思考题

1.生产水泥用原料有哪几种?

2.石灰质原料和黏土质原料的主要化学成分是什么?对石灰质原料和黏土质原料的质量有哪些要求?

3.对铁质校正原料有哪些要求?常用什么原料作铁质校正原料?

4.试述水泥生产中加入矿化剂的作用。

5.回转窑对燃煤质量有什么要求?立窑对燃煤质量有什么要求?

6.水泥生产中的替代原料有哪些?

【注释】

[1]硬度是物质抵抗其他物体刻画或压入其表面的能力。莫氏硬度可分为十组，每一个前一组中的矿物，被后一组矿物刻画时将得到一条不会被手指轻轻擦去的划痕。硬度为1～10，是标明硬度等级的符号，这是莫氏(Friedrich Mohs)在十九世纪创立的，故称为莫氏硬度。莫氏硬度等级:1.滑石，2.石膏，3.方解石，4.萤石，5.磷灰石，6.正长石，7.石英，8.黄玉，9.刚玉，10.金刚石。