嚴(yán)伯剛，楊美珍，吳 韜，金 磊，馮曉野，范 璐

(1.江西省科學(xué)院，330096，南昌；2.江西省計(jì)算技術(shù)研究所，330002，南昌；2.東莞深圳清華大學(xué)研究院創(chuàng)新中心先進(jìn)復(fù)合材料研發(fā)中心，523000，廣東，東莞)

利用電廠粉煤灰、爐底渣及脫硫石膏粉磨水泥工業(yè)化技術(shù)研究

嚴(yán)伯剛1，楊美珍2，吳 韜3*，金 磊3，馮曉野3，范 璐3

(1.江西省科學(xué)院，330096，南昌；2.江西省計(jì)算技術(shù)研究所，330002，南昌；2.東莞深圳清華大學(xué)研究院創(chuàng)新中心先進(jìn)復(fù)合材料研發(fā)中心，523000，廣東，東莞)

利用燃煤電廠粉煤灰、爐底渣及脫硫石膏等廢渣為原料，采用輥壓機(jī)+分級(jí)打散機(jī)+開路高細(xì)磨的粉磨流程生產(chǎn)P·C32.5和P·F32.5水泥；水泥配合比中電廠廢渣摻量達(dá)45%，其中粉煤灰、爐底渣摻量按質(zhì)量百分比達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限；水泥單位產(chǎn)品可比綜合電耗低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)值。

粉煤灰；爐底渣；脫硫石膏；水泥；工業(yè)化

0 引言

燃煤電廠排放的粉煤灰、爐底渣及脫硫石膏是典型的固體廢棄物，2004年中國(guó)粉煤灰的排放量約為2億t[1]，2009年增至3.75億t，這相當(dāng)于中國(guó)城市生活垃圾總量的2倍多，其體積可達(dá)到4.24億m3[2]。某電廠2×650 MW燃煤發(fā)電機(jī)組年燃燒煤炭近600萬t，年產(chǎn)生粉煤灰100多萬t，產(chǎn)生爐底渣近60萬t，脫硫石膏24萬t，合計(jì)固體廢棄物約184萬t，如不進(jìn)行處理利用，既浪費(fèi)土地，又污染空氣和環(huán)境，危害人們健康。

水泥是最主要的建筑結(jié)構(gòu)材料，我國(guó)水泥產(chǎn)量位居世界第1。因此，在我國(guó)開發(fā)和應(yīng)用粉煤灰水泥具有重大的社會(huì)意義，在水泥生產(chǎn)中大量利用粉煤灰是今后發(fā)展的方向[3]。

1 原材料

1.1水泥熟料

采用國(guó)內(nèi)某上市公司新型干法窯生產(chǎn)的熟料，該熟料質(zhì)量穩(wěn)定可靠，28 d抗壓強(qiáng)度≥58 MPa?；疖嚮蚱囘\(yùn)輸進(jìn)廠。熟料的化學(xué)成分見表1。

表1 熟料化學(xué)成分/%

水泥熟料礦物組成見表2。

表2 水泥熟料礦物組成/%

由表2可見，水泥熟料C3S+C2S在75%～78%之間，其中C3S≥ 60%，是優(yōu)質(zhì)水泥熟料，達(dá)到美國(guó)的水泥熟料質(zhì)量要求[4]。

1.2混合材

混合材化學(xué)成分見表3。

表3 混合材化學(xué)成分/%

1.2.1 粉煤灰 粉煤灰化學(xué)組成以SiO2、Al2O3為主，兩者之和約占總質(zhì)量的80%，其次為Fe2O3、CaO、MgO，揮發(fā)物主要為SO3[5]。經(jīng)XRD分析可知粉煤灰中的物相組成以球粒狀玻璃體為主，占總質(zhì)量的50%以上，主要晶體礦物成分有石英(SiO2)、多鋁紅柱石(Al6Si2O13)、石灰(CaO)。粉煤灰是煤高溫懸浮燃燒淬冷的產(chǎn)物，具有顯著的火山灰活性[6]。

摻粉煤灰粉磨水泥生產(chǎn)線建設(shè)在發(fā)電廠附近為宜，粉煤灰可通過專有輸送管線由氣力輸送進(jìn)廠。電廠650 MW機(jī)組鍋爐溫度高熱量大，生成粉煤灰和爐渣品質(zhì)優(yōu)良，粉煤灰燒失量低，細(xì)度高，可做水泥的混合材。

1.2.2 爐底渣 爐底渣的SiO2、Al2O3和Fe2O3的總和超過了85%，而CaO含量<5%，其化學(xué)成分與低鈣粉煤灰的較相類似[7]。經(jīng)XRD分析可知其礦物相中玻璃體的含量占優(yōu)勢(shì)，結(jié)晶相物質(zhì)所占比例較低。在結(jié)晶相物質(zhì)中，除了主要的晶體礦物相莫來石(3Al2O3·2SiO2)、石英(SiO2)外，還含有少量的赤鐵礦(Fe2O3)。爐底渣通過大噸位汽車運(yùn)輸進(jìn)廠，直接用作水泥混合材。

1.3脫硫石膏

脫硫石膏是火力發(fā)電廠煙氣脫硫時(shí)由SO2和CaCO3反應(yīng)生成的一種工業(yè)副產(chǎn)品石膏，經(jīng)XRD分析可知主要成分是CaSO4·2H2O，還有少量CaCO3、CaSO3等雜質(zhì)，并且脫硫石膏和天然二水石膏的礦物組成很接近[8]，其質(zhì)地松軟，呈粉狀，SO3含量達(dá)到40%以上，無有害成分，適合做水泥緩凝劑，符合水泥生產(chǎn)的要求。由汽車運(yùn)輸進(jìn)廠。脫硫石膏化學(xué)成分見表4。

表4 脫硫石膏化學(xué)成分/%

2 生產(chǎn)工藝

2.1主機(jī)設(shè)備的選型與平衡

按年產(chǎn)156萬t的規(guī)模計(jì)算，選用3臺(tái)φ3.2×13 m開路磨加3臺(tái)HFCG120-45輥壓機(jī)作為水泥粉磨設(shè)備。根據(jù)要求的小時(shí)產(chǎn)量，選用3臺(tái)回轉(zhuǎn)式六咀包裝機(jī)。

通過主機(jī)設(shè)備的選型與平衡，可得出水泥粉磨生產(chǎn)線的主機(jī)設(shè)備平衡表見表5。

表5 主機(jī)設(shè)備平衡表

2.2物料的儲(chǔ)存

各種物料的儲(chǔ)存型式,儲(chǔ)存量和儲(chǔ)存期見表6。

2.3生產(chǎn)工藝過程

2.3.1 熟料輸送及儲(chǔ)存 熟料運(yùn)抵工廠后卸入受料斗，經(jīng)膠帶輸送機(jī)由提升機(jī)送入6座φ12×26 m的熟料庫(kù)儲(chǔ)存。當(dāng)熟料庫(kù)已滿時(shí)，可先將熟料卸入熟料堆棚內(nèi)，然后用鏟車倒運(yùn)到受料斗。

2.3.2 脫硫石膏、石灰石輸送及儲(chǔ)存 脫硫石膏、石灰石運(yùn)抵工廠后，儲(chǔ)存在聯(lián)合卸堆料棚內(nèi)，然后用鏟車倒運(yùn)到受料斗，經(jīng)提升機(jī)送入各3座φ8×18 m的圓庫(kù)儲(chǔ)存。

2.3.3 粉煤灰輸送及儲(chǔ)存 粉煤灰由氣力輸送泵從電廠送入3座φ8×15 m的圓庫(kù)儲(chǔ)存。

表6 物料儲(chǔ)存表

2.3.4 爐底渣輸送及儲(chǔ)存 脫硫石膏用汽車運(yùn)抵工廠后，儲(chǔ)存在聯(lián)合卸堆料棚內(nèi)，然后用鏟車倒運(yùn)到受料斗，經(jīng)提升機(jī)送入3座φ8×18 m的圓庫(kù)儲(chǔ)存。

2.3.5 熟料、混合材及石膏配料庫(kù) 熟料配料庫(kù)為6座φ12×26 m圓庫(kù)。爐底渣庫(kù)為3座φ8×18 m圓庫(kù)，脫硫石膏庫(kù)為3座φ8×18 m圓庫(kù)，石灰石庫(kù)為3座φ8×18 m圓庫(kù)，粉煤灰?guī)鞛?座φ8×15 m圓庫(kù)。

水泥配料采用庫(kù)底配料方式，選用TDG型調(diào)速式定量給料秤進(jìn)行計(jì)量，并配以微機(jī)自動(dòng)控制裝備來控制配料，配好的混合料(熟料、爐底渣、石灰石和脫硫石膏等)由庫(kù)底皮帶輸送機(jī)送入粉磨車間粉磨，粉煤灰直接送入粉磨車間粉磨。

2.3.6 水泥粉磨 水泥粉磨為3臺(tái)HFCG120-45輥壓機(jī)和3臺(tái)φ3.2×13 m開路磨組成，系統(tǒng)產(chǎn)量為3×70=210 t/h，年利用率為85%。

來自配料庫(kù)的混合料由皮帶輸送機(jī)和斗式提升機(jī)送入輥壓機(jī)上方的穩(wěn)流料倉(cāng)內(nèi)，經(jīng)輥壓機(jī)輾壓后，再由斗式提升機(jī)提升入打散分級(jí)機(jī)進(jìn)行篩分，篩分后的粗粉由皮帶輸送機(jī)送回穩(wěn)流料倉(cāng)，細(xì)粉則直接入磨機(jī)進(jìn)行粉磨，出磨水泥由鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)和斗式提升機(jī)送入水泥庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存。

2.3.7 水泥儲(chǔ)存及散裝 水泥儲(chǔ)存庫(kù)為12座φ12×26 m圓庫(kù)，單庫(kù)儲(chǔ)量為3 600 t，總儲(chǔ)量為43 200 t，儲(chǔ)存期為8.57 d。水泥經(jīng)庫(kù)底單管螺旋喂料機(jī)卸出后，由鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)送至包裝車間的斗式提升機(jī)。

水泥散裝采用庫(kù)側(cè)散裝方式，設(shè)置6套庫(kù)側(cè)汽車散裝裝置，生產(chǎn)能力為6×120=720 t/h。

2.3.8 水泥包裝及成品庫(kù) 來自水泥庫(kù)的水泥由斗式提升機(jī)提升后，送入振動(dòng)篩篩分，然后進(jìn)入包裝小倉(cāng)，最后進(jìn)入3臺(tái)回轉(zhuǎn)式6咀包裝機(jī)包裝，包裝好的袋裝水泥經(jīng)B800平型皮帶機(jī)送至水泥成品庫(kù)內(nèi)堆放。包裝機(jī)的包裝能力為3×80=240 t/h，系統(tǒng)的年利用率為52.06%。

2.4水泥配合比

通過試驗(yàn)研究結(jié)果，確定了原材料配合比。復(fù)合硅酸鹽水泥P·C32.5級(jí)和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級(jí)水泥配合比見表7。

表7 32.5級(jí)水泥配合比

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[9]規(guī)定，粉煤灰硅酸鹽水泥中粉煤灰摻量按質(zhì)量百分比計(jì)為>20%且≤40%。由表7可見P·F32.5級(jí)水泥配合比中粉煤灰、爐底渣摻量按質(zhì)量百分比已經(jīng)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)定的上限，即按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的粉煤灰最大摻量。

3 結(jié)果與討論

3.1產(chǎn)品性能指標(biāo)控制

采用輥壓機(jī)+分級(jí)打散機(jī)+開路高細(xì)磨的粉磨工藝流程生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥P·C32.5級(jí)和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級(jí)產(chǎn)品性能指標(biāo)必須符合企業(yè)內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》，企業(yè)內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表見表8。由表8可見企業(yè)內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》要求更加嚴(yán)格控制水泥質(zhì)量，生產(chǎn)的P·C32.5級(jí)和P·F32.5級(jí)水泥產(chǎn)品適用于一般工業(yè)與民用建筑。

表8 企業(yè)內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

3.2單位水泥產(chǎn)品綜合電耗

采用輥壓機(jī)+分級(jí)打散機(jī)+開路高細(xì)磨的粉磨工藝流程生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥P·C32.5級(jí)和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級(jí)產(chǎn)品單位產(chǎn)品可比綜合電耗為28 kWh/t，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》[10]中外購(gòu)熟料水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品可比綜合電耗對(duì)比表見表9。

表9外購(gòu)熟料水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品可比綜合電耗對(duì)比表

粉煤灰水泥先進(jìn)值新建企業(yè)準(zhǔn)入值現(xiàn)有企業(yè)限定值可比水泥綜合電耗/kW·h·t-128≤32≤36≤40

由表9比較可見生產(chǎn)復(fù)合硅酸鹽水泥P·C32.5級(jí)和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級(jí)單位水泥產(chǎn)品的綜合電耗28 kWh/t優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》規(guī)定的外購(gòu)熟料水泥企業(yè)水泥單位產(chǎn)品綜合電耗先進(jìn)值≤32的要求。

3.3輥壓機(jī)粉磨技術(shù)的先進(jìn)性

輥壓機(jī)+分級(jí)打散機(jī)+開路高細(xì)磨的粉磨工藝流程在國(guó)內(nèi)外已成為新建水泥生產(chǎn)線聯(lián)合粉磨工藝增加現(xiàn)有球磨的能力和減少電耗的重要和常用的方法，以其粉磨效率高、單位產(chǎn)品電耗低、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)得到青睞，已成為了大型水泥生產(chǎn)線水泥粉磨的優(yōu)選方案之一。輥壓機(jī)+分級(jí)打散機(jī)+開路高細(xì)磨的粉磨工藝流程能滿足不同

生產(chǎn)線產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的要求，占地面積小、布置方便，不僅可以大幅度提高水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且改善了水泥的比表面積、顆粒級(jí)配等技術(shù)指標(biāo)，增產(chǎn)節(jié)能效果好，經(jīng)濟(jì)效益明顯[11]。生產(chǎn)復(fù)合硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥可以使混合材摻加量增加5%～10%，這樣，每粉磨1 t水泥，可以降低成本20～30元[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)水泥熟料是粉磨水泥最主要的原料，它的質(zhì)量直接決定水泥的質(zhì)量，隨著水泥熟料摻量的增加，水泥的強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。采用C3S+C2S在75%～78%之間、其中C3S≥60%的優(yōu)質(zhì)水泥熟料，保證了復(fù)合硅酸鹽水泥P·C32.5級(jí)和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級(jí)水泥的質(zhì)量。

2)綜合利用燃煤電廠粉煤灰、爐底渣及脫硫石膏等廢渣為原料，當(dāng)熟料摻量相同時(shí)，隨著粉煤灰、爐底渣摻量的增加，水泥的強(qiáng)度存在著逐漸下降的趨勢(shì)。采用輥壓機(jī)+分級(jí)打散機(jī)+開路高細(xì)磨的粉磨流程生產(chǎn)P·C32.5和P·F32.5水泥，水泥配合比中電廠粉煤灰、爐底渣及脫硫石膏等廢渣摻量可達(dá)到45%。P·F32.5水泥配合比中粉煤灰、爐底渣摻量按質(zhì)量百分比達(dá)到40%，即國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)定的上限。

3)生產(chǎn)的P·C32.5和P·F32.5水泥單位產(chǎn)品可比綜合電耗低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》的先進(jìn)值。

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IndustrializedTechnologyResearchonUsingPowerPlantFlyAsh,FurnaceBottomAshandFlueDesulphurizationGypsumtoGrindCement

YAN Bogang1,YANG Meizhen2,WU Tao3*,JIN Lei3,FENG Xiaoye3,FAN Lu3

(1.Jiangxi Academy of Sciences,330096,Nanchang,PRC;2.Jiangxi Institute of Computing Technology,330002,Nanchang,PRC;2.Tsinghua Innovation Center in Dongguan Advanced,Composite Materials Research Departmen,523000,Dongguan,Guangdong,PRC)

P·C32.5 and P·F32.5cement is produced by using coal-fired power plant fly ash,furnace bottom ash,flue desulphurization gypsum as raw material with the grinding process of using roller press machine,grading broken machine and open stream high-fine grinding machine.The percentage of power plant waste ash in cement mixture proportion is as high as 45%,and the mass percentage of fly ash,furnace bottom ash reaches the upper limit of national standard.The comparable integrated power consumption of unit cement product is below the advanced value of national standard.

fly ash;furnace bottom ash;flue gas desulphurization gypsum;cement;industrialization

2014-09-03;

2014-09-29

嚴(yán)伯剛(1958-)，男，工學(xué)學(xué)士，副研究員，主要從事無機(jī)非金屬材料及窯爐熱工方面的研究。

廣東省引進(jìn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013C099)。

*通訊作者：吳 韜(1965-)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事無機(jī)非金屬材料方面的研究。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.008

TQ172.715

A

1001-3679(2014)06-0781-05