【特别策划】多种新型工业废渣在水泥生产中的应用分析
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第3期
编者按：在这个变革的时代，混凝土行业的发展形势也发生了急剧变化，企业需要积极利用数字化先进的技术手段，提高生产效率，降低能耗，实现可持续发展。绿色低碳技术的交流与合作，将为混凝土行业带来更多的创新和机遇，推动行业向绿色、低碳、智能化的方向发展。本期将相关文章汇编成特别策划，分享给读者。
特别策划 ：混凝土行业数字化转型与绿色低碳技术交流
多种新型工业废渣在水泥生产中的应用分析
吴铭生
［摘 要］在水泥生产过程中，废渣能代替很多天然原料，不论是生料制备还是作为水泥混合材料，其主要是利用用废渣中的 Ca、Si、Fe、Al、SO。目前，多晶硅光伏产业出现的滤渣、电石乙炔气体行业出现的电石渣、造纸行业出现的白泥和锂矿制造出现的锂渣等等，正在水泥行业尝试少量掺用，受这些废渣的生产工艺及质量因素影响，还没有形成规模化的应用。本文重点分析多晶硅滤渣、电石渣、白泥和锂渣在水泥生产中的应用。
［关键词］废渣；水泥生产；应用
0 概述
水泥工业在生产过程中，需要大量的天然石灰石质、硅质以及校正铁质原料来满足其化学组成和矿物组成的需要。
废渣在使用前，须进行一系列的检测分析，通过化学组成、活性试验、有害成分检测试验来决定其用途及处理工艺方式。
工业废渣的处理方法有：
（1）焚化法。废渣中有害物质的毒性是由物质的分子结构造成的，而不是由所含元素造成的。对于这种废渣，一般可采用焚化法分解其分子结构。例如，有机物经焚化后转化为二氧化碳、水和灰分，以及少量含硫、氮、磷和卤素的化合物等。
（2）填埋法。掩埋有害废弃物，必须做到安全填埋。需预先进行地质和水文调查，选定合适的场地。
（3）化学处理法。通过化学反应使有毒废渣达到无毒或减少毒性。通常采用的方法有酸碱中和法、氧化还原法、化学沉淀处理法，以及用水泥、沥青、硅酸盐等材料进行化学固定等方法。
（4）生物处理法。对各种有机物常采用生物降解法，包括活性污泥法、滴沥池法、气化池法、氧化塘法和土地处理法等。
水泥行业处理工业废渣就是化学处理法，利用工业废渣的化学性质和化学组成，达到利用和处理的目的。
0.1 水泥生产常用工业废渣
在水泥生产过程中经常使用的工业废渣无非是主要含钙硅铁铝等化学成分的化工工业废渣，且附带含有水泥生产限制的有害成分，如氯离子、硫、碱；物料的表观组成各不一致，水分从5%～75%不等，部分有毒有害气体带来了安全隐患，造成了物料的输送存储困难，同时影响了工业废渣的广泛推广应用。强碱高钙工业废渣极易水解，对土壤水质污染严重，即使采用最安全有效的办法进行深埋处理，也要防渗漏并进行覆盖，还会造成资源浪费。
粉煤灰、煤矸石、硫酸渣、铜渣、磷石膏都是工业副产品废渣，相对来讲危害要小一些。但大量堆积会增加环境污染，并占用大量堆放场地，导致土壤盐碱化问题加剧。
工业废渣的主要危害是污染空气、土壤和水源，影响人体健康，导致破坏生态平衡。作为水泥混合使用的废渣成分，有的具有潜在水硬性，有的具有火山灰性，有的具有水硬性，还有的非活性，等等。工业废渣的分类见表1。
以上废渣，绝大部分可以在水泥生产中作为原料在生料制备过程中掺入，补充原料化学组成，还有少部分作为水泥混合使用，效益更显著。
0.2 新型干法水泥窑处理工业废渣
新型干法水泥窑系统完全可以处置工业废渣。通过对水泥窑工艺过程的研究可知，利用水泥回转窑处理废渣具有以下特性：
（1）有机物分解彻底
在回转窑中内温度一般在1350～1650℃之间，甚至更高，燃烧气体在此停留时间＞8s，高于1100℃时停留时间＞3s。燃烧气体的总停留时间为20s左右，且窑内物料呈高湍流化状态。因此窑内的污泥中有害有机物可充分燃烧，焚烧率可达99.999%，即使是稳定的有机物，如二恶英等也能被完全分解。
（2）抑制二恶英形成
喂入点处在高于850℃的分解炉，分解炉内热容大且温度稳定，有效地抑制了二恶英前躯体的形成。国内外水泥窑处置有毒有害废弃物的实践表明，废弃物焚烧后产生的二恶英排放浓度远低于排放限值。
（3）不产生飞灰
煅烧排出废气粉尘经窑尾布袋收尘器收集后作为水泥原料重新进入窑内煅烧，没有危险废弃物飞灰产生。
（4）同化重金属
回转窑内的耐火砖、原料、窑皮及熟料均为碱性，可吸收SO，从而抑制其排放。在水泥烧成过程中，污泥灰渣中的重金属能够被固定在水泥熟料的结构中，从而达到被固化的作用。
（5）资源利用效率高
有机成分和无机成分都能得到充分利用，资源利用效率高。污泥中含有部分有机质（55%以上）和可燃成分，它们在水泥窑中煅烧时会产生热量。污泥的低位热值约11MJ/kg，在热值意义上相当于贫煤。贫煤含55%灰分和10%～15%挥发分，并具有热值10～12.5MJ/kg。
（6）处理量大、见效快
水泥生产量大，需要的污泥量多；水泥厂地域分布广，有利于节省运输费用；水泥窑的热容量大、工艺稳定、见效快。
1 电石渣、白泥、锂渣、多晶硅滤渣的应用
1.1 电石渣
在PVC生产过程中采用乙炔法排放出来的废渣即电石渣，主要物相是Ca(OH)，化学成分中CaO含量在65%～75%，颗粒细度小，0.08mm筛余在18%～ 40%。电石渣的来源工艺分干法和湿法两种，目前国家产业政策推广干法生产线，干法生产的电石渣水分一般在6%～12%、温度在45～70℃、容重在0.62g/cm左右、自然休止角在45。目前国内极少数企业内部配套还有湿法电石渣生产线。干法和湿法生产水泥电石渣都可以不再进行粉磨，电石渣分解温度低，仅为580℃，与传统湿法生产采用石灰石配料的熟料烧成热耗相比可省热量120kcal/kg。
新型干法水泥回转窑只能使用干法电石渣；回转窑预热器设计在一定程度上受电石渣比例的影响，且需考虑管道结皮堵塞的因素。电石渣掺入回转窑有脱硫的效果。湿法电石渣含水50%～80%只能在湿法回转窑使用，且料浆配料、搅拌较为繁琐，熟料热耗高达125kg/t。
在五、六十年代国外已经把电石渣作为水泥生产的主要原料，部分用于水泥的混合材料，由于电石渣的水分限制，作为水泥混合材料的使用和推广受到影响，因此在水泥湿法生产线上使用比较成功。
我国在70年代有几个水泥厂使用过电石渣，代替部分石灰石生产水泥，主要是立窑水泥厂。因电石渣水分的影响限制了其在水泥生产中的应用。电石渣的利用还有的是在建筑砖上的利用，可以作为免烧砖中的部分物料。我国真正用于水泥生产是在2000年之后，不论湿法电石渣还是干法电石渣可以全部代替石灰石生产水泥熟料。但电石渣不能作为水泥混合材料来应用，主要是电石渣里面残余气体的影响。
传统生产方法采用湿法生产，即利用电石渣浆水分高达60%～70%的特点，生料制备采用湿磨其他几种原料制成料浆，两种料浆按体积配制成生料浆入湿法长窑煅烧成水泥熟料；目前还有的是将生料浆经机械压滤脱水，水份在25%～35%，利用窑尾废气烘干破碎后入干法中空窑煅烧成水泥熟料，这两种工艺使电石渣能够代替100%石灰石生产。
国家鼓励支持的工艺方案是新型干法生产，一是5级预热，二是3级预热。两种方法的区别在于是否是全部使用电石渣代替石灰石，采用电石渣100%代替石灰石只能采用3级预热，采用部分电石渣代替石灰石就只能采用5级预热。这是因为电石渣分解温度低容易在4、5级预热器的锥体或者管道结皮堵塞。
湿法电石渣生水泥的优点是：电石渣可以不再进行粉磨，节约生料制备成本，熟料工艺简单。缺点是：生料工艺复杂，料浆质量不可靠。料浆库建设成本高，料浆必须经过压滤才能入窑，电消耗高，物料要进行烘干，热消耗高。
干法电石渣生产水泥的优点是：工艺简单，和传统生产线一样，电石渣分解温度低仅为580℃，与传统湿法生产采用石灰石配料可省热量120kcal/kg，熟料烧成热耗。缺点是：电石渣分解温度低，容易在锥体或者管道结皮堵塞，操作困难。
1.2 白泥
造纸厂使用石灰作为漂白剂残余料浆，主要成分CaO，水分达75%，水分高限制了其使用范围，多为自然堆放填埋，有条件的可以添加到制砖行业。
1.3 锂渣
主要成分是SiO、Al和CaO，合量达80%，是锂矿加工过程产生的粉状废渣，水分达20%，具有火山灰活性，在水泥生产中可以代替部分混合材，有利于水泥强度的提升。
1.4 多晶硅滤渣
由于全球碳达标碳中和的控制要求，光伏发电产业的新一轮崛起，晶硅行业的生产出现了部分难以处理的工业冶炼滤废渣。这些废渣多以水分高、含有氯离子以及部分没有反应完全的复杂混合物存在，具有污染环境和土壤的风险。其处理方式多为封闭式填埋，少量用于生产建筑用砖等，利用途径较少，专业处理费用较高。充分利用其潜在价值，有利于循环经济产业链的发展与延伸。
未经处理的滤渣系高温冶炼含水化合物，经板框压滤机处理之后水分在45%～80%之间。外表有少量可燃物，经烘干呈小球状易碎，易磨性较好（实物照片见图1）。属于一般固废中的无机废水污泥，类别代码61，符合《一般固体废物分类与代码》GB/T 39198—2020之规定。
2 废渣化学组成
电石渣、多晶硅滤渣、白泥和锂渣的化学组成见表2。
3 应用实例
（1）电石渣和多晶硅滤渣作为原料代替部分石灰石生产熟料。电石渣、多晶硅滤渣及熟料其他原料的化学组成见表3。生料中电石渣以8%的比例，滤渣以3%的比例替代石灰石。熟料的化学组成及矿物组成见表4。
（2）锂渣和白泥作为混合材生产水泥。水泥配比及性能见表5。
从产生废渣的生产工艺来源及组成可以得知：电石渣和多晶硅滤渣作为原料代替部分石灰石或者硅质原料生产熟料完全可行，是优质的原料。所生产的熟料的化学组成符合要求。电石渣代替部分石灰石，电石渣中CaO高达70%，是优质的钙质原料。多晶硅滤渣掺入生料，滤渣富含SiO，CaO达67%，有害成分含量低，属于冶炼行业收尘或管路残留物，通过板框压滤水分在30%～50%，掺入1%～10%不影响生料质量。
锂渣、白泥作水泥混合材，满足火山灰质混合材料特性要求。
4 结语
在当期水泥行业举步维艰，企业面临生存发展的关口，如何综合降低生产成本，持续健康发展是每个企业迫切要考虑的。
目前，水泥新标准《通用硅酸盐水泥》GB 175—2023即将实施对水泥质量提出了更高的要求，在水泥中使用混合材作了严格规定，因此在生料制备中使用废渣，满足质量限制，是一项紧迫长期的工作。
通过试验及生产可以得出：综合利用多种工业废渣，有利于资源综合利用循环发展，降低和减少工业废渣对环境污染的风险，有利于区域经济或工业园区“减量化、再利用、再循环”的持续发展；其经济效益和社会效益特别显著。
供稿人：吴铭生
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
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