【特別策劃】多種新型工業(yè)廢渣在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第3期

編者按：在這個(gè)變革的時(shí)代，混凝土行業(yè)的發(fā)展形勢(shì)也發(fā)生了急劇變化，企業(yè)需要積極利用數(shù)字化先進(jìn)的技術(shù)手段，提高生產(chǎn)效率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。綠色低碳技術(shù)的交流與合作，將為混凝土行業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和機(jī)遇，推動(dòng)行業(yè)向綠色、低碳、智能化的方向發(fā)展。本期將相關(guān)文章匯編成特別策劃，分享給讀者。

特別策劃 ：混凝土行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與綠色低碳技術(shù)交流

多種新型工業(yè)廢渣在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

吳銘生

［摘 要］在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，廢渣能代替很多天然原料，不論是生料制備還是作為水泥混合材料，其主要是利用用廢渣中的 Ca、Si、Fe、Al、SO。目前，多晶硅光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)的濾渣、電石乙炔氣體行業(yè)出現(xiàn)的電石渣、造紙行業(yè)出現(xiàn)的白泥和鋰礦制造出現(xiàn)的鋰渣等等，正在水泥行業(yè)嘗試少量摻用，受這些廢渣的生產(chǎn)工藝及質(zhì)量因素影響，還沒(méi)有形成規(guī)?；膽?yīng)用。本文重點(diǎn)分析多晶硅濾渣、電石渣、白泥和鋰渣在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］廢渣；水泥生產(chǎn)；應(yīng)用

0 概述

水泥工業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，需要大量的天然石灰石質(zhì)、硅質(zhì)以及校正鐵質(zhì)原料來(lái)滿足其化學(xué)組成和礦物組成的需要。

廢渣在使用前，須進(jìn)行一系列的檢測(cè)分析，通過(guò)化學(xué)組成、活性試驗(yàn)、有害成分檢測(cè)試驗(yàn)來(lái)決定其用途及處理工藝方式。

工業(yè)廢渣的處理方法有：

（1）焚化法。廢渣中有害物質(zhì)的毒性是由物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)造成的，而不是由所含元素造成的。對(duì)于這種廢渣，一般可采用焚化法分解其分子結(jié)構(gòu)。例如，有機(jī)物經(jīng)焚化后轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和灰分，以及少量含硫、氮、磷和鹵素的化合物等。

（2）填埋法。掩埋有害廢棄物，必須做到安全填埋。需預(yù)先進(jìn)行地質(zhì)和水文調(diào)查，選定合適的場(chǎng)地。

（3）化學(xué)處理法。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使有毒廢渣達(dá)到無(wú)毒或減少毒性。通常采用的方法有酸堿中和法、氧化還原法、化學(xué)沉淀處理法，以及用水泥、瀝青、硅酸鹽等材料進(jìn)行化學(xué)固定等方法。

（4）生物處理法。對(duì)各種有機(jī)物常采用生物降解法，包括活性污泥法、滴瀝池法、氣化池法、氧化塘法和土地處理法等。

水泥行業(yè)處理工業(yè)廢渣就是化學(xué)處理法，利用工業(yè)廢渣的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成，達(dá)到利用和處理的目的。

0.1 水泥生產(chǎn)常用工業(yè)廢渣

在水泥生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常使用的工業(yè)廢渣無(wú)非是主要含鈣硅鐵鋁等化學(xué)成分的化工工業(yè)廢渣，且附帶含有水泥生產(chǎn)限制的有害成分，如氯離子、硫、堿；物料的表觀組成各不一致，水分從5%～75%不等，部分有毒有害氣體帶來(lái)了安全隱患，造成了物料的輸送存儲(chǔ)困難，同時(shí)影響了工業(yè)廢渣的廣泛推廣應(yīng)用。強(qiáng)堿高鈣工業(yè)廢渣極易水解，對(duì)土壤水質(zhì)污染嚴(yán)重，即使采用最安全有效的辦法進(jìn)行深埋處理，也要防滲漏并進(jìn)行覆蓋，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。

粉煤灰、煤矸石、硫酸渣、銅渣、磷石膏都是工業(yè)副產(chǎn)品廢渣，相對(duì)來(lái)講危害要小一些。但大量堆積會(huì)增加環(huán)境污染，并占用大量堆放場(chǎng)地，導(dǎo)致土壤鹽堿化問(wèn)題加劇。

工業(yè)廢渣的主要危害是污染空氣、土壤和水源，影響人體健康，導(dǎo)致破壞生態(tài)平衡。作為水泥混合使用的廢渣成分，有的具有潛在水硬性，有的具有火山灰性，有的具有水硬性，還有的非活性，等等。工業(yè)廢渣的分類見(jiàn)表1。

以上廢渣，絕大部分可以在水泥生產(chǎn)中作為原料在生料制備過(guò)程中摻入，補(bǔ)充原料化學(xué)組成，還有少部分作為水泥混合使用，效益更顯著。

0.2 新型干法水泥窯處理工業(yè)廢渣

新型干法水泥窯系統(tǒng)完全可以處置工業(yè)廢渣。通過(guò)對(duì)水泥窯工藝過(guò)程的研究可知，利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢渣具有以下特性：

（1）有機(jī)物分解徹底

在回轉(zhuǎn)窯中內(nèi)溫度一般在1350～1650℃之間，甚至更高，燃燒氣體在此停留時(shí)間＞8s，高于1100℃時(shí)停留時(shí)間＞3s。燃燒氣體的總停留時(shí)間為20s左右，且窯內(nèi)物料呈高湍流化狀態(tài)。因此窯內(nèi)的污泥中有害有機(jī)物可充分燃燒，焚燒率可達(dá)99.999%，即使是穩(wěn)定的有機(jī)物，如二惡英等也能被完全分解。

（2）抑制二惡英形成

喂入點(diǎn)處在高于850℃的分解爐，分解爐內(nèi)熱容大且溫度穩(wěn)定，有效地抑制了二惡英前軀體的形成。國(guó)內(nèi)外水泥窯處置有毒有害廢棄物的實(shí)踐表明，廢棄物焚燒后產(chǎn)生的二惡英排放濃度遠(yuǎn)低于排放限值。

（3）不產(chǎn)生飛灰

煅燒排出廢氣粉塵經(jīng)窯尾布袋收塵器收集后作為水泥原料重新進(jìn)入窯內(nèi)煅燒，沒(méi)有危險(xiǎn)廢棄物飛灰產(chǎn)生。

（4）同化重金屬

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的耐火磚、原料、窯皮及熟料均為堿性，可吸收SO，從而抑制其排放。在水泥燒成過(guò)程中，污泥灰渣中的重金屬能夠被固定在水泥熟料的結(jié)構(gòu)中，從而達(dá)到被固化的作用。

（5）資源利用效率高

有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分都能得到充分利用，資源利用效率高。污泥中含有部分有機(jī)質(zhì)（55%以上）和可燃成分，它們?cè)谒喔G中煅燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。污泥的低位熱值約11MJ/kg，在熱值意義上相當(dāng)于貧煤。貧煤含55%灰分和10%～15%揮發(fā)分，并具有熱值10～12.5MJ/kg。

（6）處理量大、見(jiàn)效快

水泥生產(chǎn)量大，需要的污泥量多；水泥廠地域分布廣，有利于節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用；水泥窯的熱容量大、工藝穩(wěn)定、見(jiàn)效快。

1 電石渣、白泥、鋰渣、多晶硅濾渣的應(yīng)用

1.1 電石渣

在PVC生產(chǎn)過(guò)程中采用乙炔法排放出來(lái)的廢渣即電石渣，主要物相是Ca(OH)，化學(xué)成分中CaO含量在65%～75%，顆粒細(xì)度小，0.08mm篩余在18%～ 40%。電石渣的來(lái)源工藝分干法和濕法兩種，目前國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策推廣干法生產(chǎn)線，干法生產(chǎn)的電石渣水分一般在6%～12%、溫度在45～70℃、容重在0.62g/cm左右、自然休止角在45。目前國(guó)內(nèi)極少數(shù)企業(yè)內(nèi)部配套還有濕法電石渣生產(chǎn)線。干法和濕法生產(chǎn)水泥電石渣都可以不再進(jìn)行粉磨，電石渣分解溫度低，僅為580℃，與傳統(tǒng)濕法生產(chǎn)采用石灰石配料的熟料燒成熱耗相比可省熱量120kcal/kg。

新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯只能使用干法電石渣；回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱器設(shè)計(jì)在一定程度上受電石渣比例的影響，且需考慮管道結(jié)皮堵塞的因素。電石渣摻入回轉(zhuǎn)窯有脫硫的效果。濕法電石渣含水50%～80%只能在濕法回轉(zhuǎn)窯使用，且料漿配料、攪拌較為繁瑣，熟料熱耗高達(dá)125kg/t。

在五、六十年代國(guó)外已經(jīng)把電石渣作為水泥生產(chǎn)的主要原料，部分用于水泥的混合材料，由于電石渣的水分限制，作為水泥混合材料的使用和推廣受到影響，因此在水泥濕法生產(chǎn)線上使用比較成功。

我國(guó)在70年代有幾個(gè)水泥廠使用過(guò)電石渣，代替部分石灰石生產(chǎn)水泥，主要是立窯水泥廠。因電石渣水分的影響限制了其在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用。電石渣的利用還有的是在建筑磚上的利用，可以作為免燒磚中的部分物料。我國(guó)真正用于水泥生產(chǎn)是在2000年之后，不論濕法電石渣還是干法電石渣可以全部代替石灰石生產(chǎn)水泥熟料。但電石渣不能作為水泥混合材料來(lái)應(yīng)用，主要是電石渣里面殘余氣體的影響。

傳統(tǒng)生產(chǎn)方法采用濕法生產(chǎn)，即利用電石渣漿水分高達(dá)60%～70%的特點(diǎn)，生料制備采用濕磨其他幾種原料制成料漿，兩種料漿按體積配制成生料漿入濕法長(zhǎng)窯煅燒成水泥熟料；目前還有的是將生料漿經(jīng)機(jī)械壓濾脫水，水份在25%～35%，利用窯尾廢氣烘干破碎后入干法中空窯煅燒成水泥熟料，這兩種工藝使電石渣能夠代替100%石灰石生產(chǎn)。

國(guó)家鼓勵(lì)支持的工藝方案是新型干法生產(chǎn)，一是5級(jí)預(yù)熱，二是3級(jí)預(yù)熱。兩種方法的區(qū)別在于是否是全部使用電石渣代替石灰石，采用電石渣100%代替石灰石只能采用3級(jí)預(yù)熱，采用部分電石渣代替石灰石就只能采用5級(jí)預(yù)熱。這是因?yàn)殡娛纸鉁囟鹊腿菀自?、5級(jí)預(yù)熱器的錐體或者管道結(jié)皮堵塞。

濕法電石渣生水泥的優(yōu)點(diǎn)是：電石渣可以不再進(jìn)行粉磨，節(jié)約生料制備成本，熟料工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是：生料工藝復(fù)雜，料漿質(zhì)量不可靠。料漿庫(kù)建設(shè)成本高，料漿必須經(jīng)過(guò)壓濾才能入窯，電消耗高，物料要進(jìn)行烘干，熱消耗高。

干法電石渣生產(chǎn)水泥的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，和傳統(tǒng)生產(chǎn)線一樣，電石渣分解溫度低僅為580℃，與傳統(tǒng)濕法生產(chǎn)采用石灰石配料可省熱量120kcal/kg，熟料燒成熱耗。缺點(diǎn)是：電石渣分解溫度低，容易在錐體或者管道結(jié)皮堵塞，操作困難。

1.2 白泥

造紙廠使用石灰作為漂白劑殘余料漿，主要成分CaO，水分達(dá)75%，水分高限制了其使用范圍，多為自然堆放填埋，有條件的可以添加到制磚行業(yè)。

1.3 鋰渣

主要成分是SiO、Al和CaO，合量達(dá)80%，是鋰礦加工過(guò)程產(chǎn)生的粉狀廢渣，水分達(dá)20%，具有火山灰活性，在水泥生產(chǎn)中可以代替部分混合材，有利于水泥強(qiáng)度的提升。

1.4 多晶硅濾渣

由于全球碳達(dá)標(biāo)碳中和的控制要求，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的新一輪崛起，晶硅行業(yè)的生產(chǎn)出現(xiàn)了部分難以處理的工業(yè)冶煉濾廢渣。這些廢渣多以水分高、含有氯離子以及部分沒(méi)有反應(yīng)完全的復(fù)雜混合物存在，具有污染環(huán)境和土壤的風(fēng)險(xiǎn)。其處理方式多為封閉式填埋，少量用于生產(chǎn)建筑用磚等，利用途徑較少，專業(yè)處理費(fèi)用較高。充分利用其潛在價(jià)值，有利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與延伸。

未經(jīng)處理的濾渣系高溫冶煉含水化合物，經(jīng)板框壓濾機(jī)處理之后水分在45%～80%之間。外表有少量可燃物，經(jīng)烘干呈小球狀易碎，易磨性較好（實(shí)物照片見(jiàn)圖1）。屬于一般固廢中的無(wú)機(jī)廢水污泥，類別代碼61，符合《一般固體廢物分類與代碼》GB/T 39198—2020之規(guī)定。

2 廢渣化學(xué)組成

電石渣、多晶硅濾渣、白泥和鋰渣的化學(xué)組成見(jiàn)表2。

3 應(yīng)用實(shí)例

（1）電石渣和多晶硅濾渣作為原料代替部分石灰石生產(chǎn)熟料。電石渣、多晶硅濾渣及熟料其他原料的化學(xué)組成見(jiàn)表3。生料中電石渣以8%的比例，濾渣以3%的比例替代石灰石。熟料的化學(xué)組成及礦物組成見(jiàn)表4。

（2）鋰渣和白泥作為混合材生產(chǎn)水泥。水泥配比及性能見(jiàn)表5。

從產(chǎn)生廢渣的生產(chǎn)工藝來(lái)源及組成可以得知：電石渣和多晶硅濾渣作為原料代替部分石灰石或者硅質(zhì)原料生產(chǎn)熟料完全可行，是優(yōu)質(zhì)的原料。所生產(chǎn)的熟料的化學(xué)組成符合要求。電石渣代替部分石灰石，電石渣中CaO高達(dá)70%，是優(yōu)質(zhì)的鈣質(zhì)原料。多晶硅濾渣摻入生料，濾渣富含SiO，CaO達(dá)67%，有害成分含量低，屬于冶煉行業(yè)收塵或管路殘留物，通過(guò)板框壓濾水分在30%～50%，摻入1%～10%不影響生料質(zhì)量。

鋰渣、白泥作水泥混合材，滿足火山灰質(zhì)混合材料特性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)期水泥行業(yè)舉步維艱，企業(yè)面臨生存發(fā)展的關(guān)口，如何綜合降低生產(chǎn)成本，持續(xù)健康發(fā)展是每個(gè)企業(yè)迫切要考慮的。

目前，水泥新標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》GB 175—2023即將實(shí)施對(duì)水泥質(zhì)量提出了更高的要求，在水泥中使用混合材作了嚴(yán)格規(guī)定，因此在生料制備中使用廢渣，滿足質(zhì)量限制，是一項(xiàng)緊迫長(zhǎng)期的工作。

通過(guò)試驗(yàn)及生產(chǎn)可以得出：綜合利用多種工業(yè)廢渣，有利于資源綜合利用循環(huán)發(fā)展，降低和減少工業(yè)廢渣對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，有利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)或工業(yè)園區(qū)“減量化、再利用、再循環(huán)”的持續(xù)發(fā)展；其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益特別顯著。

供稿人：吳銘生

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說(shuō)明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

【會(huì)議培訓(xùn)】

2025全國(guó)混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術(shù)交流大會(huì)

第十屆全國(guó)建筑固廢和余泥渣土處理及資源化利用大會(huì)暨中國(guó)砂石協(xié)會(huì)建筑固廢利用分會(huì)年會(huì)

2025第二十一屆全國(guó)商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇暨2025中國(guó)商品混凝土年會(huì)

預(yù)拌（商品）混凝土應(yīng)用技術(shù)和工藝技能線上培訓(xùn)

混凝土（砂漿）試驗(yàn)檢測(cè)方法實(shí)操教學(xué)線上培訓(xùn)

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建筑垃圾再生輕粗骨料技術(shù)

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【期刊著作】

《新技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用》圖書

《常見(jiàn)預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)室建設(shè)指南》圖書

混凝土技術(shù)發(fā)展中心（以下簡(jiǎn)稱“中心”）隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國(guó)內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動(dòng)態(tài)，為全國(guó)混凝土行業(yè)開(kāi)展技術(shù)服務(wù)工作，包括出版技術(shù)期刊、研究制定標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會(huì)議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認(rèn)證評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)研究等，中心是建材情報(bào)所主要業(yè)務(wù)部門之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會(huì)分支機(jī)構(gòu)包括中國(guó)散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會(huì)混凝土專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會(huì)預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)砂石協(xié)會(huì)建筑固廢利用分會(huì)、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺(tái)有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺(tái)、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)、中國(guó)商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會(huì)（擁有200余名行業(yè)一線專家）、北京砼享未來(lái)工程技術(shù)研究院（會(huì)員制技術(shù)和管理服務(wù)）。

中心每年參與多個(gè)混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目，包括雄安新區(qū)混凝土項(xiàng)目咨詢、河北省多個(gè)高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù)，以及數(shù)十個(gè)混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開(kāi)展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認(rèn)證和科技成果評(píng)價(jià)工作。

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