工业废渣在水泥工业中综合利用探讨

周惠群，李 强，杨晓杰，唐 越，韩长菊

（昆明冶金高等专科学校，昆明 650102）

水泥是建筑材料中用量最大影响最广的一种材料，当今世界人类的每一步发展几乎都离不开水泥，但水泥的生产消耗了大量的自然资源，给人类生态环境带来了十分沉重的负担。随着水泥行业结构调整的深入，新型干法水泥生产线在行业中的比重越来越大，水泥生产的能力迅速增加，水泥企业竞争也日益激烈。如何降低生产成本，提高市场占有率，稳定提高经济效益已成为水泥企业的核心问题。钢渣、铜渣、矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、磷石膏是冶金、火力发电厂和化工行业的废渣，价格低廉而且资源丰富，大量的工业废渣堆积不仅浪费了资源，还占用土地，污染土地资源，影响生态平衡。这些工业废渣若能在水泥生产中使用，可以减少水泥企业对资源的消耗，降低环境污染，大大降低水泥生产成本，无疑会对建材行业的发展起到巨大的推动作用，给企业和社会带来可观的经济效益和社会效益。

1 钢 渣

钢渣是钢铁生产过程中产生的固体渣体，由造渣材料、炼钢原料、脱落的炉体、金属炉料带入的杂质所组成。在生产中，每生产1t钢铁，会排出15%～20%的钢渣。我国目前炼钢厂排出的钢渣总量超过2亿t，且每年仍以2 000多万t的数量增长，堆积占地达1万多亩，这些钢渣若不综合利用，会占用越来越多的土地，污染环境，造成资源的浪费。

近年研究发现钢渣具有和水泥相似的矿物组分，在水泥中可以作为混合材或铁质校正原料及矿化剂加以利用。

1.1 钢渣作为水泥混合材的应用

水泥中的硅酸盐矿物C3S和C2S是水泥强度的主要来源。在中碱度钢渣中，石灰相大部分化合，以硅酸二钙和硅酸三钙的形式存在；在高碱度钢渣中，石灰相主要又以硅酸三钙的形式存在。钢渣出炉时的冷却速度很慢，钢渣中的硅酸二钙在缓慢冷却过程中会由介稳态的β－C2S转变为稳态的γ－C2S，在慢冷过程中介稳态的C3S也会转变成稳态。这样的冷却方式和生产水泥时快速冷却有较大差异，水泥熟料出窑时需要快速冷却，快冷的水泥熟料中C3S和C2S是介稳态的，故具有很高的水化活性，而钢渣由于冷却速度很慢故活性很低，有研究表明钢渣在水化48h放出的总热量仅为水泥的10.5%。在传统水泥生产中，将钢渣和水泥熟料共同入磨粉磨，因钢渣难磨，水泥细度达到国家标准要求时，水泥中钢渣的粒径在70μm左右，粒度过粗，导致钢渣活性不能很好的发挥出来。如将钢渣粉磨到比表内面积400m2/kg以上时，钢渣的活性会大大提高，研究表明此时钢渣在水泥中的掺入量可达到30%以上。

1.2 钢渣作为生料的原料和矿化剂

如硅酸盐熟料中的C3A和C4AF两种矿物含量多，硅酸盐矿物C3S和C2S含量少时，利用钢渣中FeO含量高的特点，可以用钢渣作为铁质校正原料，一般配入量在5%～7%。另外，利用钢渣具有与水泥熟料相似矿物组成的特点，在水泥生料中掺入钢渣还可以起到晶种的作用，改善水泥熟料的易烧性，缩短熟料烧成所需时间，达到降低熟料热耗，减少CO2排放量的目的。

2 铜 渣

铜渣是铜冶炼过程中，熔融态铜渣经水淬急冷成菱角状或玻璃体粒状渣。我国的粗铜产量约为60万t，每年排出约170万t左右的铜渣。铜渣主要通过三种途径对环境造成污染：一是较大颗粒堆放占用了大量土地；二是铜渣中10μm以下的微细粉尘造成大气污染，毒害人类和动物；三是在堆放过程中有害物质渗入土壤、流入江河，造成水污染。

铜渣中各种有用的成份大都以亚稳态的玻璃体存在，具有一定的水化活性，目前认为铜渣在水泥生产中可以作为矿化剂和混合材使用。

一是作为水泥生产的混合材。铜渣中Al2O3、SiO2、CaO三组分，都是形成水泥熟料硅酸盐矿物所需的成分。研究表明以炼铜水淬渣为主要原料，掺入少量激发剂和其它材料细磨即可制成水泥，这种水泥与其它品种水泥相比，具有收缩率小、抗冻性能好、水化热低、耐腐蚀和耐磨损好等特点，且生产工艺简单，能耗低，因此铜渣作为混合材掺入水泥中，既可以提高水泥产量，还可以降低水泥生产成本，同时铜渣中的活性组分在激发剂的作用下在水泥水化后期还会发生水化反应提供强度，故水泥的后期强度得到改善，但由于水泥中熟料量较少，水泥等级低，主要用于制备低标号混凝土及空心小型砌块等环保墙体材料，或制备抹灰砂浆。

二是作为矿化剂。铜渣含有较高的SiO2、FeO和其他微量元素，由于FeO的熔点较Fe2O3低，FeO的存在可以降低最低共熔温度，使煅烧熟料时液相提前出现，同时降低液相粘度，使离子扩散阻力降低，增加了质点扩散速度，促进C3S的形成。

3 粒化高炉矿渣

在高炉炼铁过程中，除了使用原料和燃料外，为了降低冶炼温度，还需加入适量的白云石和石灰石作熔剂，铁矿石中的土质成分及焦炭中的灰分与溶剂在高炉内分解所得的CaO、MgO发生反应形成熔融物，经水淬急冷处理形成粒状颗粒物，称为粒化高炉矿渣。

据统计，每生产1t生铁，大约要排出300～1 000kg的矿渣。我国钢铁厂每年矿渣排放量高达6 000万t以上，这些矿渣的排放和堆积，侵占了土地，污染了环境。

粒化高炉矿渣含有大量的玻璃体，是一种具有很高潜在活性的材料。当矿渣细度较粗时，单独与水拌和几乎没有水化反应发生，水硬性能极弱。但有石灰、水泥熟料或石膏提供氢氧化钙溶液存在时，即可与水发生强烈的水化作用，生成水化产物，产生强度。

传统的水泥生产粉磨工艺是将熟料与矿渣混合粉磨，由于矿渣的易磨性较水泥熟料差，在水泥粉磨中，熟料磨到要求细度时，矿渣颗粒仍然较粗，潜在活性难以发挥，无法提高矿渣的掺量，传统的混合粉磨生产水泥的工艺，矿渣在水泥中的掺入量一般仅为20%～40%，远未达到矿渣硅酸盐水泥国家标准中矿渣最高掺入量为70%的上限。

随着粉磨装备和技术的提高，生产中采用矿渣与熟料分别粉磨的工艺，通过采用高细超细粉磨设备，将矿渣细度磨至400m2/kg以上的细度，使矿渣颗粒内部晶格产生缺陷，晶体结构变得不规则，由于比表面积增大，表面能增加，矿渣粉与水反应速度加快，使水泥中矿渣微粉的掺加量可达65%～70%，减少熟料的使用量，降低了水泥的生产成本。

4 粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后所得的粉状灰烬。根据不完全统计，我国粉煤灰的年排放量已经达到约300Mt，累计堆存2 000Mt左右。

4.1 代替粘土作为原料使用

粉煤灰主要由硅铝玻璃，微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒所组成，粉煤灰的成分与粘土相似，可以部分替代粘土配料生产水泥熟料。对于较差煤质或燃烧效果差的燃烧炉所产生的粉煤灰，因有机械不完全燃烧，烧失量较高，此时可利用残余可燃物发热量，用于生料配料中，掺入量约3%～5%，可降低熟料的热耗。

4.2 作为水泥的混合材

粉煤灰是一种密实的玻璃质球，粉煤灰中玻璃体含量约50%～80%，玻璃体是粉煤灰具有活性的主要组成部分，结构比较致密且稳定。通过控制不同掺量的粉煤灰，可生产粉煤灰水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。

5 磷石膏

磷石膏是硫酸分解磷矿萃取磷酸过程中的副产物，生产1t磷酸，约产生5t磷石膏。据统计，目前我国磷石膏累计堆存量已超过1亿t，每年的排放磷石膏在5 500万t左右，磷石膏不仅占用大量土地，而且容易造成大气和水等环境污染。水泥行业对磷石膏综合利用，既利于保护环境，又能节约自然资源，降低水泥生产成本，符合我国可持续发展战略要求。

磷石膏通过脱酸改性后可代替天然石膏在水泥中作为缓凝剂使用。磷石膏中由于P2O5含量高，作为水泥缓凝剂时，通常会出现水泥强度偏低、凝结时间缓慢等缺点，不能直接代替天然石膏，但经过脱酸改性处理后的磷石膏在水泥中能有效调节水泥凝结时间，且价格低、使用方便。如果改性后的磷石膏掺加量控制合理，水泥的强度还优于天然石膏。

磷石膏替代天然石膏进入建材行业，可以有效扭转天然石膏无序开采和长途运输的现状，保护生态资源，为石膏产业调整结构、增加效益提供了机遇。

6 脱硫石膏

含硫煤燃烧后产生的烟气中含有大量的SO2，用CaCO3对烟气中的SO2进行脱硫处理生成的工业副产品即为脱硫石膏。近年我国要求对火力发电企业产生的二氧化硫排放进行强化控制，近年燃煤电厂对烟气进行脱硫处理产业发展迅速，到2010年底，我国90%以上的火力发电企业采用湿法脱硫工艺处理烟气，我国每年需要处理的脱硫石膏达1 000万t以上。

我们曾对脱硫石膏代替天然石膏作水泥缓凝剂进行过研究，结果表明，脱硫石膏与天然石膏相似，能正常调节水泥凝结时间，掺入2%～5%的脱硫石膏，生产的水泥凝结时间、水泥强度、安定性等指标均达到国家有关标准，且脱硫石膏掺入水泥后可以在一定程度上改善水泥的性能。脱硫石膏用作水泥缓凝剂既利用了工业废渣，变废为宝，又降低了生产成本。脱硫石膏用于水泥生产是其处理利用的有效方式和适宜途径，具有良好的经济效益和社会效益。

［1］ 陈连发，高新雨.粉煤灰硅酸盐水泥的研制［J］.吉林化工学院学报，2011（9）：5－7.

［2］ 张 毅，王小鹏.大掺量工业废石膏制备石膏基胶凝材料的性能研究［J］.硅酸盐通报，2011（4）：367－370.

［3］ 磷石膏在硅酸盐水泥生产中的应用［J］.化工矿物与加工，2011（4）：8.

［4］ 周惠群，杨晓杰.脱硫石膏代替天然石膏作水泥缓凝剂的研究［J］.昆明冶金高等专科学校学报，2010（1）：1－4.

［5］ 梅 毅，段东成.磷石膏的综合利用及其竞争力分析［J］.无机盐工业，2011（8）：1－3.