熟料生产中替代原料

水泥熟料生产中替代原料的利用

水泥熟料生产中替代原料的利用

2010-4-1作者:

摘要:上个世纪80年代末，原材料长期短缺的日益紧迫和环境意识的逐渐增强引发了人们对废弃物优先管理方式的重新思考。为降低原材料、能源、土地的消耗和实现材料二次利用的最大化制定了许多法律、指令和条例。水泥行业达成了关于废料中可循环材料和热量利用的社会共识，以此保护自然资源并减少填埋物的数量。大量的材料可以用来代替原料或用作校正材料。我们必须根据不同现场的设施对能够二次利用的废料类型进行评估。然而，二次原料的使用必须对工艺或者产品质量不产生任何有害影响。一经证实可用，则尽可能稳定原料质量，有效的质量管理体系会十分有利于二次原料的顺利使用。

1 引言

几十年来，水泥行业已经成功地使用了二次燃料。近年来，可代替的原材料也已经变得日益重要。大约上个世纪80年代末，原材料长期短缺的日益紧迫和环境意识的逐渐增强使人们开始重新思考优先的废弃物管理方式。自1992年在里约热内卢召开“联合国环境与发展会议”(即“第一届全球峰会”)后，工业发达国家的环境政策已经导向了“可持续发展”模式。重点是减少天然原料和能源的消耗。自然和环境不能只被当作是单纯的生产条件，而应当看作是人类生存的基础。基于这种原因，减少并利用废弃物优先于“环境安全的”处理。

废弃物可以当作二次原料使用，或者通过使用废弃物中的能量以二次燃料的形式加以利用。相应的要求现在已经成为欧盟指令的一个构成部分，并且也已经被国家的法律和法规所采用。在德国，重要的法规有《再循环和废弃物法案》、《垃圾填埋条例》和《城市废弃物法规》。废弃物管理理念作为实施基本条例合适的工具之一，提供了一个理想的解决方案，这样就可以根据工艺和经济发展的状况来可靠地预测材料是否能够利用以及如何处理。

2 任务和机遇

表1 可替代原料实例

水泥行业对废渣及废料中可持续材料或热量的利用方面已达成共识。由于工艺和用量大的特点，水泥

生产工艺尤其适合利用大量的这类材料。有效地处理短缺的原材料和化石燃料不仅可以节约经济开支，也可以保护生态环境。利用替代原料通常可以减少CO2的排放量，这有利于保护一个公司的生态平衡。

熟料生产中最常用的可替代原料和一些稀有原料将在下文详细描述。德国水泥行业对它们的利用、适用范围和对产品质量的影响已经有了丰富的经验。

3 可替代原料实例

表1列出了一些常用的可替代原料以及他们可能的用途。第三列列出了二次和微量组分。

三元图(图1)中绘制出了最重要原料的组分，此图提供了所考虑的二次原料的化学特性。由于材料的来源不同，材料组分可能会偏离给定的范围，为便于对比，图中给出了熟料的近似组成(点1)。

4 二次原料的主要特性

4.1 废铸模砂

废铸模砂来源于铸造厂，因为他们采用石英含量较高的天然砂作为原料。这种材料用作硅质原料。可采用不同的方法将其计量加入窑系统(原料磨)的“冷”端。在使用这种砂的时候，粗重的固结大块可能会产生一些问题，因此在进一步的处理前必须将其破碎。清除以铸造残渣(金属铝、铁等)形式存在的“破碎的材料”也是必要的，因为这些残渣在传输、计量和向粉磨车间喂料的过程中可能会引发一些问题。相关的二次组分包括铬和铬化合物，它们增加了熟料和水泥中这类重金属的“基本负荷”，在窑中会被氧化为铬酸盐。

4.2 烧硫铁矿和轧屑

这两种材料可单独或者混合地用作铁质原料，以校正生料的成分。煅烧硫铁矿是硫酸生产过程中焙烧黄铁矿的残渣。这些材料有不同的来源。不同地区的硫铁矿其铁的氧化物中会含有不同的重金属，因此，用作原料是必须考虑到这一点。

轧屑是一种来自钢厂的工业副产品，产生于轧机机组。轧屑中不仅含有氧化铁还含有金属铁。在生料粉磨车间，材料中油的含量对静电除尘器的收尘效率会产生不利影响。

4.3 电厂灰

这个术语包括了传统电厂(图2)的褐煤灰和煤灰。近些年来，在电厂中将二次燃料与煤一块燃烧，如：木材、纸张、动物骨粉和污水污泥，这些二次燃料的组分能够影响煤灰及其结构。不仅是粉煤灰，连炉底灰也可用作替代原料。这些煤灰的化学成分范围较广(见图1)。根据煤的来源不同，相关的二次组分可能包含煤不完全燃烧产生的残留碳和重金属。

通常，褐煤灰含有大量的氧化钙。因此，当它被用于生料中时，能减少熟料煅烧过程中CO2的排放量。有时硫含量会比较高，在煅烧的过程中能够结合过量的碱，但也可能造成预热器的结皮现象。通常电厂灰的碱／铝比较低。如果电厂采用污水污泥作为二次燃料，那么，煤灰中磷和重金属含量将会增加。

4.4 高炉矿渣

矿渣是在矿石冶炼过程中得到的非金属矿物残渣。高炉矿渣产生于用铁矿石、原岩、石灰石和焦炭炼制生铁的过程中的高炉熔体。粒化车间中碱性炉渣的快速冷却可生成玻璃体含量较多的活性粒状高炉矿渣；缓慢冷却主要生成具有低水化活性的结晶“块状矿渣”，这种矿渣主要用于道

路和水坝建筑。然而，因为它们的化学组分合适，粒状高炉矿碴和块状矿渣都能被用作替代原料，在熟料生产中替代粘土质泥灰岩(Ca，Si，A1的来源)。由于其中的Ca以煅烧过的形式存在，使用矿渣有助于降低CO2的含量。

4.5 碎砖

碎砖主要来自处理的建筑碎石或砖厂的废品，其化学组分与生产砖的原料也即粘土的化学组分一致(无烧失量)。这种烧结材料富含来自原始粘土矿物的活性氧化物和硅酸盐可被用来“向下校正”生料。在碎砖中的相应二次组分主要是碱金属，平均的Na2O当量是1.6％。

4.6 加气混凝土粗粉

加气混凝土粗粉源自加气混凝土块的生产过程。细磨的材料富含Si(Ca硅酸盐)，因此可用作校正材料。由于因CO2排放引起的烧失量很小，在熟料煅烧的过程中有降低CO2排放的作用。由于加气混凝土的细度，经常将它加入生料或者窑料中。它完全不含重金属和其他破碎的材料。这种材料也明显适用于调节材料的水分，如：在将它们喂入烘干和研磨车间前。其货源稳定，也可以计算出它们的组成。

4.7 碳化石灰

碳化石灰是化工厂中生产“石灰氮”肥料的副产品。高的碳酸钙含量(90-95wt.％)意味着碳化石灰可用作Ca校正材料(“上移校正”)，这样能节约天然石灰岩。碳化石灰含有10wt.％的二次组分—碳。它的有效热值低，但所含碳的热量能够补偿烘干生料所需的部分热量。碳化物石灰中其它的二次组分是铵基化合物，在分解过程中氨的味道非常明显。这种情况主要发生在新鲜状态下，并且在卸料时最强烈。适当地计量加入这种材料，其中的铵基化合物可明显地降低窑系统废气中NOx的含量。

4.8 纸渣

当将废纸或者纸浆渣悬浮在水中时，由于太短而不能循环利用的纤维和废纸中所含的填料和色料在水力旋流器中被收集。残渣的成分与含有大量有机纤维的高岭土的组分几乎是完全一致的。这类材料的特点是水分含量较高(50wt.％以上)且干料灰分高达50wt.％。由于纸渣的灰含量较高，其具有2000-8000kJ／kg的热值，虽然该热值低于划分为二次燃料的临界值，但是必须将其计入总的二次燃料的燃烧热量。由于二次组分(例如汞和氯)的含量经常剧烈波动，因此必须对它们进行监控。

4.9 二次石膏(磷石膏，FGD石膏)

二次石膏源于不同工艺过程的废料。FGD石膏来源于燃煤发电厂中的烟气脱硫系统。磷石膏是肥料和磷酸生产厂排出的废弃物。二次石膏除了在水泥生产中用作调凝剂(主要是FGD石膏)外，还可以添加到生料中以提高熟料中碱的硫酸盐化程度，通过这种方法减少窑体系中的碱再循环。由于二次石膏的来源不同，可能含有作为二次组分的磷的衍生物、柠檬酸和重金属。

4.10 工业石灰残渣

能够用于熟料生产的石灰渣产生于不同工业的领域。应该提及的例子是来自于制糖业的高等级石灰渣。在糖的生产过程中，石灰乳用于提纯原汁。因此，每个糖厂都有一个石灰窑，在窑中，投入的石灰石与焦炭一起煅烧。这就产生了石灰石碎屑(尺寸过小的原料)、欠烧的材料和未烧的石头，并且在烧石灰水化生成石灰石乳时会产生石灰乳粗粒。总之，该残渣为TOC含量高达1wt.％的，游离氧化钙含量为2-4wt.％的高等级石灰。

4.11 蛋壳

蛋壳是食品加工业的废料，代表了一种较稀有二次原料。高等级的石灰成分非常适合用作Ca 校正原料，通过这种方法可以节约天然石灰岩。它的可用量通常非常小。由于蛋清残渣的存在，这种材料通常较粘，难以处理。通过与其他的生料组分混合可以改善处理，同时也能够减少难闻的味道。如果TOC含量太高，则必须减少对窑系统的投料量。

4.12 窑料粉替代物