利用電廠粉煤灰、爐底渣及脫硫石膏粉磨水泥工業化技術研究

嚴伯剛，楊美珍，吳 韜，金 磊，馮曉野，范 璐

(1.江西省科學院，330096，南昌；2.江西省計算技術研究所，330002，南昌；2.東莞深圳清華大學研究院創新中心先進復合材料研發中心，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化技術研究

嚴伯剛1，楊美珍2，吳 韜3*，金 磊3，馮曉野3，范 璐3

(1.江西省科學院，330096，南昌；2.江西省計算技術研究所，330002，南昌；2.東莞深圳清華大學研究院創新中心先進復合材料研發中心，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+分級打散機+開路高細磨的粉磨流程生產P·C32.5和P·F32.5水泥；水泥配合比中電廠廢渣摻量達45%，其中粉煤灰、爐底渣摻量按質量百分比達到國家標準規定的上限；水泥單位產品可比綜合電耗低于國家標準的先進值。

粉煤灰；爐底渣；脫硫石膏；水泥；工業化

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年中國粉煤灰的排放量約為2億t[1]，2009年增至3.75億t，這相當于中國城市生活垃圾總量的2倍多，其體積可達到4.24億m3[2]。某電廠2×650 MW燃煤發電機組年燃燒煤炭近600萬t，年產生粉煤灰100多萬t，產生爐底渣近60萬t，脫硫石膏24萬t，合計固體廢棄物約184萬t，如不進行處理利用，既浪費土地，又污染空氣和環境，危害人們健康。

水泥是最主要的建筑結構材料，我國水泥產量位居世界第1。因此，在我國開發和應用粉煤灰水泥具有重大的社會意義，在水泥生產中大量利用粉煤灰是今后發展的方向[3]。

1 原材料

1.1水泥熟料

采用國內某上市公司新型干法窯生產的熟料，該熟料質量穩定可靠，28 d抗壓強度≥58 MPa。火車或汽車運輸進廠。熟料的化學成分見表1。

表1 熟料化學成分/%

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%，是優質水泥熟料，達到美國的水泥熟料質量要求[4]。

1.2混合材

混合材化學成分見表3。

表3 混合材化學成分/%

1.2.1 粉煤灰 粉煤灰化學組成以SiO2、Al2O3為主，兩者之和約占總質量的80%，其次為Fe2O3、CaO、MgO，揮發物主要為SO3[5]。經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物，具有顯著的火山灰活性[6]。

摻粉煤灰粉磨水泥生產線建設在發電廠附近為宜，粉煤灰可通過專有輸送管線由氣力輸送進廠。電廠650 MW機組鍋爐溫度高熱量大，生成粉煤灰和爐渣品質優良，粉煤灰燒失量低，細度高，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%，其化學成分與低鈣粉煤灰的較相類似[7]。經XRD分析可知其礦物相中玻璃體的含量占優勢，結晶相物質所占比例較低。在結晶相物質中，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輸進廠，直接用作水泥混合材。

1.3脫硫石膏

脫硫石膏是火力發電廠煙氣脫硫時由SO2和CaCO3反應生成的一種工業副產品石膏，經XRD分析可知主要成分是CaSO4·2H2O，還有少量CaCO3、CaSO3等雜質，并且脫硫石膏和天然二水石膏的礦物組成很接近[8]，其質地松軟，呈粉狀，SO3含量達到40%以上，無有害成分，適合做水泥緩凝劑，符合水泥生產的要求。由汽車運輸進廠。脫硫石膏化學成分見表4。

表4 脫硫石膏化學成分/%

2 生產工藝

2.1主機設備的選型與平衡

按年產156萬t的規模計算，選用3臺φ3.2×13 m開路磨加3臺HFCG120-45輥壓機作為水泥粉磨設備。根據要求的小時產量，選用3臺回轉式六咀包裝機。

通過主機設備的選型與平衡，可得出水泥粉磨生產線的主機設備平衡表見表5。

表5 主機設備平衡表

2.2物料的儲存

各種物料的儲存型式,儲存量和儲存期見表6。

2.3生產工藝過程

2.3.1 熟料輸送及儲存 熟料運抵工廠后卸入受料斗，經膠帶輸送機由提升機送入6座φ12×26 m的熟料庫儲存。當熟料庫已滿時，可先將熟料卸入熟料堆棚內，然后用鏟車倒運到受料斗。

2.3.2 脫硫石膏、石灰石輸送及儲存 脫硫石膏、石灰石運抵工廠后，儲存在聯合卸堆料棚內，然后用鏟車倒運到受料斗，經提升機送入各3座φ8×18 m的圓庫儲存。

2.3.3 粉煤灰輸送及儲存 粉煤灰由氣力輸送泵從電廠送入3座φ8×15 m的圓庫儲存。

表6 物料儲存表

2.3.4 爐底渣輸送及儲存 脫硫石膏用汽車運抵工廠后，儲存在聯合卸堆料棚內，然后用鏟車倒運到受料斗，經提升機送入3座φ8×18 m的圓庫儲存。

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

水泥配料采用庫底配料方式，選用TDG型調速式定量給料秤進行計量，并配以微機自動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)由庫底皮帶輸送機送入粉磨車間粉磨，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HFCG120-45輥壓機和3臺φ3.2×13 m開路磨組成，系統產量為3×70=210 t/h，年利用率為85%。

來自配料庫的混合料由皮帶輸送機和斗式提升機送入輥壓機上方的穩流料倉內，經輥壓機輾壓后，再由斗式提升機提升入打散分級機進行篩分，篩分后的粗粉由皮帶輸送機送回穩流料倉，細粉則直接入磨機進行粉磨，出磨水泥由鏈式輸送機和斗式提升機送入水泥庫內儲存。

2.3.7 水泥儲存及散裝 水泥儲存庫為12座φ12×26 m圓庫，單庫儲量為3 600 t，總儲量為43 200 t，儲存期為8.57 d。水泥經庫底單管螺旋喂料機卸出后，由鏈式輸送機送至包裝車間的斗式提升機。

水泥散裝采用庫側散裝方式，設置6套庫側汽車散裝裝置，生產能力為6×120=720 t/h。

2.3.8 水泥包裝及成品庫 來自水泥庫的水泥由斗式提升機提升后，送入振動篩篩分，然后進入包裝小倉，最后進入3臺回轉式6咀包裝機包裝，包裝好的袋裝水泥經B800平型皮帶機送至水泥成品庫內堆放。包裝機的包裝能力為3×80=240 t/h，系統的年利用率為52.06%。

2.4水泥配合比

通過試驗研究結果，確定了原材料配合比。復合硅酸鹽水泥P·C32.5級和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級水泥配合比見表7。

表7 32.5級水泥配合比

國家標準GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[9]規定，粉煤灰硅酸鹽水泥中粉煤灰摻量按質量百分比計為>20%且≤40%。由表7可見P·F32.5級水泥配合比中粉煤灰、爐底渣摻量按質量百分比已經達到國家標準GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》規定的上限，即按照國家標準規定的粉煤灰最大摻量。

3 結果與討論

3.1產品性能指標控制

采用輥壓機+分級打散機+開路高細磨的粉磨工藝流程生產的復合硅酸鹽水泥P·C32.5級和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級產品性能指標必須符合企業內部控制標準和國家標準GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》，企業內部控制標準與國家標準對比表見表8。由表8可見企業內部控制標準比國家標準GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》要求更加嚴格控制水泥質量，生產的P·C32.5級和P·F32.5級水泥產品適用于一般工業與民用建筑。

表8 企業內部控制標準與國家標準對比表

3.2單位水泥產品綜合電耗

采用輥壓機+分級打散機+開路高細磨的粉磨工藝流程生產的復合硅酸鹽水泥P·C32.5級和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級產品單位產品可比綜合電耗為28 kWh/t，與國家標準GB16780-2012《水泥單位產品能源消耗限額》[10]中外購熟料水泥企業水泥單位產品可比綜合電耗對比表見表9。

表9外購熟料水泥企業水泥單位產品可比綜合電耗對比表

粉煤灰水泥先進值新建企業準入值現有企業限定值可比水泥綜合電耗/kW·h·t-128≤32≤36≤40

由表9比較可見生產復合硅酸鹽水泥P·C32.5級和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級單位水泥產品的綜合電耗28 kWh/t優于國家標準GB16780-2012《水泥單位產品能源消耗限額》規定的外購熟料水泥企業水泥單位產品綜合電耗先進值≤32的要求。

3.3輥壓機粉磨技術的先進性

輥壓機+分級打散機+開路高細磨的粉磨工藝流程在國內外已成為新建水泥生產線聯合粉磨工藝增加現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、單位產品電耗低、節能效果顯著等優點得到青睞，已成為了大型水泥生產線水泥粉磨的優選方案之一。輥壓機+分級打散機+開路高細磨的粉磨工藝流程能滿足不同

生產線產品產量和質量的要求，占地面積小、布置方便，不僅可以大幅度提高水泥的產量和質量，而且改善了水泥的比表面積、顆粒級配等技術指標，增產節能效果好，經濟效益明顯[11]。生產復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 結束語

1)水泥熟料是粉磨水泥最主要的原料，它的質量直接決定水泥的質量，隨著水泥熟料摻量的增加，水泥的強度呈現增大的趨勢。采用C3S+C2S在75%～78%之間、其中C3S≥60%的優質水泥熟料，保證了復合硅酸鹽水泥P·C32.5級和粉煤灰硅酸鹽水泥P·F32.5級水泥的質量。

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，當熟料摻量相同時，隨著粉煤灰、爐底渣摻量的增加，水泥的強度存在著逐漸下降的趨勢。采用輥壓機+分級打散機+開路高細磨的粉磨流程生產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到45%。P·F32.5水泥配合比中粉煤灰、爐底渣摻量按質量百分比達到40%，即國家標準GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》規定的上限。

3)生產的P·C32.5和P·F32.5水泥單位產品可比綜合電耗低于國家標準GB16780-2012《水泥單位產品能源消耗限額》的先進值。

[1] 黃明.粉煤灰資源化綜合利用應用[J].磚瓦,2006(8):39 -44.

[2]龍生,王浩,王鑫,等.粉煤灰建材資源化的研究進展[J].硅酸鹽通報,2012,31(1):88-91.

[3]劉雙雙,黃孝章.大摻量粉煤灰水泥技術及其應用[J].中國煤炭,2007,33(9):64-65.

[4]李濤平.再論新型干法水泥廠設計新概念[J].中國水泥,2005(4):21-23.

[5]礦產資源綜合利用手冊編輯委員會.礦產資源綜合利用手冊[M].北京:科學出版社,2000:718-724.

[6]羋振明,高忠愛,祁夢蘭,等.固體廢棄物的處理與處置[M].北京:高等教育出版社,2004:267-268.

[7]王福元,吳正嚴.粉煤灰利用手冊[M].北京:中國電力出版社,2004.

[8]顧雪慈,趙虎奎,練禮財,等.脫硫石膏代替天然石膏作水泥緩凝劑[J].水泥,2006(12):32-35.

[9]GB175-2007.通用硅酸鹽水泥[S].北京:中國標準出版社,2007.

[10]GB16780-2012.水泥單位產品能源消耗限額[S].北京:中國標準出版社,2012.

[11]陳貴.2 500～3 000 t/d生產線水泥粉磨系統技術方案的比較分析[J].建材發展導向,2008(6):81-84.

[12]鄭一麟.新型水泥粉磨生產線的設計與應用[N].中國建材報,2007-06-12(B02).

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

嚴伯剛(1958-)，男，工學學士，副研究員，主要從事無機非金屬材料及窯爐熱工方面的研究。

廣東省引進創新團隊計劃項目(編號：2013C099)。

*通訊作者：吳 韜(1965-)，男，工學學士，工程師，主要從事無機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