熟料生產(chǎn)中替代原料

1、水泥熟料生產(chǎn)中替代原料的利用水泥熟料生產(chǎn)中替代原料的利用2010-4-1 作者：摘要：上個(gè)世紀(jì)80年代末，原材料長(zhǎng)期短缺的日益緊迫和環(huán)境意識(shí)的逐漸增強(qiáng)引發(fā)了人們對(duì)廢棄 物優(yōu)先管理方式的重新思考。為降低原材料、能源、土地的消耗和實(shí)現(xiàn)材料二次利用的最大化制定了許多法律、指令和條例。水泥行業(yè)達(dá)成了關(guān)于廢料中可循環(huán)材料和熱量利用的社會(huì)共識(shí)，以此保護(hù)自然資源并減少填埋物的數(shù)量。大量的材料可以用來(lái)代替原料或用作校正材料。我們必須根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)施對(duì)能夠二次利用的廢料類(lèi)型進(jìn)行評(píng)估。然而，二次原料的使用必須對(duì)工藝或者產(chǎn)品質(zhì)量不產(chǎn)生任何有害影響。一經(jīng)證實(shí)可用，則盡可能穩(wěn)定原料質(zhì)量，有效的質(zhì)量管理體系會(huì)十分有利于

2、二次原料的順利使用。1引言幾十年來(lái)，水泥行業(yè)已經(jīng)成功地使用了二次燃料。近年來(lái)，可代替的原材料也已經(jīng)變得日益 重要。大約上個(gè)世紀(jì) 80年代末，原材料長(zhǎng)期短缺的日益緊迫和環(huán)境意識(shí)的逐漸增強(qiáng)使人們開(kāi)始 重新思考優(yōu)先的廢棄物管理方式。自1992年在里約熱內(nèi)盧召開(kāi) 聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展會(huì)議”即第一屆全球峰會(huì)”后，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的環(huán)境政策已經(jīng)導(dǎo)向了可持續(xù)發(fā)展”模式。重點(diǎn)是減少天然原料和能源的消耗。自然和環(huán)境不能只被當(dāng)作是單純的生產(chǎn)條件，而應(yīng)當(dāng)看作是人類(lèi)生存的基礎(chǔ)?；谶@種原因，減少并利用廢棄物優(yōu)先于環(huán)境安全的"處理。廢棄物可以當(dāng)作二次原料使用，或者通過(guò)使用廢棄物中的能量以二次燃料的形式加以利用。相應(yīng)的

3、要求現(xiàn)在已經(jīng)成為歐盟指令的一個(gè)構(gòu)成部分，并且也已經(jīng)被國(guó)家的法律和法規(guī)所采用。在德國(guó)，重要的法規(guī)有再循環(huán)和廢棄物法案、垃圾填埋條例和城市廢棄物法規(guī)。廢棄物管理理念作為實(shí)施基本條例合適的工具之一，提供了一個(gè)理想的解決方案，這樣就可以根據(jù)工藝和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況來(lái)可靠地預(yù)測(cè)材料是否能夠利用以及如何處理。2任務(wù)和機(jī)遇表1可替代原料實(shí)例材料用途相關(guān)的二次組分廢鑄模砂Si的校正Cr煅燒硫鐵礦，軋屑Fe的校正Cr,重金屬煤灰Si-AI-Fe的校正CO2減排K,V褐煤灰Ca,S高爐礦碴Si-AI的校正Ti,Na碎磚Si-AI的校正堿金屬加氣混凝土粗粉Si的校正,CO2減排Ca碳化石灰Ca的校正GNH3紙殘?jiān)鼰嶂怠?/p>

4、濕度、Si-AI的校正Ca,Na,Ti,Mg二次石膏（磷石膏，F(xiàn)CD石膏）硫酸鹽化P,檸檬酸，重金屬石灰渣（石灰乳粗磨粉，未燒 的巖石）Ca的校正，CO2減排無(wú)蛋殼Ca的校正無(wú)窯料粉替代物Ca的校正通常為無(wú)水泥行業(yè)對(duì)廢渣及廢料中可持續(xù)材料或熱量的利用方面已達(dá)成共識(shí)。由于工藝和用量大的特點(diǎn)，水泥生產(chǎn)工藝尤其適合利用大量的這類(lèi)材料。有效地處理短缺的原材料和化石燃料不僅可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)開(kāi)支，也可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境。利用替代原料通?？梢詼p少C02的排放量，這有利于保護(hù)一個(gè)公司的生態(tài)平衡。熟料生產(chǎn)中最常用的可替代原料和一些稀有原料將在下文詳細(xì)描述。德國(guó)水泥行業(yè)對(duì)它們的利 用、適用范圍和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響已經(jīng)有了豐

5、富的經(jīng)驗(yàn)。3可替代原料實(shí)例表1列岀了一些常用的可替代原料以及他們可能的用途。第三列列岀了二次和微量組分。 三元圖（圖1）中繪制岀了最重要原料的組分，此圖提供了所考慮的二次原料的化學(xué)特性。由于材 料的來(lái)源不同，材料組分可能會(huì)偏離給定的范圍，為便于對(duì)比，圖中給岀了熟料的近似組成（點(diǎn)1）。4二次原料的主要特性4.1廢鑄模砂廢鑄模砂來(lái)源于鑄造廠，因?yàn)樗麄儾捎檬⒑枯^高的天然砂作為原料。這種材料用作硅質(zhì) 原料?？刹捎貌煌姆椒▽⑵溆?jì)量加入窯系統(tǒng)（原料磨）的 冷”端。在使用這種砂的時(shí)候，粗重的固結(jié)大塊可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，因此在進(jìn)一步的處理前必須將其破碎。清除以鑄造殘?jiān)ń饘黉X、鐵等）形式存在的破碎的材料

6、”也是必要的，因?yàn)檫@些殘?jiān)趥鬏?、?jì)量和向粉磨車(chē)間喂料的過(guò) 程中可能會(huì)引發(fā)一些問(wèn)題。相關(guān)的二次組分包括鉻和鉻化合物，它們?cè)黾恿耸炝虾退嘀羞@類(lèi)重金屬的基本負(fù)荷”，在窯中會(huì)被氧化為鉻酸鹽。4.2燒硫鐵礦和軋屑這兩種材料可單獨(dú)或者混合地用作鐵質(zhì)原料，以校正生料的成分。煅燒硫鐵礦是硫酸生產(chǎn)過(guò) 程中焙燒黃鐵礦的殘?jiān)＿@些材料有不同的來(lái)源。不同地區(qū)的硫鐵礦其鐵的氧化物中會(huì)含有不同的重金屬，因此，用作原料是必須考慮到這一點(diǎn)。軋屑是一種來(lái)自鋼廠的工業(yè)副產(chǎn)品，產(chǎn)生于軋機(jī)機(jī)組。軋屑中不僅含有氧化鐵還含有金屬鐵。在生料粉磨車(chē)間，材料中油的含量對(duì)靜電除塵器的收塵效率會(huì)產(chǎn)生不利影響。4.3 電廠灰這個(gè)術(shù)語(yǔ)包括了傳統(tǒng)電

7、廠 （圖2）的褐煤灰和煤灰。近些年來(lái)，在電廠中將二次燃料與煤一塊燃 燒，如：木材、紙張、動(dòng)物骨粉和污水污泥，這些二次燃料的組分能夠影響煤灰及其結(jié)構(gòu)。不僅 是粉煤灰，連爐底灰也可用作替代原料。這些煤灰的化學(xué)成分范圍較廣（見(jiàn)圖1）。根據(jù)煤的來(lái)源不同，相關(guān)的二次組分可能包含煤不完全燃燒產(chǎn)生的殘留碳和重金屬。通常，褐煤灰含有大量的氧化鈣。因此，當(dāng)它被用于生料中時(shí)，能減少熟料煅燒過(guò)程中CO2的排放量。有時(shí)硫含量會(huì)比較高，在煅燒的過(guò)程中能夠結(jié)合過(guò)量的堿，但也可能造成預(yù)熱器的結(jié)皮現(xiàn)象。通常電廠灰的堿/鋁比較低。如果電廠采用污水污泥作為二次燃料，那么，煤灰中磷和重 金屬含量將會(huì)增加。4.4高爐礦渣礦渣是在礦石

8、冶煉過(guò)程中得到的非金屬礦物殘?jiān)８郀t礦渣產(chǎn)生于用鐵礦石、原巖、石灰石 和焦炭煉制生鐵的過(guò)程中的高爐熔體。粒化車(chē)間中堿性爐渣的快速冷卻可生成玻璃體含量較多的活性粒狀高爐礦渣； 緩慢冷卻主要生成具有低水化活性的結(jié)晶塊狀礦渣”，這種礦渣主要用于道路和水壩建筑。 然而，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)組分合適， 粒狀高爐礦碴和塊狀礦渣都能被用作替代原料， 在熟料生產(chǎn)中替代粘土質(zhì)泥灰?guī)r（Ca，Si ，A1 的來(lái)源 ）。由于其中的 Ca 以煅燒過(guò)的形式存在，使用礦渣有助于降低 CO2 的含量。4.5 碎磚 碎磚主要來(lái)自處理的建筑碎石或磚廠的廢品，其化學(xué)組分與生產(chǎn)磚的原料也即粘土的化學(xué)組 分一致 （無(wú)燒失量 ） 。這種燒結(jié)材

9、料富含來(lái)自原始粘土礦物的活性氧化物和硅酸鹽可被用來(lái)“向下校正”生料。在碎磚中的相應(yīng)二次組分主要是堿金屬，平均的Na2O 當(dāng)量是 1.6。4.6 加氣混凝土粗粉加氣混凝土粗粉源自加氣混凝土塊的生產(chǎn)過(guò)程。細(xì)磨的材料富含Si（Ca 硅酸鹽 ），因此可用作校正材料。由于因 CO2 排放引起的燒失量很小，在熟料煅燒的過(guò)程中有降低CO2 排放的作用。由于加氣混凝土的細(xì)度，經(jīng)常將它加入生料或者窯料中。它完全不含重金屬和其他破碎的材料。 這種材料也明顯適用于調(diào)節(jié)材料的水分，如： 在將它們喂入烘干和研磨車(chē)間前。 其貨源穩(wěn)定， 也 可以計(jì)算出它們的組成。4.7 碳化石灰碳化石灰是化工廠中生產(chǎn) “石灰氮 ”肥料的副

10、產(chǎn)品。高的碳酸鈣含量（90-95wt. ）意味著碳化石灰可用作 Ca 校正材料 （ “上移校正 ”，）這樣能節(jié)約天然石灰?guī)r。碳化石灰含有10wt. 的二次組分碳。 它的有效熱值低， 但所含碳的熱量能夠補(bǔ)償烘干生料所需的部分熱量。 碳化物石灰中其它 的二次組分是銨基化合物，在分解過(guò)程中氨的味道非常明顯。這種情況主要發(fā)生在新鮮狀態(tài)下， 并且在卸料時(shí)最強(qiáng)烈。 適當(dāng)?shù)赜?jì)量加入這種材料， 其中的銨基化合物可明顯地降低窯系統(tǒng)廢氣中 NOx 的含量。4.8 紙?jiān)?當(dāng)將廢紙或者紙漿渣懸浮在水中時(shí)，由于太短而不能循環(huán)利用的纖維和廢紙中所含的填料和 色料在水力旋流器中被收集。殘?jiān)某煞峙c含有大量有機(jī)纖維的高嶺土的

11、組分幾乎是完全一致 的。這類(lèi)材料的特點(diǎn)是水分含量較高 （50wt. 以上 ）且干料灰分高達(dá) 50wt. 。由于紙?jiān)幕液?較高，其具有 2000-8000kJ kg 的熱值，雖然該熱值低于劃分為二次燃料的臨界值，但是必須將 其計(jì)入總的二次燃料的燃燒熱量。由于二次組分 （例如汞和氯 ）的含量經(jīng)常劇烈波動(dòng)，因此必須對(duì) 它們進(jìn)行監(jiān)控。4.9 二次石膏 （磷石膏， FGD 石膏 ）二次石膏源于不同工藝過(guò)程的廢料。 FGD 石膏來(lái)源于燃煤發(fā)電廠中的煙氣脫硫系統(tǒng)。磷石膏 是肥料和磷酸生產(chǎn)廠排出的廢棄物。二次石膏除了在水泥生產(chǎn)中用作調(diào)凝劑 （主要是 FGD 石膏 ） 外，還可以添加到生料中以提高熟料中堿的

12、硫酸鹽化程度， 通過(guò)這種方法減少窯體系中的堿再循 環(huán)。由于二次石膏的來(lái)源不同，可能含有作為二次組分的磷的衍生物、檸檬酸和重金屬。4.10 工業(yè)石灰殘?jiān)軌蛴糜谑炝仙a(chǎn)的石灰渣產(chǎn)生于不同工業(yè)的領(lǐng)域。應(yīng)該提及的例子是來(lái)自于制糖業(yè)的高等 級(jí)石灰渣。 在糖的生產(chǎn)過(guò)程中， 石灰乳用于提純?cè)?因此， 每個(gè)糖廠都有一個(gè)石灰窯， 在窯中， 投入的石灰石與焦炭一起煅燒。這就產(chǎn)生了石灰石碎屑 （ 尺寸過(guò)小的原料 ） 、欠燒的材料和未燒的 石頭，并且在燒石灰水化生成石灰石乳時(shí)會(huì)產(chǎn)生石灰乳粗粒?？傊摎?jiān)鼮?TOC 含量高達(dá) 1wt. 的，游離氧化鈣含量為 2-4wt. 的高等級(jí)石灰。4.11 蛋殼蛋殼是食品加

13、工業(yè)的廢料，代表了一種較稀有二次原料。高等級(jí)的石灰成分非常適合用作 Ca 校正原料，通過(guò)這種方法可以節(jié)約天然石灰?guī)r。它的可用量通常非常小。由于蛋清殘?jiān)拇嬖冢?這種材料通常較粘， 難以處理。 通過(guò)與其他的生料組分混合可以改善處理， 同時(shí)也能夠減少難聞 的味道。如果 TOC 含量太高，則必須減少對(duì)窯系統(tǒng)的投料量。4.12 窯料粉替代物可用做窯料粉替代物的材料主要是化學(xué)成分與窯料粉成分相當(dāng)?shù)墓I(yè)泥漿和固體，如砂輪碎 片。這類(lèi)廢渣具有高 Ca含量可用作校正材料，因此能夠用于保護(hù)資源。這些殘?jiān)梢酝ㄟ^(guò)廢料 收集站或者直接從生產(chǎn)廠中得到。根據(jù)材料的細(xì)度和稠度，窯料粉替代物可以破碎后喂入生料， 或者直接加

14、到生料或者窯料粉中。5使用可替代原料的實(shí)例以下描述了來(lái)自不同水泥廠的實(shí)例，說(shuō)明了當(dāng)前使用二次原料的價(jià)值。強(qiáng)調(diào)了所列材料的獨(dú) 特優(yōu)勢(shì)并討論了使用它們時(shí)的潛在問(wèn)題。5.1電廠灰（粉煤灰）的使用例1 :海德堡水泥集團(tuán)美國(guó)Union Bridge水泥廠使用富碳粉煤灰作為生料組分中轉(zhuǎn)存儲(chǔ)于具有 5個(gè)卸載點(diǎn)的5000t料倉(cāng)中計(jì)量加入生料磨和分解爐（圖3）例2 :德國(guó)南部Rohrdorfer水泥集團(tuán)Rohrdoff水泥廠利用不符合標(biāo)準(zhǔn)（EN 450）的粉煤灰作為生料組分中轉(zhuǎn)存儲(chǔ)于1000t料倉(cāng)中借助Coriolis計(jì)量系統(tǒng)，計(jì)量加入生料磨（圖3）使用粉煤灰的優(yōu)點(diǎn)如果加入粉煤灰以取代含粘土的組分，那么粉煤灰的

15、低堿含量降低了由于窯和預(yù)熱器中循環(huán) 堿引起結(jié)皮的風(fēng)險(xiǎn)。這種材料的細(xì)度和低水分含量使其能夠采用水泥廠中典型的氣流運(yùn)輸系統(tǒng)， 甚至可以較遠(yuǎn)距離地輸送并使用皮帶計(jì)量機(jī)和旋翼式喂料機(jī)來(lái)控制計(jì)量?？刹捎霉飞⒀b和鐵路罐裝車(chē)來(lái)運(yùn)輸。由于其易掛料起拱，輸送過(guò)程中應(yīng)防止水分的進(jìn)入。使用粉煤灰時(shí)潛在的問(wèn)題及合適的解決方法：如果連續(xù)使用粉煤灰作為校正材料并且緩沖儲(chǔ)存量太少，則在電廠供應(yīng)臨時(shí)缺貨時(shí)會(huì)引起一些問(wèn)題。在這種情況下，要確保有可替代貨源。如果在窯的進(jìn)料口添加粉煤灰，則存在由高溫引發(fā)結(jié)塊的危險(xiǎn)。對(duì)于這種類(lèi)型的計(jì)量配料，必須通過(guò)監(jiān)控溫度來(lái)確定最佳的加料點(diǎn)。為了排除化學(xué)成分波動(dòng)，尤其在使用來(lái)自不同電廠的粉煤灰時(shí)，

16、推薦使用混合料規(guī)則。因此，常規(guī)性地檢查 主要氧化物和TOC含量對(duì)于質(zhì)量控制極為重要。5.2碎磚的使用例：拉法基集團(tuán)奧地利Mannersdorf水泥廠使用量占生料的11% -13%為粘土和碎磚建造單獨(dú)的混料床使用前端式裝載機(jī)計(jì)量加入碎石頭中進(jìn)廠時(shí)來(lái)料的外觀目測(cè)檢查為了達(dá)到最佳的均化程度，Mannersdorf工廠在碎石倉(cāng)庫(kù)附近設(shè)置了粘土和碎磚混合儲(chǔ)料堆。這個(gè)儲(chǔ)料堆分層堆料（粘土和碎磚交替堆積），用來(lái)均化混合原料。這也減少了在計(jì)量過(guò)程中產(chǎn)生粉 塵。發(fā)貨時(shí)的質(zhì)量控制不僅包括化學(xué)分析，而且包括材料輸送時(shí)對(duì)材料的外觀目測(cè)檢查（見(jiàn)圖4）。通過(guò)這種方法可以檢測(cè)到并及時(shí)清理岀木頭、灰漿和金屬（破碎材料）等粗粒

17、雜質(zhì)。如果污染嚴(yán)重，則棄用這些材料。使用碎磚的優(yōu)點(diǎn)：工廠通過(guò)使用碎磚保護(hù)了天然原料資源。同時(shí)通過(guò)使用碎磚也降低了生料的平均濕度并延長(zhǎng) 了當(dāng)?shù)亟ㄖ盥駡?chǎng)的使用壽命。使用碎磚時(shí)的潛在問(wèn)題：存在于碎磚中的灰漿殘?jiān)档土嗽系囊啄バ?。除了要消耗大量人力檢選碎磚的雜質(zhì)之外，碎磚的處理也會(huì)產(chǎn)生粉塵。值得一提的是，使用碎磚會(huì)導(dǎo)致大量堿引入到生料中。5.3 紙?jiān)睦美?1 ：海德堡水泥集團(tuán)德國(guó)南部Burglenfeld 水泥廠輸送并儲(chǔ)存入 “窯車(chē)間 ” 通過(guò)計(jì)量加料到熟料冷卻機(jī)（篦冷機(jī) ）分析：TOC, Cl，重金屬例 2 ： Rohrdorfer 水泥集團(tuán)德國(guó)南部 Rohrdorf 水泥廠 輸送并儲(chǔ)存

18、入專(zhuān)門(mén)儲(chǔ)庫(kù) （500t）與輪胎屑一起計(jì)量加料到窯進(jìn)料口 （圖 5）分析：濕度，熱值， Cl，重金屬由于紙?jiān)乃州^高，必須采用適當(dāng)?shù)挠?jì)量方式。在Burglenfeld 水泥廠，先把材料烘干，然后再投入冷卻機(jī) （篦冷機(jī) ）。在 Rohrdorf 水泥廠，潮濕狀態(tài)的紙?jiān)c輪胎屑一起添加到生料中去。利用紙?jiān)暮锰帲?由于紙?jiān)臒o(wú)機(jī)部分中包含與粘土相似的成分，所以節(jié)約了天然資源。這種材料的熱值為2000-8000kJ / kg，部分提供了烘干水分含量高達(dá)50%的殘?jiān)璧哪芎?。紙?jiān)度塍骼錂C(jī)降低了二次風(fēng)溫，能夠減少燒成帶 NOx 的形成，從而降低了 NOx 廢氣的排放。使用紙?jiān)鼤r(shí)潛在的問(wèn)題及解決方法：

19、 在將紙?jiān)度氲襟骼錂C(jī)時(shí)， 窯的產(chǎn)量明顯降低， 因此不得不通過(guò)提高燃料的投入量來(lái)彌補(bǔ)。 如果 將太多的材料通過(guò)計(jì)量投入預(yù)熱器中， 可能會(huì)降低靜電吸塵器的收塵效率。 紙?jiān)母吆繒?huì)因 結(jié)塊而在輸送和計(jì)量系統(tǒng)中導(dǎo)致阻塞，這樣則會(huì)使CO 含量達(dá)到峰值，從而增加廢氣中 TOC 排放量。推薦使用密封的車(chē)間來(lái)儲(chǔ)存，以避免發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的難聞的氣味。因此， 協(xié)調(diào)的物流和工藝對(duì)于殘?jiān)某晒弥陵P(guān)重要。5.4 制糖業(yè)的石灰渣的使用例 1：德國(guó) Dyckerhoff Golheim 水泥廠 在“冷”端（破碎機(jī) ）投料 通過(guò)前端式裝載機(jī)計(jì)量加料 在輸送過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)取樣例 2：拉法基集團(tuán)德國(guó) S?tenich 水泥廠 在“冷”端（破碎機(jī) ）投料 通過(guò)儲(chǔ)料堆 （采石場(chǎng) ）喂料 在輸送過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)取樣 不同種類(lèi)的石灰渣 （碎