关于水泥工业中废弃物利用的思考

关于水泥工业中废弃物利用的思考

通常，解决问题的系统往往会带来其他问题。比如:某些药品在治疗身体的某个部位的同时会产生副作用,危害身体其他的部位,最终使治疗过程存在一定的风险。正因如此,在世界上寻找处理废弃物方法的同时,水泥工业也在寻找降低产品成本的方法,这种互利关系导致了废弃物在水泥生产过程中的利用。毫无疑问,生产水泥是在可控风险下,把源源不断的废弃物转换成有用的建筑材料最理想合适的方法。许多关于废弃物在水泥工业中应用的技术文章已经发表。大部分文章主要集中在对安全证明、实际应用和产品成本节约的论述,显而易见,这对负责大量的有关废物处理法规制订的立法者提供了许多额外的帮助。很显然,只有通过用焦碳、废溶剂,废润滑油、轮胎、稻壳、下水道油污、塑料和废弃燃料(RDF)等代替诸如煤、油、天然气等不可再生资源,才能保证可持续发展。本文认为对废弃物的有效利用将是水泥工业的发展趋势。以往的讨论中往往忽略那些由废弃物中少量和微量元素产生的副作用,这些微量元素已经融入水泥矿物成分中,并影响了水泥的性能。所以,本文对这些化合物的来源、起因以及对水泥性能的影响进行了简单的综述。在可以预见的将来,废弃物的利用还将继续增长,所以提议用包含在水泥成品粉磨过程中加入化学添加剂的方法来减轻负面作用。1原料原料可分为3种根据水泥生产过程,废弃物的利用分为三种基本类别:用于掺入入窑生料制备过程中的废弃物;用于烧成系统代替燃料的废弃物;用于成品粉磨过程中做混合材的废弃物。粉煤灰,矿渣,废砂,废铁粉、回收的耐火材料,炉渣,炉灰都可用于制备入窑生料。锶、硼、镓、铟、铊、锗、铅、锡、磷、砷、硒、碲、溴、氯、钛、锆、钒、铬、锰、钴、镍、铜和镉微量元素因为可能随着进入生料。石油焦碳、废润滑油、聚氯乙烯、溶剂、塑料、稻壳、轮胎、油漆、废弃燃料(RDF)、废燃料(WDF)等可用于烧成替代燃料。锂、锶、钡、镓、铟、铊、锡、铅、磷、砷、锑、铋、硒、碲、氟、氯、钛、钒、铬、钼、钴、镍、铜、锌、镉和汞微量元素进入燃料。由于过高的窑温,只有少量元素能够最终进入熟料岩相中。在水泥成品粉磨时可以添加废石膏(如磷石膏)、窑灰、粉煤灰、矿渣。通常认为粉煤灰、矿渣不是废弃物,它们已经作为掺入水泥和混凝土的普通原料,在世界范围内广泛应用。它们的加入也使得它们中的铍、锶、镓、铟、铊、锡、铅、磷、砷、硒、碲、溴、氯、钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜和锌等微量元素也进入水泥中,元素含量的多少也影响它们在水泥中的掺加量。2熟料中各微量元素的含量上面所列元素并非都以足够影响水泥砂浆和混凝土性能的量存在,一些如镓、铟、硒、铊等低熔点、高挥发性元素在窑灰中的含量就多于在熟料中的含量。也并非象泰勒所说的有必要确定每种元素的影响。泰勒说:“微量元素能影响熟料相的性能,例如影响晶体大小、形态、结构,从整体上改变熟料的微观结构”,还有“添加一个以上的元素其影响并没有相应增加,只不过更复杂”,然而,一些元素已经得到了充分研究,足以确定其潜在的影响。2.1铜的氧化和除c铅降低早期强度的微量元素大致包括:锶——促进阿利特的少量增长,但可以使贝利特和fCaO大量增长;硼——分解C铅——阻止水化,但最终强度合理;磷——把C砷——减少C锆——改变主要硅酸盐矿物;锰——影响铁,能替代C锌——混入贝利特和阿利特,改变晶体结构。2.2短期强度的降低降低后期强度的元素包括锶、砷、钴,原理同2.1所述。2.3缩短中断时间可以缩短凝结时间的元素包括:硼——分解C铱——代替C镍——代替阿利特中的钙,稳定单斜晶体;镧——代替C2.4磷、砷的凝结剂有助于延长凝结时间的元素包括:硼——如上所述缩短凝结时间,凝结性能不可预见;磷——把阿利特分解成贝利特和fCaO;砷——在熟料中合成砷酸钙,减少阿利特形成;铜——减缓C锌——改变阿利特晶体结构,起缓凝剂作用。3与特定污染相关的负面影响参数根据以上所述的潜在负面影响,有助于我们发现哪些废弃物有潜在的负面影响。3.1原料的含硼元素根据2.1所列的微量元素的潜在影响,以下废弃物可能会潜在地降低早期强度:作为原材料的矿渣——含锶、磷、锰、锌元素;废油燃烧——含锶、铅、砷、钴、锌元素;作为原材料的废铁——含硼元素;废砂——含硼元素;轮胎燃烧——含铅、锌元素;下水道油污——含磷元素;作为原材料的粉煤灰——含砷、铅、锰、钴元素;作为原材料的废硅砂——含锆、磷元素;废弃燃料——含锌、铅、磷元素。3.2短期强度的降低根据2.2所述有助于降低后期强度的废弃物包括:废油燃烧——含锶、砷和钴元素;作为原材料的粉煤灰——含砷、钴元素。3.3原料砂根据2.3所述能够使凝结时间缩短的废弃物如下:作为原材料的废铁——含硼元素;作为原材料的废砂——含硼元素;作为原材料的矿渣——含氯元素;作为原材料的粉煤灰——含氯元素;废油燃烧——含氯、镍元素;聚氯乙烯燃烧——含氯元素;轮胎燃烧——含镍元素;废弃燃料——含镍和氯元素;废燃料——含镍元素;石油焦碳——含镍元素。3.4材料的废砂和影响原料最后,由于包含2.4确定的元素,所述下列废弃物可能有助于解决凝结时间过长的问题:作为原材料的废铁——含硼、钛元素;作为原材料的废砂——含硼、磷、锆元素;掺入成品粉磨时掺入的磷石膏——含磷元素;作为原材料的矿渣——含磷、钛、锌元素;作为原材料的粉煤灰—含砷、铜元素;废弃燃料燃烧——含钛、磷、锌元素;轮胎燃烧——含锌、铜元素;废油燃烧——含锌、砷、铜元素。4对特定产品工艺的应用显而易见地,在任何给定水泥厂中,以上四个质量问题中的任何一个都有无数个潜在的根源。正是因为如此,我们只是解决问题而不是寻找问题的根源。无论如何,即使我们在生产过程中能够确定一种或多种废弃物所含的某种微量元素为罪魁祸首,但利用废弃物背后的经济效益要求以其他方式解决质量问题而不是停止使用废弃物,因此,继续利用废弃物最终要占主流,这就需要寻找解决该问题的其他方法。关于强度降低问题(早期或后期),通过增加勃氏比表面积来解决该问题。该方法又引起另外的负面影响,如水泥细度的提高必然使需水量增大,降低混凝土强度。另外勃氏比表面积的增大也是有限的,勃氏比表面积最大为ASSHTO4000cm对于上述四个问题的解决方法是要在能保证磨机产量的前提下,促进最大设备能力的利用且促进各种废弃物的利用,即使由此引入的元素可能威胁水泥质量。一种可选方法是在水泥粉磨过程中掺加外加剂,其目的是减少或消除上文提到的负面质量影响。具有70年发展历史的,以特殊设计帮助解决水泥质量问题、提高水泥质量而著名的格雷斯的研究和发展规划,已经涵盖了解决水泥质量问题的全系列的配方设计。除了具有普通助磨剂的要求的功能(增加流动性和颗粒分散控制)之外,已经开发了致力于解决混凝土强度降低、凝结时间控制和混凝土需水量问题的下列化学品:早期和后期强度问题——CBA,TDA,ESE等;延长凝结时间——RDA等;缩短凝结时间——TDA等;减少需水量——TDA等。每组化学品都代表一系列满足特定需求水泥的相关配方。有一些配方是针对具有特定生产工艺的水泥厂的特定配方。为此,需要在试验阶段确定不同剂量化学外加剂的效果,为特定水泥厂的水泥反复寻找最合适的配方。这种方法需要很长时间的合作才能找到最佳配方。5直接成本的解决方法废弃物的利用有助于节约水泥生产的吨成本,有必要把利用废弃物所节约的成本部分回用于解决伴随而来的质量问题,正如上文所述,经常使用的补救措施如增加勃氏比表面积会不可抑制地提高成本,具有明显的缺陷,是一种代价昂贵的解决方法。另外一种可选择的方法是添加水泥外加剂,每吨水泥的直接成本的增加在0.30～2.00美元之间。一般而言,这个成本低于传统的解决方法。在成本相同情况下添加CBA28d抗压强度比普通助磨剂增加7.2kPa,当在磨机产量的控制值和试验值均为130t/d的磨机上加入0.025%固定剂量的CBA助磨剂时,年产100万t水泥厂的CBA助磨剂成本为175000美元,折合每吨水泥约0.18美元。我们的研究表明,当把勃氏比表面积增加到401m通过比较可以看出,添加CBA助磨剂的方法不仅可以增加28d抗压强度,而且每年还将节省361450-175000=186450美元,折合成吨水泥成本降低0.186美元。6化学外加剂水泥行业利用废弃物的迅速发展归功于:一方面需要寻找可靠的处理废弃物途径,另一方面对水泥制造商来说存在有经济优势。然而,这些物资的利用将引入对水泥质量参数有负面影响的微量元素,迫使制造商拿出由于利用废弃物节约的部分成本来减轻质量