利用5000t/d水泥窑处理纸厂废渣的研究应用

0　引言

　　白泥是造纸厂在碱回收过程中苛化阶段产生的一种废渣，其主要成分是CaCO3，外观为灰白色，无异味。目前，国内外的大中型硫酸盐纸浆厂普遍采用将洗涤后的白泥用回转窑煅烧生产石灰的处置方法。然而煅烧白泥需采用重油、天然气等优质燃料，同时要求白泥回转窑具有较高的性能，操作控制复杂，生产能力较低，烧制石灰成本较高。因此，许多工厂即使有此煅烧处理设备，也会部分外购石灰，而将白泥部分或全部排放，对环境造成严重污染[1]。

　　利用白泥代替石灰石生产普通硅酸盐水泥是白泥综合利用中取得的较为成功的经验之一[2-3]，大量使用白泥不仅可以解决二次污染,而且可以减轻烧制水泥时对石灰石原料的需求，节约资源，但需对水泥生产工艺及配方做一定的调整。驻马店市白云纸业有限公司机制纸年产能30万吨，制浆采用碱法麦草浆连续蒸煮工艺。黑液经碱回收处理后，日产干基白泥约80t。为保护环境，合理利用和节约资源，减少固废污染，自2012年开始，我公司对以白泥配料生产水泥熟料进行了试验和研究，后大量应用到工业窑炉生产中，取得了较好的效果。

1　实验室试验

1.1　原材料与熟料组分设计

　　1)白泥

　　白泥取自驻马店市白云纸业有限公司，其化学成分及重金属含量见表1。

表1　白泥化学成分及重金属含量

　　由表1可看出，白泥中的CaO含量为42.7%，SiO2含量为7.82%，可为烧制熟料提供钙质和硅质原料；白泥中R2O含量为1.3%，当替代石灰石的比例较高时需考虑碱含量对窑炉连续安全运转及水泥耐久性的影响。白泥含水量在45%左右，处置过程需考虑其堆放与输送。白泥中含有一定量的N、P和微量的重金属，几乎不存在有机杂质[4]。

　　2）实验室制备硅酸盐水泥熟料采用的工业原料有：白泥、黏土、砂岩、转炉渣、石灰石、粉煤灰等，各原料主要化学成分见表2。选取熟料率值：KH=0.89±0.02，n=2.6±0.1，P=1.65±0.1。

表2　原料化学成分　　% 

1.2　生料制备

　　将各原料烘干后按表3中设定配合比混匀，在试验小磨机中磨细，细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于15%，制得试验生料。其化学成分见表4。将所制备的生料加水拌合，制得Φ60mm×8mm的料饼，烘干，备烧。

表3　生料配料方案　 %

表4　生料化学成分和熟料率值

1.3　熟料煅烧及水泥制备

　　将试样料饼在硅钼棒电炉中煅烧，煅烧条件为1450℃煅烧50min，炉内降温至1300℃取出，急冷至室温，制得熟料。熟料化学成分、率值及矿物组成见表5。

表5　试验水泥熟料化学成分、率值和矿物组成

1.4　白泥配料烧制熟料的微观结构及物理性能

1.4.1　试验方法

　　1）熟料的粉磨：将试验熟料在Ф500mm×500mm标准小磨中与二水石膏一起磨细至比表面积（350±10）m2/kg，0.08mm筛余不大于4%，制成P·I型硅酸盐水泥后进行试验，水泥中SO3含量在2.0%~2.5%范围内。

　　2）凝结时间及安定性：按GB/T1346—2011规定进行检验。

　　3）将试样按水灰比0.30加水，成型20mm×20mm×20mm净浆试体，标准条件养护，分别测定其3d、7d、28d龄期的抗压强度；用S-2500型扫描电子显微镜和反光显微镜观察水化产物的形貌。

1.4.2　试验结果分析及讨论

　　1）实验室烧制熟料的物理性能见表6。

表6　熟料的物理性能

从表6中可看出，掺白泥烧制的熟料与不掺白泥烧制的熟料相比，在熟料率值基本不变的情况下，标准稠度用水量、凝结时间、抗折强度、抗压强度相近，掺白泥对熟料物理性能基本没有影响。

　　2）白泥配料烧制的水泥熟料的SEM照片

　　图1是白泥配料烧制的水泥熟料的SEM图片。

图1　B熟料的SEM照片

　　由图1可见，阿利特和贝利特矿物结晶良好，轮廓清晰。阿利特矿物含量在50%~60%，多数呈完整的六方板状，大小在20~50μm之间；贝利特相约占10%~20%，尺寸在30~40μm之间，为近乎球形的颗粒；中间相填充在阿利特和贝利特晶粒之间，连接较好，孔隙较少。

　　3）不同水化龄期浆体的SEM照片

图2　不同水化龄期浆体的SEM照片

　　图2是掺白泥烧制熟料的水泥浆体不同水化龄期的SEM照片。

　　由图2可知，水化3d的水化产物主要为C-S-H凝胶、AFt以及板状Ca(OH)2，此时浆体结构较疏松，孔隙率较大；随水化龄期的增长，生成的C-S-H凝胶量进一步增加，结构更加紧密；水化28d后，生成的C-S-H凝胶与针状AFt晶体交错搭接，使结构变得密实[5-6]。其水化过程与不掺白泥的硅酸盐水泥熟料的水化过程基本一致。

2　白泥在实际工业窑炉中的试验和应用

　　由于白泥水分含量高，故我公司在矿山石灰石破碎机南侧低洼空地处建设一座30m×70m的白泥封闭堆棚。白泥由汽车直接运至堆棚内，白泥由铲车喂入料仓内，经计量后输送到石灰石破碎机下料口处。再经石灰石皮带输送到公司石灰石预均化堆棚进行生料配料粉磨。

　　根据日产熟料与白泥废料的数量比例，2012年9～11月我公司进行了白泥工业窑炉试验，熟料率值为KH=0.89±0.02，n=2.6±0.1，P=1.55±0.1，与未协同处置白泥时的控制指标相同。工业试验期间的生料配比、熟料成分、熟料物理性能及使用前后的废气环保检测数据如表7~11所示。

表7　生料配料中各原料的配比　%

表8　熟料成分分析　　%

表9 　熟料物理性能

表10　使用前后废气排放检测结果对比　　mg/Nm3

表11　熟料重金属离子溶出量的测试分析　　mg/L

通过以上的数据可以看出：该条件下白泥用于替代少量石灰石进行生料配料，对熟料的煅烧和质量没有造成不利影响；在线检测仪的检测数据表明，煅烧过程中产生的废气污染物含量正常，满足GB4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》的要求；原材料带入有机物在熟料高温煅烧时彻底分解，微量重金属等有害物经过回转窑高温煅烧后大部分被固化在熟料矿物的晶体结构中，形成不溶解的矿物质，浸出率很小，极限溶出浸出液能够满足Ⅲ类地表水标准。研究表明，微量元素存在，能不同程度地降低液相黏度的表面张力，有利于水泥熟料的烧成，并且重金属元素在水泥熟料中的固化率非常高[7]，不会造成环境污染。

　　2012年开始在我公司5000t/d水泥熟料生产线进行试验，回转窑规格Φ4.8m×72m，生料磨为德国伯利休斯公司的RMR57/28/55立磨，CLM2120煤磨，2012年试验期间处置用白泥0.67万吨。2013年1月开始正常使用，2013年共处置白泥3.88万吨。2014年白泥的处置量达7.1万吨，到2015年4月底已经处置白泥12.9万吨。期间未因处置白泥对熟料煅烧及水泥产品质量产生不利影响，尾气排放完全达到国家相关排放标准。因此，将白泥应用于水泥工业窑炉，不但处理了白云纸业产生的白泥，为我公司节约了矿山资源，也节省了废渣处理费用，保护了环境。

3　结论

　　1)纸厂白泥可以部分代替石灰石配料用于水泥熟料的生产。

　　2)在不改变熟料矿物组成的条件下，利用水泥回转窑处理纸厂白泥，对熟料性能没有产生不利影响，环境排放指标也符合国家标准要求。该处置方式实现了白泥固废处理的减量化、资源化和无害化，且不会产生二次污染。

作者：韩红政

作者单位：驻马店市豫龙同力水泥有限公司

文章摘自《水泥》杂志2015年第10期