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电解铝工业固体废弃物在白水泥生产中的应用
电解铝工业固体废弃物在白水泥生产中的应用
我国电解铝行业发展迅猛, 电解铝产量自2006年的919万t增加至2015年的3 141万t, 增长了约2.4倍, 每年产生的固体废弃物 (以下称为“固废”) 约为60万t, 并有大量的累积堆存。现有技术条件下, 电解铝厂大多采用露天堆放或直接土壤填埋的方法处理电解铝固体废弃物, 不仅占用了大量土地, 而且其含有的可溶性氟化物、氰化物还会随雨水流入江河, 渗入地下污染土壤和地下水、地表水, 对周围生态环境、人类健康和动植物生长造成极大危害。因此, 必须依靠科技进步开展电解铝固废的无害化处理技术研究。当前, 有对电解铝工业固废在水泥窑中进行煅烧的实验, 利用水泥窑中反应温度高、停留时间长的特点, 使电解铝工业固废中的有害杂质在高温的环境中进行分解置换, 并最终固化在水泥熟料中。我公司在生产白色硅酸盐水泥熟料时, 其生产原料之一的铝矾土购自贵州, 在国家环保治理的严要求下, 铝矾土开采受限导致货源紧缺, 价格高。为减少对天然资源的依赖, 降低生产成本, 节约资源, 我公司对电解铝工业废弃物铝渣的资源回收与综合利用进行了研究和实践, 本文对此进行总结介绍。我们对多家电解铝生产线的工业固废铝渣进行了取样分析, 见表1。因电解铝废渣在本公司主要用于白色硅酸盐水泥的生产, 故检测分析重点关注指标为Al2O3、Fe2O3、SO3和Mg O的含量。从表1可以看出, 样品1和样品2中的Al2O3和Si O2含量相对较低, 相应其他杂质较多, 而样品3和样品4中的Al2O3和Si O2含量相对较高, 相应其他杂质较少。为使废铝渣得到充分利用, 将上述4个样品分类合并为A样 (样品1+样品2) 和B样 (样品3+样品4) 进行配料实验, 分类后其化学成分如表2所示。白水泥生产的原材料主要包括石灰石、硅质及铝质材料, 因考虑到白色硅酸盐水泥白度高的特点, 原材料中铁及其他着色元素的含量要低, 公司根据实际情况, 钙质原料选取优质石灰石、硅质原料选取矽砂, 铝质使用铝矾土和上述铝渣进行实验。所选原材料化学成分如表3所示。
白水泥的生产工艺及矿物组成与普通硅酸盐水泥大致相似, 结合白水泥白度高、强度高的要求, 设计配料率值:KH=0.95±0.02, SM=6.0±0.3, 生料中Al2O3含量= (2.4±0.1) %。根据铝质原材料的不同搭配, 设计配料方案如表4所示, 其生料成分如表5所示。
将上述按湿基配比的生料混合均匀后用烘箱烘干, 用小磨磨细至0.08 mm筛余量≤8%, 然后将样品分别用高温炉在1 450℃下煅烧30 min, 取出后直接浸入冷水中, 待温度降至100℃以下时, 将水倒掉, 迅速烘干, 再用小磨磨细至比表面积320~350 m2/kg。将细磨后的熟料粉进行化学成分及矿物组成的分析, 分析结果如表6所示;并检测其物理性能, 结果如表7所示。
从表6、表7发现, 无论是熟料的白度还是强度及其他物理性能其变化不太明显, 上述5种配料方案均能满足白水泥生产要求, 因此使用电解铝工业废铝渣替代铝矾土是可行的。
为了能消纳多类型的电解铝工业固废铝渣, 考虑铝矾土的短缺及价格昂贵, 采用5号方案用于实际生产。将石灰石、矽砂、铝渣按上述配比通过计量秤送入立磨中磨制生料, 出磨生料细度控制在0.08 mm筛余≤8%, 进入均化库后通过计量秤送入预分解窑中进行煅烧。
由于电解铝工业废渣中杂质较多, 包括F-、Na+等, 对窑内煅烧产生不良影响, 这些杂质造成窑内液相量的提早出现, 导致预热器下料口的堵塞, 及窑内结皮结圈, 窑皮不断增厚, 且该窑皮硬度高不易烧掉, 使得窑内空间越来越小, 影响窑内通风, 形成恶性循环, 最终造成窑内结蛋, 结死, 需停窑处理。白水泥生产中Al2O3的含量高, 液相粘度大, 熟料中C3A的含量也高, 对早强有利, 但影响C3S生成, 而C3S同样对早强有利, 且是熟料的主要强度矿物组成, 因此过高的Al2O3含量反而会对熟料强度造成不利影响。(1) 适当降低Al2O3的含量, 可减少C3A的生成, 但C3A是有利于熟料白度的, 因此Al2O3的含量亦不能控制过低;相对未使用电解废铝渣配料, 适当提高硅率, 减少溶剂矿物, 有利于熟料强度, 同时降低液相量, 可有效控制结皮结圈。(2) 降低C1筒出口、分解炉及烟室温度, 防止液相的提早出现, 有效控制下料管堵塞等。(3) 提高窑速, 降低料层, 减少窑内填充率, 提高物料通过速度。(4) 增强火焰力度, 烧成带前移, 采用猛火煅烧, 使生料快速熔融后再急速冷却, 得到的熟料颗粒均齐, 以免出现大颗粒或粉尘, 从而影响熟料白度。(5) 将5号方案进行优化, 生料配料按饱和比KH=0.95±0.02 (偏上限控制) , SM=6.3±0.3, 生料中Al2O3含量= (2.3±0.1) %, 再次进行工业生产。其入窑生料化学成分分析如表8所示。(6) 对窑系统工艺参数进行适当调整, 调整指标如表9所示。按上述表9调整后的工艺指标进行煅烧, 出窑熟料采用漂白机喷水漂白, 漂白机漂白与水淬相比, 其高温熟料在急冷的过程中与空气接触的时间要长, 氧化程度要高, 故白度有所损失。所得熟料化学成分及矿物组成的分析如表10所示, 熟料物理性能送国家水泥质量监督检验中心检测, 结果如表11中熟料检测值。将上述白水泥熟料掺加高白度混合材与石膏按国家标准混合后进行磨制, 生产出P·W32.5白色硅酸盐水泥, 通过国家水泥质量监督检验中心检测, 其物理性能均优于国家标准, 见表11中P·W32.5检测值。
(1) 电解铝工业固废铝渣其主要化学成分与铝矾土相似, 满足白水泥熟料生产的基本条件, 可替代价格昂贵且资源紧缺的铝矾土。不仅节约不可再生资源, 且降低生产成本。(2) 铝渣中的有害杂质对大窑的煅烧产生不利影响, 通过采取相应的技术措施可有效解决, 为同行提供了生产实践经验。(3) 电解铝工业固废铝渣为有害有毒物品, 通过在水泥窑中的高温煅烧及置换反应, 可有效消除其危害性能, 为固废处理提供了生产实践依据。
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