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废弃资源在水泥与水泥制品中的综合利用

工业固体废弃物在中国水泥与水泥制品行业中的综合应用主要有两方面。一是某些废弃物含有SiO2或其他有用组分,可以利用这些废弃物代替相应的原料来烧制熟料;二是作辅助性胶凝材料或混合材部分代替熟料来配制水泥,制备水泥混凝土制品,间接地节约资源和能源、减少污染。

  (一)工业固体废弃物作水泥工业的替代原料

  水泥熟料的主要成分有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等,含有这些成分的废弃物就可以部分地代替原材料。例如,如图1所示,污水处理厂污泥灰(WPSA)、下水道污泥灰(PSSA)等含有较多SiO2的废弃物就可以代替硅质原料,含有较多Al2O3的工业废水污泥灰(IWSA)可以作为铝质原料。

  
  根据中国工业实际,替代原料主要有炼铁工业的渣滓、炼铝工业的赤泥、陶瓷及粘土工业的边角料、污水处理工业的滤泥、垃圾焚烧工业的焚烧灰和石灰工业的废料等。这些废弃物的再利用不但回收了宝贵的Al2O3、 Fe2O3,还降低了SO2、NOx等有害气体的排放。

  实践表明,可替代原料的应用有以下五个注意事项:一是要根据中国工业实际、行业规范和国家法律适当选择废弃物作为可替代原料;二是配制生料时,常因被替代组分的不足而需要补充,即可替代原料一般只能部分地代替原材料;三是对熟料烧制过程要进行实时监控,确保不会影响熟料质量和不产生额外的环境污染;四是对服役过程进行跟踪监控,确保使用过程安全。此外,在工艺上,还需注意作为代用原料的废弃物由于化学成分不稳定,离散性大。如何得到成分均匀、质量稳定的入窑生料是整个工序的关键,所以应加强原料的预均化和生料的均化,使废弃物成分波动在允许的范围内。在上述工业废弃物的资源化利用方面,应用企业都结合本地现有条件进行利用生产。
 (二)工业固体废弃物作混合材

  通常认为,水泥熟料的制造是非常昂贵的,且不利于生态。然而,利用废弃物作为混合材生产复合水泥不但减少了熟料的使用量,而且还变废为宝。在中国,复合水泥已成为水泥行业消纳废弃物的龙头。根据2003年全国水泥产量和水泥熟料产量测算,混合材约占水泥产量的23.6%,其中若80%为各类工业固体废弃物,则废弃物用量超过1.6亿吨。加上生料中约4000万吨,共计约2亿吨。其中估计:利用矿渣约7000万吨,粉煤灰约600万吨,煤矸石约400万吨,其他各类废弃物约1.2亿吨。展望未来,我们可以大胆地预言,如果更多地使用复合水泥,我们将不必增加波特兰水泥的产量就可以满足未来日益增长的需求[2]。

  目前,中国混合材应用比较普遍的是粒化高炉矿渣和粉煤灰。尽管制备混合材也要耗费一定的能量,但制造复合水泥的能量消耗总量仍然小于波特兰水泥的。例如,粒化高炉矿渣的制备就要在运输、干燥和粉磨过程中消耗额外的能量,但矿渣复合水泥的能量消耗总量仍比波特兰水泥的低4%。把这些废弃物用着混合材不但节约了能源和资源,还减少了温室气体的排放。如掺有30%粉煤灰的复合水泥,与相当标号的普通波特兰水泥相比,制造过程CO2排放量减少了17%。另外,复合水泥优良而多样的性能也为混凝土生产商根据用途而选择水泥类型提供了方便。如生产高强度行车路面砖,虽然可选用42.5和52.5的波特兰水泥,但选用同标号的复合水泥不仅不影响耐磨性和最终强度,还能改善产品的形态稳定性。因此,将废弃物运用于制备复合水泥绝对称得上是中国废物综合利用的典范。

  虽然中国在上述废弃物的综合利用方面已经取得了相当显著的成果,但仍然存在着如下三个问题[3 _ 5]:一是掺入的量多半在35%以下且强度不高,甚至低于32.5MPa;二是为了提高早期强度,往往加入过多的活化剂,通常多达3-7%,大大超过了1%的国家标准;三是水泥厂并没有考虑材料硬度的差别,往往将混合材和熟料一起粉磨,这一方面又增加了无谓的能源浪费。

  (三) 工业固体废弃物在水泥混凝土制品中的应用
 
  利用工业废渣生产水泥混凝土制品也是中国废弃物资源化的另一条主要途径。中国已经成功地利用粉煤灰、矿渣、建筑拉圾、自燃煤矸石等工业固体废弃物生产普通混凝土小砌块、轻骨料混凝土小砌块和加气混凝土砌块。尤其是加气混凝土砌块,不但质轻,而且废物利用量大,已经广泛应用于墙体砌筑。例如,中国目前生产一立方密度为600kg/m3的加气混凝土,可利用粉煤灰420Kg。另外,值得注意的是在中国除了适用作水泥混合材和混凝土活性掺合料的工业固体废弃物外,还剩有大量低活性和非活性的废弃物[6]。为了促进粉煤灰的进一步利用,中国于2000年实施了《粉煤灰小型空心砌块》(JC-862-2000),这使得粉煤灰小型空心砌块正式成为除普通混凝土小砌块、轻骨料混凝土小砌块和加气混凝土砌块外的一个新品种,大力促进了这部分粉煤灰的综合利用。

  利用工业固体废弃物作矿物磨细掺合料与硅酸盐水泥复合配制高性能混凝土,在中国获得了非常显著的进步。利用矿物磨细掺合料来配制高性能混凝土有诸多优点,不但可以通过调整掺合料和水泥的比例直接生产出工程要求的混凝土,还能使掺合料充分发挥其水硬活性,使混凝土具有高耐久性、高工作性、高强度等特性[7]。以磨细高炉矿渣为例,将其磨细至350m2/Kg以上,作为辅助性胶凝材料,等量替代水泥,在混凝土拌合时直接加入混凝土中,就可以改善新拌及硬化混凝土的性能。在中国,用于生产制备高性能混凝土的磨细矿渣粉分为三个等级,其比表面积分别是350m2/Kg、550m2/Kg和750m2/Kg,以满足生产不同标号的混凝土。目前,磨细矿渣粉在中国作为水泥混凝土用矿物掺和料,已经达到供不应求的局面。

  目前,中国的矿物磨细掺合料主要有以下四类[8]:(1)有胶凝性的。如粒化高炉矿渣;(2)有火山灰性的。如粉煤灰,硅灰;(3)同时具有胶凝性和火山灰性的。如高钙粉煤灰;(4)其他。如磨细的石灰石,石英砂。在中国,运用得最广泛的主要是粒化高炉矿渣和优质粉煤灰。中国颁布了《高强高性能混凝土矿物外加剂》(GB/T18736-2002)国家标准,以规范磨细矿物掺和料在高强高性能混凝土中的应用。

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