CN112694272A - 利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料及制备方法。该材料包括：30‑50质量份硅酸盐水泥熟料，25‑50质量份煤矸石电厂灰，5‑15质量份炉底渣，5‑12.5质量份石灰石，2.5‑5质量份石膏和在炉底渣中占比0.5wt％的改性剂。制备方法包括：1)按照原料质量比例取料；2)将步骤1)取得的硅酸盐水泥熟料、石灰石和石膏，共同粉磨至比表面积300‑400m²/kg；3)将步骤1)取得的炉底渣和改性剂混匀，粉磨至比表面积350‑550m²/kg；4)将步骤1)取得的煤矸石电厂灰和步骤2)与步骤3)所得磨细粉体混合均匀，即得低碳高强胶凝材料。

Description

利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料及制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料及制备方法。

背景技术

水泥，特别是硅酸盐水泥，是广泛应用于建筑、桥梁、水利和国防领域的混凝土及水泥砂浆材料的主要胶凝材料，近几年我国水泥的产量均在20亿吨以上，水泥产量和消费量仍处于稳中有升阶段。水泥工业碳排放占我国工业部门总碳排放量的15％左右，节能减排的压力巨大。大力发展低能耗、低排放的低碳胶凝材料是水泥行业的发展方向，也是应对气候变化、努力实现2060年碳中和目标的重要举措。统计资料显示，水泥产品的碳排放主要来源于熟料生产过程中的二氧化碳排放，设法降低水泥产品中的熟料用量是实现水泥工业减排的有效途径。利用煤矸石电厂固废制备的防火水泥基发泡保温板及方法

我国北方地区煤炭资源丰富，煤矿混采以及洗选工艺每年产生煤矸石排放量高达3000万吨以上，已经废弃填埋的矸石储量远超亿吨。利用较低热值的含煤矸石进行燃烧发电，是煤电行业处理矸石固废的主要手段。然而煤矸石不同于常规燃煤电厂使用的优质煤，其非煤组分含量高，燃烧后仍然会产生大量的电厂灰和炉底渣等新固废，现有技术难以大规模利用。

将煤矸石电厂固废利用与水泥行业碳减排结合是实现固废资源化利用、打造绿色工厂、促进行业节能减排和低碳排放的先进方法，同时可以降低水泥制造成本，具有显著的经济和社会效益。目前利用水泥行业的庞大体量消纳煤矸石电厂固废已有一些应用案例，但仍存在以下问题：

(1)将煤矸石电厂固废作为铝硅质原料配入水泥生料共同煅烧熟料，可实现吨熟料消纳上述固废约0.2～0.25吨。该方法可实现一定量的固废处置，但处置量仍偏低，且对降低水泥产品的碳排放强度没有帮助。

(2)将煤矸石电厂固废磨细后作为混合材替代熟料生产水泥，可实现吨水泥消纳上述固废约0.1～0.15吨。由于煤矸石电厂灰和炉底渣的自身缺陷，过量掺入水泥必然造成水泥强度和工作性的显著降低，限制了其在水泥中的添加量，导致该方法的实际固废处置量和碳减排潜力均不足。

(3)将煤矸石电厂固废与石膏和生石灰混合磨细后制成石灰水泥或石灰砂浆，可实现吨产品消纳上述固废量超过0.50吨，具有较高的单位产品固废处置量。但是，石灰水泥的强度通常较低，一般仅能达到32.5强度等级，同时该类产品早期水化剧烈，只能用于外墙抹灰等非结构用途，不能替代常规硅酸盐水泥，限制了该方法的规模化应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的第一目的在于提供了一种利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料及其制备方法，具有工艺简单，适于工业化生产等特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料，该材料以普通硅酸盐水泥熟料、煤矸石电厂灰、炉底渣和石膏为主要原料制备，具体包括：30-50质量份硅酸盐水泥熟料，25-50 质量份煤矸石电厂灰，5-15质量份炉底渣，5-12.5质量份石灰石，2.5-5质量份石膏和在炉底渣中占比0.5wt％的改性剂。

优选的，所述煤矸石电厂灰为含煤矸石经电厂锅炉燃烧后，在烟囱收集下来的飞灰，成分要求为：25％≤Al₂O₃≤40％，CaO≤10％，烧失量≤10％；优选的，飞灰细度要求为比表面积600～750m²/kg。

优选的，所述炉底渣为含煤矸石经电厂锅炉燃烧后，锅炉底部所剩的灰渣，成分要求为 10％≤Al₂O₃≤25％，10％≤CaO≤25％，烧失量≤10％。

优选的，所述石灰石的特点为：25％≤CaO≤47％，烧失量≥35％。

优选的，所述的改性剂包括硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸锌或硬脂酸钡中的任意一种或至少两种的组合。

上述方案是从各组分原材料的自身特性出发，通过合理改性和技术手段，在保证较高的胶凝材料较高抗压强度的基础上提高固废掺量、降低熟料用量，本发明的低碳胶凝材料中熟料占比最低仅有30％，固废利用率最高可达60％，单位产品二氧化碳直接排放量可降低55％以上，是一种绿色低碳水泥，符合国家低碳环保发展方向，且有利于水泥和混凝土及水泥砂浆企业降本增效，具有较好的环境效应和经济效应。

本发明的第二目的在于提供了上述低碳高强胶凝材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)按照以下原料质量比例进行取料：30-50份硅酸盐水泥熟料，25-50份煤矸石电厂灰， 5-15份炉底渣，5-12.5份石灰石，2.5-5份石膏和在炉底渣中占比0.5wt％的改性剂；

2)将步骤1)取得的硅酸盐水泥熟料、石灰石和石膏，共同粉磨至比表面积300-400m²/kg；

3)将步骤1)取得的炉底渣和改性剂混匀，粉磨至比表面积350-550m²/kg；

4)将步骤1)取得的煤矸石电厂灰和步骤2)与步骤3)所得磨细粉体混合均匀，即得所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明利用改性剂对炉底渣进行超细粉磨，一方面改变其颗粒表面微观结构，降低需水量，减少其掺入胶凝材料后对工作性的不利影响；另一方面，炉底渣由于高温过烧，活性偏低，超细粉磨不仅可以提高其活性，还可以提高其颗粒填充效应，促进熟料的水化反应和飞灰的火山灰反应，密实水泥基体。

2、本发明通过胶凝材料粉体加工和级配控制机理研究形成突破，以熟料粉、石粉、磨细炉底渣粉和飞灰为四级粉体原料，利用最紧密堆积原理和Andreasen最紧密堆曲线优化胶凝材料产品粒度分布，密实基体，细化孔隙结构，形成密实基体从而保证强度。

3、本发明通过上述两个手段在保证产品28天抗压强度高于42.5MPa的前提下，将熟料用量最低降低至30％，一方面实现了煤矸石电厂固废的大比例消纳(单位产品最高可消纳固废60％)，另一方面由于熟料用量低，从而显著降低了单位产品的直接碳排放强度，该技术为煤电行业大规模消纳煤矸石电厂固废和水泥行业低碳排放提供了一个行之有效的方法，同时可以降低胶凝材料的制造成本。以一条年产900万吨水泥生产线为例，应用本发明技术，可实现年均消纳煤矸石电厂固废540万吨，减排二氧化碳直接排放量360万吨以上，节约成本9亿元，或年均可增产相当于P.C 42.5等级水泥1500万吨，创造产值60亿元，因此本发明具有显著的经济和社会效益。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

实施方案1

所用硅酸盐水泥熟料、煤矸石电厂灰、炉底渣石灰石和石膏成分见表1，本实施例中低碳高强胶凝材料的组成配比见表2：

表1原材料成分

原料	Loss	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	MgO	SO<sub>3</sub>	K<sub>2</sub>O	Na<sub>2</sub>O	TiO<sub>2</sub>	Total
												熟料1	0.33	23.16	5.21	3.31	63.31	2.92	0.62	0.64	0.13	0.00	99.65
煤矸石电厂灰1	7.02	43.41	39.88	2.02	3.40	0.98	0.07	0.86	0.20	1.63	99.47
												炉底渣1	6.90	46.43	24.70	3.20	11.49	1.39	4.20	0.71	0.13	0.80	99.95
石灰石1	36.38	13.06	0.58	0.24	46.02	1.01	0.52	0.13	0.02	1.80	99.76
												脱硫石膏	21.39	6.66	2.22	0.83	29.32	1.82	38.04	0.44	0.11	0.10	100.98

表2低碳高强胶凝材料的组成配比

低碳高强胶凝材料的组成配比的制备方法包括：按表2所列配比，将熟料1、石灰石1 和脱硫石膏共同粉磨至比表面积310～330m²/kg，将炉底渣1和0.5％质量比的工业硬脂酸钙混匀粉磨至比表面积370～390m²/kg，将前述两种粉体与煤矸石电厂灰1(实测比表面积为662 m²/kg)按配比混匀，得到所述低碳高强胶凝材料，按照GBT 17671测试样品的胶砂强度，按照GBT 2419测试样品的胶砂流动度，测试结果列于表3。

表3低碳高强胶凝材料的性能

上述数据表明，本发明的低碳高强胶凝材料，采用不同组分配比，由实施例1至3，可实现产品熟料掺量由50％至40％，28天强度对应达到62.5和52.5强度等级要求；实施例3与对比例1相比，本发明的低碳高强胶凝材料仅掺入40％的熟料即可与95％熟料的I型硅酸盐水泥具有相当的28天强度，熟料用量降低55％，即可估算单位水泥产品的直接碳排放量降低 55％，表现出对现有传统水泥碳减排潜力的提升。

实施方案2

所用硅酸盐水泥熟料、煤矸石电厂灰、炉底渣石灰石和石膏成分见表4，本实施例中低碳高强胶凝材料的组成配比见表5：

表4原材料成分

表5低碳高强胶凝材料的组成配比

按表5所列实施例配比，将熟料2、石灰石2和硬石膏共同粉磨至比表面积360～380m²/kg，将炉底渣2和0.5％质量比的工业硬脂酸镁混匀粉磨至比表面积460～480m²/kg，将前述两种粉体与煤矸石电厂灰2(实测比表面积696m²/kg)按配比混匀，得到所述低碳高强胶凝材料，按照GBT 17671测试样品的胶砂强度，按照GBT 2419测试样品的胶砂流动度，测试结果列于表6。

表6低碳高强胶凝材料的性能

上述数据表明，本发明的低碳高强胶凝材料，采用不同组分配比，由实施例4至6，可实现产品熟料掺量由50％至30％，28天抗压强度对应达到62.5和42.5强度等级要求；实施例4与对比例2相比，体现改性剂的作用，通过改性剂和颗粒粉磨降低炉底渣的需水量，使得相同水泥组分的实施例4较对比例2的胶砂流动度显著提高，保证了产品的工作性；由实施例6，煤矸石电厂固废总掺量达到60％，熟料用量降至30％时，28天强度仍可达到42.5强度等级要求，本发明高固废消纳能力和高强度性能的特点，表现出对现有传统材料强度性能的提升。

本发明的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料可以在保证材料强度性能和工作性的同时，显著提高煤矸石固废的消纳能力，单位产品固废利用率最高可达到60％，同时显著降低单位产品的直接碳排放强度，是一种绿色环保的新型胶凝材料。该产品在使用上与现行普通硅酸盐水泥没有区别，不需要改变混凝土或砂浆产品的生产工艺和搅拌设备，具有很好的应用前景、经济效益和环境社会效益。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料，其特征在于：该材料以普通硅酸盐水泥熟料、煤矸石电厂灰、炉底渣和石膏为主要原料制备，具体包括：30-50质量份硅酸盐水泥熟料，25-50质量份煤矸石电厂灰，5-15质量份炉底渣，5-12.5质量份石灰石，2.5-5质量份石膏和在炉底渣中占比0.5wt％的改性剂。

2.如权利要求1所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料，其特征在于：所述煤矸石电厂灰为含煤矸石经电厂锅炉燃烧后，在烟囱收集下来的飞灰，成分要求为：25％≤Al₂O₃≤40％，CaO≤10％，烧失量≤10％。

3.如权利要求1所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料，其特征在于：所述煤矸石电厂灰的细度要求为比表面积600～750m²/kg。

4.如权利要求1所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料，其特征在于：所述炉底渣为含煤矸石经电厂锅炉燃烧后，锅炉底部所剩的灰渣，成分要求为10％≤Al₂O₃≤25％，10％≤CaO≤25％，烧失量≤10％。

5.如权利要求1所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料，其特征在于：所述石灰石的特点为：25％≤CaO≤47％，烧失量≥35％。

6.如权利要求1所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料，其特征在于：所述改性剂包括硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸锌或硬脂酸钡中的任意一种或至少两种的组合。

7.如权利要求1至6任一项所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)按照以下原料质量比例进行取料：30-50份硅酸盐水泥熟料，25-50份煤矸石电厂灰，5-15份炉底渣，5-12.5份石灰石，2.5-5份石膏和在炉底渣中占比0.5wt％的改性剂；

2)将步骤1)取得的硅酸盐水泥熟料、石灰石和石膏，共同粉磨至比表面积300-400m²/kg；

3)将步骤1)取得的炉底渣和改性剂混匀，粉磨至比表面积350-550m²/kg；

4)将步骤1)取得的煤矸石电厂灰和步骤2)与步骤3)所得磨细粉体混合均匀，即得所述的利用煤矸石电厂固废制备的低碳高强胶凝材料。