CN114804782A

CN114804782A - 一种利用水泥窑尾烟气制备的碳化钢渣建材制品及其方法

Info

Publication number: CN114804782A
Application number: CN202210575240.9A
Authority: CN
Inventors: 王亚丽; 孙烈; 王肇嘉; 王卉; 崔素萍; 郑永超; 李宁
Original assignee: Beijing University of Technology; Beijing Building Materials Academy of Sciences Research
Current assignee: Beijing University of Technology; Beijing Building Materials Academy of Sciences Research
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本发明涉及资源综合利用领域，尤其涉及一种利用水泥窑尾烟气制备的碳化钢渣建材制品及其方法。该方法包括：将钢渣粉、水泥、水、砂和外加剂按比例混合，在标准养护条件下进行硬化，然后在水泥窑尾废气窑内进行碳化处理，得到碳化钢渣建材制品。本发明方法利用水泥窑尾烟气对钢渣制品进行碳化处理，将钢渣转化为建筑材料制品，有效缩短了钢渣建材制品的养护周期，显著降低了水泥企业的碳排放将烟气中的CO₂变废为宝，解决了钢渣难以利用的问题，同时整个工艺流程充分利用了水泥窑尾烟气的温度，无需额外能耗，降低了碳化反应设备要求和整体成本。本发明方法制备的钢渣建材制品安定性良好且综合性能优异，拥有广泛的应用前景。

Description

一种利用水泥窑尾烟气制备的碳化钢渣建材制品及其方法

技术领域

本发明涉及资源综合利用领域，尤其涉及一种利用水泥窑尾烟气制备的碳化钢渣建材制品及其方法。

背景技术

二氧化碳排放引起的全球变暖已成为不容忽视的环境问题。在倡导节能减排的同时，如何处理大量的CO₂排放已成为当前需要克服的一大难题。因此二氧化碳的封存利用技术就显得尤为重要，到目前为止，矿物封存被认为是最安全的二氧化碳封存方法，它提供了高存储容量，并可能储存所有未来的排放。

工业固废由于易于获取且成本低廉，成为了矿物封存的首选，钢渣的化学成分和矿物组成与水泥比较相似，具有优异的碳化潜力，可作为矿物封存的载体。钢渣的化学成分主要有CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、FeO、P₂O₅。这些氧化物主要以矿物的形式存在于钢渣中，包括硅酸三钙(C₃S)，硅酸二钙(C₂S)，RO相(由MgO，FeO和MnO形成的连续固溶体)等。其中，CaO、MgO、硅酸三钙(C₃S)和硅酸二钙(C₂S)都可以和二氧化碳反应进行碳化。

钢渣由于具有复杂的矿物组成，除了硅酸三钙(C₃S)和硅酸二钙(C₂S)等主要成分之外，还含有一定量的f-CaO和f-MgO。这些物质会使得胶凝体系产生体积稳定性的问题，是限制钢渣应用的一个重要原因。将钢渣做成制品进行碳化处理可以有效的消解f-CaO和f-MgO，从而使钢渣安全的在建筑材料当中大规模使用。

除了安定性，钢渣作为胶凝材料还有早期强度低的问题，这主要是由于钢渣当中的硅酸二钙(C₂S)含量比较高，水化速度慢导致的。通过碳化的方式可以将C₂S转化为碳酸钙，有效提升早期强度。而且在胶凝体系当中，对钢渣制品进行碳化还有利于密实结构，提升耐久性。

目前已经有一些方法将碳化钢渣制成建筑材料，包括胶凝材料、混凝土骨料、混凝土预制件和砌块等。CN112430051A《钢渣-脱硫石膏-粉煤灰协同碳化制备的建材及方法》、CN109896825A一种钢渣复合碱式镁水泥建筑材料及其制备方法》和CN109437828A《一种钢渣碳化水化协同工艺》等将钢渣和其他原材料混合后进行碳化处理以制备建筑材料，但是在碳化处理的过程中需要加热加压，无疑提升了材料的成本。特别是需要加压的条件极大的增加了成本，由于加压设备价格昂贵、操作要求高，提升了对碳化设备的要求，限制了产量。目前急需解决二氧化碳排放、固废处理以及通常碳化条件苛刻、能耗高等问题并制备一种安定性良好、性能优异的钢渣建材制品。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法。本发明方法利用水泥窑尾烟气对钢渣制品进行碳化处理，将钢渣转化为建筑材料制品，有效缩短了钢渣建材制品的养护周期，显著降低了水泥企业的碳排放将烟气中的CO₂变废为宝，解决了钢渣难以利用的问题，同时整个工艺流程充分利用了水泥窑尾烟气的温度，无需额外能耗，降低了碳化反应设备要求和整体成本。所制备的钢渣建材制品安定性良好且综合性能优异，拥有广泛的应用前景。

第一方面，本发明提供的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，包括：将包含钢渣粉、水泥、水、砂和外加剂的原料按比例混合，在标准养护条件下进行硬化，然后在水泥窑尾废气窑内进行碳化，得到碳化钢渣建材制品。本发明中采用水泥窑尾烟气作为碳化的碳源，对钢渣建材制品直接进行碳化，提供了一定温度的同时还提升了碳化的效率，避免了加压的条件。同时，一些制备碳化钢渣建材制备方法往往采用压力成型的方法，再次造成了生产成本的上升，而本发明方法采用传统的浇筑成型，设备要求低，成本低，整体施工工艺流程简单。碳化处理后的钢渣建材制品力学性能优异，安定性良好，应用范围广泛。同时，碳化处理可以直接在水泥窑尾废气窑当中进行，水泥厂生产的水泥可以直接用于碳化建材的生产，减少了运输所产生的成本并且可以进一步降低碳排放。

作为优选，水泥窑尾废气窑内的水泥窑尾烟气CO₂浓度为10～30％；优选的，CO₂浓度为10～30％；所述碳化的温度为25～90℃、湿度为25～75％、养护时间为1d～7d。本发明发现采用特定的碳化条件，能够显著提高碳化钢渣建材制品的力学性能，改善安定性能。同时最大的利用了水泥窑尾烟气所具有的温度，提升了碳化的效率，避免了加压的条件，减少了生产所需成本。

进一步优选，钢渣粉30～50份、水泥50～70份、水20～60份、砂200～300份、外加剂0.5～2份。当采用上述优化原料比例可以有效协助碳化处理，进一步提升力学性能和安定性。进一步优选，所述钢渣粉为电炉钢渣、转炉钢渣或平炉钢渣，CaO含量≥30％；优选的，所述钢渣粉的含水量低于1％，比表面积为300～400m²/kg。

进一步优选，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；所述砂为天然砂或机制砂；优选的，所述砂为天然砂，细度模数为2～2.5。

进一步优选，所述外加剂包括早强剂和/或减水剂，优选为醇胺类早强剂或聚羧酸系减水剂。

作为优选，所述标准养护条件下处理时间为12h～1d，所述水泥窑尾废气窑内处理时间优选为1d～7d。本发明中，标准养护时间为12h-1d，碳化前进行适当时间的标养，有助于提升碳化效率和力学性能。

作为优选，还包括所述原料混合后，将混合料分两次加入模具中，每次装入混合料后进行振实；优选的，所述模具的尺寸为30*30*100mm～50*100*300mm。

进一步优选，本发明提供的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，包括以下步骤：

1)将钢渣烘干至含水量低于1％，粉磨至比表面积300～400m²/kg；

2)将钢渣粉30～50份、水泥50～70份、水20～60份、砂200～300份、外加剂0.5～2份进行慢速搅拌30～60s，快速搅拌90～180s；

3)将步骤2)得到的混合物分至少两次加入模具中，每次装入所述混合物后进行振实，得混合料；所述模具的尺寸优选为30*30*100mm～50*100*300mm；

4)将步骤3)得到的混合料进行标准养护12h～1d，脱模，将硬化后的预制品放入水泥窑尾废气窑内养护1d～7d，得到碳化钢渣建材制品。

本发明采用水泥窑尾烟气作为碳化碳源，一方面可以提供二氧化碳并解决水泥企业碳排放的问题，另一方面窑尾烟气的温度也可以加速碳化反应的进行。同时避免采用加压的碳化条件，降低设备需求，从而有效降低生产成本和能耗。同时采取传统的浇筑成型，设备要求低，成本低，整体施工工艺流程简单。而且整体生产流程与水泥厂相结合，在水泥厂窑尾废气窑中进行碳化处理，并可以在水泥厂就地取材，减少运输的成本和运输过程中产生的碳排放。本发明碳化处理后的钢渣建材制品7d抗压强度可达到50～60MPa，安定性良好，应用范围广泛。

第二方面，本发明提供的碳化钢渣建材制品，由所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法制得；优选的，所述碳化钢渣建材制品的7d抗压强度为50～60MPa，安定性合格。

本发明方法利用水泥窑尾烟气制备得到力学性能优异、安定性良好的钢渣建材制品，实现了大批量处理钢渣和高效吸收利用水泥厂排放的二氧化碳。

本发明的有益效果至少在于：

1)钢渣是一种难以利用的冶金工业固废，本方法可以有效的将钢渣转化为建筑材料，达到废弃物资源的高效利用，减少环境污染。而且同时还可以吸收固定二氧化碳，减少水泥企业的碳排放和环境温室效应。

2)通过碳化处理的方式可以有效去除钢渣中的f-CaO和f-MgO，解除钢渣安定性不良的问题，从而将钢渣大批量转换为可用的建筑材料。

3)采用水泥窑尾烟气进行碳化，有效提升碳化反应速率，降低反应所需条件，减少对设备的需求，极大的降低了生产成本和能耗。

4)整体生产流程与水泥厂相结合，在水泥窑尾废气窑中进行碳化处理，并可以在水泥厂就地取材，减少运输的成本和运输过程中产生的碳排放。

5)碳化处理后的钢渣建材制品7d抗压强度达到50～60MPa，安定性好，应用范围广泛。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

本发明以下实例中，钢渣采用转炉钢渣，主要化学成分为CaO(37.8％)、Fe₂O₃(29.2％)、SiO₂(11.6％)、Al₂O₃(5.9％)、MgO(10.1％)、P₂O₅(1.5％)。水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。天然河沙的细度模数为2。聚羧酸系减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司所生产的

系列聚羧酸高效减水剂。醇胺类早强剂为三乙醇胺。

本发明以下实例中，水泥窑尾废气窑内，二氧化碳浓度20～30％；温度30～80℃、湿度75％。

本发明以下实例中，抗压强度按照《水泥胶砂强度试验》GB/T17671-1999进行测试。安定性参照《水泥压蒸安定性试验方法》GB/T750-1992进行测试，具体测试方法为：按照本发明中所要求的原材料和成型方法制备两侧装有侧头、尺寸为40*40*160mm的试体；之后将该试体按照本发明中的方法进行标准养护和碳化处理；碳化处理完成后，测量试体的初始长度，并按照《水泥压蒸安定性试验方法》GB/T750-1992中所要求的测试方法对试体进行沸煮和压蒸处理；压蒸处理结束后再次对试体进行测长，并计算压蒸膨胀率。

实施例1

本实施例提供一种碳化钢渣建材制品，其制备方法如下：

步骤一：将钢渣烘干至含水量低于1％，粉磨至比表面积350m²/kg的钢渣粉；

步骤二：按照钢渣粉30份、普通硅酸盐水泥70份、水50份、天然河沙300份放入搅拌机慢速搅拌60s后，快速搅拌180s以进行充分混合；

步骤三：将混合后的混合物分两次加入模具当中，模具尺寸为40*40*160mm，每一次装入混合物需要振实；

步骤四：标准养护1d之后脱模，将硬化后的建材制品放入水泥窑尾废气窑内养护2d、6d后测试抗压强度。(碳化养护条件：二氧化碳浓度20％、温度30℃、湿度75％)。

实施例1得到的钢渣碳化建材(碳化钢渣建材制品)3d抗压强度为25.7MPa，7d抗压强度为53.3MPa，且安定性良好。

实施例2

本实施例提供一种碳化钢渣建材制品，其制备方法如下：

步骤四：标准养护1d之后脱模，将硬化后的建材制品放入水泥窑尾废气窑内养护2d、6d后测试抗压强度。(碳化养护条件：二氧化碳浓度30％、温度80℃、湿度75％)。

实施例2得到的钢渣碳化建材3d抗压强度为51.5MPa，7d抗压强度为62.7MPa，且安定性良好。

实施例3

本实施例提供一种碳化钢渣建材制品，其制备方法如下：

步骤二：按照钢渣粉30份、普通硅酸盐水泥70份、水30份、天然河沙300份、聚羧酸系减水剂0.5份放入搅拌机慢速搅拌60s后，快速搅拌180s以进行充分混合；

实施例3得到的钢渣碳化建材3d抗压强度为54.3MPa，7d抗压强度为61.3MPa，且安定性良好。

实施例4

本实施例提供一种碳化钢渣建材制品，其制备方法如下：

步骤二：按照钢渣粉30份、普通硅酸盐水泥70份、水50份、天然河沙300份、醇胺类早强剂0.5份放入搅拌机慢速搅拌60s后，快速搅拌180s以进行充分混合；

实施例4得到的钢渣碳化建材3d抗压强度为52.6MPa，7d抗压强度为55.7MPa，且安定性良好。

实施例5

采用同实施例1的方法，区别之处在于：钢渣粉(比表面积为400m²/kg)50份、普通硅酸盐水泥50份、水50份、天然河沙300份。实施例5得到的钢渣建材制品3d抗压强度为22.3MPa，7d抗压强度为41.7MPa，且安定性良好。

对比例1

步骤一：将钢渣烘干至含水量低于1％，粉磨至比表面积350m²/kg；

步骤四：标准养护1d之后脱模，将硬化后的建材制品放入标准养护箱内标准养护2d、6d后测试抗压强度。

对比例1所得到的钢渣建材制品3d抗压强度为19.2MPa，7d抗压强度为28.7MPa，安定性差。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，包括：将包含钢渣粉、水泥、水、砂和外加剂的原料按比例混合，在标准养护条件下进行硬化，然后在水泥窑尾废气窑内进行碳化，得到碳化钢渣建材制品。

2.根据权利要求1所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，水泥窑尾废气窑内的水泥窑尾烟气CO₂浓度为10～30％；优选的，CO₂浓度为10～30％；所述碳化的温度为25～90℃、湿度为25～75％、养护时间为1d～7d。

3.根据权利要求1或2所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，钢渣粉30～50份、水泥50～70份、水20～60份、砂200～300份、外加剂0.5～2份。

4.根据权利要求3所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，所述钢渣粉为电炉钢渣、转炉钢渣或平炉钢渣，CaO含量≥30％；优选的，所述钢渣粉的含水量低于1％，比表面积为300～400m²/kg。

5.根据权利要求4所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；所述砂为天然砂或机制砂；优选的，所述砂为天然砂，细度模数为2～2.5。

6.根据权利要求3-5任一项所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，所述外加剂包括早强剂和/或减水剂，优选为醇胺类早强剂或聚羧酸系减水剂。

7.根据权利要求1所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，所述标准养护条件下处理时间为12h～1d，所述水泥窑尾废气窑内处理时间优选为1d～7d。

8.根据权利要求1所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，还包括：所述原料混合后，将混合料分两次加入模具中，每次装入混合料后进行振实；优选的，所述模具的尺寸为30*30*100mm～50*100*300mm。

9.根据权利要求1-8任一项所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种碳化钢渣建材制品，其特征在于，由权利要求1～9任一项所述的利用水泥窑尾烟气制备碳化钢渣建材制品的方法制得；优选的，所述碳化钢渣建材制品的7d抗压强度为50～60MPa，安定性合格。