CN117263537A - 一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，属于固废资源利用技术领域。以高碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土为原料，以低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏为活性掺合料，根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，设计率值并计算各种原料及活性掺合料的配置比例；然后将各种原料及活性掺合料进行预处理，再将预处理后的原料混合球磨、过筛，制得成水泥生料、进而制成水泥熟料；最后将水泥熟料与活性掺合料混合球磨后过筛，制得大掺量煤气化渣基水泥。本发明充分利用工业固废制备大掺量煤气化渣基水泥，可替代以天然原料生产水泥，符合国家“双碳”战略规划，是一种低碳、环保、绿色的水泥制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及固废资源利用技术领域,尤其是涉及到一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法。
技术背景
煤气化技术是我国现代煤化工的前端支柱,其大规模应用相应的会产生大量的固体废弃物-煤气化渣。我国煤气化渣年排放量在5000万吨以上,目前煤气化渣的处理方式主要为填埋和露天堆放,利用率较低,大量堆存的煤气化渣对土壤及水源等生态环境造成污染。
水泥作为世界上最广泛使用的建筑材料,其生产伴随着大量的碳排放及能耗。目前水泥生产的碳排放量占全球工业碳排放总量的27％。当前,在“双碳”目标的背景下,固废资源化利用以及低碳化制备水泥生产面临新的机遇以及挑战。目前公开报导的利用煤气化渣制备水泥的相关专利,其掺量均在30％以下,且多作为活性掺合料。因此制备大掺量煤气化渣基水泥,不仅从源头上降低CO2排放量以及水泥生产成本,同时解决煤气化渣的堆存问题,为大掺量煤气化渣基水泥生产与固废规模化消纳提供技术支撑。
发明内容
针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法。本发明提供的大掺量煤气化渣基水泥满足GB175-2020《通用硅酸盐水泥》标准要求，制备工艺简单,可满足工业多方面应用。该方法以煤气化渣为主要原料，协同钢渣、电石渣等其它固废，替代天然矿产资源制备大掺量煤气化渣基水泥，不仅能消纳大量堆存的煤气化渣，钢渣等固体废弃物，而且能够实现水泥生产的低碳化、绿色化，具有良好的经济和社会效益。
为实现上述目的，本发明提供了一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，包括以下步骤:
(1)原料选取：以高碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土为原料，以低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏为制备大掺量煤气化渣基水泥的活性掺合料；根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，按照率值公式设计率值；并依据设计的率值和所述原料及活性掺合料的化学成分计算各种原料及活性掺合料的配置比例，并按照配置比例称取各种原料和活性掺合料备用；
(2)生料制备：将称取的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏分别预先处理干燥至含水率＜1％,初步粉磨，再将初步粉磨后的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣以及粘土混合球磨、过筛，制得水泥生料；
(3)熟料制备：将制得的水泥生料中加水，使其成湿粉状,压制成型后,干燥得到试块，再将试块进行煅烧,后处理制得水泥熟料；
(4)水泥制备：将制得的水泥熟料同步骤(2)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过筛,制得大掺量煤气化渣基水泥。低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏既是制备大掺量煤气化渣基水泥的原料，又是作为活性掺合料来调节、改善大掺量煤气化渣基水泥的理化特性和性能指标。
优选地，步骤(1)中所述高碳煤气化渣的烧失量≥24.8％。目前我国排放的大部分煤气化渣烧失量在20％～40％，当烧失量为20％～30％时，煤气化渣难以资源化利用，本发明利用这部分难以资源化利用的气化渣为原料制备低碳水泥熟料，可促进煤气化渣的规模化消纳。
优选地，步骤(1)中所述低碳煤气化渣的烧失量≤5.4％。当煤气化渣作为活性掺合料使用时，应对煤气化渣的烧失量进行限定，当烧失量高于5.4％时，会导致水泥产品需水量增加，降低水泥力学性能。
优选地，步骤(1)中所述的率值公式包括石灰饱和系数KH、铝率IM和硅率SM公式，具体公式分别为：
优选地，所述步骤(1)中设计的率值为：石灰饱和系数KH＝0.74～0.89，铝率IM＝2.64～3.1，硅率SM＝1.58～1.63。
优选地，所述步骤(2)中的初步粉磨，粉磨后的原料通过200目筛的筛余量≤10％。经初步粉磨后，高碳煤气化渣的比表面积为450m2/kg，低碳煤气化渣的比表面积为550m2/kg。
优选地，步骤(3)中所述的后处理具体为：将煅烧冷却后的试块破碎、粉磨、过筛，得到水泥熟料。
优选地，步骤(4)中，所述将制得的水泥熟料同步骤(1)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过筛，过筛具体为：通过200目筛的筛余量≤10％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明首先以含高碳煤气化渣为主要原料，充分利用煤气化渣的含碳特性，与钢渣、电石渣和黏土进行混合后制备水泥熟料，替代天然原料石灰石；将低碳煤气化渣与循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏磨细后作为活性掺合料，再与水泥熟料混合后制备成大掺量煤气化渣基水泥。由于循环流化床粉煤灰中含有SO3以及游离氧化钙可以激发煤气化渣中的活性物质，使其生成更多的水化产物。脱硫石膏可以提供更多的钙质组分，以及降低水泥的凝结时间。因此本发明中循环流化床粉煤灰与脱硫石膏的加入可弥补煤气化渣基水泥早期强度低以及凝结时间较长的问题。针对不同原料的理化特性，根据设计的率值进行各种原料的的配比设计，使得水泥熟料中固废添加量≥80％，煤气化渣在原料中的总掺量可达49％以上，有效节约天然原料和制备中的能源消耗，本发明所制得的大掺量煤气化渣基水泥符合GB 175-2020《通用硅酸盐水泥》中对P.O.42.5强度等级水泥的标准要求。
本发明充分利用工业固废制备大掺量煤气化渣基水泥，可有效替代以天然原料生产水泥，符合国家“双碳”战略规划，是一种低碳、环保、绿色的水泥制备方法。
具体实施方式
为了更好解释本发明的工艺技术方案，下面将结合本发明实例，通
下面各实施例中所用原料和活性掺合料包括高碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰、脱硫石膏，各种原料和活性掺合料的化学成分组成及烧失量(LOI)如下表1所示：
表1本发明实施例1-5中各种原料和活性掺合料的化学成分组成及烧失量
表2本发明实施例制备大掺量煤气化渣基水泥的原料和活性掺合料配置比例
实施例1
一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料准备：本实施例选用的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏的化学成分组成如表1所示。根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，按照率值公式(1)-(3)，即石灰饱和系数KH、铝率IM和硅率SM公式，进行率值设计，其中，石灰饱和系数KH＝0.88，铝率IM＝2.64，硅率SM＝1.58；根据设计的率值及原料和活性掺合料的化学成分计算各原料和活性掺合料的配置比例，具体配置比例见表2所示，然后按照配置比例称取各种原料和活性掺合料备用。
(2)生料制备：首先将称取的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏分别预先在105℃下烘干24h，再将初步粉磨后的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣以及粘土混合球磨过200目筛，筛余量≤10％，制得水泥生料。
(3)熟料制备：将制得的水泥生料中加水，使其成湿粉状，通过全自动压力机在压力15MPa，保压时间30s条件下压制成圆饼状后，在105℃烘箱中干燥24h得到试块。将试块在1450℃下煅烧35分钟，自然冷却后通过小型破碎机破碎，再放入粉磨机中磨细，经200目方孔筛后筛余量为5％以内，得到水泥熟料。
(4)水泥制备：将制得的水泥熟料同步骤(2)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过200目筛,筛余量≤10％，制得大掺量煤气化渣基水泥，其力学性能以及工作性能符合GB 175-2020《通用硅酸盐水泥》中P.O.42.5水泥的标准要求。具体数据见表3及表4所示。
实施例2
一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料准备：本实施例选用的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏的化学成分组成如表1所示。根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，按照率值公式，即石灰饱和系数KH、铝率IM和硅率SM公式，进行率值设计，其中，石灰饱和系数KH＝0.8，铝率IM＝2.8，硅率SM＝1.61；根据设计的率值及原料和活性掺合料的化学成分计算各原料和活性掺合料的配置比例，具体配置比例见表2所示，然后按照配置比例称取各种原料和活性掺合料备用。
(2)生料制备：首先将称取的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏分别预先在95℃下烘干12h，再将初步粉磨后的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣以及粘土混合球磨过200目筛，筛余量≤10％，制得水泥生料。
(3)熟料制备：将制得的水泥生料中加水，使其成湿粉状，通过全自动压力机在压力15MPa，保压时间30s条件下压制成圆饼状后，在105℃烘箱中干燥24h得到试块。将试块在1400℃下煅烧40分钟，自然冷却后通过小型破碎机破碎，再放入粉磨机中磨细，经200目方孔筛后筛余量为5％以内，得到水泥熟料。
(4)水泥制备：将制得的水泥熟料同步骤(2)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过200目筛,筛余量≤10％，制得大掺量煤气化渣基水泥，其力学性能以及工作性能符合GB 175-2020《通用硅酸盐水泥》中P.O.42.5水泥的标准要求。具体数据见表3及表4所示。
实施例3
本实施例提供一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法。
(1)原料准备：本实施例选用的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏的化学成分组成如表1所示。根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，按照率值公式，即石灰饱和系数KH、铝率IM和硅率SM公式，进行率值设计，其中，石灰饱和系数KH＝0.89，铝率IM＝2.8，硅率SM＝1.63；根据设计的率值及原料和活性掺合料的化学成分计算各原料和活性掺合料的配置比例，具体配置比例见表2所示，然后按照配置比例称取各种原料和活性掺合料备用。
(2)生料制备：首先将称取的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏分别预先在80℃下烘干24h，再将初步粉磨后的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣以及粘土混合球磨过200目筛，筛余量≤10％，制得水泥生料。
(3)熟料制备：将制得的水泥生料中加水，使其成湿粉状，通过全自动压力机在压力10MPa，保压时间60s条件下压制成圆饼状后，在105℃烘箱中干燥24h得到试块。将试块在1350℃下煅烧45分钟，自然冷却后通过小型破碎机破碎，再放入粉磨机中磨细，经200目方孔筛后筛余量为5％以内，得到水泥熟料。
(4)水泥制备：将制得的水泥熟料同步骤(2)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过200目筛,筛余量≤10％，制得大掺量煤气化渣基水泥，其力学性能以及工作性能符合GB 175-2020《通用硅酸盐水泥》中P.O.42.5水泥的标准要求。具体数据见表3及表4所示。
实施例4
本实施例提供一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法。
(1)原料准备：本实施例选用的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏的化学成分组成如表1所示。根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，按照率值公式，即石灰饱和系数KH、铝率IM和硅率SM公式，进行率值设计，其中，石灰饱和系数KH＝0.74，铝率IM＝3.1，硅率SM＝1.62；根据设计的率值及原料和活性掺合料的化学成分计算各原料和活性掺合料的配置比例，具体配置比例见表2所示，然后按照配置比例称取各种原料和活性掺合料备用。
(2)生料制备：首先将称取的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏分别预先在95℃下烘干24h，再将初步粉磨后的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣以及粘土混合球磨过200目筛，筛余量≤10％，制得水泥生料。
(3)熟料制备：将制得的水泥生料中加水，使其成湿粉状，通过全自动压力机在压力15MPa，保压时间60s条件下压制成圆饼状后，在105℃烘箱中干燥24h得到试块。将试块在1450℃下煅烧35分钟，自然冷却后通过小型破碎机破碎，再放入粉磨机中磨细，经200目方孔筛后筛余量为5％以内，得到水泥熟料。
(4)水泥制备：将制得的水泥熟料同步骤(2)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过200目筛,筛余量≤10％，制得大掺量煤气化渣基水泥，其力学性能以及工作性能符合GB 175-2020《通用硅酸盐水泥》中P.O.42.5水泥的标准要求。具体数据见表3及表4所示。
实施例5
本实施例提供一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法。
(1)原料准备：本实施例选用的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏的化学成分组成如表1所示。根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，按照率值公式，即石灰饱和系数KH、铝率IM和硅率SM公式，进行率值设计，其中，石灰饱和系数KH＝0.86，铝率IM＝2.91，硅率SM＝1.60；根据设计的率值及原料和活性掺合料的化学成分计算各原料和活性掺合料的配置比例，具体配置比例见表2所示，然后按照配置比例称取各种原料和活性掺合料备用。
(2)生料制备：首先将称取的高碳煤气化渣、低碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏分别预先在80℃下烘干24h，再将初步粉磨后的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣以及粘土混合球磨过200目筛，筛余量≤10％，制得水泥生料。
(3)熟料制备：将制得的水泥生料中加水，使其成湿粉状，通过全自动压力机在压力10MPa，保压时间60s条件下压制成圆饼状后，在105℃烘箱中干燥24h得到试块。将试块在1350℃下煅烧45分钟，自然冷却后通过小型破碎机破碎，再放入粉磨机中磨细，经200目方孔筛后筛余量为5％以内，得到水泥熟料。
(4)水泥制备：将制得的水泥熟料同步骤(2)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过200目筛,筛余量≤10％，制得大掺量煤气化渣基水泥，其力学性能以及工作性能符合GB 175-2020《通用硅酸盐水泥》中P.O.42.5水泥的标准要求。具体数据见表3及表4所示。
表3本发明实施例所制得的大掺量煤气化渣基水泥与普通硅酸盐水泥(P.O.42.5)的碳排放量及力学性能比较。
表3本发明的水泥与普通硅酸盐水泥的碳排放量及力学性能比较
表4为本发明实施例所制得的大掺量煤气化渣基水泥与普通硅酸盐水泥(P.O.42.5)的工作性能比较。
表4：本发明的水泥与普通硅酸盐水泥的工作性能比较
由表3及表4可知,本发明制备的大掺量煤气化渣基水泥拥有优异的力学性能、工作性能以及较低的二氧化碳排放量,为固废资源化利用,实现水泥工业生产减排提供技术途径。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的工艺技术范围。对于本领域的专业技术人员来说，凡在本发明工艺技术路线的基础上，依据本发明构思做出的任何变形、等效替换和改进均不影响本实例的优化效果。因此，本发明的专利保护范围应当以所述权利要求内容为准。
Claims (8)
1.一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料选取：以高碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土为原料，以低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏为制备大掺量煤气化渣基水泥的活性掺合料；根据最终制备的大掺量煤气化渣基水泥的化学成分，按照率值公式设计率值；并依据设计的率值和所述原料及活性掺合料的化学成分计算各种原料及活性掺合料的配置比例，并按照配置比例称取各种原料和活性掺合料备用；
(2)生料制备：将称取的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣、粘土、低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰和脱硫石膏分别预先处理干燥至含水率＜1％,初步粉磨；再将初步粉磨后的高碳煤气化渣、钢渣、电石渣以及粘土混合球磨、过筛，制得水泥生料；
(3)熟料制备：将制得的水泥生料中加水，使其成湿粉状,压制成型后,干燥得到试块，再将试块进行煅烧，后处理制得水泥熟料；
(4)水泥制备：将制得的水泥熟料同步骤(2)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过筛,制得大掺量煤气化渣基水泥。
2.根据权利要求1所述的一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述高碳煤气化渣的烧失量≥24.8％。
3.根据权利要求1所述的一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述低碳煤气化渣的烧失量≤5.4％。
4.根据权利要求1所述的一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的率值公式包括石灰饱和系数KH、铝率IM和硅率SM公式，具体公式分别为：
5.根据权利要求1所述的一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中设计的率值为：石灰饱和系数KH＝0.74～0.89，铝率IM＝2.64～3.1，硅率SM＝1.58～1.63。
6.根据权利要求1所述的一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的初步粉磨，粉磨后的原料通过200目筛的筛余量≤10％。
7.根据权利要求1所述的一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的后处理具体为：将煅烧冷却后的试块破碎、粉磨、过筛，得到水泥熟料。
8.根据权利要求1所述的一种大掺量煤气化渣基水泥的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述将制得的水泥熟料同步骤(1)中初步粉磨后的低碳煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及脱硫石膏混合球磨后过筛，过筛具体为：通过200目筛的筛余量≤10％。
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