一种利用生物质灰渣生产高硅型硫铝酸盐水泥的系统和方法

技术领域

本发明属于冶金、电力、化工、建材技术及生物质电厂灰渣的资源综合利用和环境保护治理领域，具体涉及一种利用生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的系统和方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

工业固废是工业生产过程中产生的固体废物(如高炉渣、钢渣、尾矿、粉煤灰、脱硫灰、电石渣、盐泥、生物质灰渣等)。随着我国经济的高速发展，工业固废产生量也逐年攀升，其中生物质电厂灰渣每年排放量就近5000万吨。资料表明，目前的生物质灰渣处置方式中只有30％主要用于农业实践，大多数生物质电厂灰渣被堆放或填埋，不仅占用场地大并造成环境污染，在经济和社会影响上对企业带来了负担，制约着生物质发电行业的发展。

生物质电厂灰渣主要化学元素为硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠等，其中生物质灰渣中SiO

硫铝酸盐水泥(SCM)由于具有硬化快、早期强度高、强度高、低煅烧温度和低碳排放等特点，被广泛的应用在抢修、抢建工程、抗腐蚀工程、大型预制结构准备、低温施工等工程领域。但其原材料价格高，制约了硫铝酸盐水泥的推广应用。其中铝矾土的价格最为昂贵，约750元/吨-1250元/吨，这很大程度上限制了硫铝酸盐水泥的成本和应用，如果能大幅度降低原料成本，SCM有很好的应用前景。

发明人发现，由于生物质电厂灰渣中含有钠、钾等碱金属氯化物，易粘结于燃烧器或竖窑尾部造成积灰，甚至结圈，影响竖窑的正常运转。同时水泥中存在的碱土金属易造成水泥的不安定性，降低水泥的强度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种利用生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的系统和方法，该系统和方法可以综合利用生物质灰渣、脱硫石膏、电石渣等工业固废，通过低成本的生产过程利用工业固体废物生产高价值的产品，生产原料取材广泛、价格低廉，生产的高硅型硫铝酸盐水泥熟料可以生产特种水泥或者常规水泥的添加剂，可应用于抢修、抢建工程，冬季施工工程，抗腐蚀工程等，因此具有良好的实际应用特别是大规模工业化及产业化应用的价值。

为了实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：

本发明的第一个方面，提供一种利用生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的系统，所述系统包括：

均化池，所述均化池用于对生物质电厂灰渣和电石渣进行均化脱碱、脱盐处理；

所述均化池还连接有压滤机，所述压滤机的滤饼出口依次连接烘干机和破碎机；其中，所述烘干机还可用于对脱硫石膏进行干燥，使其转变为含水量为3％以下的二水石膏；

所述系统还包括竖窑，所述竖窑物料入口与破碎机连接，所述竖窑烟气出口连接烘干机的烟气进口，烘干机的烟气出口连接余热回收器的气体进口，余热回收器的出水口连接均化池的进水口，余热回收器的气体出口连接除尘器。

上述系统中，经均化池处理后的生物质电厂灰渣和电石渣完成脱碱、脱盐工序，然后经过压滤机和破碎机压滤破碎后还可进入粉磨机粉磨，粉磨后的混合物送入成型器进行成型，然后将成型好的高硅硫铝酸盐生料球置于竖窑中煅烧，煅烧得到的高硅型硫铝酸盐熟料与脱硫石膏按比例混合后，在水泥粉磨机中粉磨，得到的高硅型硫铝酸盐水泥输送至水泥储罐储存。

本发明的第二个方面，提供利用生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的方法，所述方法采用上述系统进行。

具体的，所述方法包括：

S1、将生物质灰渣、电石渣和水投入均化池中，调成浆料进行加热均化处理；

S2、将均化后的物料进行压滤、烘干，得到混合物料；将脱硫石膏进行加热脱水，使其转变为含水量低于3％的半水石膏；

S3、将混合物料与半水石膏经混匀后粉磨煅烧处理得硫铝酸盐水泥熟料。

本发明的第三个方面，提供上述系统和/或方法制备得到的高硅型硫铝酸盐水泥。

以上一个或多个技术方案的有益技术效果：

1)上述技术方案所用的均化加余热利用加热浆液的方法加大了生物质电厂灰渣和电石渣中氯化钠、氯化钾、硫酸钙、氢氧化钠等盐、碱的溶解，提高了脱盐、脱碱效率，而且使得物料在煅烧时不易结圈，大幅度延长装备寿命值，显著降低了工艺的控制难度。

2)上述技术方案由于煅烧高硅型硫铝酸盐水泥熟料所需温度为1280-1320℃之间，低于硅酸盐水泥熟料的煅烧温度100℃，同时采用余热回收器充分利用竖窑的煅烧余热给烘干机提供热源，实现了余热再次利用，更加节能环保。

3)上述技术方案可充分利用多种固废，实现固废的综合性和高附加值利用，因此具有良好的实际应用特别是大规模工业化及产业化应用的价值。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明利用工业固废生物电厂灰渣预处理生产硫铝酸盐水泥的方法工艺流程示意图。

图2为本发明实施例1中均化前生物质电厂渣灰XRD图。

图3为本发明实施例1中均化后生物质电厂渣灰XRD图。

图4为本发明实施例1中制得的结晶盐的XRD图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

如前所述，由于生物质电厂灰渣中含有钠、钾等碱金属氯化物，易粘结于燃烧器或竖窑尾部造成积灰，甚至结圈，影响竖窑的正常运转。同时水泥中存在的碱土金属易造成水泥的不安定性，降低水泥的强度。

有鉴于此，本发明的一个典型具体实施方式中，提供一种利用生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的系统，所述系统包括：

均化池，所述均化池用于对生物质电厂灰渣和电石渣进行均化脱碱、脱盐处理；

所述均化池还连接有压滤机，所述压滤机的滤饼出口依次连接烘干机和破碎机；其中，所述烘干机还可用于对脱硫石膏进行干燥，使其转变为含水量为3％以下的二水石膏；

所述系统还包括竖窑，所述竖窑物料入口与破碎机连接，所述竖窑烟气出口连接烘干机的烟气进口，烘干机的烟气出口连接余热回收器的气体进口，余热回收器的出水口连接均化池的进水口，余热回收器的气体出口连接除尘器。

所述压滤机的滤液出口还连接有沉降池，所述沉降池与闪蒸器、浓缩器依次连接，使得含碱、含盐滤液通过蒸发浓缩结晶得到碱盐。

本发明的又一具体实施方式中，上述系统中，经均化池处理后的生物质电厂灰渣和电石渣完成脱碱、脱盐工序，然后经过压滤机和破碎机压滤破碎后还可进入粉磨机粉磨，粉磨后的混合物送入成型器进行成型，然后将成型好的高硅硫铝酸盐生料球置于竖窑中煅烧，煅烧得到的高硅型硫铝酸盐熟料与脱硫石膏按比例混合后，在水泥粉磨机中粉磨，得到的高硅型硫铝酸盐水泥输送至水泥储罐储存。

该系统中利用固体废弃物生物质电厂灰渣、脱硫石膏、电石渣等，既实现了固体废弃物的处理，又制备得到了一种固废基胶凝材料，同时降低了特种高硅型硫铝酸盐水泥的生产成本。

所述烘干机与除尘器之间连接有余热回收器，竖窑中排放的烟气对烘干机加热。烘干机排放的烟气对余热回收器中的水加热，得到的高温热水通入均化池中，冷却后的烟气进入除尘器除尘。

余热回收器类可以利用烟气中的余热对余热回收器内的液体，如水，进行加热，得到60℃的高温热水，同时，降低了烟气的温度，较低的烟气温度(120℃)对后续的除尘器不会造成较大的损害，延长了后续设备的使用寿命。得到的高温热水可以对均化池中生物质灰渣和电石渣进行加热促进脱碱。

需要特别说明的是，上述各种物料需要在均化池中调节成浆料，且浆料的调节需要较高的温度，如果采用其他的热源对浆料进行加热，会造成能源的大量消耗，因此在本发明中，将高温烟气进行两次利用，大大利用了竖窑排出的烟气中的能量，防止了能量的浪费，同时降低了能耗。

本发明的又一具体实施方式中，提供利用生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的方法，所述方法采用上述系统进行。

具体的，所述方法包括：

S1、将生物质灰渣、电石渣和水投入均化池中，调成浆料进行加热均化处理；

S2、将均化后的物料进行压滤、烘干，得到混合物料；将脱硫石膏进行加热脱水，使其转变为含水量低于3％的半水石膏；

S3、将混合物料与半水石膏经混匀后粉磨煅烧处理得硫铝酸盐水泥熟料。

本发明的又一具体实施方式中，将生物质电厂灰渣和电石渣混合，向其中加入工业水，制备成浆料，再对浆料进行加热脱碱、脱盐，该工艺能够将生物质灰渣中的Na、K盐大部分脱除，使其溶于水中，脱碱、盐率高达90％以上。而且浆料经过水的洗涤，可以去除浆料(生物质电厂灰渣、电石渣)中的可溶性杂质，降低了杂质对水泥的不利影响。此外，本发明中将生物质电厂的脱碱、电石浆渣的脱水以及物料的除杂于一体，节省了工序，降低了生产成本。

本发明的又一具体实施方式中，上述方法中，原料生物质电厂灰渣、电石渣和脱硫石膏的质量比为40-60:20-25:23-25；

生物质电厂灰渣中的生物质电厂灰和生物质电厂渣的质量比不做具体限定，一般按照实际运营产生的灰、渣量即可，在本发明的又一具体实施方式中，所述灰、渣比为1:0.8～1.2。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S1中，调节均化池中的固液比(质量比)为1:3-4，将生物质电厂灰渣与电石渣混合后均化，在50-70℃(优选60℃)热水(因此，上述水为热水)条件下均化2-4小时，得到含碱、盐浆液；

本发明的又一具体实施方式中，在加热状态下，洗涤浆料，可以去除物料中的可溶性杂质和碱盐，当浆料中的固液比为1:3-4时，可以将生物质电厂灰渣和电石渣中的碱、盐性物质较为完全地溶解出来。将脱碱、盐后的浆料进行压滤脱水，碱液、盐液回收，得到压滤后的固体物质，可以使脱碱效率达到90％以上。

本发明的又一具体实施方式中，上述热水可来自于上述系统中的余热回收器，利用烘干机的烟气余热对余热回收器中的液体(如水)进行加热，获得50-70℃(优选60℃)的高温热水，从而节约能源。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S2中，脱硫石膏加热脱水转变为半水石膏的温度为140-150℃；

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S3中，粉磨后的水泥生料的率值为:碱度系数C

其中，碱度系数的公式为：

式中CaO、SiO

煅烧温度控制为1280-1320℃，煅烧时间为30-60min，过量空气系数控制在1.1～1.15之间。

本发明的又一具体实施方式中，提供上述系统和/或方法制备得到的高硅型硫铝酸盐水泥。

本发明的又一具体实施方式中，所述高硅型硫铝酸盐水泥熟料的化学组成包括:SiO

本发明的又一具体实施方式中，所述高硅型硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成为：硫铝酸钙：35-45重量份，C

以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种利用工业固废生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的系统，包括灰渣均化池、沉降池、闪蒸器、浓缩器、压滤机、破碎机、烘干机、竖窑、水泥粉磨机、水泥储罐、余热回收器、除尘器。其中，生物质电厂灰渣和电石渣在均化池中调节脱碱、脱盐，脱碱、脱盐后的浆料进入压滤机压滤、烘干器烘干，得到干物料；脱硫石膏进入烘干器加热，转变为含水量低于3％的半水石膏；含碱、盐滤液通过蒸发浓缩结晶得到碱、盐。

灰渣粉磨机、均化池、压滤机依次连接。压滤机的滤饼出口依次连接烘干机、水泥粉磨机、水泥储罐。竖窑的出口连接烘干机的烟气进口，烘干机的烟气出口连接余热回收器的气体进口，余热回收器的出水口连接均化池的进水口，余热回收器的气体出口连接除尘器。压滤机的滤液出口连接沉降池、闪蒸器、浓缩器。

一种利用工业固废生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的方法，如图1所示，将生物质电厂灰渣和电石渣加入均化池中，经高温水(60℃)充分均化，对充分均化后的浆液用压滤机和破碎机进行压滤、破碎工序处理，使处理后的生物质电厂灰渣和电石渣实现脱碱、脱盐；竖窑产生的高温烟气进入到烘干机中，把压滤破碎的生物质电厂灰渣和电石渣滤饼烘干，烘干机产生的高温烟气经过余热回收器，形成高温水(60℃)，将高温(60℃)送入到均化池内，加快生物质电厂灰渣水洗速率，其中经余热回收器的烟气温度降低到140℃。除渣后溶液经闪蒸、浓缩、结晶后制备成盐。均化前后的生物质电厂灰渣XRD如图2、3所示，盐的XRD如图4所示。

更具体的，如图1所示，将原浆生物质电厂灰、生物质电厂渣、电石渣混合投入均化池中，固液比为1:4，得含碱、盐浆液，利用余热设备回收窑气的余热对含碱、盐浆液进行加热，使含碱、盐浆液温度维持在60-70℃，使生物质电厂灰和渣的含碱、盐量降低为原来的10％以下，配料浆液经压滤后水分为35％(wt％)，经过自然晒干，水分降至16％(wt％)。将晒干后的生料送入烘干器内，以经过烘干后的固体物质计，生物质电厂灰占23.46重量份，生物质电厂渣占20重量份，脱硫石膏占24.87重量份，电石渣占25重量份。直接输送入竖窑中煅烧，烧成温度为1270℃，煅烧时间为60分钟。产生的高温窑气经过烘干机，对压滤料及脱硫石膏进行间接烘干。余热回收器的窑气，气体温度降低到160℃以下，经过除尘器除尘，达到环保标准在排放。烧成后的熟料主要物相为硫铝酸钙、硅酸二钙和铁相，所占比例分别为45％，35％和15％，属于高硅高铁型硫铝酸盐水泥。经水泥标准胶砂强度试验(GB/T17671-1999)，3天和28天抗压强度分别为26.3MPa和68.6MPa。

实施例2

一种利用工业固废生物质电厂灰渣预处理生产高硅型硫铝酸盐水泥的方法，将生物质电厂灰、生物质电厂渣和电石渣混合后均化，固液比为1:3，得含碱浆液，利用余热设备回收烘干机烟气的余热对含碱浆液进行加热，使含碱浆液温度维持在60-70℃，使生物质灰和渣中的含碱量降低为原来的10％以下，配料浆液经压滤后水分为35％(wt％)，经过自然晒干，水分降至16％(wt％)。将晒干后的生料送入烘干机内，以经过烘干后的固体物质计，生物质电厂灰占27重量份，生物质电厂渣占30份，脱硫石膏占23重量份，电石渣占20重量份。直接输送入竖窑中煅烧，烧成温度为1300℃，煅烧时间为50分钟。产生的高温窑气经过烘干机利用，对压滤料及脱硫石膏进行间接烘干。烘干机排出的烟气经余热回收器利用产生热水对均化池进行加热，同时将烟气温度降低到200℃以下，经过除尘器除尘，达到环保标准后排放。烧成后的熟料主要物相为硫铝酸钙、硅酸二钙和铁相，所占比例分别为40％、45％和15％，属于高硅高铁型硫铝酸盐水泥。经水泥标准胶砂强度试验(GB/T 17671-1999)，3天和28天抗压强度分别为25.5MPa和63MPa。

表1生物质灰渣处理前后成分变化表

生物质渣经均化脱碱处理碱盐峰值明显下降，可认为生物质电厂灰渣脱碱脱盐较为彻底。

表2为全固废制备的高硅硫铝酸盐胶凝材料的强度性能。如下所示：

表2强度性能测试结果

应该注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。