一种使用惰性物料的凝石生产工艺及设备 【技术领域】
本发明涉及一种利用惰性固体废弃物大规模生产胶凝材料的工艺及设备组合，属于环境保护领域及建筑材料领域，更确切地说，涉及一种大量利用惰性硅铝质固体废弃物制备凝石的工艺及设备组合。
背景技术
人们对环境友好及高性能胶凝材料的追求，使得利用固体废弃物制备新型胶凝材料的研究成为一个热点。我国科研工作者自八十年代以来，对碱激发胶凝材料、混凝土以及地质聚合物作了一系列优异的研究工作，目前我国利用固体废弃物制备胶凝材料的研究工作也在国际上得到了认可。
发明人前期对此进行了大量工作。以清华大学孙恒虎教授为首的研究团队从地质学和矿物学角度出发，深入分析了天然砾岩和火山灰沉积岩的形成过程，并结合胶凝材料的科学技术研究及应用，发明了一种新型胶凝材料——凝石。凝石的理论与技术是完全跳出了传统水泥的框架，吸取了地质聚合物和碱激发水泥研究与生产应用中的有益成果与成功经验，依据大地成岩理论和自然界相容原理，以主体和配体的二元组分设计和结构设计为核心，初步形成了新的硅铝基胶凝材料的理论体系与技术体系。在仿地学理论的指导下，凝石在理论体系、产业化技术、产品应用等方面的研究得到了迅速发展。
专利CN 1415567A公开了一种凝石二元化湿水泥及其用途，其中采用大掺量废渣，例如矿渣、钢渣、粉煤灰等湿法制备凝石胶凝材料的方法。这种方法可以总结为“一磨湿制备”的方法，其原材料主要是具有潜在胶凝活性的高温固体废弃物，还不能解决通常条件下活性较低的惰性固体废弃物的利用问题。
专利CN 1887764A和专利CN 1887763A公开了一种预处理尾矿、黄河砂/淤泥，由其获得凝石胶凝材料及他们的制备方法。该专利突出之处是提出了采用热液蚀变(200～900)原理提高惰性固体废弃物尾矿、黄河砂、淤泥的潜在胶凝活性，并制备凝石的方法。该专利采用热液蚀变的方法是依据地质作用中热液蚀变作用原理而发明的。地质作用过程中热液蚀变无处不在，是地壳中矿物成分发生改变的最重要的作用。热液蚀变的原理是在200～900℃的环境下使物料中挥发份脱出并破坏晶格结构；同时，在这些组分的脱除过程所释放出的强极性物质与具有活泼离子的物料对近邻物料表面的结构，如Si-O(Al-O)四面体网络，存在多种离子的复合协同作用，并产生强烈的腐蚀作用，从而使物料晶格畸变度及晶格缺陷增加，结构断键或解聚，从而使整个蚀变物料混合体系的胶凝活性增强，并为随后的溶蚀、解聚、迁移打下基础。但是，这两个专利侧重于制备过程中的物料组成设计和基本原理介绍，缺乏对应用该技术实现规模化生产的系统工艺方法。
目前其它对惰性硅铝质物料利用的方法中，主要是用作填料或铺路，但该法附加值低，利用范围有限。在用其制备高附加值的胶凝材料方面，专利CN 1539782A公开了一种粉煤灰水泥及生产工艺，专利CN 1319902C公开了一种生产混合水泥的方法，但这些专利仍然局限于利用具有潜在胶凝活性的固体废弃物，如粉煤灰、高炉矿渣等；对石英等惰性物质的利用，也采用简单的细碎方法将增加其活性，但这种方法能耗高、效果有限，还不能够实现规模化生产。
【发明内容】
本发明目的是利用惰性固体废弃物制备凝石胶凝材料进行规模化生产，该方法一方面要能够适合惰性硅铝质物料热液蚀变预处理系统的工艺，另一方面要满足凝石胶凝材料制备的工艺和方法。
以上目的通过以下措施来达到：
本发明的突出之处是通过热液蚀变方法提高惰性硅铝质物料的活性，使之满足凝石胶凝材料原料的要求，从而实现对大量惰性硅铝质固体废弃物的利用。
在热液蚀变处理工艺与传统凝石一磨制备工艺衔接方面，向前通过稳流仓与凝石原料细碎工艺结合；向后通过蚀变料仓与半成品配料工艺结合。
热液蚀变的原理是在低温环境下(200～900℃)使物料中挥发份脱出并破坏晶格结构；同时，在这些组分的脱除过程所释放出的强极性物质与具有活泼离子的物料对近邻物料表面的结构，如Si-O(Al-O)四面体网络，存在多种离子的复合协同作用，并产生强烈的腐蚀作用，从而使物料晶格畸变度及晶格缺陷增加，结构断键或解聚，从而使整个蚀变物料混合体系的胶凝活性增强。可见，蚀变效果地关键取决于不同颗粒之间，以及颗粒与释放的挥发份之间的接触程度和接触面积。因此，严格控制惰性硅铝质物料和蚀变料的细度和混匀效果是产生很好蚀变效果的关键。
热液蚀变处理工艺前端的磨机和稳流仓除了起到磨细和稳流的作用外，还起到控制物料混匀效果和细度的作用。一方面将惰性硅铝质物料和蚀变料混匀，主要通过磨机粉磨过程混合和稳流仓均化过程实现；另一方面通过调整磨机来严格控制出磨物料的细度。
热液蚀变处理工艺后端根据物料细度选择直接经蚀变料仓进入中间仓的工艺或者由蚀变料仓经磨机后进入中间仓的工艺。当蚀变料比表面积为450～1000m2/kg或者比表面积更大时，选择前者工艺；当蚀变料比表面积为400～700m2/kg或者比表面积更小时，选择后者工艺，并保证蚀变料经磨机磨细后比表面积为450～1000m2/kg。
热液蚀变处理工艺通过稳流仓和蚀变料仓与传统粉磨工艺相联结，保证了热液蚀变处理工艺和传统凝石一磨工艺成为各自较独立的系统。
对于特定的惰性硅铝质物料，其蚀变温度要求在200～900℃间的某温度区域内进行，过高的温度会导致蚀变形成的微晶或非晶的介稳态结构进一步形成新的惰性结晶矿物相，甚至发生部分熔融形成低活性的高聚合度玻璃相；过低的温度则不能使蚀变反应发生。因此对蚀变反应温度区域的严格控制尤为重要。本发明选择沸腾炉和旋转窑烘干机作为热液蚀变反应器。
回转式烘干机主要由回转体、扬料装置、传动装置、支承装置等部件组成。其工作原理是：高效的栅格式扬料装置将筒体内的物料周期性的均匀抛洒在旋转筒体内，保证惰性物料和蚀变剂充分接触反应的同时，通过高温热气流把惰性物料和蚀变剂中的水分、CO2等挥发分分离出来。前期研究结果表明，尾矿、赤泥在200℃～600℃温度范围内经热液蚀变后成岩能力可提高3～5倍，所需成岩剂的成本也可以大幅度下降。
热液蚀变具体工艺流程是：煤粉由煤仓(1)经喂煤机(2)进入沸腾炉(3)燃烧，燃烧产生750℃～1000℃高温烟气进入烘干机。烘干机(8)前端设冷空气引风口(7)，根据沸腾炉排出高温烟气温度和热液蚀变反应要求温度，确定冷空气进风量。由惰性硅铝质物料和蚀变剂组成的混合物料由稳流仓(4)经皮带秤(5)称量后，通过位于烘干机入口的进料口(6)进入烘干机(8)。烘干机前半段为热液蚀变反应区域，后半段为蚀变料冷却区域。烘干机尾气出口温度为80～300℃。尾气进入旋风分离器(9)进行分离，烘干机内固体颗粒和旋风分离器分离的固体颗粒经由皮带机(11)输送到蚀变料仓(12)。
本发明最大的特点是在传统凝石制备工艺中引入了热液蚀变处理工艺，这使凝石原料处理分为两部分：一部分是惰性硅铝质物料和蚀变剂通过热液蚀变系统处理和粉磨系统后形成具有潜在胶凝活性的蚀变料，进入中间仓；另一部分是已具有潜在胶凝活性的物料、成岩剂、石膏直接通过粉磨系统后进入中间仓。
凝石前期生产经验表明，入磨物料粒度是影响磨机产量的主要因素之一，磨前的熟料和石膏先经过鄂式破碎机一级破碎，多通道锤式破碎机二级破碎后分别进入原料仓。
硅酸盐水泥国家标准以80μm方孔筛筛余作为产品的控制依据，但是在细度较细时80μm筛余很难反映凝石的粉磨情况，不宜作为凝石粉磨过程的质量控制指标。前期生产经验表明，以比表面积作为衡量凝石产品平均粒度的重要指标是适宜的，并且分别设置不同半成品控制指标的制备工艺能够达到最优的性能和最好的经济性。本发明根据物料易磨性进行分类粉磨和不同细度指标控制，可以采用粉煤灰为助磨剂。将具有潜在胶凝活性的固体废弃物进行配料后粉磨，磨至比表面积为400～800m2/kg后送入中间仓；将成岩剂、石膏通过配料后进行粉磨，磨至比表面积为450～900m2/kg后送入中间仓。
此外，均化是凝石生产的不可缺少的重要环节，均化不但保证了强度的稳定性，也保证了其它质量指标(安定性、细度、凝结时间、有害化学成分等)均趋于稳定，也为凝石制品、构件、建筑工程质量提供了保证。本发明的均化工艺分为三步，即干粉搅拌机混和、均化库搅拌混合和倒库操作；通过三步均化过程，混合物料能够完全满足对凝石成品的要求，避免了采用高成本的气力均化过程；均化合格后的物料即成为凝石，并送入成品仓。
凝石制备工艺流程为：熟料和石膏经多级破碎后进入原料仓，含水物料经烘干后入原料仓；具有潜在胶凝活性的固体废弃物进行配料后粉磨，磨细至比表面积400～800m2/kg后送入中间仓；成岩剂、石膏或者粉煤灰通过配料后进行粉磨，磨细至比表面积450～900m2/kg后送入中间仓；惰性硅铝质物料和蚀变剂通过配料后进行粉磨，磨细至比表面积400～1000m2/kg后通过稳流仓进入热液蚀变系统，蚀变后的物料进入蚀变料仓；对于蚀变料比表面积为450～1000m2/kg或者比表面积更大时，蚀变料直接由蚀变料仓经倒库操作进入中间仓，当蚀变料比表面积为400～700m2/kg或者比表面积更小时，由蚀变料仓进入磨机，磨细至比表面结450～1000m2/kg后送入中间仓；中间仓内的半成品经过配料后通过干粉搅拌机混和、均化库搅拌混合和倒库操作即成为凝石，并送入成品仓。
有益效果：
(1)与传统水泥两磨一烧工艺需要消耗大量石灰石资源、需要加热至1300℃以上的高温并消耗大量能源、排出大量有害气体不同，本发明利用大量惰性固体废弃物，在200～900℃温度范围内发生热液蚀变反应，能量消耗和有害气体排放量大大减少，是一种节能降耗和绿色环保的先进工艺；
(2)与传统凝石制备方法不同，本发明可以利用大量传统水泥和原有凝石制备方法不能利用的惰性硅铝质物料，这将在减轻惰性硅铝质物料堆存对生态环境的破坏，释放占用土地，降低生产成本方面具有明显有益效果；
(3)利用惰性固体废弃物制备的凝石胶凝材料具有成本低、性能好的优势，本发明的规模化应用具有显著的经济和社会效益。
【附图说明】
图1是用于凝石制备的热液蚀变系统设备组成图。图中，1是煤仓，2是喂煤机，3是沸腾炉，4是稳流仓，5是皮带秤，6是烘干机进料口，7是烘干机引风口，8是烘干机，9是旋风分离器，10是链式输送机，11是皮带输送机，12是蚀变料仓。
图2是一种采用热液蚀变法的凝石制备工艺流程示意图。
【具体实施方式】
下面用实施实例进一步说明本发明的详细发明内容：
实施例1
将煤矸石干燥后入6#原料仓，将石灰和脱硫石膏按照3∶1的比例混合后作为蚀变剂并入5#原料仓，将高炉矿渣、熟料、成岩剂和脱硫石膏分别入1～4#原料仓。
将煤矸石和蚀变剂按照7∶1的比例配料混合后作为蚀变混合物料进入3#原料磨，磨至比表面积大于450m2/kg，然后进入稳流仓。将磨细混匀的物料由稳流仓经入口送入烘干机，由沸腾炉燃烧产生的热烟气进入烘干机，烘干机入口温度控制在700～850℃；蚀变料为粉状蚀变料，进入蚀变料仓后直接经倒库操作送入5#中间仓。
将矿渣、熟料按照1∶1的比例配料混合后送入1#原料磨，粉磨至表面积大于450m2/kg后送入1#中间仓；成岩剂和石膏按照1∶5的比例配料混合后送入2#原料磨，粉磨至比表面结大于550m2/kg后送入3#中间仓。
将中间仓内的蚀变料半成品、熟料矿渣半成品、成岩剂石膏半成品按照50∶43∶7的比例配料，经过干粉搅拌机搅拌混合后，由下料器送入气体均化库，再经倒库操作送入凝石成品仓，从而获的最终凝石产品。
对凝石产品进行胶砂实验，结果如下。试验引用下列标准：《水泥标准稠度用水量，凝结时间，安定性检验方法》(GB1346-89)，《水泥细度检验方法》(GB1345-91)，《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)。试验结果见表1和表2。
表1凝石胶凝材料的物理性能
表2凝石胶凝材料的力学性能
从实施例1的表1和表2的数据可以看出，本发明的凝石不仅满足普通水泥的各项国家检测标准，而且其28天抗压强度达51.3MPa。
实施例2
将铁尾矿干燥后入6#原料仓，将石灰和脱硫石膏按照2∶1的比例混合后作为蚀变剂并入5#原料仓，将高炉矿渣、熟料、成岩剂和脱硫石膏分别入1～4#原料仓。将尾矿和蚀变剂按照7∶1的比例配料混合后作为蚀变混合物料进入3#原料磨，磨至比表面积为600m2/kg，然后进入稳流仓。
将磨细混匀的物料由稳流仓经入口送入烘干机，由沸腾炉燃烧产生的热烟气进入烘干机，烘干机入口温度控制在200～800℃；蚀变料为块状蚀变料，进入蚀变料仓后用皮带输送机送入2#磨机，粉磨至比表面积为600～650m2/kg后，进入5#中间仓。
将矿渣和熟料按照2∶3的比例配料混合后送入1#原料磨，粉磨至表面积450～550m2/kg后送入1#中间仓；成岩剂和石膏按照1∶5的比例配料混合后送入2#原料磨，粉磨至比表面积550～650m2/kg后送入3#中间仓。
将中间仓内的铁尾矿蚀变料半成品、熟料矿渣半成品、成岩剂石膏半成品配料后经过干粉搅拌机搅拌混合后，由下料器送入均化库，再经倒库操作送入凝石成品仓，获得最终凝石产品。铁尾矿蚀变料掺量不同的胶砂各龄期强度如表3所示。
表3凝石胶凝材料的力学性能