葛洲坝嘉鱼水泥有限公司 湖北省咸宁市 437000
摘要：葛洲坝嘉鱼公司以污染土作为原材料，运用水泥窑协同处置技术，研究水泥窑协同处置污染土中微量重金属对水泥窑工艺的影响和控制研究。本论文将此项目分解，研究不同掺量的污染土对熟料煅烧、熟料化学成分及熟料强度的影响，结果表明，若熟料三率值为KH：0.905~0.920、SM：2.5~2.6、IM：1.5~1.6，熟料硫碱比约等于1时，熟料强度均在60MPa以上；若污染土掺比达到4%及4%以上，其熟料强度随着污染掺比增加而下降；若污染土掺比为2.5%时，熟料中C3S含量为55.43，其熟料早期强度高，C2S含量也大于20，使其后期强度也高；当污染土壤掺比为2.5%时，熟料3d强度和28d强度都达到了理论峰值。从XRD图及熟料物理性能来看，水泥窑协同处置污染土对熟料的凝结时间、标准稠度及熟料矿物并无明显的影响。
关键词：污染土掺比；3d强度；28d强度；水泥窑协同处置
Influence of cement kiln collaborative disposal of contaminated soil on clinker strength
Abstract：Gezhouba Jiayu company used contaminated soil as raw material，and used cement kiln collaborative disposal technology to study the influence and control of cement kiln collaborative disposal of trace heavy metals in contaminated soil on cement kiln process. This paper decomposes this project and studies the influence of different amount of contaminated soil on clinker calcination，clinker chemical composition and clinker strength. The results show that the clinker strength is above 60MPa when the three ratios of clinker are KH：0.905 ~ 0.920，SM：2.5 ~ 2.6 and IM：1.5 ~ 1.6，and the sulfur alkali ratio of clinker is about 1；if the contaminated soil ratio reaches 4% and above 4%，the clinker strength increases with the increase of contaminated soil ratio When 28d strength is 2.5%，the C3S content in clinker is 55.43，the early strength of clinker is high，and the C2S content is more than 20，which makes the late strength high；when the contaminated soil ratio is 2.5%，the 3d strength and 28d strength of cl inker reach the theoretical peak. According to XRD and physical properties of clinker，there is no obvious effect on setting time，standard consistency and clinker minerals of cement kiln co treating contaminated soil.
Key words：28d strength，3d strength，28d strength，Collaborative disposal of cement kiln.
引言
自2016年，国务院印发《土壤污染防治行动计划》以来，大量的土壤修复技术被提出并应用[1]，全国范围内涌现出大量的污染场地修复项目。其中，重金属污染土壤由于其处置过程简单，无需大规模设施投资，而备受水泥窑线企业的青睐。湖北省内，自2018年4月习总书记视察长江后，已涌现出了大量的水泥窑协同处置污染土壤项目，其中华新水泥的处置规模已近百万吨[2]，发展势头迅猛。
对于重金属污染土壤入窑处置的过程，国家相关部委也发布了较多的标准进行规范约束，但由于监管疏漏，水泥原燃材料中的重金属含量超标、水泥熟料中重金属超标[3]和窑尾粉尘中的重金属超标问题日益突出，带来了较大的环保违法和产品安全风险，将来必将成为掣肘行业发展的重要因素。
因此，研究水泥窑协同处置污染土壤过程中的微量重金属元素在熟料中的固化作用及烟气中的挥发和分布情况，合理调整投料方案，减小重金属元素对熟料品质和环境的影响，对于水泥窑协同处置行业发展和建材行业转型升级具有重要意义。
1水泥窑协同处置污染土对熟料煅烧的影响
我公司使用的污染土主要是由土壤修复工程中污染土壤，含大量砖头、啤酒瓶类杂物长期沉降形成的，经专家论证评审确认不属于危险固体废弃物。其分批次化学成分见表1：
表1：不同批次污染土化学成分
从表1可发现污染土中主要含有SiO2和Al2O3，污染土与铝质材料成份比较接近，铝含量偏低无法达到铝质材料的使用标准，无法单独替代页岩。污染土壤中的碱和氯离子的含量偏高，碱和氯离子在窑系统中循环挥发和富集，造成窑尾烟室、下料斜坡、窑尾缩口、最低两级旋风筒的下料管、三次风阀门处结皮增多，长期投入污染土将会使无旁路放风的窑线窑系统阻力增大，这将影响熟料正常煅烧。技术人员在配料环节以及采用工艺手段进行调整，使窑系统热工制度稳定，从而确保熟料质量达标。
2 不同掺量污染土对熟料强度的影响
2.1不同掺量污染土对熟料成分的影响
为研究污染土对熟料性能的影响，我公司以0、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的污染土掺量进行生料生产梯度实验以及熟料煅烧梯度实验。
表2 熟料的化学成份分析
图1 熟料矿物组成对比图
从表2、图1可以看出，水泥窑协同处置污染土所生产的熟料与未处置污染土生产的熟料的化学成分并无明显的区别，熟料的四种主要矿物的分布也无影响。技术人员在配料环节按照出磨生料的控制值进行配料，遇到石灰石换堆及原煤换堆时，操作员与技术员要全方位对窑况进行分析，从风煤料三者的匹配关系进行调整，以促使窑况逐渐好转并稳定来保证熟料的质量。从图1矿物组成来分析，若污染土掺比为2.5%时，熟料中C3S含量为55.43，其熟料早期强度高，C2S含量也大于20，使其后期强度也高。
2.2不同掺量污染土对熟料强度的影响
表3 熟料强度对比分析
图2 熟料强度对比图
从表3可知，水泥窑协同处置污染土壤生产的熟料的化学成分及其凝结时间、标准稠度与未处置污染土生产的熟料并无明显影响[5]，对熟料强度略有影响。首先，保证熟料三率值在控制范围内，熟料硫碱比约等于1时，既不会降低熟料硫酸盐矿物，也不会因挥发性化合物富集而影响窑的煅烧，最终影响熟料质量。当污染土壤掺比由0%至3.5%，从表2、图2可知，我公司熟料化学成分基本在控制在：KH：0.905~0.920、SM：2.5~2.6、IM：1.5~1.6，熟料硫碱比约等于1时，熟料28d强度均在60Mpa以上；当污染土掺比达到4%时，其熟料28d强度下降比较明显，只有58.2Mpa。随着污染土壤掺比增大，其熟料强度总体呈一个下降的趋势。当污染土壤掺比为2.5%时，熟料3d强度和28d强度都达到了理论峰值。
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图4 未掺污染土熟料XRD分析图（3d强度29.9MPa，28d强度58.8 MPa）
从图3、图4可知，掺污染土熟料C3S含量高达60%、C2S含量低于20%，未掺污染土熟料C3S含量在55%左右、C2S含量高于20%，处置污染土的熟料28d强度比未掺污染土的熟料28d强度增长偏低。掺污染土熟料中M3型C3S比未掺污染土熟料高，掺污染土熟料早期强度比未未掺污染土熟料高，但相差不大。从XRD图谱可以看出，水泥窑协同处置污染土生产的熟料中的矿物组成与未处置的熟料中的矿物组成主要为C3S、C2S和少量的C3A和C4AF，以及少量的石膏 [5]。
3 结论
1.废弃土的化学性质介于砂岩与页岩之间，在0-4%掺量之间，对熟料成分也无影响；
2.技术人员要多加注意污染土、岀磨生料、入窑生料及熟料的氯离子及碱含量的变化，及时调整窑工艺操作参数，避免氯离子及碱在预热器系统不断地富集，产生较大结皮而造成预热器堵料；
3.KH：0.905~0.920、SM：2.5~2.6、IM：1.5~1.6，熟料硫碱比约等于1时，熟料28d强度均在60Mpa以上；
4.当污染土掺比达到4%及4%以上，其熟料强度随着污染掺比增加而下降；
5.当污染土壤掺比为2.5%时，熟料3d强度和28d强度都达到理论峰值；
6.从XRD图可以看出，C2S含量低于20%，其熟料28d强度比未掺污染土熟料28d强度增长偏低。
参考文献：
[1]姜雨生.污染土壤水泥窑协同处置及基于水泥窑的热脱附技术[C].国际棕地治理大会，2016.
[2]刘志阳.水泥窑协同处置污染土壤的应用和前景[J].污染防治技术，2015，2（28）；35-36.
[3]户宁，武振平，马军民.水泥窑协同处置污染土壤实例分析[J].水泥，2016，4；10-12.
[4]陈慧.水泥窑协同处置污染土技术及应用探讨[J]，水泥工程，2019.
[5]向阳从，何永佳，吕林女.水泥窑协同处置危废生产熟料的性能研究[D].环境科学与管理，2013.