一、国内矿渣综合利用现状2004年全国工业固体废物产生量为12亿吨，综合利用率仅为55.7%，与国际先进水平相比仍然较低。矿渣是黑色冶金工业影响环境负荷的主要固体废弃物，2004年我国产钢2.72亿吨，冶炼废渣产生14619万吨，（其中钢渣约为5000万吨，高炉矿渣约9000万吨），综合利用12848万吨，加上历年累积，总贮存量为两亿吨，占地3万亩。这些露天储存的冶炼废渣堆存侵占土地，污染毒化土壤、水体和大气，严重影响生态环境，造成明显或潜在的经济损失和资源浪费。据估算以每吨冶炼废渣堆存的经济损失14.25元计，每年造成经济损失28.5亿元。所以，冶炼废渣的无害化、资源化处理是我国乃至世界各国十分重视的焦点，也是我们推进循环经济的中心内容之一。

　　目前，我国对矿渣的深加工资源化处理比例偏低，2004年仅占4.3%，仍有95.7%即1.5亿吨的矿渣需要粉磨深加工，任务繁重且具有广阔的市场前景。我国目前粉磨深加工资源化处理的技术及装备，与发达国家相比十分落后。矿渣在水泥工业中的综合利用主要经过了3个阶段：第一阶段主要是在1995年以前，粒化高炉矿渣主要是作为水泥混合材使用。粉磨方式以熟料、石膏、矿渣按比例在一起混合粉磨为主。矿渣由于难磨，在水泥中的掺量有限，一般不超过30%.第二阶段是1995年至2000年，国外磨细矿渣粉对高性能混凝土耐久性的影响，引起了国内学者的重视和效仿。矿渣微粉作为混凝土的高掺合料，在建筑工程中逐步推广使用。但由于要求矿渣微粉比表面积要达到600m2/kg以上，国内仅有几家企业生产。主要原因是：当时年产30万吨规模的矿渣微粉生产厂，几乎全是进口国外的立磨生产线，进口设备价格昂贵、生产线投资相当大。以年产30万吨矿渣微粉生产线为例，一次性投资至少在5000万元左右。第三阶段是在2000年之后，随着粉磨设备节能技术和矿渣微粉应用经济技术研究的深入，使广大水泥企业认识到，矿渣微粉最经济的粉磨细度应控制在400m2/kg左右。各种粉磨设备都能够生产出市场不同需求的矿渣微粉，并获得相应的经济效益。随着水泥工业产业结构调整政策力度的加大，在大力发展循环经济的推动下，矿渣微粉的产量年年翻番，目前年产量已接近1000万吨，建材行业内一个新兴产业正在逐步形成。

　　二、怎样激发矿渣的活性矿渣是一种具有“潜在水硬性”的材料，即单独存在时，基本无水硬性。但受到某些激发作用后，就呈现出水硬性。常用的激发方式有两大类，一是物理激发：高细粉磨（采用助磨剂）；二是化学激发：采用对混凝土耐久性无害的化学物质，激发矿渣水泥的活性。化学激发方式可分为：碱激发、硫酸盐激发等多种激发形式。

　　1.物理激发。固体物料在经受冲击、剪切、摩擦、压缩、延伸等机械力作用后，其内部晶体结构会不规则化和产生多相晶型转变，导致晶格缺陷发生、比表面积增大、表面能增加等，随之物料的热力学性质、结晶学性质、物理化学性质等都会发生规律性变化。机械粉碎是采用机械能使物料由大颗粒变成小颗粒的工艺过程。在粒径减小的同时，自身的晶体结构、化学组成、物理化学性质发生机械化学变化的主要方面包括：①被激活物料原子结构的重排和重结晶；表面层自发地重组，形成非晶质结构。②外来分子（气体、表面活性剂等）在新生成的表面上自发地进行物理吸附和化学吸附。③被粉碎物料的化学组成变化及颗粒之间的相互作用和化学反应。④被粉碎物料物理性能变化。这些变化并非在所有的粉碎作业中都存在，它们与机械力的施加方式、粉碎时间、粉碎环境及被粉碎物料的种类、粒度、物理化学性质等有密切的关系。用于水泥工业的工业固体废弃物，一般细粉的水化速度比水泥慢得多，经测试表明：颗粒大小在80μm（比表面积300m2/kg）左右时，高炉矿渣水化90天左右才能产生与硅酸盐水泥熟料水化28天时相应的强度；粉煤灰则需150天左右才能达到相应的强度。对上述工业废渣粉磨到产品颗粒大小大多在45μm（比表面积450m2/kg）左右时，能扩大水化反应时的表面积，相应地可以较大幅度地提高它们的水化速度，能在较短时间内产生较高的强度。

　　2.化学激发。粒化高炉矿渣单独与水拌合时，反应极慢，得不到足够的强度，但在氢氧化钙溶液中就能够发生水化，而在饱和的氢氧化钙溶液中反应更快，并产生一定的强度。这说明矿渣潜在能力的发挥，必须以含有氢氧化钙的液相为前提。这种能造成氢氧化钙液相以激发矿渣活性的物质称之为碱性激发剂。它生成碱性溶液能破坏矿渣玻璃体表面结构，进行水化反应，造成矿渣颗粒的分散和解体，产生有胶凝性的水化硅酸钙与水化铝酸钙。常用的激发剂有石灰和硅酸盐熟料。在含有氢氧化钙的碱性溶液中，加入一定数量的硫酸钙，就能使矿渣的潜在活性较为充分地发挥出来，产生比单独加碱性激发剂高得多的强度，这一类物质称之为硫酸盐激发剂。碱性介质促使矿渣颗粒的分散、解体，并生成水化硫铝酸钙，促使强度进一步地提高。常用的硫酸盐激发剂有：二水石膏、半水石膏及无水石膏等。

　　三、为什么要采用“分别粉磨”工艺在当前的工业固体废弃物的物理再循环利用中，水泥企业一般是将矿渣与熟料及其他组分物料，按配比一起加到球磨机中共同混合粉磨。由于各种物料易磨性的差异较大，当出磨物料达到工艺要求时，其中某些工业废渣组分的细度并没有达到理想的指标。如：粉磨矿渣水泥时，矿渣比水泥熟料难磨得多，水泥比表面积达到了300m2/kg以上，水泥中的矿渣粉的比表面积只有200～250m2/kg，其水化活性不能在水泥构件或建筑工程中正常发挥。因此，专家们建议：有条件的水泥企业应该将矿渣与熟料等其他组分物料分开，将矿渣单独粉磨、熟料与石膏及其他混合材一起粉磨，然后再根据市场需求，配制合成不同强度等级的矿渣水泥或复合水泥。

　　四、“分别粉磨”工艺实施方案对粒化高炉矿渣采用高细粉磨并采用分别粉磨的形式，是目前综合利用中最适用的工艺流程。工艺流程形式多样，可以是高细高产管磨机一级开路流程，也可以是普通球磨机、高效选粉机一级闭路流程；可以是立式磨一级闭路流程，也可以是辊压机与球磨机联合粉磨流程等等。这些流程的共同点是：必须将矿渣粉磨成高细粉（统称为矿渣微粉），即矿渣微粉中的颗粒80%≤50μm、比表面积≥380m2/kg，其中，≤10μm的超细粉约占30%～40%.然后可以直接给混凝土搅拌站提供掺合料，或再与熟料粉合成不同强度等级的水泥。当前，有许多立窑企业随着国家宏观调控政策的出台，以及水泥工业产业结构调整的步伐进程，需要调整自己的产品结构，改变生产低强度等级水泥为主的现状，为循环经济作一点工作，以工业废渣综合利用作为今后的发展目标。也可以利用原水泥厂的闲置设备，进行技术改造而成为矿渣微粉生产基地。或购买少量水泥熟料，生产高混合材掺量的32.5级矿渣水泥或复合水泥。常见球磨机分别粉磨工艺流程图如下：

　　1.球磨机分别粉磨合成水泥工艺流程（见图1）图1 球磨机分粉磨合成水泥工艺流程如图1所示，用1台球磨机将粒化高炉矿渣粉磨成比表面积400m2/kg左右的矿渣微粉；用另1台球磨机将水泥熟料及石膏等物料粉磨到比表面积350m2/kg以上；然后分别进入水泥配料系统各自的储存库，根据市场需求和国家质量标准，将矿渣微粉和熟料、石膏粉，按比例计量、混合、均化、配制成不同强度等级的矿渣水泥。这样不仅使矿渣的活性得到充分发挥，水泥强度等级提高、使用性能得到改善，而且，矿渣的掺加量可以达到60%以上。水泥熟料既是碱激发剂，又是早期强度的保证。1吨熟料生产3吨水泥，不仅降低了生产成本，而且增加了经济效益。

　　2.辊压机与球磨机联合粉磨工艺流程。配合料经过辊压机挤压粉碎之后，不能直接入磨，而是先经过打散分级机分选，细料（粒径≤2mm）送入球磨机水泥粉磨系统，粗料（粒径在2mm以上）返回辊压机再次挤压。球磨机水泥粉磨系统可以是普通球磨机一级闭路流程，也可以是高细高产磨一级开路流程。通过打散分级机可以调控球磨机的入料粒度和系统循环负荷，辊压机和球磨机各自承担的的粉碎功能界限十分明确，通过优化各自的操作参数，使整个粉磨系统达到最佳运行状态。这种流程最大的特点是消除了辊压机的边缘效应，满足了辊压机过饱和喂料的要求；同时可以采用“低压大循环工艺”，减小辊压机的工作压力，延长辊套使用寿命，提高运转率。不必刻意追求辊压机出料中的合格细粉含量，充分发挥打散分级机的调控作用。实践证明：该工艺流程比普通球磨机一级闭路流程增产60%以上，降低单产电耗15%～20%，不仅经济效益显著，而且运行费用降低、维护检修工作量大为减小。

　　3.立式磨水泥粉磨一级闭路流程。立式磨水泥粉磨一级闭路流程主要分为粉磨功能区和混合功能区两大部分。粉磨功能区主要实现水泥熟料和混合材的分别粉磨；混合功能区主要实现按不同的产品标准进行各品种水泥的合成配置。立式磨在磨体内自成闭路粉磨系统。由于水泥立式磨的操作参数与生料粉磨不尽相同。容易产生水泥颗粒组成不合理，微细粉偏少，水泥早期强度低，泌水现象严重等问题；另外，水泥组份比生料易磨性差，磨辊、磨盘磨损严重。因此，立式磨粉磨水泥对设备材质要求高，操作维护具有一定的难度，分级装置结构应有所改进。直到2000年7月，我国国内第一条应用于水泥粉磨的立式磨终粉磨系统在安徽朱家桥水泥公司建成投产。采用德国制造的莱歇磨LM46，年产矿渣水泥70万吨，实际上就是一条熟料、矿渣分别粉磨，然后再合成水泥的工艺线。这样避免了气流分级过程中，水泥多组分颗粒分布不易控制的难题，为确保水泥质量提供了保证。

　　4.立式磨与球磨机分别粉磨合成水泥工艺流程。采用立式磨单独粉磨矿渣，可以利用立磨热风炉提供的热气，实现矿渣的烘干兼粉磨过程，省掉矿渣烘干机，使合格的矿渣微粉直接进入矿渣粉库，简化生产流程。熟料、石膏或其他混合材用球磨机一级闭路系统粉磨，合格细粉进入熟料、石膏粉库。在水泥合成车间，根据市场需求和国家质量标准要求，将矿渣微粉和熟料、石膏粉，按比例计量、混合、均化配制成不同强度等级的矿渣水泥或复合水泥。目前国内大型钢铁集团一般都采用这种工艺流程，一次性投资都在3000万～5000万元，但经济效益的回报也十分可观。

　　五“分别粉磨”工艺主要注意事项1.粉磨平衡。一般来说，物料在粉磨过程中，粉磨时间越长，出磨产品粒度越细，单位产品的电耗越高。但是，随着粉磨时间的延长，物料比表面积逐渐增大，其比表面能也增大。因而，微细颗粒相互聚集、结团的趋势也逐渐增强。经过一段时间后，磨内会处于一个“粉磨口团聚”的动态平衡过程，达到所谓的“粉磨极限”。在这种状态下，即使再延长粉磨时间，也难以将产品粉磨得更细，有时甚至使产品的表观粒度变粗。同时，磨机产量明显减少、粉磨能耗成倍增加、粉磨效率降低。这种现象在普通粉磨时并不明显，但在高细粉磨和超细粉磨中经常出现，也是粉磨生产必须认真解决的问题之一。最好的解决办法是：添加助磨剂。无机物一类非极性助磨剂能形成物料颗粒表面的包裹薄膜，使表面达到饱和状态，不再互相吸引黏结成团块，增加磨内物料的流动性。并通过裂纹形成、扩展过程中的防“闭合”和吸附，降低颗粒硬度，减弱颗粒的强度，改善细颗粒的易磨性。由于磨内粉磨物料明显提高了连续通过磨机的速度，也改善了研磨介质的粉磨作用；助磨剂通过保持颗粒的分散，来阻止颗粒之间的聚结或团聚。粉磨粒度越细，使用助磨剂的效果越显著。

　　2.粉磨工艺参数调整。粉磨矿渣时，由于入磨物料粒度的减小，球磨机磨内研磨体的平均球径必然要随之减小。一般来说，最大球的球径不要超过Φ60mm.根据磨机的仓位，减大球、换小球。两仓磨，还应该将隔仓板前移，增大细磨仓长度。由于矿渣难磨，研磨体的装载量应适当高于磨机设计装载量，约增加10%左右，不要超过15%.采用助磨剂后，必须使设备的工艺条件与之适应。物料在磨内的停留时间减少，因此必须改变研磨体与物料的比，即料球比和循环负荷等。助磨剂在开流磨中使用，能增加细粉含量。在一般情况下，添加助磨剂使物料的流速加快，使物料细度相对流速的变化更加敏感。所以在开流磨中要特别注意对助磨剂添加方法的合理控制：一方面，通过对添加量的调整使物料流速不至于失控（即跑粗料），另一方面，还要注意添加的稳定性和均匀性。在不改变磨内结构的条件下，还可以适当降低通风量以降低物料流速。在圈流粉磨系统，使选粉机与之匹配，保持成品细度不变，则可提高产量。在某一特定闭路磨机中，成品细度不变的情况下，循环负荷的大小决定于出磨物料的细度，反应了物料在磨机中停留时间的长短。循环负荷大，表明物料在磨机内停留时间短，出磨物料粗。循环负荷小，表明物料在磨机内停留时间长，出磨物料细。使用助磨剂后物料流速的加快会使物料在磨内通过的时间缩短。如果原系统循环负荷较大，物料停留时间较短，添加助磨剂后不对磨机系统进行适当调整，就容易造成磨内物料流速失控，使助磨剂的助磨作用降低或消失。同时，由于流速过快，物料得不到充分研磨，致使出磨物料细度跑粗，循环负荷逐渐增加，时间一长会造成出磨物料量的成倍增加，磨尾提升机容易过载而使生产受到影响。原系统循环负荷适中或者较小的磨机，不用调整内部结构使用助磨剂就可以达到满意的助磨效果。添加助磨剂后，在控制成品细度及磨机产量不变的情况下，如果循环负荷逐渐减小，表明原系统运行在合理的循环负荷下；如果循环负荷不降反而逐渐升高，表明原系统在高于合理循环负荷下运行，这时，如果不进行适当的系统调整，使用助磨剂后不但不会增产反而会影响正常生产。在一般情况下，只要磨机运行状况良好，助磨剂就可以达到预期的助磨效果。如果要更充分地发挥助磨剂的作用效果，可以根据系统特点进行适当的调整，调整的原则就是既要控制物料流速，又要使系统在合理的循环负荷下达到最佳产量。在闭路磨机中使用助磨剂主要可以实现以下几方面的效果。首先，在保持磨机产量不变的情况下，可以调节选粉机，使磨机循环负荷恢复或者稍高于原来水平，从而使磨机总的喂料量逐渐稳定，这时产品的筛余细度下降，比表面积增加。其次，在此基础上，不改变选粉运行参数，保持产品细度不变，就可以增加喂料量，提高磨机台时产量。

　　六、“分别粉磨”工艺应用实例应用实例一：

　　北京市PG水泥二厂始建于1976年，经过技术改造，生产规模由投产时的1条8.8万吨机立窑生产线发展到现在3条机立窑生产线（3台Ф3m×10m机立窑）和1条日产2000吨新型干法窑外分解生产线，生产能力达到200万吨。通过不断优化工艺配置、技术改造，水泥产、质量取得了巨大的提高。同时，该厂积极采用新工艺、新技术、新设备进行技术节能改造，达到了提高效益、提高质量和环境治理的目的，跻身于北京市100家最佳经济效益工业企业和中国500家最大建材工业企业之一。①市场展望。该厂离首钢、唐山较近，有大量的矿渣资源，铁路运输方便，价格便宜；同时，2008年在北京举办奥运会，许多基础设施工程正在施工兴建，需要大量的水泥材料，因此，水泥市场非常好，可以说是供不应求。②企业存在的问题。由于水泥厂在改造过程中，有意识地加大了粉磨能力，现有水泥磨10台，其中Ф2.2m×7m3台，Ф2.2m×6.5m2台，Ф2.4m×8m1台，Ф3.0m×12m4台，造成生产的熟料远远不够水泥磨供料需求，需要外购一部分熟料。因此，该厂一直在寻找一种能多用矿渣，增加产量降低成本的先进技术方法。③水泥助磨剂的选择。2002年该厂对国内外的多种助磨剂进行了试验，但效果都不理想，没有达到他们的要求。最后，他们通过网上查找和市场调研，确定对HY-I型高效复合水泥助磨剂进行工业性试验。HY-I型高效复合水泥助磨剂是由多种原料经特殊工艺加工而成的灰色粉状中性物质，不含碱、不含盐，各种性能完全符合JC/T667-2004标准要求，是中国水泥协会推荐产品之一。④工业性试验。2005年至2006年该厂在立窑线上进行了工业性试验，目的是：为了验证HY-I型高效复合水泥助磨剂的效果是否能满足生产能力和产品质量的要求，并实现1吨熟料生产3吨水泥的目标。

　　试验阶段：第一阶段（A）从8时到16时，不用助磨剂，按正常生产配比进行空白试验。第二阶段（B）从16时到24时，根据实际要求，调整了水泥配比，石膏增加2%，矿渣增加13%，助磨剂掺加1%，熟料降低16%，进行对比试验。整个试验过程中控制台时产量不变。第三阶段（C）采用分别粉磨。其中Ф2.2m×7m3台闭路磨粉磨熟料与石膏，其余7台磨机开路粉磨矿渣微粉。吨矿渣到厂价40元，烘干后吨成本约60元；水泥混合粉磨电耗28～30kWh/t；矿渣微粉单独粉磨电耗为70～75kWh/t.试验结果：从8时～16时不用助磨剂和16时～24时使用助磨剂两个阶段的试验数据看，使用HY-I型高效复合水泥助磨剂后，在熟料降低16%的情况下，水泥3天强度和28天强度都还有提高，凝结时间缩短。采用分别粉磨工艺后，实现了1吨熟料生产3吨水泥的目标。由于熟料粉与矿渣微粉比表面积都有所增加，所以合成矿渣水泥的强度指标都得到提高，完全达到了预期目的。单独粉磨矿渣微粉有利于矿渣活性系数的提高，不仅实现了1吨熟料生产3吨水泥的目标，而且解决了熟料供给紧张的问题。同时在保证水泥质量的前提下，降低了水泥生产成本。按生产100万吨矿渣水泥计算，采用分别粉磨工艺比原来混合粉磨每年可多获得经济效益100×3.8=380（万元）。PG水泥厂原为年产10万吨水泥生产线。经过考察，多次反复论证，于1999年决定采用Φ2.2m×6.5m水泥磨及配套O-Sepa选粉机的闭路粉磨系统生产矿渣微粉。

　　1.调整磨机工艺参数。为了获得较高比表面积的矿渣微粉产品，一仓研磨体采用球段混装，二仓研磨体采用钢段，原磨机工艺参数进行调整，缩短一仓（隔仓板靠近磨门），增加二仓长度，以加强细磨仓研磨能力，并将隔仓板和磨尾衬板篦孔进行改进，篦缝调整为8mm，以保证磨损后的钢段核不至于泄漏，并有利于通风良好。

　　2.调整O-Sepa（N-350）选粉机的风量。隔仓板和磨尾衬板篦缝缩小后通风阻力增大，为了有利于磨内通风，将2次风调节门关闭；根据粗粉回料中合格细粉含量的多少，适当关小或增大3次风；系统1次风使用全风。利用转动调速器旋钮，改变转子转速，调节矿渣微粉的比表面积，达到产品质量要求。

　　3.工艺流程的特点。本系统为球磨机一级闭路流程，选用平面涡流笼型选粉机进行产品分级，采用气箱脉冲袋除尘器组成一级细粉收集系统，进行成品矿渣微粉收集。细粉收集系统即是通风除尘系统，全部粉磨过程处于负压运行，净化后的含尘气体排入大气，排放浓度≤30mg/m3，机房中无粉尘飞扬，符合清洁生产要求。

　　4.预期指标。①比表面积：400～450m2/kg；②台时产量：5.5～7t/h；③系统电耗：≤80kWh/t. 5.应用效果。设备安装完毕，利用库存干矿渣（含水率≤1.5%）进行全系统调试运行。矿渣微粉成品经测试，结果如下：矿渣微粉比表面积为420～430m2/kg，系统台产5.5t/h.矿渣粉磨系统于2002年5月正式投入生产，生产正常。新建Φ2.2m×18m烘干机投入使用，为磨机提供足够的干矿渣创造了条件，全线投入使用后生产情况如下：①入磨矿渣水分：≤1.5%；②矿渣微粉比表面积：460～470m2/kg；③月平均台时产量：6.25t/h；④单位产品电耗：78kWh/t；⑤粉磨系统循环负荷率为：86%；选粉效率为：76.8%. 6.经济效益分析。①设备投资。磨机改造与研磨体购置费18万元，配套选粉机38万元，安装费用2.8万元，合计58.8万元。②经济效益。PG水泥厂隶属GD省SG钢铁集团公司，具有独特的资源优势，市场需求量大，每吨矿渣微粉可获净利80元左右，当年收回全部投资。

　　7.改进意见。①由于研磨体改用钢段以后，接触面增大，摩擦升温加剧，磨机筒体、出磨物料及含尘气体，温度较高，应加强通风及降温措施；②为延长选粉机和袋除尘器的使用寿命，在机内易磨损处，应贴耐磨陶瓷片加以保护，以实现较高的设备运转率。

　　应用实例二：

　　山西省长治RC水泥有限公司年产100万吨矿渣水泥生产线，由熟料粉磨、矿渣粉磨、水泥合成及包装、散装几大部分组成。熟料粉磨采用RP120-80辊压机与Φ3.8m×13m球磨机和N-1500型O-Sepa选粉机组成的挤压联合粉磨系统。设计台时产量为75t/h，实际产量达到90t/h.矿渣粉磨系统采用从德国进口的LM56.2莱歇立式磨，是国内最大的莱歇磨，运行3年来，故障率极低。矿渣微粉生产能力潜力很大，目前仅控制在90～120t/h，比表面积稳定在460～480m2/kg，活性指数7d为83%，28d为102%.水泥合成采用德国CP公司的连续式单轴机械混合机，生产能力为：200t/h，合成水泥均匀性变异系数≤6%，生产车间各扬尘点粉尘排放浓度≤15mg/Nm3，远远低于国家环保标准排放限值要求。使用分别粉磨工艺后，合成水泥可以通过调整矿渣微粉的掺配量，跟踪市场需求，来灵活的调节水泥品种和质量。与传统方法生产的矿渣水泥相比，有如下特点：①早期强度高。由于矿渣微粉的作用，改善了水泥的颗粒组成，3d强度比同品种传统矿渣水泥高2～3MPa.②标准稠度用水量小。由于合成水泥中，矿渣微粉颗粒能够改善水泥水化产物的颗粒堆积和空隙结构，因而明显地降低了标准稠度用水量。③出厂水泥质量稳定，标准偏差小。经一年多的生产实践，出厂的各强度等级的矿渣水泥，28d抗压强度标准偏差都≤0.6MPa.