水泥企业使用石灰石废石生产机制砂的应用

户宁

天然砂是不可再生资源，对其刚性的需求至今没有其他产品可以替代。砂是一种区域性的原材料，不宜长距离运输，适宜就近生产运输。随着国家基础建设的日益发展，近几年我国的用砂量达数十亿吨以上，居世界第一。一些地区的可采天然砂资源正逐步减少，甚至枯竭，在大城市和经济发达地区砂的供需矛盾尤为突出。

随着天然砂资源的日益短缺，不合理的开采对环境造成了严重的破坏，国家和各地政府开始严格限制或禁止开采天然砂。天然砂限制或禁采政策的出台，进一步减少了天然砂的来源。为缓解这一突出矛盾，积极推广使用机制砂，成为砂石行业产业结构转型升级的主要发展方向。

1 工程背景

1.1 原废石生产线工程概况

金隅鼎鑫水泥有限公司第一分公司石灰石废石生产线于2012 年顺利投产运营，年处理低品位的石灰石废石量达200 余万吨。此生产线的投产部分解决了水泥矿山低品质石灰石废石的处置问题，但仍有约32%的废渣无法处置，只能作为工程场地平整用料等被使用，产品附加值低，资源综合利用率较低，无法满足企业日益增长的环境和效益要求。

技改前的石灰石废石生产线工艺流程如图1所示。

石灰石废石通过重型板喂机进入锤式破碎机（第一级破碎），破碎后到1 号振动筛筛分（两层筛网分别为25mm、30mm），此时筛分出三种产品：25～30mm 石料、＜25mm 和＞30mm 的石料。＞30mm的石料返回反击破碎机（二次破碎）处破碎后再回到1 号振动筛，＜25mm 的石料进入2 号振动筛（两层筛网分别为5mm、10mm）筛分，分别形成10～25mm石子、5～10mm石子和0～5mm石粉。

1.2 原废石生产线的不足之处

原有石灰石废石生产线生产的产品中有32%的废石变为产品附加值低的石粉，资源利用率及经济效益不理想，原有石灰石废石生产线生产的产品比例及售价情况如表1所示。

对第一分公司矿山石灰石废石生产线产生的石粉进行筛分检测，得到其平均粒径组成，如表2所示。

机制砂的颗粒级配图如图2所示。

此生产线的缺点主要有：

表1 原石灰石废石生产线产品比例及售价情况

表2 石粉的平均粒径组成

图2 0～5mm石粉样品颗粒级配图

（1）产品成品率低。0～5mm 石粉的比例在32%，按照最大产量400t/h 计，如每天运行18h，产生石粉量约为2 300t/d，鼎鑫水泥公司的熟料生产线无法全部掺配使用，剩余部分必须对外销售。

（2）产品附加值低。由于破碎出的0～5mm 的石粉粒形不好，且含泥量约15%，亚甲蓝检测结果MB 值在5g/kg 以上，混凝土搅拌站无法使用，工程需求量不大，存在没有买家或者石粉价格特别低的情况，产品的附加值极低。

第一分公司矿山石灰石废石的化学成分分析如表3所示。

从表3 中可以看出，石粉的氧化镁、碱含量较高，金隅鼎鑫公司的五条熟料生产线无法将每天产生的约2 300t石粉全部用于生料配料。经过计算，鼎鑫公司每天可将石粉中的一半用于生料配料，故还需要为剩余的另一半石粉寻找“出路”。

从表2中可以看出：石粉中2.5mm 以上的物料约占石粉总量的一半以上，通过对石粉含泥量进行检测，2.5mm 以上石粉含泥量＜0.5%，而2.5mm 以下石粉含泥量在20%～30%。如果将2.5mm以上石粉分离出来并整形制成机制砂，就可以在混凝土中使用。

要解决以上问题，就需要进行相应的技术改造，从而大幅提高石灰石废石生产线的产品附加值，增加石灰石废石生产线的综合经济效益，实现资源综合利用。

2 生产工艺及设备的对比与选择

目前，机制砂的主要生产工艺有湿法水洗制砂和干法制砂两种。在机制砂发展早期，湿法制砂工艺较多，但湿法制砂需消耗大量的水资源，且水污染严重，水洗后机制砂中的微细石粉随水流失，导致使用其生产的混凝土易出现泌水等问题。随着国家环保标准要求的提高和混凝土行业的发展，湿法水洗制砂工艺基本退出了机制砂行业。

传统的干法制砂工艺有锤式破碎机制砂、反击破碎机制砂、圆锥破碎机制砂以及由以上破碎机组合使用的制砂工艺，但均存在产品含粉量过高、粒形差、级配不合理、成品率低、设备磨损大等缺陷，传统的干法制砂工艺也基本退出了机制砂市场。

目前国内的制砂企业主要使用新型干法制砂工艺，包括双轴锤式破碎机制砂、立轴破碎机制砂、对辊破碎机制砂等三种工艺。

以上三种制砂工艺设备的优缺点对比如表4所示。

由表4 的比较可见，从产品质量来看，立轴破碎机最好，行业中最好的立轴破碎机能达到Ⅰ类建设用砂的要求；对辊破碎机次之，能达到Ⅱ类建设用砂的要求；双轴锤式破碎机最差，只能达到Ⅲ类建设用砂的要求。从产品成品率来看，对辊破碎机和双轴锤式破碎机产品成品率均是100%，立轴破碎机的成品率和设备及原料的硬度有关，大致在60%～85%。从设备复杂程度、投资、能耗和运营成本来看，立轴破碎机最高，对辊破碎机次之，双轴锤式破碎机最低；从环保性对比来看，立轴破碎机最优。

根据鼎鑫公司生产线的需求，处置一半的石粉，每小时需处置的最大石粉量为400×32%×50%=64t，设备选型为70t/h即可，产能方面三种设备均能满足要求。

表3 一分公司矿山石灰石废石的化学成分分析，%

表4 制砂工艺设备对比

经过对石家庄混凝土用户的走访和调查，了解到石家庄地区的普通河砂的到站价为每吨35～40元，除去每吨15元的运费，鼎鑫机制砂的出厂定价约为每吨20～25 元，结合投资和运营成本考虑，立轴破碎机由于投资和运营成本太高而不能作为此项目的选项；而混凝土客户要求供应能满足Ⅱ类建设用砂的机制砂产品，只有立轴破碎机和对辊破碎机能满足。

综合考虑成本和产品质量的要求后，此项目最终选用对辊破碎机制砂的生产工艺。

3 工艺方案及优化

3.1 工艺方案

此项目在现有的石灰石废石生产线的基础上进行优化改造，最大程度利用其原有石子厂的石粉大棚。在石粉皮带输送机末端下方，增加分料闸板和入振动筛的皮带输送机；将公司之前技改换下的振动筛安装在石粉棚内东北角；为增加筛分效率，振动筛的筛网安装为两层防堵筛网，筛分出＜2.5mm 的石粉，由铲车和自卸卡车倒运，在水泥厂内部消化；＞2.5mm的石粉（约占石粉总量的50%）通过皮带输送机进入制砂机制砂，进入制砂机的物料全部变为机制砂，成品率为100%，无多余石粉产生。

虽然装车是在石粉棚内进行，但石粉棚的南北两扇门通常都处于开启状态，极易因空气对流而出现粉尘外溢的无组织排放，存在相当大的事故隐患。为增加装车作业环境的舒适度和整洁度，在石粉棚内增设了两台袋式收尘器。

项目调试期间发现，由于制砂机离地面较高（约5m），在机制砂落地时成品存在离析现象，影响客户搅拌站的使用效果。同时，由于机制砂成品与地面的落差大，易产生扬尘，虽然项目为制砂机配置了收尘器，但由于制砂机下料口面积较大，收尘器无法起到太好的效果。

3.2 方案优化

为了解决机制砂离析和扬尘问题，最初采取的方法是对机制砂成品进行喷水降尘，水分的存在，使机制砂成品有一定的粘聚力，可减轻成品的离析。但是由于喷水量不易控制，喷水量过大会导致机制砂水分过高，影响使用；喷水量过小又达不到降低离析和抑尘的作用。

1.2.1 纳入标准 符合1999年WHO制定的2型糖尿病诊断标准［1］；符合2015年美国ADA制定的DPN确诊诊断标准［1］；右利手；受教育年限至少为6年；18岁≤年龄≤70岁。

经过调研和摸索，最终决定在制砂机后增加一台滚筒搅拌机，在滚筒搅拌机中均匀加入约3%的水，这样既能防止机制砂的离析，又能通过均匀地加入水分防止扬尘。

在制砂机下方增设滚筒式混料装置，能力为70t/h，机制砂成品经混料装置搅拌均匀后，由布置在制砂机旁的皮带输送机输送至机制砂堆棚内，皮带输送机布置要满足车辆通行，皮带输送机最大能力为100t/h。

图3 石灰石废石生产线技改工艺流程图

项目优化调整后的最终的工艺流程如图3 所示。

滚筒搅拌机等设备安装调试后达到了预期效果，现场扬尘受到了抑制，环境得到了明显改善，机制砂的含水量可控制在（3±1.5）%，离析现象基本消失。

4 产品验证

4.1 产品指标验证

机制砂产品须符合GB/T 14684-2011《建设用砂》中Ⅱ类建设用砂的各项指标要求。按照此标准要求，我们对项目的机制砂成品质量指标逐项进行验证。

工艺改进前后产品的颗粒级配检测结果如图4所示，从图4可看出，改进后产品的颗粒级配有了明显改观，改进后机制砂产品在2 区砂的颗粒级配要求范围内，经计算其细度模数为2.8，符合2区中砂的级配及细度模数要求。

机制砂成品的质量指标验证结果如表5所示，由表5 可知，各项技术指标均符合GB/T 14684-2011《建设用砂》中Ⅱ类建设用砂的要求。

4.2 混凝土试验验证

图4 机制砂产品的颗粒级配

表5 机制砂成品的质量指标验证结果

表6 C30混凝土使用机制砂前后混凝土配比对比，kg/m3

表7 C30混凝土使用机制砂前后混凝土坍落扩展度及强度对比

表8 C50混凝土使用机制砂前后混凝土配比对比，kg/m3

表9 C50混凝土使用机制砂前后混凝土坍落扩展度及强度对比

C30 混凝土使用机制砂前后混凝土坍落扩展度及强度对比如表7所示。

同时，我们还尝试将机制砂用于C50 混凝土中，使用机制砂前后C50混凝土配比对比如表8所示。

C50混凝土使用机制砂前后，混凝土坍落扩展度及强度对比如表9所示。

从以上C30 和C50 混凝土使用机制砂的试配试验对比可以看出，使用机制砂后混凝土的配比中水泥用量均有所降低，使用了机制砂的混凝土坍落扩展度均有所增加，同时混凝土的各个龄期的抗压强度均有所升高。鼎鑫公司生产的机制砂完全能够适用于不大于C60的混凝土中。

5 结果及展望

此技改建成后，机制砂产品平均不含税售价为每吨18.68 元，经过核算平均综合总成本为每吨10.74元，毛利润为每吨7.94元，机制砂产品的综合成本较低，工业附加值高。

鼎鑫公司的机制砂生产线生产的机制砂产品完全能够满足GB/T 14684-2011《建设用砂》中Ⅱ类建设用砂的各项指标要求，在混凝土中的应用也获得了较好的效果。

本次技改解决了原石灰石废石生产线的产品成品率低、质量差、附加值低、资源综合利用率低等问题，说明使用石灰石废石生产机制砂是可行的，可以解决水泥矿山的废渣利用问题。

由于此技改是立足于河北金隅鼎鑫水泥有限公司第一分公司的废石生产线的技术改造，原生产线的某些缺陷不能完全克服，而且由于机制砂产品需要与本地低价河砂进行市场竞争，方案的选择只能因地制宜，以课题投资和运营成本最低、实现课题投入产出比最高为主要的工艺选择指导指标，产品的性能还不能达到最优。如果原废石生产线能够在进料端就将来自矿山的原料石材除土，则后端的机制砂生产工艺布置将会更加合理。