優(yōu)質機制砂清潔生產工藝與方法的探討

張明，吳芳，都麗紅，朱企新

（1.浙江金鳥壓濾機有限公司，浙江湖州313113；2.上海化工研究院；3.天津大學化工學院）

優(yōu)質機制砂清潔生產工藝與方法的探討

張明1，吳芳2，都麗紅2，朱企新3

（1.浙江金鳥壓濾機有限公司，浙江湖州313113；2.上海化工研究院；3.天津大學化工學院）

目前機制砂生產存在工藝落后、資源和用水浪費、排放污染物多、環(huán)境污染嚴重以及機制砂產品質量不高等問題，亟需開展優(yōu)質機制砂的清潔生產。在調研、取樣分析、試驗對比和可行性試驗研究基礎上，對存在的問題進行了全面分析。根據產生的污水量大、泥粉顆粒小等特性，建議采用科學的預處理方法和高效的固液分離集成技術，節(jié)約用水并提高洗砂效果；采用隔膜壓榨過濾機并優(yōu)化操作，耗時短、效率高、脫水好；對破碎或篩分過程產生的大量粉塵，采用高效除塵技術進行處理。工藝過程的改進和集成技術的應用，既可以解決環(huán)境污染問題，又提高了資源利用率，符合優(yōu)質機制砂清潔生產的要求，必將帶動行業(yè)的綠色健康發(fā)展。

優(yōu)質機制砂；清潔生產；高效節(jié)能；預處理技術

1 機制砂的發(fā)展及現狀

近年來，隨著建筑市場需求的不斷擴大，砂石用量迅速增多，砂石開采量不斷加大，天然砂資源正逐年減少，部分地區(qū)天然砂已枯竭，國家大批建設工程的開展對砂石質量也提出新的要求。但是，隨著天然砂開采量的增加，砂石質量越來越差，含泥量高、性能不穩(wěn)定，能滿足質量要求的天然砂越來越少，機制砂成為建筑用砂的首選［1］。工業(yè)發(fā)達國家使用機制砂已有幾十年的歷史，如日本早在20世紀80年代在混凝土配制中機制砂石所占比例高達80%，德國、英國機制砂產業(yè)也相當發(fā)達［2-3］。

機制砂（又稱人工砂）是以巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣作為原料，經過機械破碎、篩分、清洗等過程得到的砂石顆粒（粒徑小于4.7mm）。與天然砂相比機制砂性能更優(yōu)越：其原料多為巖石或礦物，表面能高、親水性好、品質優(yōu)；砂粒潔凈，含泥粉少；技術含量高的現代化機械生產方式，確保了機制砂產品的質量穩(wěn)定，砂石粒形好、粒度大小可調、級配合理，能滿足不同的應用需求［4］。除了可以合理利用工業(yè)廢渣制砂外，對尾礦進行回收利用也是機制砂另一重要來源。在采礦加工過程中產生的大量尾礦多達20%～80%［4］，中國目前已有上百億噸的尾礦大量堆積，沒有得到合理利用，不僅占用土地、污染環(huán)境，還容易埋下隱患，造成重大事故。調查顯示，機制砂成本比天然砂低約50%，采用優(yōu)質機制砂應用于混凝土的制備，綜合成本可下降30%～50%［5］。

鑒于機制砂的優(yōu)良性能及良好的經濟和社會效益，目前在機場、橋梁、高速公路等大型設施建設上通常都要求使用機制砂。在高層建筑和其他重點工程領域，機制砂同樣發(fā)揮著不可替代的作用。經過二十幾年的發(fā)展，機制砂已成為當前建設用砂市場的主力，2013年市場占有率已超過60%，未來幾年機制砂占用砂比率將超過80%，部分天然砂資源稀少的地區(qū)甚至超過90%。

2 機制砂的生產及存在的問題

2.1 機制砂的生產工藝

機制砂的品質不僅與原材料性能有關，更與生產工藝相關，不同的機制砂生產工藝制備的砂石質量相差甚遠。目前典型的機制砂生產工藝流程見圖1。由圖1可知，機制砂生產主要經歷了3次不同程度的破碎、1次篩分、2次洗砂和1次分離過程。機制砂產品有粗砂和細砂之分：在中碎（2次破碎）后經過洗砂機可以得到顆粒較大的粗砂產品；細碎后由洗砂機分離出粗砂產品，破碎和洗砂后的水伴隨細砂進入分離設備進行分離，根據分離設備的不同分級效率可以得到不同粒度的細砂產品。

圖1 機制砂生產工藝流程圖

2.2 機制砂生產及后處理中存在的問題

1）為提高制砂污水的分離效果，需要對制砂污水進行預處理。目前有的制砂廠采用落后的重力沉降工藝與設備，占地面積大、投資高、分離效率低、耗時長，工藝流程及設備選型都不科學。

2）建立在山區(qū)的偏遠生產廠家通過建立大型的水池進行多級沉降，有的沉降甚至達到6級［6］。上層清水回用雖然在一定程度上解決了部分水資源的循環(huán)利用，但整體效率低、耗時長；下層淤泥含水量仍然很高，隨意堆積和排放影響環(huán)境。將高固含量的污水不作任何處理直接排入河道中，導致河道河床抬高、淤泥量增多，嚴重影響河道湖泊的生態(tài)系統平衡。

3）機制砂污水的大量產生與環(huán)境保護、水利防洪的矛盾日益突出。由于機制砂污水量大，污水中固含量高、固體顆粒粒度分布范圍大，存在污水處理難度大、設備投資和運行成本高等問題。據調查，在化學助濾劑方面，助濾劑的選擇、添加量、添加方式都不盡合理，為后續(xù)的過濾、濾餅含濕帶來隱患。

4）機制砂生產過程中破碎、清洗工序都需要消耗大量的水資源。據調查，原料處理量在800 t/d的情況下耗水量可高達2 500 t/d，生產下游會排出大量的含泥污水，后處理壓力大；洗砂工序的設置需要優(yōu)化，以提高洗砂的效果及節(jié)省用水。

5）目前機制砂生產廠家大部分采用落后的分離設備，分離效率低、能耗大。對于污泥的進一步干化，有的廠家采用壓榨隔膜壓濾機，有的廠家采用帶式壓榨過濾機。如何正確地選型、改進結構、優(yōu)化操作，使之成為高效、處理量更大、節(jié)能、濾餅更干、濾液更清、勞動條件更好的分離設備，是需要解決的問題。

6）砂石露天式的破碎及篩分過程會產生大量的粉塵顆粒，由于顆粒細小，長期懸浮在空氣中難以沉降，對人體健康和空氣質量造成極大的危害。研究表明，顆粒污染物已成為影響環(huán)境的主要問題之一，應在機制砂生產線上采用高效的除塵技術及設備。

上述問題的解決是優(yōu)質機制砂清潔生產的保證。

3 機制砂清潔生產方法及優(yōu)質化的思考

從中國的清潔生產歷程可知，早在20世紀90年代各地都在提倡“預防為主，防治結合”、“采用無廢少廢工藝”，但實施力度不夠。目前污染防治工作主要還是依靠“末端治理”，即三廢處理［4］。據報道，相比污染后再采取措施治理，在生產中進行污染防治可以大大提高經濟效益。如日本若不采取措施直接排放硫氧化物，對造成的空氣污染進行治理所需投入的資金是預防費用的10倍［5］。

清潔生產對液固、氣固的分離技術有新的要求，如采用無毒、無害的原料和輔料，避免造成環(huán)境污染或二次污染；采用資源利用率高、污染物產生少的工藝技術，確保工藝過程節(jié)能降耗、綠色高效；采用集成工藝解決難過濾物料的過濾與分離；對生產過程產生的廢物、廢水和余熱等進行回收或綜合利用。

機制砂產品質量主要受破碎機、篩分機、洗砂機及旋流器的精度和效率的影響。顎式破碎機基于擠壓破碎原理常用于粗碎；圓錐破碎機則用于中碎；反擊式或沖擊式破碎機是典型的制砂機［7］，因得到機制砂粒型較好、排料粒度大小可調、靈活性好，常用于細碎。振動篩是生產線上常用的篩分設備，正確選擇和合理配置篩孔形狀、尺寸及篩面傾角可以確保篩分效果，保證生產效率［8］。另一個對砂石品質起重要作用的工序是洗砂過程，洗砂機采用水洗的方式去除砂石中的雜質及泥粉，減少含泥量，確保砂石品質。洗砂工序設置在何處才能做到更有效，既能提高洗滌效果又能節(jié)水，并能保證最終能夠得到合格的優(yōu)質機制砂是值得思考的問題。

4 優(yōu)質機制砂清潔生產方法探討

機制砂生產行業(yè)為中國基礎設施建設提供基料，市場需求帶動生產。據報道，2013年中國處在運行狀態(tài)的機制砂石生產線總價值高達300億元［9］。無預防措施的生產所帶來的環(huán)境問題不容忽視，尤其體現在不被重視的后處理過程中。因此，亟需推進機制砂的清潔生產，在源頭解決機制砂生產過程中可能帶來的大氣及水污染問題，確保過程節(jié)能環(huán)保、產品質量穩(wěn)定、水回用率高，減少廢棄物排放，提高資源的綜合利用率。

1）污泥強化過濾技術及回用。過濾與分離技術是當今各個工業(yè)領域與新發(fā)展的科技領域中不可或缺的科學技術，在機制砂生產過程中也是必不可少的。因此，針對機制砂生產污水中泥粉多、固體顆粒小、處理量大、處理難度大的現狀，考慮采用預處理使顆粒聚集形成較大的顆粒物初步沉淀，以便于后續(xù)的水處理及回收。

機制砂污水中固體顆粒細小，可采用凝聚或絮凝的方法來強化其過濾過程。如對某機制砂生產廠污水取樣，采用Analysette22激光粒度儀對污水中顆粒的粒度分布進行測定，顆粒的平均粒徑為6.185μm，小于3μm的顆粒占30%以上，采用JS94H微電泳儀測定顆粒表面的Zeta電位為-77.28mV。針對機制砂污水中固體顆粒物性，可采用加入某種電解質，減小或消除固體顆粒表面電荷，減小顆粒之間排斥力，從而使粒子之間相互靠近，形成團聚（凝聚［10］）；或者加入具有較長線性結構的高分子化合物，這些高分子化合物在水中溶解、充分伸展，長鏈上多個活性基團可同時黏附多個顆粒，使顆粒之間相互靠近，形成較大的絮團（絮凝［11］），達到強化過濾與分離的目的。絮凝劑和凝聚劑的種類繁多，根據物料的性能、顆粒大小、密度、黏度、顆粒帶電性等結合具體實驗選擇合適的藥劑及添加量［12］。當絮凝劑用量過大時，顆粒表面為絮凝劑分子所飽和而不再有吸附空位，高分子絮凝劑不僅起不了架橋作用，反而因位阻效應使顆粒穩(wěn)定分散。絮凝過程的操作條件也是重要的影響因素，如強烈或長時間攪拌會使絮團破裂，伸向溶液的絮凝劑分子的另一部分會在原吸附顆粒表面的其他部分吸附，使顆粒重新分散。

泥餅及廢水回用要考慮殘留凝聚劑、絮凝劑的影響。無機金屬鹽類凝聚劑的添加量可達泥漿中固含量的30%～40%，絕大部分凝聚劑皆沉在泥餅中。雖然鋁鹽及鐵鹽不具有生物劇毒性，但是市場上供應的凝聚劑常是廉價的工業(yè)副產品，常夾雜許多各類重金屬（如鉻），給后續(xù)處理帶來困難。此外，如澄清操作后凝聚劑亦會有部分殘留于澄清液中，對飲用者的健康有潛在威脅。雖然高分子絮凝劑在污泥中的添加比例非常少，但是脫水后的濾餅中殘留的絮凝劑比例可能會增加到1%～5%，殘留絮凝劑會對后續(xù)處理包括棄置、焚燒、堆肥等造成影響。日本的研究發(fā)現，脫水后的污泥濾餅雖然可以混入瓷磚原料中，但是濾餅中殘留的高分子絮凝劑會降低瓷磚的強度，有礙污泥的資源化效果。一般陽離子高分子生物降解產物具有較高的毒性，由于無法確定高分子絮凝劑對人體及環(huán)境的長遠影響，因此建議采用其他的替代品進行處理。

2）高效沉降設備選用。沉降處理一般采用重力沉降或離心沉降。重力沉降是利用顆粒與流體的密度差使之發(fā)生相對運動而達到沉降的目的，沉降速率低、分離效果差，工藝條件需要和允許時可添加絮凝劑或凝聚劑。離心沉降是在離心慣性力作用下進行的沉降分離過程，在離心力作用下固體（或液體）顆粒質點在旋轉時受到的作用力可以成百或成萬倍地大于重力，因此對于那些在重力場中不能分離的微粒和乳濁液將特別有效。用于離心沉降的裝置一般分為器身固定的（懸浮液在器身內旋轉，如旋流器）和機身旋轉的（由機身帶動懸浮液在機內旋轉的各種沉降離心機）。旋流器無轉動部件，液流的旋轉是懸浮液導入切向進口時產生的。由于旋流器性能可靠且價格低廉，因此它在分離和分級過程中都得到廣范應用，在分離過程中主要用于增濃操作。如何根據物料性質及生產要求正確選擇旋流器（組）及確定合理的操作條件是關鍵。

3）高效節(jié)能壓榨設備及優(yōu)化操作技術的應用。預處理過程結束后，上層清水可以直接回用，下層泥漿由于含水量很高無法直接利用，需要進行過濾分離。由于泥漿處理量大，通常采用大型過濾設備來實現液固分離，得到的水可重復用于機制砂生產，泥餅可作為建筑材料用于燒磚等。

目前的生產及環(huán)保要求過濾設備不僅處理量要大，而且要有壓榨功能，可以實現深度脫水，確保得到的濾餅更干，同時保證設備節(jié)能降耗。常用的加壓過濾機已經從單一型式的壓濾機逐漸發(fā)展到板框壓濾機、廂式壓濾機及隔膜壓榨過濾機［13］，后者是一種能耗低、脫液效果好的設備［14］。據報道：常用加壓過濾機的能耗只有熱力脫液（如干燥）的1/20左右［4］，經機械隔膜壓榨后濾餅的濕含量與常用壓濾機相比可再降低5%～20%［5］，如果壓榨過濾后濾餅的含水量降低3%（如由30%下降為27%），則可使干燥設備的處理能力由10.0 t/h（干固）提高到11.5 t/h（干固）。但如何從不同物料的特性出發(fā)，根據其脫水機理和可壓縮系數、孔隙率等宏觀、微觀因素科學地改進設備，并確定合理的操作壓力、壓榨壓力和操作點（過濾結束及壓榨開始交替點），進而在最短的時間內得到最大的處理量、最干的固相，需要結合具體物料開展實驗研究［15］。

目前，筆者在幾個機制砂生產廠采用隔膜壓榨過濾機對泥漿進行深度脫水處理，取得了一批實驗數據用于指導生產?？紤]到機制砂生產中泥漿產量大，結合泥漿的特性可以對隔膜壓榨過濾機的結構進行改進，同時對生產工藝進行改進?？赏ㄟ^提高壓濾機的過濾壓力以提升過濾效果，進而提高卸餅效率；可通過提高設備的自動化程度，使其具備故障自診斷功能，及時監(jiān)控生產過程，確保系統安全、可靠運行，同時減少人力投入。在工藝方面，可采用優(yōu)化壓榨工藝［15］縮短工藝處理時間，提高生產效率，降低液固分離后固相的含水率，使排出的泥餅可直接使用。

4）高效氣體除塵技術的應用。機制砂生產中固體物質的粉碎、篩分、輸送、爆破等機械過程會產生大量的粉塵，粒度大的顆粒會逐漸沉降，粒徑小的顆粒沉降慢、波及面大，長期懸浮在空氣中，對人體健康和空氣質量造成極大危害，這就是通常所稱的顆粒污染物。隨著國家對環(huán)保要求越來越嚴格，亟需開展機制砂生產線除塵工藝研究，將高效氣體除塵技術應用到機制砂生產過程中，通過高效集成除塵系統的分級分離實現氣體凈化，減少或避免顆粒污染物直接排放。

5 結束語

在調研、取樣分析、試驗對比和可行性試驗研究基礎上，對優(yōu)質機制砂生產過程中存在的問題進行了全面分析。根據產生的污水量大以及泥粉顆粒小、沉降慢等特性，提出采用科學的預處理方法和高效的固液分離技術，節(jié)約用水并提高洗砂效果；采用自動化程度高、處理量大的有壓榨功能的隔膜壓榨過濾機進行液固分離，確保脫水效果好、用時短、效率高，且得到的濾餅含固量低；針對破碎或篩分過程產生的大量粉塵，采用高效氣體除塵技術進行處理。各種工藝過程的改進和系統完善方法在機制砂生產過程中的應用，既可以解決環(huán)境污染問題，又提高了資源利用率，符合優(yōu)質機制砂清潔生產要求，在機制砂生產行業(yè)大力推廣應用后，必將帶動行業(yè)的綠色健康發(fā)展。

［1］李勇，龍宇.淺談機制砂的生產及其在混凝土中的應用［J］.福建建筑，2009（12）：56-58.

［2］謝春磊.機制山砂的制備、性能及應用研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［3］Malhotra VM.Performanceof concrete incorporating limestone dust aspartialreplacementforsand［J］.ACIJ.，1985，82（3）：363-371.

［4］江小紅，宋康，張書博.機制砂的發(fā)展及應用與存在問題探討［J］.甘肅科技，2011，27（1）：82-83.

［5］黃俊章.規(guī)范機制砂市場——助力散裝水泥發(fā)展［J］.散裝水泥，2014（6）：19-21.

［6］高偉.機制砂的制備工藝及應用分析［J］.中國建材科技，2011（3）：31-34.

［7］黎鵬平，熊建波，王勝年.機制砂的制備工藝及在某橋梁工程中的應用［J］.混凝土，2012（3）：127-130.

［8］劉崇熙，文梓蕓.混凝土骨料性能和制造工藝［M］.廣州：華南理工大學出版社，1999.

［9］方立波.中國機制砂石裝備的現狀及發(fā)展趨勢［C］∥2014年中國國際砂石骨料大會論文集.北京：中國砂石協會，2014：12-34.

［10］朱艷彬，馬放，楊基先，等.絮凝劑復配與復合型絮凝劑研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2010，42（8）：1254-1258.

［11］左勇，李楊，鞠帥，等.絮凝劑與凝聚劑在發(fā)酵工業(yè)中的應用［J］.畜牧與飼料科學，2010，31（11/12）：50-51.

［12］鄧玲.廂式隔膜壓濾機污泥深度脫水過濾特性研究［D］.長沙：中南大學，2014.

［13］都麗紅，朱企新.高效節(jié)能過濾技術與強化過濾過程的途徑［J］.化學工程，2010，38（10）：13-20.

［14］白戶紋平，加藤宏夫，村瀨敏朗，等.壓榨分離機構基礎的解析［J］.發(fā)酵工學雜志，1965，43：255-265.

［15］都麗紅，朱企新.節(jié)能壓榨過濾技術的研究進展［J］.化工進展，2009，28（8）：1307-1312.

聯系方式：wfsrici@yeah.net

Study on cleaner production technology andmethodsofhigh qualitymechanism sand

ZhangMing1，Wu Fang2，Du Lihong2，Zhu Qixin3
（1.Zhejiang Golden Bird Filter Press Co.，Ltd.，Huzhou 313113，China；2.ShanghaiResearch Institute of Chemical Industry；3.SchoolofChemicalEngineering，Tianjin University）

Many problems existed in themechanism sand production，such as backward technology，waste of resources and water，large amounts of pollutants discharge，severe environmental pollution，and poor product quality ofmechanism sand，the cleaner production ofhigh qualitymechanism sand needed urgently to be carried out.Based on the investigation，sample analysis，experiment contrast，and feasibility studies，a comprehensive analysis weremade about the existing problems.According to the large sewage emission and small in granule of themud，scientific pretreatmentmethod，and high efficientsolidliquid separation integration technology were recommended to be used to save water and improve the efficiency of sand washing.Optimizing operation by the diaphragm squeeze filter had the advantages of short time consuming，high efficiency and better dewatering effects.Efficientdust removal technologywasadopted to dealwith the amounts of dustproduced in the crushing and screening process.Improvementof process and application of integration technology could both solve the problem ofenvironmentalpollution and increase the resourcesutilization rate，which couldmeet the demandsof cleaner production ofhigh qualitymechanism sand and would promote the healthy and green developmentofmechanism sand industry.

high qualitymechanism sand；cleanerproduction；effective energy saving；pretreatment technology

TQ028

A

1006-4990（2017）06-0073-04

2017-01-16

張明（1969—），男，本科，總工程師，主要從事過濾與分離裝備技術的研究。

吳芳，碩士。