鋰渣配料方案選擇與優(yōu)化

鄒波，樊莉，胡景亮，沈炳，鄧杰

1 前言

四川宜賓等地區(qū)水泥混合材以鋼廠?；郀t釩鈦礦渣、電廠燃煤爐渣、粉煤灰、石灰石和火山灰質(zhì)混合材等為主，這些混合材大部分屬于非活性混合材，活性指標不高，其中，爐渣、粉煤灰等活性約為75%，釩鈦礦渣活性僅為50%左右。當使用這些非活性混合材時，為保障水泥成品強度和品質(zhì)，水泥生產(chǎn)時需增加熟料配比，生產(chǎn)成本較高，且四川宜賓地區(qū)水泥企業(yè)相對集中，混合材需求量較大，存在一定的供需矛盾，導(dǎo)致混合材原材料短缺，價格上漲，急需開發(fā)適宜的其他可替代混合材原材料。

鋰渣是一種高活性混合材料（活性可達95%～110%），主要來自于生產(chǎn)鋰電池的化工企業(yè)，生產(chǎn)成本較低，鋰渣酸性鋰渣和堿性鋰渣兩種，酸性鋰渣是硫酸法生產(chǎn)碳酸鋰時產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，由鋰精礦經(jīng)1 300℃左右高溫焙燒及酸化焙燒，再由水浸及固液分離產(chǎn)生。本文主要研究了四川宜賓地區(qū)的鋰渣應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過不同配料方案及實驗分析了鋰渣作為水泥混合材時的適宜配合比，以提高水泥性能，降低生產(chǎn)成本。

2 鋰渣應(yīng)用現(xiàn)狀及性能分析

2.1 鋰渣應(yīng)用現(xiàn)狀

鋰渣屬于一般工業(yè)廢渣，呈粉狀且水分含量較高，應(yīng)用于水泥生產(chǎn)時，上料輸送過程中易堵料，早期應(yīng)用率不高。隨著國家新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展，涉及副產(chǎn)物鋰渣的化工企業(yè)增多，鋰渣產(chǎn)量增加，相對現(xiàn)有其他水泥混合材成本較低，作為水泥混合材使用時，能提高水泥磨臺時產(chǎn)量，改善水泥性能，彌補水泥后期強度，調(diào)節(jié)水泥標號，降低熟料占比，成為眾多水泥企業(yè)可選替代混合材原料。但不同地區(qū)，鋰渣的化學(xué)組成、采購成本不盡相同，具體使用時應(yīng)進行針對性的實驗分析、摻量方案對比。

2.2 鋰渣化學(xué)成分分析及作混合材上料輸送問題

四川宜賓等地區(qū)的鋰渣主要來自于鋰電池化工企業(yè)，取樣進行化學(xué)分析，鋰渣化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，宜賓等地區(qū)鋰渣中有害成分氯離子含量很低，水分含量較高。當?shù)厮嗥髽I(yè)為解決鋰渣作混合材上料輸送易堵料問題，均單獨堆存放鋰渣原料，建立獨立的小上料倉，采用獨立上料系統(tǒng)，單獨使用配料秤配料、皮帶輸送，避免與其他混合材混合輸送入配料站。配料站大倉易出現(xiàn)物料離析，鋰渣與其他混合材一起輸送，易造成粉磨系統(tǒng)粉磨效果差、下料困難甚至堵倉。獨立上料系統(tǒng)有效解決了鋰渣水分重、易粘結(jié)的難題。

2.3 鋰渣活性分析

鋰渣活性主要取決于鋰原礦的品質(zhì)，各化工企業(yè)產(chǎn)出的鋰渣活性不盡相同，單從顏色區(qū)分而言，宜賓地區(qū)有黃色和偏白色兩種鋰渣，如圖1 所示。若企業(yè)所用的原料中有較多進口優(yōu)質(zhì)鋰礦，則顏色呈黃色，反之，顏色偏白。

圖1 兩種不同顏色的鋰渣

不同鋰渣的活性試驗結(jié)果見表2。從表2 數(shù)據(jù)可以看出，不同的化工企業(yè)，使用的鋰原礦存在差異，其產(chǎn)出的鋰渣活性指數(shù)也存在較大差異，但總體而言，鋰渣活性指數(shù)均較高，是較為理想的水泥混合材。將鋰渣應(yīng)用于水泥生產(chǎn)的同時，還可有效解決鋰渣造成的環(huán)境污染問題。

表2 鋰渣活性試驗結(jié)果

3 鋰渣使用方案的選擇與優(yōu)化

結(jié)合企業(yè)實際情況，考慮熟料及水泥質(zhì)量、混合材活性及價格因素的影響等，制訂多個鋰渣使用方案，通過實驗進行對比分析。

3.1 鋰渣使用方案確定的依據(jù)和選擇側(cè)重點

鋰渣作為高活性混合材，具有其獨有的優(yōu)勢，確定其使用方案時，應(yīng)綜合考慮熟料質(zhì)量、鋰渣采購成本、水泥品質(zhì)要求、鋰渣摻量對水泥磨生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量、水泥細度及比表面積的影響等。具體而言，應(yīng)重點關(guān)注以下幾種使用方案選擇側(cè)重點：

（1）根據(jù)企業(yè)熟料的早期強度和后期強度的增進情況，選擇使用方案。

（2）根據(jù)客戶對于不同季節(jié)或溫度條件下，水泥早期強度及后期強度的要求變化，選擇使用方案。

（3）綜合考慮鋰渣的采購成本，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有水泥質(zhì)量和水泥質(zhì)量提升目標，選擇使用方案。

3.2 鋰渣不同使用方案的實驗對比及選擇

3.2.1 熟料后期強度增進相對不高時的方案選擇

以A水泥生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線窯系統(tǒng)工藝優(yōu)化情況較好，煅燒狀況整體較優(yōu)，但受資源成分的影響，熟料后期強度相對不高，相對于高早期強度的3d 強度而言，后期強度增進率偏弱；特別是夏季，施工要求水泥早期強度略低，以避免早期開裂風(fēng)險。因此，在水泥質(zhì)量控制方面，A 水泥生產(chǎn)線需降低早期強度的同時，獲得較高的后期強度，以保證水泥及混凝土整體質(zhì)量。

摻加鋰渣可有效改善水泥后期強度的增進，但使用時同時需考慮鋰渣的代入成本，既要達到理想的水泥強度，又要控制成本的增加。A水泥生產(chǎn)線摻加鋰渣作混合材的5 種配料方案及實驗數(shù)據(jù)對比見表3，不同配料方案成本測算比較見表4。

表3 A 水泥生產(chǎn)線5 種配料方案及實驗數(shù)據(jù)對比*

表4 A水泥生產(chǎn)線不同配料方案成本測算比較，元/t

從表3、表4 可以看出，隨著鋰渣摻量的增加，其鋰渣代入成本也在不斷增加，水泥后期強度增加，同時熟料消耗量隨之減少，水泥整體品質(zhì)隨之優(yōu)化，方案5 成本最優(yōu)，早期強度和后期強度均較好。經(jīng)綜合考慮，鋰渣摻入量控制在5.0%較優(yōu)。但需注意，在冬季時，如客戶對水泥早期強度要求較高，方案2可作為備選方案，但成本優(yōu)勢較小。

3.2.2 熟料后期強度增進較優(yōu)時的方案選擇

B水泥生產(chǎn)線所在區(qū)域的石灰石資源較好，平均CaO 含量≥50.0%，且堿含量≤0.15%。對于熟料配料方案而言，整體的硅率SM控制較理想，熟料C3A 含量≤8.5%，控制值較低。雖然熟料早期強度略低，但熟料后期強度增長較好。水泥配料方案，隨著混合材配料優(yōu)化方案的變化而變化，整體以提高水泥早期強度為主。早期強度貢獻大的混合材摻量增加，水泥28d 強度仍能得到較好的保證。B 水泥生產(chǎn)線摻加不同鋰渣的配料方案及實驗數(shù)據(jù)見表5，不同配料方案成本測算比較見表6。

表5 B水泥生產(chǎn)線4種配料方案及實驗數(shù)據(jù)*

表6 B水泥生產(chǎn)線不同配料方案成本測算比較，元/t

從表5 可以看出，B 水泥生產(chǎn)線熟料早期強度低，但后期強度高，因此，水泥質(zhì)量控制以提高早期強度為目標；隨著鋰渣的摻加，可以相應(yīng)增加對早期強度幫助相對較大、且成本偏低的硫磺渣的摻入比例。從水泥性能變化可以看出，隨著煤渣摻量的減少，水泥凈漿流動度逐漸變好。

另外，B水泥生產(chǎn)線的鋰渣成本相對A水泥生產(chǎn)線低很多，可適當增加鋰渣的使用量。綜合比較，方案3、4水泥早期強度和后期強度更能滿足客戶的需求，且整體成本下降。

3.2.3 方案的優(yōu)化

從表3、表5實驗數(shù)據(jù)可看出，鋰渣的摻入有利于水泥后期強度增加，在降低水泥早期強度的同時，熟料消耗量也會有所下降；從表4、表6可以看出，摻入鋰渣降低了水泥成本。在冬季時，對水泥早期強度的要求略高，方案選擇應(yīng)隨之改變。若熟料早期強度低、后期強度增進較好，則可適當增加硫磺渣摻加量，減少鋰渣的摻入，以進一步降低成本。

4 結(jié)語

鋰渣作為高活性混合材，越來越廣泛地應(yīng)用于水泥生產(chǎn)，本文僅列舉了兩條水泥生產(chǎn)線采用鋰渣配料的實驗方案及成本測算。不同的企業(yè)，熟料早期強度和后期強度不同，輔助混合材的品種不同，不同混合材對早期強度和后期強度的貢獻不同，采購價格也有所不同。因此，選擇鋰渣配料方案時，不能僅考慮摻加鋰渣對熟料消耗量降低或成本降低的貢獻，應(yīng)將水泥品質(zhì)是否滿足客戶需求放在首位，以質(zhì)量最優(yōu)、成本最低為原則進行方案選擇。