本发明属于环境保护和建筑材料及其应用领域，具体涉及一种煤气化渣处理和利用技术。
背景技术：
随着我国工业经济的高速发展，基于我国“富煤贫油少气”的一次能源结构特征，以合成、制取各种化工产品和燃料油为主的煤化工产业得到迅猛发展。煤气化技术则更是发展煤基化学品合成、液体燃料合成、先进联合循环发电( IGCC)、多联产、制氢、直接还原炼铁等工业的基础技术和关键技术。随着煤气化相关产业的发展，气化工艺中排出的灰渣日益增多。据初步估计，2013年我国煤气化渣排量达到1亿吨。煤气化灰渣经过温度高达1300~1700℃的热历史，冷却后呈玻璃态，且其中含有较多未燃尽的煤，直接堆存排放不仅占用大量土地、导致环境污染和地质灾害的风险，而且造成了煤炭资源的浪费。目前煤气化灰渣除填埋或者露天堆放外， 还用作路基和矿山回填等简单应用，其次是用作水泥生料，其它如用作陶瓷原料的应用掺量少，处理能力有限，不足以消纳大量高速增长的煤气化渣，研究大批量廉价处理和增值利用煤气化渣的技术，对环境保护和煤化工业的可持续发展有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种煤气化渣处理和利用技术，即提供一种分步煅烧煤气化渣制备少熟料水泥的方法。
本发明采用的技术方案：
一种分步煅烧煤气化渣制备少熟料水泥的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）分别准备硫酸钠和硅铝氧化物两种原料；其中，硫酸钠需满足其1000℃煅烧后的剩余质量中，Na2SO4>85%；硅铝氧化物是指主要化学组成必含SiO2和Al2O3的物质，要求其在1000℃煅烧后的剩余质量中，SiO2<85%，Al2O3>10% 且 SiO2+Al2O3>80%；
（2）将干燥的硫酸钠、硅铝氧化物与煤气化渣混匀并磨细至全过100目筛的细度；其中硅铝氧化物与煤气化渣的质量比为 0.5~1.5，含硫酸钠的原料的加量按Na2O/(硅铝氧化物+煤气化渣) (质量比)=0.04~0.12确定；
（3）将步骤（2）所得的混合粉体加热至850~950℃保温2~3小时，再升温至1050~1150℃保温2~3小时，然后在空气中速冷至室温；
（4）冷却到室温的煅烧料、硅酸盐水泥熟料和石膏混匀并磨细至200目筛余量≤10%的细度即得少熟料水泥；其中硅酸盐水泥熟料在水泥中的质量占比为30%~70%，石膏的加量按所含等当量CaSO4·2H2O的质量≥硅酸盐水泥熟料的3%且≤煅烧料的50%确定。
作为优选，所述的硅铝氧化物为各种天然硅铝质岩石、煤矸石和矿山尾砂中的一种或几种的混合物。
作为优选，所述的石膏指含有CaSO4、CaSO4·0.5H2O和 CaSO4·2H2O中的任一种或多种的固体物质。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明能有效消纳煤气化渣，并将其低成本地转化为有用的水泥材料，且制备后者所用的其它原料亦可用煤矸石、电石渣及工业废石膏等工业废渣代替，故兼具良好的经济与社会效益。
（2）本发明提供了一种制备少熟料水泥的新方法，与相同强度性能的硅酸盐水泥相比，熟料掺量明显降低，从而降低水泥的碳排放、能耗和污染排放，煤气化渣中超过20%的煤含量既可替代煅烧所需燃料以节省能源，也可作为还原剂脱去硫酸钠中的硫而利用其碱金属，使本应使用昂贵工业碱的原料可由廉价的硫酸钠来代替，可进一步显著降低成本。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步详细说明本发明，但本发明并不限于此。
需要说明的是，本文中的“煤气化渣”指各种以水煤浆或煤粉形式经各种气化炉处理后所得气化灰渣，但不限于上述气化灰渣，也适用于其他工艺副产一定含碳的灰渣。
实施例中牵涉到的硅铝氧化物有5种天然岩石、一种煤矸石和一种矿山尾矿，它们的化学成分均满足在1000℃煅烧后的剩余质量中，SiO2<85%，Al2O3>10% 且 SiO2+Al2O3>80%的要求（见表1）；硫酸钠选择工业无水硫酸钠，其中Na2SO4的含量≥98.5%；硅酸盐水泥熟料由中材湘潭有限公司提供；石膏包括天然二水石膏、脱硫石膏、建筑石膏、硬石膏和焙烧石膏等五种，其中天然二水石膏和脱硫石膏均含90%的CaSO4·2H2O，建筑石膏含90%的CaSO4·0.5H2O，硬石膏和焙烧石膏均含90%的CaSO4，氟石膏含45%的CaSO4·2H2O和45%的CaSO4。
本发明实施例的制备过程如下：将干燥的无水硫酸钠、硅铝氧化物和煤气化渣三者混合后用水泥实验小磨研磨约30分钟，具体研磨时间以磨后粉料全过100筛为准。其中，三种原料的配料比要求硅铝氧化物与煤气化渣的质量比为 0.5~1.5，硫酸钠的加量按Na2O/(硅铝氧化物+煤气化渣) (质量比)=0.04~0.12确定。混合粉体置于马弗炉中升温至850~950℃保温3小时，再快速升温至1050~1150℃保温2小时，然后直接取出在空气中速冷至室温。冷却后的煅烧料及后续加入的硅酸盐水泥熟料和石膏分别粉磨，三者的粉磨时间约半小时，具体粉磨时间以达到200目筛余量≤10%的细度要求为准。三种经过粉磨的物料粉用混料机按比例混匀即得少熟料水泥。所得少熟料水泥中，硅酸盐水泥熟料的质量占比为30%~70%，石膏的加量需同时符合按所含等当量CaSO4·2H2O的质量≥硅酸盐水泥熟料的3%且≤煅烧料的50%的要求。实施例中各种物料具体配方及焙烧保温温度等详细的工艺数据详见表2。表2中石膏的掺量已换算为所含等当量CaSO4·2H2O 的掺量。
按GB/T17671~1999的方法对表2所示20个实施例的水泥胶砂进行养护和强度检测。各实施例水泥的工艺参数详见表2，相应的水泥强度性能数据详见表3。表2与表3中同时列出GB175~2007通用硅酸盐水泥标准对应的指标要求，表2中石膏的配料量为熟料与煅烧料外的余量。由表3可知，所制少熟料水泥的强度均超过PC32.5水泥的要求，当熟料掺量≥50%时，水泥强度性能均超过PO42.5水泥的要求，当熟料掺量≥70%时，水泥强度性能超过52.5水泥的要求，而相应的熟料掺量均明显低于硅酸盐水泥标准的要求，说明煤化渣用该方法处理后掺入硅酸盐水泥中能明显提高水泥的性能，减少熟料掺量，故是典型的少熟料水泥。