水泥工業(yè)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)——粉磨的合理控制
2010-01-22 00:00
一、前言
在水泥生產(chǎn)行業(yè)，提起節(jié)能降耗，都非常重視新型干法窯的推廣應用、重視節(jié)能磨機及其系統(tǒng)的選用與優(yōu)化、重視低溫余熱發(fā)電的建設，而對水泥（熟料）的粒度控制在節(jié)約能源、減少二氧化碳排放、降低原料消耗以及增加混合材摻量等方面的重要作用，只有少數(shù)企業(yè)開始有較深的認識。其實，通過改善水泥的粒度，節(jié)能減排與降耗的潛力是非常巨大的。
二、幾個逐漸被認可的理論觀點
?、潘囝w粒只有與水發(fā)生反應，才有膠凝作用和強度，沒有被水化的部分只起骨架作用。研究表明小于1μm的顆粒在與水的拌和過程中就完全水化，對混凝土澆筑體的強度沒有貢獻。28天，水化深度為5.48μm，即大于11μm的粗顆粒均不能被完全水化，未被水化的內核對混凝土的28天強度也沒有貢獻。
?、圃谙嗤瑮l件下，粉磨能耗與顆粒的表面積成正比。因此，顆粒越小，單位重量所消耗的粉磨能量也越多。
⑶水泥的合理顆粒組成是指能最大限度地發(fā)揮熟料的膠凝性和具有最緊密的體積堆積密度。熟料膠凝性與顆粒的水化速度和水化程度有關，而堆積密度則由顆粒大小含量比例所決定。在水泥專業(yè)文獻中經(jīng)?？吹絻蓚€相互矛盾的水泥顆粒級配指標：一個是關于水泥最佳性能的顆粒級配；一個是符合緊密堆積的Fuller曲線的水泥顆粒級配。其矛盾在于：前者要求<3μm顆粒小于10%，<1μm顆粒最好沒有；而后者則要求<3μm顆粒要達到29%，<1μm顆粒要達到19%。兩者相差甚遠。
最理想的狀況是：水泥中熟料的顆粒級配應滿足最佳性能的級配要求，而<3μm特別是<1μm的顆粒應是混合材（或礦物摻合料），如石灰石粉、粉煤灰、礦渣粉等。這些<3μm的細粉狀混合材填充于水泥熟料顆粒之間的空隙，使水泥顆粒的堆積趨向緊密，向Fuller曲線靠攏。另外，這些細粉狀混合材的活性比熟料的低，因此在早期水化慢或幾乎不水化，不會對水泥的工作性能或混凝土的拌合物的施工性能造成不利影響。而在后期，這些細粉狀的混合材又可與熟料顆粒水化所產(chǎn)生的Ca(OH)2起二次反應，生成具有膠凝性的C-S-H凝膠，從而使水泥石結構致密，有利于耐久性提高。歐洲標準在27種水泥中都允許摻加 0-5%的次要附加組分，主要是改善水泥顆粒級配和工作性，而對這些次要附加組分的活性無特殊要求，只要不增加水泥標準稠度用水量，對混凝土和砂漿性能無害，對鋼筋無銹蝕即可。歐洲標準的這些內容可以給我們一些啟迪。
⑷根據(jù)水泥樣品的實際粒度分布，可以計算28天的水化率（水泥或熟料顆粒被水化的體積與總體積之比）以及消耗在1μm以下的（熟料）粉磨能耗占總能耗的比例。沒有被水化的部分，就是熟料的浪費部分；而顆粒被磨到1μm以下的部分，則熟料和粉磨能都被浪費了。
三、對目前水泥粉磨控制參數(shù)的剖析
已有試驗研究和生產(chǎn)實踐表明，水泥的粒度分布與顆粒特征對水泥性能的影響是很大的。通過調整使水泥的粒度分布接近于理想分布，則水泥強度可明顯提高，80μm篩余或比表面積均難以準確反映水泥的粒度分布，按GB/T17671-1999檢驗的水泥強度與水泥的比表面積在多數(shù)情況下沒有明確的相關關系，30μm篩余或45μm篩余是水泥粉磨過程適宜的控制指標，在使32μm篩余或45μm篩余處于控制范圍的同時，還應該對 RRB分布曲線的特征粒徑 和均勻性系數(shù)（n）進行控制，定期檢查和控制水泥的粒度分布是非常必要的。
我國實物水泥80μm篩余基本小于5%，甚至接近0，已處于水泥顆粒分布的末端，偏離RRB直線，失去反映水泥顆粒組成的作用，對磨機工況的反映不再敏感，因此80μm篩余無論從保證產(chǎn)品質量的角度，還是從調整粉磨工藝參數(shù)、控制水泥性能的角度都失去了它應有的作用。
歐美克公司張福根先生等曾對10多個省的多家水泥廠的水泥產(chǎn)品進行了巡回檢測。發(fā)現(xiàn)水泥顆粒分布很不合理：最好樣品、最差樣品、全部平均樣＞32μm（在28d內未能水化發(fā)揮強度的水泥顆粒）分別為10.92%、 27.94%、18.81%。最好樣品、最差樣品、全部平均樣的過磨率（小于1μm的過細粒消耗的粉磨能量占粉磨總能量的比例）分別為23.3%、33.0%、36.0%。顯然如果我國水泥的粉磨技術都能達到優(yōu)質企業(yè)（即較好樣品）的水平，那么熟料的未化率就可降低近8%，粉磨能耗降低10%。熟料的未化率降低，相當于節(jié)約了熟料，意味著節(jié)約了原燃材料。如果全國水泥的平均未化率都以此比例下降，僅此一項，節(jié)能降耗潛力就非常大。
以我國年產(chǎn)水泥14億噸，熟料摻加量為65%計，熟料未化率降低值取8%，由此可計算出年節(jié)約熟料量為7280萬噸。以1噸熟料消耗1.3噸石灰石，噸熟料平均消耗120公斤標煤進行計算，年節(jié)約石灰石9464萬噸，節(jié)約標煤874萬噸，減排二氧化碳6400萬噸，可見合理控制水泥粒度分布能帶來了巨大的經(jīng)濟效益及節(jié)約資源、保護環(huán)境的社會效益。如減少過磨率，則不僅可以大大降低粉磨能耗，而且因為<1μm顆粒對水泥強度基本沒有貢獻，若能降低10%的熟料過磨率，則可進一步有利于水泥工業(yè)的節(jié)能減排。
值得指出的是，目前混合材的添加量遠未達到理想的水平。進一步增加添加量的途徑是混合材的粒度分布要更加合理（比如讓混合材顆粒與熟料顆粒形成最佳堆積）。可見在粉磨過程中，利用顆粒檢測與控制技術，優(yōu)化顆粒級配在節(jié)能降耗中還有巨大的潛力可以挖掘。
四、措施
?。ㄒ唬?/B>有效控制水泥的合理顆粒組成
水泥細度的提高是在大多數(shù)企業(yè)粉磨工藝比較落后和采用80μm方孔篩篩余控制細度的條件下取得的，因此多數(shù)水泥企業(yè)的水泥顆粒組成處于不合理的狀態(tài)。
目前比較公認的水泥最佳性能的顆粒級配為：3-32μm顆粒總量不能低于65%，<3μm細顆粒不要超過10%，＞65μm顆粒最好為0，<1μm的顆粒希望沒有。因為3-32μm顆粒對強度增長起主要作用，特別是16-24μm顆粒對水泥性能尤為重要，含量越多越好；<3μm的細顆粒容易結團，<1μm的小顆粒在加水攪拌中很快就水化，對混凝土強度作用很小，且影響水泥與外加劑的適應性，易影響水泥性能而導致混凝土開裂，嚴重影響混凝土的耐久性；＞65μm的顆粒水化很慢，對28d強度貢獻很小。
用45μm篩余和比表面積控制細度操作簡便、控制有效。
在固定的工藝條件下，使水泥的45μm篩余量和比表面積控制在一個合理的水平上時，可限制3μm以下和45μm以上的顆粒，以此獲得良好的水泥性能和較低的生產(chǎn)成本。這種細度控制方法與其它方法相比，具有操作簡便、控制有效的優(yōu)點。只要取樣進行篩析試驗和比表面積測定，就可以為磨機的操作提供依據(jù)。
?。ǘ?/B>顆粒特征與粒度分布的合理控制
與水泥的物理性能（特別是強度）密切相關的當屬水泥中熟料及混合材的粒度分布。熟料的粒度分布會影響熟料的水化速度、一定時間內的水化程度、標準稠度需水量、混凝土的水灰比。熟料與混合材的粒度分布共同決定了水泥顆粒的最緊密堆積密度。如前所述，我國多數(shù)水泥廠的現(xiàn)實情況是，使用80μm篩余或比表面積作為粉磨過程例行控制的依據(jù)，對水泥的粒度分布較少關注，80μm篩余或比表面積與顆粒分布均沒有很好的相關關系。
經(jīng)驗表明，在粉磨設備及其運轉參數(shù)沒有明顯改變時，32μm篩余或45μm篩余能夠很好地反映顆粒分布。使用32μm篩余或45μm篩余為粉磨過程例行控制的依據(jù)，在粉磨設備及其運轉參數(shù)稍有改變時，可以通過簡單的調節(jié)，比如選粉機的轉數(shù)（風量），使32μm篩余或45μm篩余還保持在控制目標之內，因此，使用32μm篩余或45μm篩余可作為粉磨過程例行控制的依據(jù)，但若粉磨設備及其運轉參數(shù)發(fā)生明顯改變時則不能很好反映粒度分布。
使用RRB公式可以很好地對水泥顆粒分布進行擬合，控制RRB公式中的兩個參數(shù)：特征粒徑和均勻性系數(shù)（n）即可達到控制粒度分布的目的。如測定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm篩余，可通過回歸分析求得特征粒徑和粒度分布。
有一種比較簡便的方法可以大致判斷粒度分布是否正常，如果使用32μm篩余或45μm篩余作為粉磨過程例行控制的依據(jù)，并且32μm篩余或45μm篩余處于正?？刂品秶梢栽黾訙y定另一個63μm的篩余，將測得的篩余與以往粒度分布正常的數(shù)據(jù)進行比較，如果增加測定的篩余數(shù)據(jù)與以往粒度分布正常的數(shù)據(jù)具有明顯區(qū)別，則提示粒度分布可能具有明顯變化。
（三）優(yōu)化水泥顆粒級配的技術途徑
由上分析可知，水泥顆粒的級配應從兩方面改善。一是<3μm顆粒既要滿足最佳性能級配的要求，又要盡量滿足Fuller曲線緊密堆積的要求；二是要減少＞60μm的顆粒。
（減少＞60 μm顆粒的方法主要有降低入磨粒度、改造磨機內部結構、調整磨內研磨體級配、采用新型選粉機和對老式選粉機進行改造等。）
?、攀炝吓c易磨性好的混合材共同粉磨
在熟料中加入一些易磨性好的混合材如石灰石、粉煤灰等共同粉磨。由于這些混合材易磨性好，因此在水泥顆粒中，混合材的粒徑比熟料的小?？梢云谕?，共同粉磨工藝中的石灰石或粉煤灰應該能提供更多的<3μm顆粒，從而優(yōu)化水泥的顆粒級配。
?、齐y磨的混合材與熟料分別粉磨再混合
對于比熟料難磨的混合材宜采用分別粉磨然后混合的方法。例如礦渣的粉磨功指數(shù)為23kWh/t，比熟料的16.4kWh/t高。若用共同粉磨的方法，礦渣的粒徑比熟料的粗。共同粉磨時，水泥的比表面積為350m2/kg時，礦渣的比表面積只有230-280m2/kg。因此要分別粉磨。也可先對難磨的礦渣進行預粉磨，再與熟料共同粉磨，但效果不如分別粉磨好。
?、窃陬A拌混凝土時加入磨細礦物摻合料改善膠凝材料（或水泥）的顆粒級配
在預拌混凝土生產(chǎn)中已廣泛采用摻礦物摻合料的技術，主要是為了節(jié)約水泥、降低成本和提高混凝土的耐久性。但對摻礦物摻合料改善水泥顆粒級配、減少混凝土拌合物單方用水量和提高和易性的認識還不足。
要改善水泥的級配，礦物摻合料的粒徑必須比水泥的粒徑小，最好為水泥粒徑的0.414倍或更小。就目前所常用的礦物摻合料來看，礦渣粉的比表面積最好在450m2/kg或45 μm篩余< 12%。否則不易達到改善水泥顆粒級配的目的。
?。ㄋ模┖侠硎褂弥?/B>
在粉磨過程中，加入少量的外加劑，以消除細粉粘附和聚集現(xiàn)象，加快物料的粉磨速度，提高粉磨效率，還能提高3-30μm含量10-20%，有利于球磨機優(yōu)質、節(jié)能、高產(chǎn)。這類外加劑統(tǒng)稱為“助磨劑”。使用助磨劑在大多數(shù)情況下能提高磨機產(chǎn)量，特別是水泥需要細磨的情況下更顯重要。在國外助磨劑的應用十分普遍，95%的水泥磨機都使用助磨劑。在國內有些水泥廠，以前也使用過助磨劑，如：三乙醇胺、乙二醇、丙二醇、石油酸鈉皂等一類化工廠下腳料，但由于來源短缺、價格增漲，漸漸停用。
從外加劑作用機理看，我們可以把助磨劑分為兩類：工藝型助磨劑和功能型助磨劑。工藝型助磨劑是降低物料表面能、減弱分子引力所產(chǎn)生的聚合作用、幫助外力作功時顆粒裂紋的加速擴展，從而提高粉磨效率和產(chǎn)品的比表面積，實現(xiàn)球磨機優(yōu)質、節(jié)能、高產(chǎn)；功能型助磨劑則是利用化學物質特有的功能，激發(fā)材料活性、提高水泥強度、縮短凝結時間等實現(xiàn)磨機高產(chǎn)。因此，后者含有一部分堿性物質。在建筑施工中，如果再使用混凝土外加劑，容易產(chǎn)生不兼容現(xiàn)象，造成水泥制品、水泥構件質量下降，特別在鋼筋銹蝕、混凝土開裂等方面，危害較為嚴重。
由此可見，在使用助磨劑時，盡量選擇工藝型助磨劑，不含Cl－、K+、Na+等對混凝土耐久性不利的成分，摻量0.08～0.10%，提高磨機產(chǎn)量10～30%，增加水泥比表面積20～80 m2/kg。
使用助磨劑，可以獲得比表面積較高的粉磨產(chǎn)品，并減少過粉磨現(xiàn)象。同時，物料在磨內的流速會加快，在磨內停留時間縮短，引起出磨細度（篩余）的變化。對于開流粉磨來說，必須調節(jié)磨內工況，適應粉磨產(chǎn)品的細度要求；對于圈流粉磨則要控制出磨細度（篩余）在正常范圍之內，決不允許有篩余值逐漸增大的現(xiàn)象發(fā)生。否則，不僅磨機產(chǎn)量會降低，而且，還會引起循環(huán)負荷率增加、磨尾提升機過載、堵塞，甚至造成停產(chǎn)事故?？傊?，選擇和使用助磨劑是一項科學嚴謹?shù)募夹g工作，必須認真做到以下五點：
?、倏紤]入磨物料性質，進行小磨比較試驗：由助磨機理所決定，助磨劑對物料的適應性是各有差異的，要想得到最佳助磨效果，必須按要求的技術條件，先進行小磨試驗，然后優(yōu)選方案到大磨實施。
?、谧⒁夥勰スに嚄l件，選擇不同種類的助磨劑：助磨劑有氣、固、液三種狀態(tài)、幾十個品種；除了對物料適應性、助磨功能不同之外，對干法磨、濕法磨、開流磨、圈流磨、烘干磨等使用的要求都不完全一樣，需要仔細試驗、使用。
?、凼褂弥瑧獙ο吕m(xù)作業(yè)無不良影響：在生料磨使用助磨劑時，要考慮對燒成工藝的影響；在水泥磨使用助磨劑時，要考慮對包裝、散裝工藝以及建筑施工、水泥制品構件質量的影響。
?、芤匾曋﹣碓春统杀荆褐┙o用戶帶來的經(jīng)濟效益與其價位、市場供應有著密切關系，企業(yè)可通過綜合評估、核算后，再進行優(yōu)化選擇。
?、葜┍仨殱M足環(huán)保要求：許多外加劑都是利用化工廠的下腳料配制的，經(jīng)常殘留著一些不利于環(huán)境保護的物質。在選用助磨劑時，不要被低價位所迷惑，必須保證使用的助磨劑不污染環(huán)境，不危害員工身體健康。
目前比較正規(guī)的單位生產(chǎn)的助磨劑都是集助磨、增強、改善性能、降低成本為一體的高科技產(chǎn)品，是生產(chǎn)綠色高性能水泥的重要技術措施。其作用原理是：通過助磨功能提高磨機產(chǎn)量，提高比表面積，從而提高水泥強度。水泥增強劑的增強功能主要是添加劑中的化學物質與水泥及混合材中的鈣、硅、鋁等進行化學反應形成有助水泥增強的水化產(chǎn)物，同時造成水泥中氧化物的晶格缺陷，提高其反應活性。應用高效復合水泥功能添加劑技術在不增加固定資產(chǎn)投資，不改變生產(chǎn)工藝的情況下，達到提高水泥產(chǎn)質量、降低成本、生產(chǎn)綠色高性能環(huán)保水泥的目的。采用分別粉磨和合理使用高效助磨劑后，用一噸熟料可望能生產(chǎn)出三噸32.5級礦渣水泥。
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