工藝外加劑在水泥工業(yè)節(jié)能減排中的重要作用

　　國家水泥新標準《通用硅酸鹽水泥》即將發(fā)布，過渡期一年，2008年10月正式實施。它是加速我國水泥工業(yè)節(jié)能減排的步伐、促使水泥質(zhì)量飛躍和實現(xiàn)我國水泥標準與ISO國際標準接軌的重要舉措，也是對我國水泥生產(chǎn)企業(yè)的嚴峻挑戰(zhàn)。如何適應新標準更高層次的要求，提高水泥的實物質(zhì)量，順利實現(xiàn)新老標準的接軌，同時使企業(yè)取得最佳的經(jīng)濟效益，是每個水泥企業(yè)亟待解決的現(xiàn)實問題。

　　水泥工藝外加劑可以將原來不具備水化活性的物質(zhì)或混合物，經(jīng)適當?shù)奈锢砘瘜W方法處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心z凝性質(zhì)的材料，以逐步減輕經(jīng)濟增長對環(huán)境、資源、能源的供給壓力；同時，它還能夠在水泥生產(chǎn)的主要工序中，為主機設備的節(jié)能高產(chǎn)起到積極地促進作用。它是符合科學發(fā)展觀、有利于水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、促進傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)工藝進行節(jié)能環(huán)保改造的適用技術(shù)和產(chǎn)品更新的有效辦法。

　　一、應用高效復合生料速燒劑技術(shù)，提高水泥熟料產(chǎn)質(zhì)量，降低熟料生產(chǎn)成本

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　　影響水泥熟料強度的主要因素是熟料的礦物組成和熟料的礦相結(jié)構(gòu)。八年前,我國水泥采用ISO強度檢驗方法后,水泥企業(yè)普遍發(fā)現(xiàn),我們生產(chǎn)的水泥熟料28天抗壓強度平均低10MPa左右。強度低的原因：

　　1.熟料礦物中對水泥熟料活性起主要作用的硅酸鹽礦物（C3S+C2S）含量偏低（<70%），早強礦物鋁酸三鈣（C3A）含量偏低（<8%），次要組分鐵鋁酸鈣（C4AF）含量偏高（>13%）。

　　D. Knofel提出，熟料主要礦物對28d強度的貢獻系數(shù)F28≈3×C3S+2×C2S+C3A-C4AF，所以要提高熟料強度，主要是提高C3S、C2S、C3A的含量，降低C4AF含量。實驗證明：隨熟料中硅酸鹽礦物量的增加，RISO/RGB比值增高（RISO為用國際法測試的28d抗壓強度，RGB為用原國標法測試的28d強度）；隨C3S增加，RISO/RGB比值增加；隨C3A增加，C4AF降低，RISO/RGB比值增加；隨C3S+ C2S/C4AF比值增加，RISO/RGB比值增加。國內(nèi)三種不同企業(yè)的水泥企業(yè)熟料強度的測試結(jié)果對比如下：

　?。?）C3S+ C2S = 80%， RISO-RGB = -0.8， RISO/RGB = 0.99；

　?。?）C3S+ C2S = 68%，RISO-RGB = -13.4，
        RISO/RGB = 0.78；

　?。?）C3S+ C2S = 73%， RISO-RGB = -5.6，
        RISO/RGB = 0.89；

　　2.熟料礦物活性低

　　有關(guān)研究證明，熟料礦物晶體尺寸在20~40μm之間缺陷多的微細晶體，活性最高，RISO與RGB差值很小。只有強熱快燒的熟料才能獲得缺陷多的微晶，實踐證明，速燒快冷的熟料活性高，過燒熟料和還原氣氛中形成的熟料活性差。熟料質(zhì)量越好，RISO與RGB差值越小，RISO與RGB比值越大。隨游離石灰、燒失量的提高，RISO/RGB比值降低。而熟料的礦物組成與礦相結(jié)構(gòu)與熟料的率值設計、熟料煅燒溫度和過程密切相關(guān)。

　　不同窯型、不同配料設計的ISO法與GB法檢驗強度差距較大。我國不同窯型水泥和國外水泥28天RISO與RGB抗壓強度的統(tǒng)計對比（見表1）。

　　從表1可以看出國外水泥RISO與RGB的差值最小，RISO/RGB比值達0.96，而我國水泥無論那種窯型，同國外水泥相比差距均較大。我國現(xiàn)行不同窯型的水泥廠生產(chǎn)的水泥RISO/RGB值差別也較大，其主要原因是構(gòu)成水泥熟料的礦物組成和相似礦物組成的熟料煅燒狀況不同（見表2）。

　　從表2可以看出，國內(nèi)新型干法窯生產(chǎn)的水泥熟料四大礦物組成與國外水泥近似，但KH、SM、IM三個率值都比國外水泥稍低一些，看來這是造成RISO與RGB強度差距較大的重要因素。我國水泥配料方案的重要特征是低硅、高鐵，造成了硅酸鹽礦物含量較低。從提高水泥熟料強度考慮，應盡量提高硅酸鹽礦物（C3S+ C2S）含量（≥73%），提高早強礦物（C3A）含量（9～10%）、降低鐵鋁酸四鈣（C4AF）含量（<13%）。歐洲通用水泥標準ENV197-1-92對波特蘭水泥熟料提出這樣規(guī)定，“波特蘭水泥熟料是一種水硬性材料，以重量計至少2/3是硅酸鈣（C3S和C2S），其余為Al2O3、Fe2O3”的關(guān)系中更重視Al2O3的作用。所以為提高水泥強度，適應新標準要求，立窯企業(yè)應改進配料方案，向高硅、低鐵型轉(zhuǎn)變，并采用與此配料方案相適應的燒成技術(shù)。

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　　為適應ISO檢驗新標準、提高水泥熟料強度的需要，不僅硅酸鹽礦物和鋁酸三鈣礦物的含量要高，而且比例關(guān)系要匹配。從對國內(nèi)外水泥熟料率值的分析對比看，高硅、低鐵配料方案，是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的必要技術(shù)措施。國家修訂水泥標準時,作了大量的試驗。結(jié)果表明，硅率高的熟料在配制水泥時強度下降小，反之則大。事實上熟料硅率高，則意味著高強度礦物——硅酸鹽礦物（C3S+ C2S）多，所以磨制水泥強度高。因而許多廠都已開始嘗試提高硅率的配料方案：KH=0.88～0.94  SM≥2.3  IM≥1.5，生料中Fe2O3含量一般在2%以下。這一方案可以燒出質(zhì)量相當高的熟料：C3S+ C2S=73%，f-CaO≤2%，3天抗壓強度≥43MPa，28天抗壓強度≥65MPa，而且熟料產(chǎn)量高，易磨性好。對于原燃料條件不太好的水泥廠，亦應盡量向高硅、低鐵方案靠近。高硅、低鐵方案的生料易燒性差，所以需要有改善易燒性的高效復合生料速燒劑技術(shù)或礦化劑技術(shù)的配合，方可取得較好的效果。

　　（三）應用高效復合生料速燒劑，提高水泥熟料產(chǎn)質(zhì)量，降低熟料成本

　　高效復合生料速燒劑是配合高硅、低鐵配料方案，為提高硅酸鹽礦物含量，改善硅酸鹽礦物礦相結(jié)構(gòu)而研究開發(fā)的具有高效復合催化功能，用于熟料煅燒的高新技術(shù)產(chǎn)品。使用高效復合生料速燒劑可大大提高生料的易燒性。

　　1.高效復合生料速燒劑的作用機理

　?。?）降低反應物質(zhì)點間的鍵能，提高化學反應活性，強化SiO2與CaO的反應能力。

　　（2）促使液相提前出現(xiàn)，增加液相量，降低液相粘度，從而降低燒成溫度。

　?。?）促使早強礦物及C3S微晶的形成，從而加速了硅酸鹽礦物的形成過程。

　?。?）由于微量元素的固溶，提高了礦物中有缺陷的微晶的含量，同時對C3S和β-C2S起穩(wěn)定作用。

　?。?）在立窯中加入速燒劑后，由于熟料在較低溫度下（1200～1300℃）快速燒成，因而窯內(nèi)上火速度明顯加快，底火上移而變薄，中間底火變淺，窯內(nèi)通風阻力減少，有利于窯內(nèi)通風均勻和熟料冷卻，使整個熟料燒成時間減少，特別是減少了窯內(nèi)還原氣氛，使水泥熟料在煅燒時形成良性循環(huán)，故能提高熟料產(chǎn)質(zhì)量，降低熟料熱耗。

　　對于高硅、低鐵方案，由于Fe2O3含量較小，加之還原氣氛的減弱，F(xiàn)e2O3還原成FeO的機會很小，由于FeO固溶到C3S中，致使C3S分解為 C2S和f-CaO的機會大大降低，同時由于速燒劑中有多種離子，能固溶到β-C2S中，阻止了β-C2S向γ-C2S的轉(zhuǎn)變。速燒劑對促進硅酸鹽礦物的形成，改善熟料的礦相結(jié)構(gòu)，提高水泥熟料的活性起到?jīng)Q定性作用。

　　2.使用高效復合生料速燒劑應注意的事項

　　（1）顆粒狀速燒劑按0.5～0.8%的量均勻摻入到生料中，生料成分要穩(wěn)定，生料中900孔篩篩余≤0.5%，生料比表面積≥300m2/kg；

　?。?）因廠制宜采用高硅、低鐵的配料方案；

　?。?）煤質(zhì)要穩(wěn)定，發(fā)熱量21000±800kJ/kg；

　　對于立窯廠來說，還要做到：

　?。?）確保成球質(zhì)量：球徑3～5mm占90%以上；

　?。?）保證暗火操作，提高全風率；

　?。?）加強立窯保溫，采用優(yōu)化的窯體結(jié)構(gòu)和高效節(jié)能卸料塔篦子。

　　3.使用效果

　　高效生料速燒劑使用效果見表3。

　　大量生產(chǎn)實踐證明，使用高效生料速燒劑有下述效果：

　?。?）熟料臺時產(chǎn)量提高15%以上。

　?。?）標準煤耗降低15%以上。

　?。?）熟料質(zhì)量：3d抗壓強度≥40MPa，28d抗壓強度≥62MPa，f-CaO≤2.0%，Loss≤1.0%。

　?。?）噸熟料成本降低10元以上。

　　4.高效生料速燒劑在新型干法水泥生產(chǎn)中的應用

　　盡管生料速燒劑在機立窯水泥廠正在被不斷地推廣和應用，然而我國的新型干法水泥企業(yè)卻對此有不同認識，認為生料速燒劑中的微量元素是使生料產(chǎn)生低熔的主要成分，會在較低的溫度下形成液相，而使窯外分解窯的預熱器產(chǎn)生結(jié)皮堵塞，還會引起窯內(nèi)結(jié)蛋、結(jié)圈。實際上，預分解窯的預熱器結(jié)皮堵塞及窯內(nèi)結(jié)蛋、結(jié)圈，主要原因是由于系統(tǒng)控制的問題，再加上大家公認的有害成分的影響。

　　在使用生料速燒劑以后，修改工藝控制參數(shù)十分重要。整個系統(tǒng)因速燒劑的加入而改變，窯外分解窯的整個系統(tǒng)參數(shù)也要發(fā)生很大的變化，如果仍按原來的控制參數(shù)進行控制，那么預熱器可能會產(chǎn)生結(jié)皮堵塞及窯內(nèi)結(jié)蛋、結(jié)圈的現(xiàn)象。當前，許多新型干法水泥廠在生料中有害成分很高的情況下，通過調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)，有效地解決了預熱器結(jié)皮堵塞和窯內(nèi)結(jié)蛋、結(jié)圈的工藝難題，并且許多新型干法水泥廠使用粉煤灰配料已經(jīng)取得成功，并被推廣應用；還有的新型干法水泥廠家使用各種金屬礦的尾渣配料也已經(jīng)取得成功，而實際上粉煤灰就是低熔物質(zhì)，金屬礦的尾渣中含有大量的微量元素，可以在生料煅燒過程中產(chǎn)生較低的共熔點，卻沒有使預分解窯的預熱器產(chǎn)生結(jié)皮堵塞、窯內(nèi)結(jié)蛋、結(jié)圈現(xiàn)象。這充分說明預分解窯的低溫煅燒并不是使預熱器產(chǎn)生結(jié)皮堵塞和窯內(nèi)結(jié)蛋、結(jié)圈的主要原因。。我們曾經(jīng)在某廠預分解窯上試驗，采用高效復合生料速燒劑，在應用中取得較好的經(jīng)濟效益，達到熱耗降低15%，產(chǎn)量提高20%，熟料強度提高5MPa以上，而未造成預熱器結(jié)皮堵塞的現(xiàn)象的良好效果。

　　實踐證明在預分解窯上使用生料速燒劑同樣是可行的，并使預分解各項技術(shù)經(jīng)濟指標有了進步。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　（1）降低熟料的熱耗

　　由于高效復合生料速燒劑的作用，可以使生料在煅燒過程中形成液相的溫度大幅度降低，熟料可以在較低的溫度下快速形成，他們使用高效復合生料速燒劑的體會是：整個預分解窯的系統(tǒng)溫度降低100℃，熟料熱耗下降達10～20%。預分解窯使用復合生料速燒劑后，由于低溫煅燒，所消耗的熱量要比原來少得多，因此一般能達到節(jié)煤10～20%以上。

　?。?）提高窯的熟料產(chǎn)量

　　通過多家水泥企業(yè)使用表明，在預分解窯煅燒過程中使用生料速燒劑，熱耗可降低10%以上，在窯的發(fā)熱能力一定時，節(jié)煤10%以上,理論上就可以使窯的產(chǎn)量提高10%以上（節(jié)省的這部分熱量也就可以用來燒成熟料），并且，由于微量元素的多重礦化和助熔作用，極大地提高了CaCO3的分解率，大幅度降低了物料的煅燒溫度，液相粘度也降低，熟料形成速度加快，窯的快轉(zhuǎn)率提高，因而可以大幅度提高窯的產(chǎn)量,有的達到提高產(chǎn)量20%的效果，而未增加窯的其它負荷。因此，在預分解窯上使用生料速燒劑，不僅能大幅度提高窯的產(chǎn)量，而且不增大窯的熱負荷，對篦冷機的熱負荷增加也不會很大。在2500t/d的新型干法窯上使用生料速燒劑，產(chǎn)量有望達到3000t/d；5000t/d的窯，熟料產(chǎn)量有望達到6000t/d，熟料單位電耗下降5～10kwh/t，而不增加窯和篦冷機的熱負荷?？梢暂^大地發(fā)揮新型干法窯的潛力和性能。

　?。?）提高熟料的質(zhì)量

　　使用生料速燒劑后，由于微量元素的多重礦化和助熔作用，使熟料在煅燒過程中生成許多過渡性的早強和高強礦物，且低溫可使熟料中的主要礦物C3S形成微晶或缺陷晶格，有利于提高熟料的活性，并且微量元素的有選擇飽和固溶，可穩(wěn)定A礦和B礦，防止發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，因此可極大地提高熟料的質(zhì)量。根據(jù)近十家使用生料速燒劑的新型干法水泥廠生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,熟料強度一般都可以提高5MPa以上。

　　（4）提高設備的安全運轉(zhuǎn)率，降低襯料消耗

　　使用生料速燒劑后，由于微量元素的多重礦化和助熔作用，系統(tǒng)溫度的大幅度降低，燒成帶溫度降低更大，這樣窯系統(tǒng)可以長期在較低溫度下運行，有利于提高窯系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)；同時，低溫可以保護窯的襯料，使之免受高溫火焰的沖刷和高溫液相的侵蝕，從而提高襯料的使用壽命。

　?。?）減少有害成分的排放，保護環(huán)境

　　由于熟料熱耗降低，單位熟料的廢氣排放量亦降低，而高溫是氮氧化物生成的主要條件，系統(tǒng)溫度的大幅度降低，可使氮氧化物的排放降低20%～50%，其它有害成分的排放也大幅度降低，從而比較容易達到國家規(guī)定的排放標準。高效復合生料速燒劑中的微量元素多是助熔成分，這些成分不會被揮發(fā)到大氣中去，更不會在窯內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生積聚，而是生成過渡性礦物或固溶到熟料中的A礦和B礦中去；生料速燒劑中氟含量很少，它在熟料煅燒過程中由于其它微量元素的抑制而生成過渡性礦物，不會產(chǎn)生揮發(fā)形成內(nèi)循環(huán)，更不會揮發(fā)到大氣中去而污染環(huán)境。生料速燒劑的使用，使水泥生產(chǎn)對環(huán)境的污染減輕。

　?。?）不會產(chǎn)生預熱器結(jié)皮堵塞和窯內(nèi)結(jié)蛋結(jié)圈的現(xiàn)象

　　由于微量元素并不是易揮發(fā)性的組分，因此它不會在窯內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)，而且它可以抑制有害成分揮發(fā)形成的內(nèi)循環(huán)，與生料中的有害成分形成穩(wěn)定的組分固溶到熟料中去；由于系統(tǒng)溫度降低100℃，有害成分在窯內(nèi)的揮發(fā)和內(nèi)循環(huán)大大降低。并且配料方案的改變要求系統(tǒng)控制參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，才能保持系統(tǒng)的正常運行。預熱器結(jié)皮堵塞、窯內(nèi)結(jié)蛋、結(jié)圈的主要原因是在預熱器內(nèi)形成液相，而生料速燒劑的使用，煅燒時仍然要到1100℃以上才能出現(xiàn)液相，而預熱器內(nèi)的溫度要遠低于此溫度，因此只要控制好最后兩級預熱器的溫度，杜絕分解爐中的煤不完全燃燒，就不會造成預熱器的結(jié)皮堵塞。

　　二、應用高效復合水泥助磨劑，提高水泥強度，降低水泥生產(chǎn)成本

　　要達到水泥新標準要求，提高水泥活性是關(guān)鍵。在混凝土中我國水泥約有20~40%沒有發(fā)揮水泥水化作用。水泥的活性與水泥熟料的礦物組成、礦相結(jié)構(gòu)有關(guān)，與水泥磨細程度、顆粒級配、顆粒形貌有關(guān)。如何使水泥（含混合材）更好地發(fā)揮活性。一是物理激發(fā)——高細粉磨；二是化學激發(fā)——采用對水泥無害的化學物質(zhì)激發(fā)水泥的活性。如何在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件下順利實現(xiàn)新老標準接軌，采用具有助磨、增強等復合功能的高效復合水泥功能添加劑技術(shù)將是最理想的選擇。

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　　1.粉狀高效復合水泥助磨劑按0.4~0.5%的比例計量、液體助磨劑按0.1~0.2%的比例計量，均勻加入水泥磨中與熟料、石膏、混合材等共同粉磨或分別粉磨。

　　2.入磨物料綜合水份≤1.5%。

　　3.水泥粉磨細度45μm篩篩余≤15%，比表面積≥320m2/kg，比表面積愈大，效果越好。

　　4.混合材的種類和比例要恰當。以礦渣效果最好，其次是火山灰、粉煤灰等；如果是礦渣微粉（比表面積400 m2/kg左右），摻量最好占混合材總量的一半以上。

　　5.通過試驗，找出石膏最佳摻入量。

　　6.盡量提高水泥中Al2O3的含量。

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　　粉狀高效復合水泥添加劑從磨頭加入，與其他物料共同粉磨。在提高水泥強度、增加混合材摻量、降低成本方面效果顯著。其使用效果（以某廠為例）見表4、表5。

　　從表4可以看出應用助磨劑技術(shù)在同等情況下，可大幅度提高混合材摻量，這是水泥企業(yè)降低成本的重要手段，具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。從表5可以看出，增加0.5%助磨劑后，3天抗壓強度基本不變，28天抗壓強度一般提高2~5MPa，顯然水泥助磨劑技術(shù)是適應新標準的重要技術(shù)。

 
　　三、使用外加劑對水泥工業(yè)節(jié)能減排的作用

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　　高效復合水泥助磨劑應用與水泥生產(chǎn)：

　　可降低熟料用量10%；

　　降低水泥粉磨電耗10%；

　　多消納工業(yè)廢渣10%。

　　按中小型水泥生產(chǎn)一般水平，熟料電耗75kwh/t、標準煤耗140kg/t、水泥粉磨電耗30kwh/t計算，每生產(chǎn)一噸水泥可以：

　　節(jié)約標準煤14kg；

　　節(jié)電3kwh；

　　減少石灰石消耗130kg；

　　減少粘土消耗18kg；

　　多用工業(yè)廢渣100kg；

　　減排工業(yè)粉塵1kg；

　　減排CO2氣體100kg；

　　減排SO2氣體0.13kg；

　　減排NOX氣體0.15kg。

　　（二）節(jié)省資源與土地

　　一噸粉體高效復合水泥助磨劑可供生產(chǎn)200噸水泥使用；一噸液體高效復合水泥助磨劑可供生產(chǎn)1000噸水泥使用。

　　山東宏藝科技有限公司年產(chǎn)粉體高效復合水泥助磨劑30萬噸；液體高效復合水泥助磨劑10萬噸；可供每年生產(chǎn)水泥16600萬噸使用。因此可以：

　　減少粘土消耗288萬噸，按每0.5噸粘土/m2計算，節(jié)約耕地8640畝；

　　多消納工業(yè)廢渣1600萬噸，按工業(yè)廢渣占地3t/m2計算，節(jié)省占地8000畝。

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　　1.臨沂市

　　2006年臨沂市水泥產(chǎn)量1200萬噸，如果有50%的水泥生產(chǎn)過程應用了水泥助磨劑技術(shù)，則可：

　　節(jié)電0.63億kwh；節(jié)約標準煤8.4萬噸；減少石灰石消耗78萬噸；減少粘土消耗10.8萬噸；多消納工業(yè)廢渣60萬噸；

　　減排CO2氣體60萬噸，減排SO2氣體0.08萬噸。

　　2.山東省

　　2006年山東省水泥產(chǎn)量16600萬噸，如果有50%的水泥生產(chǎn)過程應用了水泥助磨劑技術(shù)，則可：

　　節(jié)電8.73億kwh；節(jié)約標準煤115萬噸；減少石灰石消耗1079萬噸；減少粘土消耗150萬噸；多消納工業(yè)廢渣830萬噸；

　　減排CO2氣體830萬噸，減排SO2氣體1.08萬噸。

　　3.全國

　　2006年全國水泥產(chǎn)量為12.4億噸，如果有50%的水泥生產(chǎn)過程應用了水泥助磨劑技術(shù)，則可：

　　節(jié)電65億kwh；節(jié)約標準煤855萬噸；減少石灰石消耗8028萬噸；減少粘土消耗1112萬噸；多消納工業(yè)廢渣6175萬噸；

　　減排CO2氣體6175萬噸，減排SO2氣體8.03萬噸。

　　節(jié)約耕地33330畝；節(jié)省占地30860畝。

　　總之，適應水泥新標準，既要保證生產(chǎn)水泥達到新標準要求，企業(yè)又要獲得最大的經(jīng)濟效益和社會效益，那么在燒成系統(tǒng)應用高效生料速燒劑能最大限度地提高水泥熟料強度，降低熟料成本,減少大氣污染物的排放量。在水泥粉磨系統(tǒng)應用高效復合水泥助磨劑，提高水泥活性，達到增加混合材摻量，提高企業(yè)經(jīng)濟效益和競爭力的目的。