工藝外加劑在水泥工業節能減排中的重要作用

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

　　水泥工藝外加劑可以將原來不具備水化活性的物質或混合物，經適當的物理化學方法處理后，轉變為具有膠凝性質的材料，以逐步減輕經濟增長對環境、資源、能源的供給壓力；同時，它還能夠在水泥生產的主要工序中，為主機設備的節能高產起到積極地促進作用。它是符合科學發展觀、有利于水泥工業可持續發展、促進傳統水泥生產工藝進行節能環保改造的適用技術和產品更新的有效辦法。

　　一、應用高效復合生料速燒劑技術，提高水泥熟料產質量，降低熟料生產成本

　　（一）影響水泥熟料強度的因素分析

　　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構。八年前,我國水泥采用ISO強度檢驗方法后,水泥企業普遍發現,我們生產的水泥熟料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。國內三種不同企業的水泥企業熟料強度的測試結果對比如下：

　　（1）C3S+ C2S = 80%， RISO-RGB = -0.8， RISO/RGB = 0.99；

　　（2）C3S+ C2S = 68%，RISO-RGB = -13.4，
        RISO/RGB = 0.78；

　　（3）C3S+ C2S = 73%， RISO-RGB = -5.6，
        RISO/RGB = 0.89；

　　2.熟料礦物活性低

　　有關研究證明，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構與熟料的率值設計、熟料煅燒溫度和過程密切相關。

　　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。我國現行不同窯型的水泥廠生產的水泥RISO/RGB值差別也較大，其主要原因是構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，國內新型干法窯生產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，立窯企業應改進配料方案，向高硅、低鐵型轉變，并采用與此配料方案相適應的燒成技術。

　　（二）采用高硅低鐵配料方案

　　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，而且比例關系要匹配。從對國內外水泥熟料率值的分析對比看，高硅、低鐵配料方案，是實現優質高產的必要技術措施。國家修訂水泥標準時,作了大量的試驗。結果表明，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或礦化劑技術的配合，方可取得較好的效果。

　　（三）應用高效復合生料速燒劑，提高水泥熟料產質量，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構而研究開發的具有高效復合催化功能，用于熟料煅燒的高新技術產品。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

　　（1）降低反應物質點間的鍵能，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，增加液相量，降低液相粘度，從而降低燒成溫度。

　　（3）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。

　　（4）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起穩定作用。

　　（5）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，因而窯內上火速度明顯加快，底火上移而變薄，中間底火變淺，窯內通風阻力減少，有利于窯內通風均勻和熟料冷卻，使整個熟料燒成時間減少，特別是減少了窯內還原氣氛，使水泥熟料在煅燒時形成良性循環，故能提高熟料產質量，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，Fe2O3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的轉變。速燒劑對促進硅酸鹽礦物的形成，改善熟料的礦相結構，提高水泥熟料的活性起到決定性作用。

　　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，生料成分要穩定，生料中900孔篩篩余≤0.5%，生料比表面積≥300m2/kg；

　　（2）因廠制宜采用高硅、低鐵的配料方案；

　　（3）煤質要穩定，發熱量21000±800kJ/kg；

　　對于立窯廠來說，還要做到：

　　（1）確保成球質量：球徑3～5mm占90%以上；

　　（2）保證暗火操作，提高全風率；

　　（3）加強立窯保溫，采用優化的窯體結構和高效節能卸料塔篦子。

　　3.使用效果

　　高效生料速燒劑使用效果見表3。

　　大量生產實踐證明，使用高效生料速燒劑有下述效果：

　　（1）熟料臺時產量提高15%以上。

　　（2）標準煤耗降低15%以上。

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

　　（4）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生結皮堵塞，還會引起窯內結蛋、結圈。實際上，預分解窯的預熱器結皮堵塞及窯內結蛋、結圈，主要原因是由于系統控制的問題，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，修改工藝控制參數十分重要。整個系統因速燒劑的加入而改變，窯外分解窯的整個系統參數也要發生很大的變化，如果仍按原來的控制參數進行控制，那么預熱器可能會產生結皮堵塞及窯內結蛋、結圈的現象。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，通過調整系統控制參數，有效地解決了預熱器結皮堵塞和窯內結蛋、結圈的工藝難題，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取得成功，而實際上粉煤灰就是低熔物質，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生較低的共熔點，卻沒有使預分解窯的預熱器產生結皮堵塞、窯內結蛋、結圈現象。這充分說明預分解窯的低溫煅燒并不是使預熱器產生結皮堵塞和窯內結蛋、結圈的主要原因。。我們曾經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濟效益，達到熱耗降低15%，產量提高20%，熟料強度提高5MPa以上，而未造成預熱器結皮堵塞的現象的良好效果。

　　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經濟指標有了進步。具體表現在以下幾個方面：

　　（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，因此一般能達到節煤10～20%以上。

　　（2）提高窯的熟料產量

　　通過多家水泥企業使用表明，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，在窯的發熱能力一定時，節煤10%以上,理論上就可以使窯的產量提高10%以上（節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，窯的快轉率提高，因而可以大幅度提高窯的產量,有的達到提高產量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，產量有望達到3000t/d；5000t/d的窯，熟料產量有望達到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。可以較大地發揮新型干法窯的潛力和性能。

　　（3）提高熟料的質量

　　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，可穩定A礦和B礦，防止發生晶型轉變，因此可極大地提高熟料的質量。根據近十家使用生料速燒劑的新型干法水泥廠生產統計數據表明,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，系統溫度的大幅度降低，燒成帶溫度降低更大，這樣窯系統可以長期在較低溫度下運行，有利于提高窯系統的安全運轉；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。

　　（5）減少有害成分的排放，保護環境

　　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到大氣中去，更不會在窯內形成內循環產生積聚，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，不會產生揮發形成內循環，更不會揮發到大氣中去而污染環境。生料速燒劑的使用，使水泥生產對環境的污染減輕。

　　（6）不會產生預熱器結皮堵塞和窯內結蛋結圈的現象

　　由于微量元素并不是易揮發性的組分，因此它不會在窯內形成內循環，而且它可以抑制有害成分揮發形成的內循環，與生料中的有害成分形成穩定的組分固溶到熟料中去；由于系統溫度降低100℃，有害成分在窯內的揮發和內循環大大降低。并且配料方案的改變要求系統控制參數進行適當的調整，才能保持系統的正常運行。預熱器結皮堵塞、窯內結蛋、結圈的主要原因是在預熱器內形成液相，而生料速燒劑的使用，煅燒時仍然要到1100℃以上才能出現液相，而預熱器內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，降低水泥生產成本

　　要達到水泥新標準要求，提高水泥活性是關鍵。在混凝土中我國水泥約有20~40%沒有發揮水泥水化作用。水泥的活性與水泥熟料的礦物組成、礦相結構有關，與水泥磨細程度、顆粒級配、顆粒形貌有關。如何使水泥（含混合材）更好地發揮活性。一是物理激發——高細粉磨；二是化學激發——采用對水泥無害的化學物質激發水泥的活性。如何在現有技術經濟條件下順利實現新老標準接軌，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將是最理想的選擇。

　　（一）使用注意事項

　　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。

　　（二）使用效果

　　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在同等情況下，可大幅度提高混合材摻量，這是水泥企業降低成本的重要手段，具有可觀的經濟效益和社會效益。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是適應新標準的重要技術。

 
　　三、使用外加劑對水泥工業節能減排的作用

　　（一）節能減排

　　高效復合水泥助磨劑應用與水泥生產：

　　可降低熟料用量10%；

　　降低水泥粉磨電耗10%；

　　多消納工業廢渣10%。

　　按中小型水泥生產一般水平，熟料電耗75kwh/t、標準煤耗140kg/t、水泥粉磨電耗30kwh/t計算，每生產一噸水泥可以：

　　節約標準煤14kg；

　　節電3kwh；

　　減少石灰石消耗130kg；

　　減少粘土消耗18kg；

　　多用工業廢渣100kg；

　　減排工業粉塵1kg；

　　減排CO2氣體100kg；

　　減排SO2氣體0.13kg；

　　減排NOX氣體0.15kg。

　　（二）節省資源與土地

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

　　山東宏藝科技有限公司年產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，節約耕地8640畝；

　　多消納工業廢渣1600萬噸，按工業廢渣占地3t/m2計算，節省占地8000畝。

　　（三）展望

　　1.臨沂市

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

　　節電0.63億kwh；節約標準煤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年山東省水泥產量16600萬噸，如果有50%的水泥生產過程應用了水泥助磨劑技術，則可：

　　節電8.73億kwh；節約標準煤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年全國水泥產量為12.4億噸，如果有50%的水泥生產過程應用了水泥助磨劑技術，則可：

　　節電65億kwh；節約標準煤855萬噸；減少石灰石消耗8028萬噸；減少粘土消耗1112萬噸；多消納工業廢渣6175萬噸；

　　減排CO2氣體6175萬噸，減排SO2氣體8.03萬噸。

　　節約耕地33330畝；節省占地30860畝。

　　總之，適應水泥新標準，既要保證生產水泥達到新標準要求，企業又要獲得最大的經濟效益和社會效益，那么在燒成系統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，提高企業經濟效益和競爭力的目的。