水泥工业节能减排的重要环节——粉磨的合理控制

　　在水泥生产行业，提起节能降耗，都非常重视新型干法窑的推广应用、重视节能磨机及其系统的选用与优化、重视低温余热发电的建设，而对水泥（熟料）的粒度控制在节约能源、减少二氧化碳排放、降低原料消耗以及增加混合材掺量等方面的重要作用，只有少数企业开始有较深的认识。其实，通过改善水泥的粒度，节能减排与降耗的潜力是非常巨大的。

 

　　⑴水泥颗粒只有与水发生反应，才有胶凝作用和强度，没有被水化的部分只起骨架作用。研究表明小于1μm的颗粒在与水的拌和过程中就完全水化，对混凝土浇筑体的强度没有贡献。28天，水化深度为5.48μm，即大于11μm的粗颗粒均不能被完全水化，未被水化的内核对混凝土的28天强度也没有贡献。

 

　　⑵在相同条件下，粉磨能耗与颗粒的表面积成正比。因此，颗粒越小，单位重量所消耗的粉磨能量也越多。

 

　　⑶水泥的合理颗粒组成是指能最大限度地发挥熟料的胶凝性和具有最紧密的体积堆积密度。熟料胶凝性与颗粒的水化速度和水化程度有关，而堆积密度则由颗粒大小含量比例所决定。在水泥专业文献中经常看到两个相互矛盾的水泥颗粒级配指标：一个是关于水泥最佳性能的颗粒级配；一个是符合紧密堆积的Fuller曲线的水泥颗粒级配。其矛盾在于：前者要求<3μm颗粒小于10%，<1μm颗粒最好没有；而后者则要求<3μm颗粒要达到29%，<1μm颗粒要达到19%。两者相差甚远。

 

　　最理想的状况是：水泥中熟料的颗粒级配应满足最佳性能的级配要求，而<3μm特别是<1μm的颗粒应是混合材（或矿物掺合料），如石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉等。这些<3μm的细粉状混合材填充于水泥熟料颗粒之间的空隙，使水泥颗粒的堆积趋向紧密，向Fuller曲线靠拢。另外，这些细粉状混合材的活性比熟料的低，因此在早期水化慢或几乎不水化，不会对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响。而在后期，这些细粉状的混合材又可与熟料颗粒水化所产生的Ca(OH)₂起二次反应，生成具有胶凝性的C-S-H凝胶，从而使水泥石结构致密，有利于耐久性提高。欧洲标准在27种水泥中都允许掺加 0-5%的次要附加组分，主要是改善水泥颗粒级配和工作性，而对这些次要附加组分的活性无特殊要求，只要不增加水泥标准稠度用水量，对混凝土和砂浆性能无害，对钢筋无锈蚀即可。欧洲标准的这些内容可以给我们一些启迪。

 

　　⑷根据水泥样品的实际粒度分布，可以计算28天的水化率（水泥或熟料颗粒被水化的体积与总体积之比）以及消耗在1μm以下的（熟料）粉磨能耗占总能耗的比例。没有被水化的部分，就是熟料的浪费部分；而颗粒被磨到1μm以下的部分，则熟料和粉磨能都被浪费了。

 

　　已有试验研究和生产实践表明，水泥的粒度分布与颗粒特征对水泥性能的影响是很大的。通过调整使水泥的粒度分布接近于理想分布，则水泥强度可明显提高，80μm筛余或比表面积均难以准确反映水泥的粒度分布，按GB/T17671-1999检验的水泥强度与水泥的比表面积在多数情况下没有明确的相关关系，30μm筛余或45μm筛余是水泥粉磨过程适宜的控制指标，在使32μm筛余或45μm筛余处于控制范围的同时，还应该对  RRB分布曲线的特征粒径 和均匀性系数（n）进行控制，定期检查和控制水泥的粒度分布是非常必要的。

 

　　我国实物水泥80μm筛余基本小于5%，甚至接近0，已处于水泥颗粒分布的末端，偏离RRB直线，失去反映水泥颗粒组成的作用，对磨机工况的反映不再敏感，因此80μm筛余无论从保证产品质量的角度，还是从调整粉磨工艺参数、控制水泥性能的角度都失去了它应有的作用。

 

　　欧美克公司张福根先生等曾对10多个省的多家水泥厂的水泥产品进行了巡回检测。发现水泥颗粒分布很不合理：最好样品、最差样品、全部平均样＞32μm（在28d内未能水化发挥强度的水泥颗粒）分别为10.92%、 27.94%、18.81%。最好样品、最差样品、全部平均样的过磨率（小于1μm的过细粒消耗的粉磨能量占粉磨总能量的比例）分别为23.3%、33.0%、36.0%。显然如果我国水泥的粉磨技术都能达到优质企业（即较好样品）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，相当于节约了熟料，意味着节约了原燃材料。如果全国水泥的平均未化率都以此比例下降，仅此一项，节能降耗潜力就非常大。

 

　　以我国年产水泥14亿吨，熟料掺加量为65%计，熟料未化率降低值取8%，由此可计算出年节约熟料量为7280万吨。以1吨熟料消耗1.3吨石灰石，吨熟料平均消耗120公斤标煤进行计算，年节约石灰石9464万吨，节约标煤874万吨，减排二氧化碳6400万吨，可见合理控制水泥粒度分布能带来了巨大的经济效益及节约资源、保护环境的社会效益。如减少过磨率，则不仅可以大大降低粉磨能耗，而且因为<1μm颗粒对水泥强度基本没有贡献，若能降低10%的熟料过磨率，则可进一步有利于水泥工业的节能减排。

 

　　值得指出的是，目前混合材的添加量远未达到理想的水平。进一步增加添加量的途径是混合材的粒度分布要更加合理（比如让混合材颗粒与熟料颗粒形成最佳堆积）。可见在粉磨过程中，利用颗粒检测与控制技术，优化颗粒级配在节能降耗中还有巨大的潜力可以挖掘。

 

　　水泥细度的提高是在大多数企业粉磨工艺比较落后和采用80μm方孔筛筛余控制细度的条件下取得的，因此多数水泥企业的水泥颗粒组成处于不合理的状态。

 

　　目前比较公认的水泥最佳性能的颗粒级配为：3-32μm颗粒总量不能低于65%，<3μm细颗粒不要超过10%，＞65μm颗粒最好为0，<1μm的颗粒希望没有。因为3-32μm颗粒对强度增长起主要作用，特别是16-24μm颗粒对水泥性能尤为重要，含量越多越好；<3μm的细颗粒容易结团，<1μm的小颗粒在加水搅拌中很快就水化，对混凝土强度作用很小，且影响水泥与外加剂的适应性，易影响水泥性能而导致混凝土开裂，严重影响混凝土的耐久性；＞65μm的颗粒水化很慢，对28d强度贡献很小。

用45μm筛余和比表面积控制细度操作简便、控制有效。

 

　　在固定的工艺条件下，使水泥的45μm筛余量和比表面积控制在一个合理的水平上时，可限制3μm以下和45μm以上的颗粒，以此获得良好的水泥性能和较低的生产成本。这种细度控制方法与其它方法相比，具有操作简便、控制有效的优点。只要取样进行筛析试验和比表面积测定，就可以为磨机的操作提供依据。

 

　　与水泥的物理性能（特别是强度）密切相关的当属水泥中熟料及混合材的粒度分布。熟料的粒度分布会影响熟料的水化速度、一定时间内的水化程度、标准稠度需水量、混凝土的水灰比。熟料与混合材的粒度分布共同决定了水泥颗粒的最紧密堆积密度。如前所述，我国多数水泥厂的现实情况是，使用80μm筛余或比表面积作为粉磨过程例行控制的依据，对水泥的粒度分布较少关注，80μm筛余或比表面积与颗粒分布均没有很好的相关关系。

 

　　经验表明，在粉磨设备及其运转参数没有明显改变时，32μm筛余或45μm筛余能够很好地反映颗粒分布。使用32μm筛余或45μm筛余为粉磨过程例行控制的依据，在粉磨设备及其运转参数稍有改变时，可以通过简单的调节，比如选粉机的转数（风量），使32μm筛余或45μm筛余还保持在控制目标之内，因此，使用32μm筛余或45μm筛余可作为粉磨过程例行控制的依据，但若粉磨设备及其运转参数发生明显改变时则不能很好反映粒度分布。

 

　　使用RRB公式可以很好地对水泥颗粒分布进行拟合，控制RRB公式中的两个参数：特征粒径和均匀性系数（n）即可达到控制粒度分布的目的。如测定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm筛余，可通过回归分析求得特征粒径和粒度分布。

 

　　有一种比较简便的方法可以大致判断粒度分布是否正常，如果使用32μm筛余或45μm筛余作为粉磨过程例行控制的依据，并且32μm筛余或45μm筛余处于正常控制范围，可以增加测定另一个63μm的筛余，将测得的筛余与以往粒度分布正常的数据进行比较，如果增加测定的筛余数据与以往粒度分布正常的数据具有明显区别，则提示粒度分布可能具有明显变化。

 

　　由上分析可知，水泥颗粒的级配应从两方面改善。一是<3μm颗粒既要满足最佳性能级配的要求，又要尽量满足Fuller曲线紧密堆积的要求；二是要减少＞60μm的颗粒。

 

　　（减少＞60 μm颗粒的方法主要有降低入磨粒度、改造磨机内部结构、调整磨内研磨体级配、采用新型选粉机和对老式选粉机进行改造等。）

 

　　⑴熟料与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。由于这些混合材易磨性好，因此在水泥颗粒中，混合材的粒径比熟料的小。可以期望，共同粉磨工艺中的石灰石或粉煤灰应该能提供更多的<3μm颗粒，从而优化水泥的颗粒级配。

 

　　⑵难磨的混合材与熟料分别粉磨再混合

　　对于比熟料难磨的混合材宜采用分别粉磨然后混合的方法。例如矿渣的粉磨功指数为23kWh/t，比熟料的16.4kWh/t高。若用共同粉磨的方法，矿渣的粒径比熟料的粗。共同粉磨时，水泥的比表面积为350m²/kg时，矿渣的比表面积只有230-280m²/kg。因此要分别粉磨。也可先对难磨的矿渣进行预粉磨，再与熟料共同粉磨，但效果不如分别粉磨好。

 

　　⑶在预拌混凝土时加入磨细矿物掺合料改善胶凝材料（或水泥）的颗粒级配

在预拌混凝土生产中已广泛采用掺矿物掺合料的技术，主要是为了节约水泥、降低成本和提高混凝土的耐久性。但对掺矿物掺合料改善水泥颗粒级配、减少混凝土拌合物单方用水量和提高和易性的认识还不足。

要改善水泥的级配，矿物掺合料的粒径必须比水泥的粒径小，最好为水泥粒径的0.414倍或更小。就目前所常用的矿物掺合料来看，矿渣粉的比表面积最好在450m²/kg或45 μm筛余< 12%。否则不易达到改善水泥颗粒级配的目的。

 

　　在粉磨过程中，加入少量的外加剂，以消除细粉粘附和聚集现象，加快物料的粉磨速度，提高粉磨效率，还能提高3-30μm含量10-20%，有利于球磨机优质、节能、高产。这类外加剂统称为“助磨剂”。使用助磨剂在大多数情况下能提高磨机产量，特别是水泥需要细磨的情况下更显重要。在国外助磨剂的应用十分普遍，95%的水泥磨机都使用助磨剂。在国内有些水泥厂，以前也使用过助磨剂，如：三乙醇胺、乙二醇、丙二醇、石油酸钠皂等一类化工厂下脚料，但由于来源短缺、价格增涨，渐渐停用。

 

　　从外加剂作用机理看，我们可以把助磨剂分为两类：工艺型助磨剂和功能型助磨剂。工艺型助磨剂是降低物料表面能、减弱分子引力所产生的聚合作用、帮助外力作功时颗粒裂纹的加速扩展，从而提高粉磨效率和产品的比表面积，实现球磨机优质、节能、高产；功能型助磨剂则是利用化学物质特有的功能，激发材料活性、提高水泥强度、缩短凝结时间等实现磨机高产。因此，后者含有一部分碱性物质。在建筑施工中，如果再使用混凝土外加剂，容易产生不兼容现象，造成水泥制品、水泥构件质量下降，特别在钢筋锈蚀、混凝土开裂等方面，危害较为严重。

 

　　由此可见，在使用助磨剂时，尽量选择工艺型助磨剂，不含Cl^－、K⁺、Na⁺等对混凝土耐久性不利的成分，掺量0.08～0.10%，提高磨机产量10～30%，增加水泥比表面积20～80 m²/kg。

 

　　使用助磨剂，可以获得比表面积较高的粉磨产品，并减少过粉磨现象。同时，物料在磨内的流速会加快，在磨内停留时间缩短，引起出磨细度（筛余）的变化。对于开流粉磨来说，必须调节磨内工况，适应粉磨产品的细度要求；对于圈流粉磨则要控制出磨细度（筛余）在正常范围之内，决不允许有筛余值逐渐增大的现象发生。否则，不仅磨机产量会降低，而且，还会引起循环负荷率增加、磨尾提升机过载、堵塞，甚至造成停产事故。总之，选择和使用助磨剂是一项科学严谨的技术工作，必须认真做到以下五点：

 

　　①考虑入磨物料性质，进行小磨比较试验：由助磨机理所决定，助磨剂对物料的适应性是各有差异的，要想得到最佳助磨效果，必须按要求的技术条件，先进行小磨试验，然后优选方案到大磨实施。

 

　　②注意粉磨工艺条件，选择不同种类的助磨剂：助磨剂有气、固、液三种状态、几十个品种；除了对物料适应性、助磨功能不同之外，对干法磨、湿法磨、开流磨、圈流磨、烘干磨等使用的要求都不完全一样，需要仔细试验、使用。

 

　　③使用助磨剂，应对下续作业无不良影响：在生料磨使用助磨剂时，要考虑对烧成工艺的影响；在水泥磨使用助磨剂时，要考虑对包装、散装工艺以及建筑施工、水泥制品构件质量的影响。

 

　　④要重视助磨剂来源和成本：助磨剂给用户带来的经济效益与其价位、市场供应有着密切关系，企业可通过综合评估、核算后，再进行优化选择。

 

　　⑤助磨剂必须满足环保要求：许多外加剂都是利用化工厂的下脚料配制的，经常残留着一些不利于环境保护的物质。在选用助磨剂时，不要被低价位所迷惑，必须保证使用的助磨剂不污染环境，不危害员工身体健康。

 

　　目前比较正规的单位生产的助磨剂都是集助磨、增强、改善性能、降低成本为一体的高科技产品，是生产绿色高性能水泥的重要技术措施。其作用原理是：通过助磨功能提高磨机产量，提高比表面积，从而提高水泥强度。水泥增强剂的增强功能主要是添加剂中的化学物质与水泥及混合材中的钙、硅、铝等进行化学反应形成有助水泥增强的水化产物，同时造成水泥中氧化物的晶格缺陷，提高其反应活性。应用高效复合水泥功能添加剂技术在不增加固定资产投资，不改变生产工艺的情况下，达到提高水泥产质量、降低成本、生产绿色高性能环保水泥的目的。采用分别粉磨和合理使用高效助磨剂后，用一吨熟料可望能生产出三吨32.5级矿渣水泥。