淺析水泥易燒性的研究對水泥生產節能降耗的意義

2015-08-30 08:04:32韓立楊

水泥技術 2015年3期

韓立楊

Ana lysis on the Significance o fCem en t Burn-ab ility on Ene rg y Saving and Consum p tion Red uc tion in Cem ent Produc tion

韓立楊

對水泥生料易燒性的評定，國內外有多種不同的研究方法。影響水泥生料易燒性的因素眾多，包括水泥生料的化學組分（決定其率值的控制范圍）、水泥生料配制用的原材料的礦物特性（如晶體發育的完整程度、不同的礦物組成等）、水泥生料細度等。水泥原材料是水泥生產成本控制的第一道關口，水泥生料細度的控制將決定水泥生料磨的能耗，水泥生料易燒性又決定了水泥生產中能耗最多的環節——水泥熟料煅燒的過程能耗。通過對水泥生料易燒性的研究，適當放寬水泥生料細度的控制，設計一個良好的配料方案，在降低水泥熟料煅燒環節能耗的同時又可得到高強度的水泥熟料，為水泥中添加更多低成本的混合材打下基礎，降低水泥生產的成本。根據水泥生料易燒性的研究結果，可更好地控制水泥熟料的煅燒過程，避免水泥熟料過燒時不必要能源的消耗，也可降低水泥熟料磨制過程中的能耗。水泥生料易燒性的研究對水泥質量、水泥生產過程中的能耗控制都有著重要的意義。

水泥生產；節能降耗；水泥生料；易燒性

1　引言

水泥生料易燒性與生料粉磨粒度、原材料特性、熟料煅燒制度、游離氧化鈣控制等影響因素息息相關。我們將通過對水泥生料易燒性的研究，不斷優化水泥生產工藝流程，在保證水泥熟料質量的同時達到節能降耗的目的。在此過程中，我們設計了K1450水泥生料易燒性指數工具，并利用此工具對水泥生料易燒性展開全面的探索與研究。

2　水泥生料易燒性影響因素的研究

2.1水泥原材料的特性對生料易燒性的影響

在水泥生產中，優選生料配料方案是影響水泥熟料產質量及能耗的關鍵。眾所周知，生料煅燒過程是高溫非均相反應過程，其易燒性受眾多復雜因素的影響，其中原料特性對生料高溫反應活性的高低起決定性作用，但是液相量及液相粘度的大小決定了最終水泥熟料礦物形成的速度。生產硅酸鹽水泥的主要原料為石灰質和粘土質原料，有時需根據燃料品質和水泥品種，摻加校正原料以補充某些成分的不足，還可以利用工業廢渣作為水泥的原料或混合材料進行生產。石灰巖中常含有其他混合物，并含有白云石、粘土、石英或燧石及硫酸鈣雜質。其中，燧石主要成分為SiO2，通常為褐黑色，質地堅硬，含量高時很難粉磨，在煅燒過程中也不容易與CaO發生固相反應。其中，α-石英晶體以及石英晶體的發育狀況等對生料的化學反應活性影響較大。一般來說，燧石愈不純，α-石英晶體晶粒愈小，且為非均質時，對粉磨與煅燒的不良影響愈小。石灰石中的方解石礦相結構、結構形態、結晶體完整程度及晶體大小對熟料煅燒也有著很大的影響，同時，其所含雜質多少、雜質的成分、結構、分布情況等也必須充分考慮。所以不同的原料特性會形成不同的生料易燒性能，致使水泥熟料產質量及能耗差異較大。

2.2水泥生料率值對生料易燒性的影響

一般來說，我們可以把窯的煅燒看成是三元系統，可以通過三率值來進行分析：

LSH/KH：它是用來表征物料中的CaO被飽和的程度的一個指標。在正常情況下，該指標越高，物料越難于煅燒，物料的共熔溫度越高，此時如能預知出磨成分的變化，適當調整用煤量或者減產，就可以燒成質量比較好的熟料，此時熟料中硅酸三鈣的含量較高，熟料的強度也高。但飽和比太高時，物料的fCaO升高，會引起水泥的安定性不良。

SM：硅酸率的高低，表示水泥熟料中的硅酸鹽礦物與熔劑礦物的比例大小。當硅酸率偏大時，產生的液相量偏少，水泥窯頭部的飛砂較大；當硅酸率偏低時，產生的液相量偏多，水泥窯尾部容易結圈。

AM：表示熟料中的鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的質量之比。一般說來，鋁率高，那么液相的粘度也大，料不好燒。對于水泥成品來說，要控制水泥的初凝時間，就必須添加適量的石膏，一般鋁率越高的料，所需添加的石膏也要適當增加。

水泥生產中用的煤，不僅為水泥熟料煅燒提供了熱能，同時它也是水泥生料成分及水泥熟料煅燒過程中重要的參與者。煤灰的成分十分復雜，主要為SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3等成分，其含量與層聚積環境有關。煤灰加入水泥生料后有可能對原有水泥生料的配料方案產生較大影響，此時應及時調整水泥生料的配料方案以適應水泥熟料的生產。當水泥窯內的煤粉燃燒形成煤灰落入水泥生料中時，煤灰可以看作是多種礦物質組成的混合物，這種混合物并沒有一個固定的熔點，而僅有一個熔化溫度的范圍。開始熔化的溫度遠比其中任一種組分純凈礦物質的熔點低。這些組分在一定溫度下會形成一種共熔體，這種共熔體在熔化狀態時，有溶解水泥生料中其他高熔點物質的性能，從而改變熔體的成分及其熔化溫度，對水泥熟料的煅燒起著積極的作用。

2.3物料的粒徑對水泥生料易燒性的影響

一般對于固相反應來說，粒徑越大，反應越慢。根據經驗，一般控制生料0.2mm篩篩余＜2%～3%，0.08mm篩篩余控制在10%～20%，在其他條件正常的情況下，fCaO會在一個合理的范圍之內。此時，水泥生料顆粒大小均齊，幾乎沒有粗顆粒石英砂存在，具有良好的反應活性，有利于固相反應的進行。但水泥生料粒度的控制也直接受原材料特性的影響，如上文所說，如果原材料中含有較多的燧石，往往會造成選擇性粉磨，生料中0.2mm方孔篩篩余中SiO2的含量高，生料粗顆粒石英多，微觀均勻性差，此時需要將生料粒度控制得小一些，以提高水泥生料的化學反應活性；同理，石灰石中方解石結晶程度高，結晶體完整，晶體大，化學反應差時，需要降低生料細度以改善水泥生料的化學反應活性，達到提高生料易燒性的目的。

3　水泥生料易燒性影響因素對水泥生產節能降耗的意義

3.1水泥原材料特性及水泥生料顆粒細度控制的影響

為了保證一定程度的水泥生料的易燒性，水泥生料顆粒的粒度需要控制在一定的范圍內，而將不同特性的水泥生料的原材料粉磨到控制的目標范圍內，粉磨的電耗差別很大。如果采用的石灰巖中所含的方解石礦物晶體及粘土質原料所含的石英礦物晶體結晶完整并且晶粒尺寸較大，在磨至規定顆粒細度時會增加電耗和降低磨機產量；同時，此種情況下，由于礦物晶體結構完整，晶粒尺寸較大，化學反應活性比較低，為了提高化學反應活性又需要將原材料顆粒尺寸控制得更小，這就決定了使用此類原材料時勢必會增加能耗。而如果使用泥灰巖，由于其含有的石灰巖和粘土已經呈均勻狀態，易于水泥熟料的煅燒，有利于提高水泥窯的產量，降低燃料消耗，此時可適當放寬對水泥生料顆粒細度的控制，也就會降低水泥生料粉磨時的電耗；同時，由于泥灰巖的硬度低于石灰巖，易磨性較好，也有利于提高磨機產量，降低粉磨電耗。因此水泥原材料特性對水泥生產中的節能降耗有著重要的意義。

3.2水泥熟料率值控制的影響

水泥的質量主要取決于熟料的質量，優質熟料應該具有合適的礦物組成和巖相結構，而合適的礦物組成必須由適宜的化學成分來保證。水泥熟料中各氧化物之間的不同比例，決定著熟料中各種礦物組成的差異，由此而影響到熟料本身的物理性能和其煅燒的難易程度。因此我們用特征率值表示各氧化物含量之間某種特定的比例，并由此判斷其礦物組成和易燒性情況。一般來說，熟料KH高，則C3S較多，C2S少，熟料強度高，但此時易燒性較差，煅燒困難，為保證熟料質量，需提高燒成溫度，延長物料在燒成帶的停留時間，從而導致窯產量低、熱耗增加；而KH低，則C3S少而C2S較多，雖說要求燒成溫度低，燒成熱耗少，但水泥熟料早期強度偏低。而硅酸率和鋁氧率則反映了水泥熟料中液相量的多少和液相粘度的情況，適宜的液相量和液相粘度均有利于提高水泥熟料的易燒性，提高窯的產量和降低煅燒熱耗。

3.3游離氧化鈣的影響

易燒性好壞的直接反映即水泥熟料中游離氧化鈣的多少，而水泥熟料中游離氧化鈣的多少對水泥粉磨功耗影響巨大，所以根據熟料易燒性研究，制定出既不影響熟料強度又不影響水泥安定性的最合理的游離氧化鈣控制范圍，能最大限度地在燒成環節降低熱耗。水泥熟料中游離氧化鈣過多將直接導致水泥安定性不良，水泥為不合格產品；而水泥熟料中游離氧化鈣過低，往往呈過燒狀態，甚至是死燒，此時的熟料質量缺乏活性，強度并不高，而且易磨性差，增加水泥粉磨電耗。

4　K1450水泥生料易燒性研究工具的應用

4.1“易燒性”的定義

所謂“易燒性”是指水泥生料通過煅燒形成水泥熟料的難易程度。即實現煅燒目標所需花費的代價。煅燒代價應視為生料粉磨至一定細度、在一定溫度條件下煅燒所需的時間，并將一定代價下達到目標的程度、或者達到一定目標所需的代價作為生料易燒性衡量的尺度。

4.2生料易燒性研究方法

4.2.1Christensen易燒性相關公式

丹麥Christensen等人提出了計算生料易燒性指標（X）的實驗相關參考公式：

式中：

LSF——石灰飽和系數

SM——硅酸率

K——+125μm方解石顆粒含量，%

Q——+44μm的石英顆粒含量，%

Christensen等人相關公式的變量范圍見表1。

表1　Christensen易燒性相關公式的變量范圍

4.2.2中國國家標準規定的生料易燒性實驗方法

中國對生料易燒性的研究已建立了完整的實驗方法，并已正式列為國家標準（GB/T 26566-2011），其易燒性實驗方法基本上參照了Christensen等人的方法。標準規定：將?13mm×13mm壓塊成型的生料在1 000℃預燒后，分別放入1 350℃、1 400℃和1 450℃的高溫爐膛內恒溫煅燒30min，以煅燒產物的fCaO作為生料易燒性評價指標。

4.2.3K1450易燒性指數研究工具

本實驗方法用于測定水泥生料煅燒成水泥熟料的難易程度。易燒性指數通過對水泥生料的化學成分、水泥生料在高溫爐內煅燒后的游離氧化鈣在K1450模型上的計算得出。此指數將水泥生料的易燒性分為5個等級：＜30，易燒性極差；＞30且＜45，易燒性差；＞45且＜70，易燒性中等；＞70且＜140，易燒性好；＞140，易燒性極好。

實驗步驟：

（1）按照標準制備對應于水泥生料的煤灰樣品；（2）按照實際生產中的耗煤量計算水泥生料與煤灰的配比，并按此比例配備一定量的混合原料；

（3）將配備好的混合原料摻加10%的蒸餾水攪拌均勻，在壓力機上壓制水泥生料試塊；

（4）將水泥生料試塊置于耐高溫的托盤上，放在鼓風式干燥箱內105～110℃下烘干2h；

（5）將烘干后的試樣移至高溫爐內，按照預先設定的程序升溫至1 450℃，并在1 450℃下保溫30min后取出，置于室溫下快速冷卻；

（6）將冷卻后的水泥熟料試樣粉磨成＜80μm的細粉，收集于樣品袋內供游離氧化鈣的檢測；

（7）按照GB-T176-2008水泥化學分析方法測定游離氧化鈣；

（8）按照GB-T176-2008水泥化學分析方法用熒光分析儀測定水泥生料的化學成分；

（9）按照GB-1345—2005水泥細度檢驗方法對水泥生料測定200μm和80μm篩篩余；

（10）用X射線衍射儀測定＞125μm的方解石晶體含量和＞44μm粗顆粒石英晶體的含量。

4.3K1450研究工具的應用案例

按照K1450實驗方法，我們取兩個工廠正常生產的生料在實驗室內進行生料易燒性的測試，同時用已知易燒性指數的內部控制標準生料樣品進行平行實驗。值得強調的是，我們在實驗過程中對實驗室馬弗爐狀態、化學分析測試游離氧化鈣進行了同步監控，保證了數據的準確性。

我們對兩個工廠的水泥生料設計了不同的KH率值，并在1 450℃下做易燒性實驗，同時對其中兩種水泥生料在不同溫度下做易燒性研究。我們對不同率值配比下的生料用XRF做了化學組分分析，并對易燒性水泥熟料試塊做fCaO測試，見表2、表3、表4所示。

由表2中的數據可以發現，水泥生產過程中這兩種水泥生料的粒度在常規控制范圍內，88-1號水泥生料粒度比75-1號水泥生料略細，粗顆粒石英和方解石也在可接受范圍內。

根據表中數據，對KH-fCaO做圖分析（圖1、2）。

表2　75-1、88-1兩種生料不同粒度下的篩余，%

表3　參天（CTP）、地維（DWP）生料配入不同比例煤灰后的化學成分，%

表4　參天（CTP）、地維（DWP）生料配入不同比例煤灰后的率值、1 450℃煅燒后fCaO及K1450指標，%

圖1　1450℃煅燒溫度下參天（CTP）fCaO與KH的關系

圖2　1450℃地維（DWP）fCaO與KH的關系

可以看出，同一煅燒溫度下，水泥生料的易燒性結果與水泥生料的KH基本上成線性的反比關系。線性比受不同生料特性的影響呈現不同的結果。

對75-4、88-4兩種水泥生料在不同煅燒溫度下做易燒性研究實驗，測定游離氧化鈣，結果如表5所示。

將表5中數據用圖3表示，可以看出，在不同溫度煅燒的情況下，游離氧化鈣對數與溫度成良好的線性關系。根據兩者之間的線性關系，可通過實驗確定獲取特定游離氧化鈣時的煅燒溫度，這樣即可在工廠將煅燒溫度控制在一個合理的范圍內，既能保證熟料游離氧化鈣的控制指標，又能最大限度地節約能源，避免水泥熟料過燒情況的發生。

將表5中數據用圖4表示可知，同一種生料在不同溫度下煅燒后，熟料中游離氧化鈣的值與煅燒時的溫度成指數關系。從實驗中三種水泥生料的測試結果可以看出，實驗室內部控制標準樣品的易燒性更好，而且此生料樣品燒成范圍比較寬。而其余兩個工廠的水泥生料樣品易燒性較差，欲將燒成的熟料游離氧化鈣控制在1.5%以下，對燒成溫度要求比較高；另外，其燒成范圍比較窄，對水泥窯的操作要求比較高。

5　結語

利用K1450水泥易燒性研究工具，對不同的水泥生料配料方案設計多組交叉實驗，并對實驗數據進行分析與歸納，幫助我們了解了水泥易燒性多項影響因素及其各項因素對水泥生料易燒性的影響原理。水泥生料易燒性受水泥生料化學組分的影響最大，對特定組分的水泥生料易燒性基本與石灰石飽和系數KH成線性反比關系，即KH值越高易燒性越差。同時，水泥生料易燒性與水泥生料的細度、水泥生料中＞125μm方解石的含量、＞45μm粗顆粒石英晶體的含量有著密切的聯系，將其控制在一定的范圍內就不會對水泥生料易燒性的優劣起決定性的作用。水泥生料易燒性的研究對水泥生料細度、KH值、水泥熟料煅燒時的溫度、fCaO和水泥中礦物組成等各項指標的控制均有著指導意義。