粒度檢測與控制技術的應用對水泥工業節能的貢獻

                                                 作者：張福根  曾學敏 

    在水泥生產行業，說起節能降耗，大家都非常重視新型干法窯的推廣應用，重視節能磨機的選用，重視低溫余熱發電的建設。對水泥（熟料）的粒度控制在節約能源、降低原料消耗以及增加混合材摻量等方面的重要作用，只有少數企業有較深的認識，絕大多數企業還沒提上議事日。其實，通過改善水泥的粒度，節能降耗的潛力是巨大的。
    水泥是一種粉體產品，由不同大小的顆粒按一定比例構成。在我國，目前用來表示水泥顆粒大小的最流行的參數仍然是細度和比表面積，而全面表示一種粉體產品顆粒大小的參數（組）應該是粒度分布，即各個粒徑范圍的顆粒數量占顆粒總數的百分比。我國于2006 年5 月發布了建材行業推薦性標準《水泥顆粒級配測定方法激光法》，說明粒度測試在我國水泥行業的較高層次上已引起一定的重視。但是目前
粒度儀器在水泥生產企業的普及率只達到2%左右，而國家的強制性標準只對細度作了規定，這說明廣大的水泥生產企業及行業主管部門，對粒度測試還不夠重視。
為了說明水泥粒度分布（顆粒級配），對水泥強度、混凝土性能的影響及其帶來的方方面面的效益，本文根據實測獲得的大量的水泥粒度數據以及水泥的水化理論和粉碎的表面能理論，說明水泥的粒度檢測與控制技術對水泥生產的重要作用。
    本文的理論依據及分析方法如下：
   （1）水泥顆粒只有與水發生反應，才有膠凝作用，沒有被水化的部分只起骨架作用。Meric 及國內其他學者的研究表明，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 天后，水化深度為5.48μm，即大于11μm 粗的顆粒均不能被完全水化，未被水化的內核對混凝土的28 天強度沒有貢獻。
   （2）在相同條件下，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越多。?2007 珠海歐美克科技有限公司 專業知識普及文檔
   （3）根據水泥樣品的實際粒度分布，可以計算28 天的水化率（見下文定義），以及消耗在1μm 以下的（熟料）粉磨能耗占總能耗的比例（過磨率）。沒有被水化的部分，就是熟料的浪費部分；顆粒被磨到1μm 以下的部分，熟料和粉磨能都被浪費了。為了定量地說明粒度檢測與控制技術對水泥節能的貢獻，歐美克公司對10多個省的多家水泥廠的水泥產品進行了巡回檢測。本文先選用一個省的數據進行分析。通過比較各種樣品，從中發現節能降耗潛力巨大。
    以下是該省多家水泥企業的綜合分析結果：為便于敘述，先定義幾個名詞。
水化率—水泥（熟料）顆粒被水化的體積與總體積之比，稱為水化率。
未化率—未化率等于1 減水化率。
過細粒——小于1μm 的顆粒。
過磨率——過細粒消耗的粉磨能量占（熟料）粉磨總能量的比例。
表1 列出了該省一家優質企業生產的粒度分布最佳的水泥樣品的主要粒度參數以及據此計算的未化率和過磨率，以及該省其他產品相應參數的平均值、最差產品的相應參數。
表1 水泥樣品的主要粒度參數及相應的延伸參數
參數
樣品 ( %) <1μm 含量 <3μm 含量〉65μm 含量未 化 率 過 磨 率
最好樣品 5.02 14.87 0.52 10.92 23.3
平均結果 5.40 14.44 7.55 18.81 33.0
最差樣品 6.65 11.93 19.57 27.94 36.0
    將該省水泥的平均參數和最好水泥的參數對比可以看出，如果全省水泥的粉磨技術都能達到優質企業的水平，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，相當于節約了熟料，意味著節約了原燃材料。如果全國水泥的平均未化率都以此比例下降，僅此一項，節能降耗潛力就非常大。以2006 年為例，年產水泥12.4 億噸，混合材和石膏的平均摻加量為35%，熟料摻加量為65%，熟料未化率降低值取8%，由此可計算出年節約熟料量為6448 萬噸。
    以1 噸熟料消耗1.3 噸石灰石，平均消耗145 公斤標煤進行計算，年節約石灰石8382萬噸，節約標煤1215 萬噸，減排二氧化碳6400 萬噸，可見控制水泥粒度分布帶來了巨大的經濟效益及節約資源、保護環境的效益。
    由熟料過磨率減少10%帶來的粉磨能耗降低的絕對量，由于手頭數據不足，暫不能給出，但可以肯定這個節能量也是個巨大的數字。
    需要說明的是，上述分析是假設被分析省份水泥生產的平均粉磨技術達到該省最好樣品的粉磨水平的前提下作的。實際上這里的最好樣品的粒度分布還沒有達到最理想的水平，還有較大的優化余地。此外，本文作為分析對象的省份水泥的平均粉磨水平在全國屬于中上，一半以上的省份改進的余地更大。目前混合材的添加量也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，優化顆粒級配在節能降耗中還有巨大的潛力可以挖掘。
    因此建議：
   （1）水泥行業的高層決策者應把改善粉磨技術，實現水泥粒度的優化作為行業節能降耗，實現可持續發展的重要途徑。
   （2）水泥與混凝土的研究單位、生產單位和使用單位都應重視水泥和混合材的粒度分布，深入、全面研究它們的粒度分布與混凝土性能之間的關系。用先進的激光粒度分析儀器作為研究和生產過程控制的日常手段。
   （3）水泥設計單位和粉碎系統的生產單位，應更多地吸收和采用行業以外的新知識、新技術和新設備，比如在線粒度檢測儀器、風力選粉設備等，使粉磨系統的技術水平有更大的提高。