一种新型粉体助磨剂在水泥生产中的应用

2021年是“十四五”开局之年，也是中国开启“碳中和、碳达峰”双碳征程的元年，水泥行业以全国碳排放总量13.5%的占比位居制造业领域第二大碳排放行业（仅次于钢铁行业），其节能减排对我国实现“双碳”战略意义重大。水泥熟料作为水泥生产过程中最重要的“产碳”原料之一，如何在满足水泥质量的前提下进一步降低其在水泥生产过程中的掺入量同时又能降低水泥粉磨电耗，将成为水泥制成阶段降碳的关键举措，助磨剂作为一项成熟的新技术，其不断地更新迭代，企业生产技术以及原料亦不断变化，如何与生产企业进行匹配并成功应用从而得到提质降耗减碳的效果，成为水泥行业长期实践探索的课题之一。1、新型粉体助磨剂作用机理及使用背景1.1新型粉体助磨剂作用机理助磨分子吸附在水泥颗粒表面，形成具有一定取向和结构的吸附层，从而改善颗粒表面的电荷，降低表面自由能，阻止和减少了水泥颗粒重新团聚。水泥在粉磨到一定细度的时候，其粉磨过程不单是简单的物理、机械作用，其在克服分子间的吸附力外，还要克服分子间、离子间的键合力，使水泥颗粒间产生一系列如晶格变形、扭曲、CaO、SiO2离子键的断裂以及再结合、再聚集等化学作用，同时助磨剂中极性分子的吸附可以使断裂后未饱和的离子极性键得到饱和或屏蔽，阻止离子键的重新闭合，使得裂纹得到扩展和延伸，除此之外，助磨剂中未共用电子与金属离子发生络合反应，增加C3A、C4AF等矿物的溶解速率，同时COO-基与Ca2+生成不溶不膨胀的钙盐，提高水泥活性的同时提高水泥水化产物的密实度和强度。结合助磨剂各组分的作用特点以及规律形成了一种由“分散剂2份（二乙醇胺）、多元氨基1份、稳定剂1份、硫酸钙50份、炉渣50份”等成分组成的新型粉体助磨剂。1.2使用背景随着我国“双碳”工作的持续推进以及GB16780《水泥单位产品能源消耗限额》新标准的实施，我公司现有水泥碳排放强度以及水泥磨电耗已经不能满足行业高质量发展要求，同时受经济压力下行、煤价格飙升等不利因素叠加影响，熟料成本大幅度升高，在保证水泥质量前提下有效降低熟料掺量从而降低水泥成本成为重中之重。然而通过提高熟料强度以及混合材优化、提升比表面积等传统措施从而降低水泥中熟料掺入量，效果有限或者对生产高效运行存在一定影响，故考虑选择以改善助磨剂的性能为抓手，从而达到“提质、降耗、减碳、增效”目的。经过多方调研，我们结合助磨剂生产厂家研发优选出此种新型粉体助磨剂。2、试验过程及使用效果试验主要分为两步进行，一是利用小磨对助磨剂掺入量、混合材配比进行确定并对助磨剂助磨效果、提质情况进行全方位判断；二是考虑大磨生产工艺复杂，小磨试验不能完全反映出大磨应用效果，故需要进行大磨二次试验验证。2.1小磨试验方案设计结合助磨、提质、增效等方面综合考虑，我们初步设计了三组试验方案：方案一：以P·I型水泥为基准，通过粉体助磨剂添加前后比表面积高低、水泥强度高低、水泥净浆流动度、氯离子含量、凝结时间变化、安定性变化、放射性等判断其助磨剂综合质量。方案二：针对P·O42.5水泥，以现有液体助磨剂配比方案为基准，采用固定石灰石、矿粉、石膏等混合材以及缓凝剂掺入量，单独使用粉体助磨剂同时以1%梯度逐渐降低熟料掺入量，同比现用液体助磨剂方案质量参数，在确定最低熟料掺入量的基础上再进行一组“液体+粉体助磨剂”双掺试验，查找相对较优方案。方案三：在方案二基础上固定熟料掺入量，动态调整矿粉、粉煤灰、石灰石掺入量，进一步优化混合材配比，查找综合成本最优配比。以下详细介绍试验过程的方案设计。2.1.1方案一（1）固定粉磨时间，对助磨效果、氯离子含量、安定性进行评定，评判标准依据国标GB/T26748《水泥助磨剂》开展，具体数据见表1。表1助磨效果、氯离子含量、安定性验证（2）以P·O42.5水泥为基准，采取滴加方式对助磨剂标准稠度用水量、凝结时间、水泥胶砂流动度、水泥胶砂抗压强度进行验证评定，具体数据见表2。表2水泥物理性能对比经过对新型粉体助磨剂多项指标的对比检测，性能初筛合格。2.1.2方案二固定粉体助磨剂掺入量，以熟料掺入量为变量，以现用液体助磨剂质量标准为基准，查找熟料最佳掺入量，具体配比方案见表3，对应试验数据见表4。经过数据统计分析，P-F6方案即“粉体助磨剂+液体助磨剂”方案在水泥性能基本一致的前提下熟料掺入量最低，未对水泥质量产生不利影响，且水泥质量合格。表3方案二物料配比与助磨剂掺量的关系%表4方案二对应相关水泥性能检测数据2.1.3方案三在方案二基础上固定熟料掺入量，动态调整粉煤灰、矿粉、石灰石掺入量，进一步优化混合材配比，查找综合成本最优配比，具体配比方案见表5，对应的水泥性能试验数据见表6。表5方案三物料配比与助磨剂掺量的关系%表6方案三对应相关水泥性能检测数据经过数据统计分析，适当提高石灰石掺入量，降低粉煤灰掺入量可以维持水泥性能不变，甚至3d、28d抗压强度有升高趋势，石灰石作为价格相对较低的非活性混合材，用其替代价格相对较高粉煤灰，综合效益优。考虑GB175中对P·O42.5水泥烧失量限制要求，暂定石灰石配比为5.5%，故未再进一步提高。2.2工业生产使用实践我公司水泥粉磨系统是由辊压机+球磨机（圈流）组成的联合粉磨系统，配备CLF170-100辊压机和Φ4.2m×13m球磨机，共3台，年产水泥300万t，简易粉磨工艺流程如图1所示。图1水泥粉磨系统工艺流程示意配料库熟料、石灰石、炉渣、脱硫石膏、粉煤灰经配料库底电子皮带秤计量后，由库底皮带送至斗式提升机，经提升机送入V型选粉机，V型选粉机选出粗粉经小仓入辊压机，辊压后物料再经斗式提升机进入V型选粉机；而V型选粉机选出的细粉入旋风筒，旋风筒收下的粉料入磨，出旋风筒的风一部分回到V型选粉机入口，一部分经循环风机入袋收尘器，袋收尘器收集下的细粉入磨。物料经磨机粉磨后与矿粉一起由磨尾提升机喂入高效选粉机分选，分选出的粗粉回磨，选出的细粉经系统袋收尘器收集后由成品斜槽送至水泥成品库。磨尾气体经磨尾袋收尘收集后物料直接入出磨斗式提升机，收尘后气体直接排入大气。经过小磨试验优选出P-2号配料方案（熟料75%、石灰石5.5%、矿粉8.0%、粉煤灰5.0%、脱硫石膏6.1%、现用液体助磨剂0.03%、新型粉体助磨剂0.4%）进行大磨试验验证，在试验初期，磨尾提升机、辊压机等部位出现冒灰扬尘现象，通过采取磨内拉风、控制选粉机转速、调整辊压机循环负荷率等方式仍不能有效解决冒灰扬尘现象，试验被迫中止。经过讨论分析认为，助磨剂加入量增加导致物料易磨性变化，物料在磨内流速增加从而导致冒灰扬尘。为解决此问题，开始尝试减少现有液体助磨剂用量，方案四应运而生。方案四：固定粉体助磨剂掺入量以及固定混合材掺量，以0.005%梯度逐渐递减液体助磨剂掺入量，关注并选取液体助磨剂最佳掺入量，具体方案见表7，方案四对应水泥性能见表8。表7方案四物料配比与助磨剂掺量的关系%表8方案四对应相关水泥性能检测数据经过方案四优选出粉体和液体助磨剂最佳掺入比例（液体助磨剂0.02%+新型粉体助磨剂0.4%），继续择机进行大磨试用试验。为保证试生产期间数据的可对比性以及样品的代表性，将现有石灰石、熟料、矿粉、粉煤灰等调配库上满，保证水泥粉磨所用原料的基本一致性，计划试验以连续生产4h为1周期，连续选取不同时间段的3组试验数据进行统计分析，平均数据见表9、表10。表9大磨试验用配比%表10大磨试验用配比对应水泥性能试生产期间根据现场实际使用情况，重新对水泥磨工艺参数进行了优化调整，选粉机转速降低1~2Hz，磨尾排风机转速降低5~7Hz，系统拉风降低1~2Hz，同时循环负荷率降低25%~35%，最终通过助磨剂使用与生产参数的匹配，解决现场环保扬尘问题，实现水泥优质高产。3、使用效果总结分析（1）查找出来混合材最优配比以及新型粉体助磨剂与现用液体助磨剂的掺入比例，同时通过水泥磨工艺参数匹配优化，实现