低碳水泥技術  ,低碳水泥發展前景  ,低碳水泥種類
制砂機設備、移動破碎機站、圓錐破碎機、泥石分离筛、建築垃圾處理設備

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  低碳水泥技術  ,低碳水泥發展前景  ,低碳水泥種類

  低碳水泥這個名詞直到近幾年才讓凯发国际在线娱乐 行業內的各類人士所熟知  ,之前  ,低碳水泥這個概念在國際上掀起了一陣陣的討論熱潮  ,無論是理念  ,還是技術  ,還是對環境的高度尊重與重視  ,都使得國外對于水泥行業的能耗和汙染狀況非常重視  ,因此  ,也在概念和技術上先行一步  ,提出了低碳水泥的概念和目標。達嘉礦機作爲專業的回轉窯制造厂家  ,一直在回轉窯的技术领域进行了大量的研究和技术参与  ,如果能够在制造水平与行业技术方面做出贡献  ,也将是企业的愿景之路。我国受环境污染的后遗症影响深远  ,而且近些年来已经频频遭受雾霾、沙尘暴等恶劣气候的影响  ,这些污染环境事件的发生对于人类的健康来说影响是非常深远且不可估量的  ,虽然很多在近期看不到明显的伤害  ,但足以导致多年后的疑难病症出现。因此  ,无论是对我们的能源消耗  ,还是空气和水源的;  ,尽早的开始技术新一轮的改革和尝试  ,已经迫在眉睫。

  2017年也是環保進入深入嚴查的一年。很多個傳統行業都受到了督查人員的檢查和生産指導。對于傳統企業而言  ,轉型升級不一定能活下來  ,但不轉型升級肯定活不下去。改革不一定會死  ,但是不改革一定會死。所以  ,傳統企業的路子很難走  ,但接受新的概念和了解  ,終究是邁進新領域的***步。

  中國是世界水泥生産***大國  ,年産量占全球的50%以上  ,是排名第二的國家——印度的13.8倍。而水泥行業一直未能解決耗能高、汙染重、二氧化碳排放多等難題  ,其碳排放量幾乎占到了全國總量的1/5。專家指出  ,如何降低水泥生産過程中的能量消耗  ,減少二氧化碳排放  ,對于節能減排具有重要意義。這也就要求行業內所有的參與者都能夠拿出決心和行動來支持國家的環保發展  ,而回轉窯烘幹機這類制造型企業  ,雖然只參與了設備制造的環節  ,但在節能方面仍有很大的空間爲使用企業提供必要的技術參考。

  我國的一些專業人士和專家近年來已經投入相當大的技術和時間在針對低碳水泥進行研究和嘗試  ,也不斷有一些觀點提出  ,引起了行業內人士的廣泛討論。

  近年來  ,隨著全球對節能減排的呼聲越來越高  ,傳統水泥生産由于消耗大量資源和能源  ,以及産生大量的溫室氣體而面臨巨大挑戰。資料顯示  ,水泥工業能源消耗占全球一次能源消費的2%左右  ,或占全球工業能耗近5%。其CO2排放量占全球CO2排放總量的5%。而對占全球産量近60%的我國水泥行業而言  ,水泥工業的節能減排顯得尤爲迫切。作爲行業的參與者  ,任何一個主管單位和生産企業如果單看表面數據是沒有很大心理反應的  ,如果換算到能源消耗量和年生産消耗總量的數據上  ,這個數據將是驚人的  ,讓人感到難以接受的。

  水泥生産過程中CO2排放源主要有:

  1)原料中碳酸鹽分解。

  2)2)燃料的燃燒。

  3)3)各工藝設備的電力消耗。

  通用矽酸鹽水泥生産中排放的CO2約有60%來自于碳酸鹽分解  ,約有40%來自于燃料燃燒和電耗。通用矽酸鹽水泥熟料中C3S礦物含量一般在60%左右  ,而由于C3S燒成溫度較高  ,且配料中碳酸鈣比例較大  ,因此生産時能耗較高  ,CO2及NOx的排放量也較大。

  因此  ,要實現水泥的低碳生産  ,可采用以下兩種技術途徑:

  一是降低能源消耗産生的CO2量  ,即在通用矽酸鹽水泥體系及其礦物組成範圍內  ,通過調控原材料的易燒性和易磨性  ,改進生産工藝及裝備水平  ,降低水泥生産過程的能源消耗。

  二是降低碳酸鹽分解産生的CO2量  ,即突破現有矽酸鹽水泥熟料礦物體系及其礦物組成範圍的限制  ,降低高鈣礦物含量而提高低鈣礦物含量或引入其他低鈣礦物組分  ,研究開發新的低碳水泥體系。目前  ,水泥行業在***種途徑上已取得了良好進展  ,系列節能減排技術得到大規模普及利用  ,在現有技術條件下  ,依靠工藝技術及裝備水平改造進一步實現節能減排難度已很大  ,而低碳水泥品種的研發成爲當今水泥材料科學領域的熱點。

  目前  ,國際上低碳水泥品種很多  ,有Porsol水泥、Alinit水泥、Celitement水泥、日本生態水泥、多組分高混合材摻量水泥、高貝利特水泥、Aether水泥、BCT水泥等  ,本文只對水泥生産工藝變化不大  ,可用目前新型幹法水泥窯直接生産的高貝利特水泥、Aether水泥和BCT水泥進行了總結。

  1 高貝利特水泥

  水泥熟料中C3S礦物的生成焓爲1810kJ/kg  ,而C2S礦物的生成焓僅爲1350kJ/kg[2]  ,所以增加熟料中C2S的含量並減少C3S的含量是降低熟料煅燒能耗的有效途徑。因此  ,以C2S爲主導礦物的低鈣高貝利特水泥成爲國際水泥工業活躍的研究熱點之一。

  以贝利特为主导矿物的低热硅酸盐水泥体系(C2S-C3S-C3A-C4AF  ,即高贝利特水泥  ,High Belite Cement)的研究源于20世纪30年代的美国。其于1932~1935年建造高99m的莫利斯(Morris)坝期间***次研制了低热水泥  ,即限制水泥熟料中C3A和C3S的含量以降低水化热  ,这即是高贝利特水泥的原型。此外  ,德国、日本和瑞典等国家也都开展过相关的研究。至20世纪90年代  ,中国在高贝利特水泥的研究和实践应用方面卓有成效  ,在国内外首次实现以C2S为主导矿物的高性能低热硅酸盐水泥的工业化生产。

  高貝利特水泥和通用矽酸鹽水泥在礦物組成上主要的差別在于C3S和C2S兩種矽酸鹽礦物含量的基本對調。高貝利特水泥以CaO含量相對較低的C2S爲主(C2S含量一般爲45%以上)  ,從而使整個體系的CaO含量降低  ,其礦物組成爲:C2S:40%~70%  ,C3S:10%~40%  ,C3A:2%~8%  ,C4AF:10%~25%[3]。其礦物種類與通用矽酸鹽水泥相同  ,因此  ,其水化過程和水化産物也基本相同。

  高貝利特水泥使用的原料與傳統矽酸鹽水泥基本相同  ,需加入石膏、重晶石、黃鐵礦、銅尾礦和鉛鋅尾礦等外加劑以穩定高活性C2S晶型[3]。高貝利特水泥在制備工藝上具有低資源能源消耗、低環境負荷等特點。如其燒成溫度僅爲1 350℃  ,比傳統矽酸鹽水泥低約100℃  ,燒成過程中CO2和SO2等的排放量降低10%  ,在水泥性能上具有低熱和高後期強度等特性  ,很好地滿足了大體積混凝土尤其是水工混凝土的技術要求  ,並在舉世矚目的三峽大壩等重點工程進行了規模應用。但與傳統水泥相比  ,高貝利特水泥存在早期強度低的缺點。爲此  ,水泥科研工作者做了大量努力  ,通過物理活化和化學活化等多種技術途徑  ,改善了高貝利特體系的早期水化活性[4-8]。

  2 Aether水泥

  Aether水泥是由拉法基公司研制發明的  ,並已申報發明專利。拉法基水泥公司于2010年成立了Aether項目組  ,曆時3年(從2010年9月1日至2013年8月31日)進行了Aether低碳水泥的相關研究工作。Aether項目組完成了Aether水泥生産的2次工業試驗  ,證實了依托現有的水泥窯爐工業化規模生産Aether水泥的可行性。

  Aether水泥可使用的原料包括:石灰石、鋁土礦、石膏、鐵質原料及泥灰岩。其引入硫鋁酸鈣(C4A3S)礦物  ,在較低的溫度(1225~1300℃)下生産  ,相比波特蘭水泥(1400~1500℃)  ,可顯著降低生産能耗  ,噸水泥可減少CO2排放量25%~30%。Aether水泥的礦物組成爲:貝利特(C2S)40%~75%  ,硫鋁酸鈣(C4A3S)15%~35%  ,鐵相(C2(A  ,F))5%~25%。Aether水泥相組成實例:C4A3S:35.5%  ,β-C2S:4.1%  ,α‘-C2S:44.0%  ,C12A7:0.7%  ,C2(A  ,F):12.4%  ,C2AS:0.9%  ,CaSO4:2.4%。

    Aether水泥水化過程:

    ① C4A3S 水化:

    C4A3S+2CS+38H→C3A·3CS·H32 +2AH3

    ② C2S 开始水化:C2S+AH3 +5H→C2ASH8

    ③ C2S水化、C2(A  ,F)开始水化:

     C2S+C2(A  ,F)+10H →C2(A  ,F)SH8+2CH

     C2S + C2(A  ,F)+5H→C3(A  ,F)SH4+CH

    ④ 中长期水化:

     2C2S+C2(A  ,F)SH8 +(x-4)H→C3(A  ,F)SH4 +C3S2Hx

  專業機構BRE(英國建築科學研究院-英國領先的建築專業技術中心)對Aether水泥的測試結果表明:由Aether水泥制備的混凝土擁有較高的早期抗壓強度  ,其6h抗壓強度可達20MPa左右  ,28d抗壓強度達到標准水泥(CEMⅠ52.5R)強度水平。該混凝土的尺寸收縮小于OPC配制混凝土的50%  ,尺寸穩定性高于OPC水泥制作的混凝土。

  Aether水泥煅燒範圍較窄(1225~1300℃)  ,溫度過低  ,礦物未完全反應  ,會産生C12A7和C2AS礦物  ,影響熟料質量。溫度過高  ,C4A3S 礦物分解  ,SO2排放增加  ,易磨性變差。因此  ,需要嚴格控制煅燒溫度  ,對工藝控制要求更高。

  由拉法基公司相關報道可以看出  ,Aether水泥與貝利特-硫鋁酸鹽水泥(貝利特-硫鋁酸鹽水泥礦物組成爲C2S:40%~70%  ,C4A3S:15%~30%  ,C4AF:0~10%)非常相近  ,應爲同一水泥熟料礦物體系。

  3 BCT水泥 [10-12]

  BCT水泥是Belite-Calciumsulfoaluminate-Ternesite水泥的簡稱  ,由德國海德堡公司發明  ,並已申請發明專利。采用直徑0.3m、長7.6m的試驗窯爐進行了半工業規模的試驗  ,生産了數噸不同成分的BCT熟料。試驗證明  ,BCT水泥熟料整個生産過程(包括排放)都與普通水泥熟料生産相似  ,生産的BCT水泥砂漿試驗證明其性能良好。下一步將擴大至工業規模和優化制造技術。

  BCT水泥的核心技术是在熟料矿物体系中引入Ternesite即硫硅钙石矿物。硫硅钙石(C5S2S) 由2个C2S和1个CS 组成  ,一直被认为是惰性的  ,研究发现Ternesite是一种具有活性的熟料矿物  ,其水化反应介于铝酸盐和贝利特之间。与传统OPC水泥熟料煅烧过程中需要快速冷却以保留熟料的高反应活性不同的是  ,Ternesite形成温度在950~1 200℃之间  ,因此  ,BCT水泥熟料需要一个较慢的冷却过程或者说在烧成带后一个相对较长的停留时间。

  BCT水泥生産需要的原材料與普通矽酸鹽水泥相近  ,石灰石、泥灰岩、粉煤灰和工業副産石膏等工業廢渣都是其原料來源。BCT水泥熟料中引入硫鋁酸鈣(C4A3S)和硫矽鈣石(C5S2S)  ,在較低的溫度(1250~1300℃)下生産  ,CO2排放比傳統OPC水泥熟料降低30%  ,預計將節約燃料和電力消耗10%~15%。BCT水泥熟料的礦物組成爲:C5S2S :5%~75%  ,C2S:1%~80%  ,C4(AxF1-x)S :5%~70%  ,二次相(secondary phases):0~30%。(专利;し段)佳矿物组成为:C5S2S :20%~0%  ,C2S:20%~50%  ,C4(AxF1-x)S:20%~45%  ,二次相:10%~20%。

    x取值範圍爲0.1~1  ,優選在0.8~0.95。

    BCT水泥水化過程:

    ①當BCT水泥與水接觸時  ,C4A3S快速與硫酸鹽形成鈣礬石。因此  ,***個24h占主導地位的是C4A3S 與硬石膏反應形成鈣礬石。

    C4A3S+CS+H→C3A·3CS·H32+AH3

    ② 硬石膏一旦耗尽  ,剩余的铝酸盐相和铁相继续溶解并与Ternesite反应通过消化Al(OH)3形成更多的钙矾石和AFm。

    C4A3S+C4AF+C5S2S+AH3→C2ASH+C3A·3CS·H32+C3A·CSH12

    ③ 后贝利特反应形成C-S-H凝胶:

    C2S+H→C-S-H+CH

  終的水化産物爲C(A)SH凝膠、AFt、AFm、潛在的水榴石和羟鈣石。

  該品種水泥綜合了硫鋁酸鈣的早期強度和貝利特水泥的耐久性  ,並通過Ternesite填補了迅速反應的鋁酸鹽和提供後期強度的貝利特的反應空白區間;赥ernesite的水化特點  ,其除了可作爲BCT水泥的一種礦物組分外  ,還可以作爲一種添加劑用于硫鋁酸鹽基和矽酸鹽基水泥膠凝材料系統中以改善性能。

  4 結論

  上述三類以低鈣礦物C2S和C4A3S爲主導礦物的熟料體系中  ,除矽酸鹽體系的高貝利特水泥外  ,其他各類體系的水泥均引入一種以上的低能耗、低鈣、高早強礦物  ,如C4A3S、C5S2S等。高貝利特含量和引入低鈣早強礦物成爲國際低碳水泥研究的趨勢。

  然而  ,從Aether水泥和BCT水泥體系的研究來看  ,C4A3S和C5S2S在1300℃會發生分解  ,因此  ,引入此礦物的水泥熟料體系燒成範圍窄  ,對工藝過程控制水平提出了更高的要求。另外  ,在體系中過多地引入上述低鈣早強礦物  ,也不利于實現水泥體系高性能化。在水泥性能方面  ,盡管這些體系的水泥具有較高的早期強度特征  ,但在施工性能及水泥耐久性方面都相應帶來了不利影響  ,例如含C4A3S 體系的水泥  ,凝結過程則較難控制  ,因此在絕大部分情況下  ,也僅僅作爲特種工程材料使用  ,限制其大範圍推廣應用。

  筆者認爲  ,如果能將目前中國建築材料科學研究總院研究推廣的能源管控系統應用于含低鈣礦物的Aether水泥和BCT水泥的生産控制中  ,將可顯著提高工藝控制水平  ,更好地實現低碳水泥的工業化生産。而對于水泥性能方面的影響  ,有研究表明硫鋁酸鋇鈣C(4-x)BxA3S 的穩定性優于C4A3S  ,因此可通過摻雜等形式使C4A3S和C5S2S等低鈣礦物更加穩定化以實現水泥性能優化。

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