超細粉煤灰的性能與工業(yè)化生產(chǎn)

摘要：超細粉煤灰（比表面積為700-1000m²/kg）是一種高功能性的水泥混合材和混凝土摻合料，應用經(jīng)濟高效的制備工藝來生產(chǎn)超細粉煤灰是提升粉煤灰附加值的工業(yè)化有效途徑之一。本文綜述了粉煤灰的相關處理工藝及性能比較，介紹了超細粉煤灰生產(chǎn)線的概況。

1引言

粉煤灰已得到建材工業(yè)的廣泛應用，尤其在水泥和混凝土中，這無疑是大宗消化粉煤灰的有效途徑。如何制備高功能效應的粉煤灰是深化利用粉煤灰的研發(fā)方向，而應用經(jīng)濟高效的制備工藝來實施粉煤灰的超細粉磨是非常有效的途徑之一。眾所周知，在配制高性能混凝土的關鍵技術中，利用微粉摻合料的特性可以改善混凝土的性能，因此硅灰、超細礦渣粉、細粉煤灰等摻合料已被視為現(xiàn)代混凝土的“第六組分”，其中硅灰和礦粉資源在全國很多地方已是物盡其用，而粉煤灰資源的深化利用還有較大提升空間。

2粉煤灰的粉磨

目前在水泥行業(yè)，一般將電廠分選后的粗灰作為混合材與熟料、石膏等共同粉磨，或者將粗灰單獨粉磨成普通細灰再外摻入水泥中，而將粗灰加工成超細灰的很少。下面簡要比較不同粉煤灰處理工藝的相關情況。

2.1共同粉磨和單獨粉磨

共同粉磨盡管工藝簡單，但由于粉煤灰與熟料的易磨性差異很大，以及粉煤灰自身流動性好等因素，會導致磨機倉中破碎能力減弱，粉煤灰細粉會起到墊襯作用；物料流速過快使其在磨內(nèi)的停留時間大大減少，粉煤灰易磨性好卻并不能夠被充分磨細，使得粉煤灰水泥需水量很高。而采用分別粉磨工藝可以有效解決以上問題，因為根據(jù)粉煤灰的粉磨特性可以配置合理的研磨體級配以及磨內(nèi)適宜的結構參數(shù)，有效控制物料流速來實現(xiàn)較好的粉磨效果。而粉煤灰磨得更細一些則更有利于發(fā)揮其活性和填充效應。粉煤灰中的未燃盡炭和多孔玻璃體都可被充分磨細，有利于粉煤灰減水效應的發(fā)揮。研究表明：

（1） 分別粉磨工藝能夠有效改善粉煤灰水泥的顆粒級配，提高抗壓強度、標準稠度用水量，并能夠降低粉磨綜合電耗。

（2） 在保持水泥具有基本相同的強度和工作性能的情況下，分別粉磨工藝能夠有效提高水泥中粉煤灰的摻量，并能夠明顯增強粉煤灰水泥與減水劑的適應性。

（3） 分別粉磨工藝生產(chǎn)粉煤灰水泥時，在配制水泥的比表面積相同的情況下，熟料組分的細度較粗而粉煤灰細度較細的方案，與熟料組分較細而粉煤灰組分較粗的方案相比，兩者的強度性能差別并不大，而前者的工作性、與減水劑的適應性以及在能量消耗方面都有比較顯著的優(yōu)勢。

2.2普通磨細灰和分選灰

電廠分選的一、二級灰一般可以直接銷售，剩余的粗灰若采用單獨粉磨工藝來加工，粉煤灰的成品細度也大都在一、二級灰水平，可稱之為普通磨細灰。以比表面積370 m²/kg的分選灰與普通磨細灰比較，研究表明：

（1） 細粉煤灰由于網(wǎng)珠狀顆粒少于分選粉煤灰，表面缺陷較多且較為粗糙，因此普通磨細粉煤灰的需水量較大，且在相同水膠比的條件下，所配置的水泥膠砂流動度較小。

（2） 在相同水泥膠砂流動度的條件下，普通磨細粉煤灰配制水泥膠砂的3d、7d及28d強度低于分選粉煤灰配制的水泥膠砂強度：在60d時二者接近或反超。

可見普通磨細粉煤灰在綜合性能上弱于分選灰，將磨細粉煤灰的細度大幅提高會獲得較為滿意的效果。

2.3超細粉煤灰

相關研究表明，根據(jù)具體粉煤灰的物性，將粉煤灰的原灰或粗灰粉磨到比表面積為700-1000m²/kg，將明顯提升其應用價值：

（1） 顯著提高粉煤灰活性，使得在配制相同強度等級的水泥或者塑性混凝土時，大幅提高粉煤灰的摻量。

（2） 具有明顯的減水效果。對超細粉煤灰顆粒形貌的研究表明，在粉磨過程中雖然有部分大的球狀微珠遭到了破壞，但又能夠釋放新的和更小的球狀微珠；盡管比表面積大幅增加會需要更多的濕潤水，但其密實填充效應又大幅減少孔隙水，因此超細粉磨對粉煤灰在水泥和混凝土中的工作性沒有不利影響。在摻有高效減水劑和低水灰比的體系下，由于其良好的填充效應，反而能夠大幅度提高工作性，能減水10%左右。

（3） 超細粉煤灰和高效減水劑雙摻使用時，能夠配制高強度砂漿和大流動度高性能混凝土，并具有流動度損失小和干燥收縮小等特點。

超細粉煤灰的減水作用，對混凝土工作性的顯著改進作用，以及對砂漿或者混凝土強度的增加程度，是普通磨細灰和商品灰所不能達到的，是一種具有高功能效應的混凝土礦物摻合料或者水泥混合材。

3超細粉煤灰的工業(yè)化生產(chǎn)￠

3.1工藝流程

綜合比較目前應用的高效粉磨設備可以發(fā)現(xiàn)，基于料層間擠壓原理的粉磨設備如錕壓機、立磨、水平錕磨等對于粉煤灰的粉磨特性不是很適應，而振動磨、行星磨等雖然能量利用率高，但目前尚不能適應建材產(chǎn)品的大規(guī)模制備要求。因此本工藝采用改進型球磨機的閉路粉磨系統(tǒng)，不僅適用于新建生產(chǎn)線，也適用于舊線改造。比如技改投產(chǎn)的內(nèi)蒙古烏海東孚水泥有限公司，將其原有的兩臺Φ2.2mX9m的開路礦渣磨改造為超細粉煤灰閉路粉磨系統(tǒng)，效益顯著。下面以新建投產(chǎn)的淮南市永科新型建材有限公司的生產(chǎn)線為例，流程如下圖所示：

3.2系統(tǒng)核心設備

（1）超細磨機

作為新建生產(chǎn)線，根據(jù)粉煤灰的超細粉磨特性，設計了全新的

Φ2.6mX16m的超細磨機，與普通管磨機不同，磨內(nèi)的諸多結構參數(shù)采用了專門設計，使得物料的磨內(nèi)流速便于控制，合理延長了粉磨時間，同時避免磨內(nèi)粉磨熱量高、粉磨細度高而導致的靜電吸附和物料團聚，這是粉煤灰超細粉磨的基礎。

（2）JS空氣噴射型超細選粉機

在超細粉磨工藝中分級設備是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵，與磨機的關系相輔相成，共同決定了系統(tǒng)的粉磨分級效率，即磨機出料要有相當比例的合格成品，選粉機超細分級清晰，從而使系統(tǒng)的循環(huán)負荷保持在合理水平，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定和成品的產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。JS空氣噴射型超細選粉機采用懸浮分散、預分級以及平面渦流分級技術，利用空氣噴射氣流，將物料進行懸浮分散，強化了分散的物料能力；在物料進入分級區(qū)前，將部分粗料直接分離，降低了受選物料濃度，為清晰分級提供了良好基礎；然后物料再進入渦流型轉(zhuǎn)子分級區(qū)，由于轉(zhuǎn)子高徑比和轉(zhuǎn)子葉片的特殊設計使得物料得到最大限度地分級，可穩(wěn)定分選比表面積≥700 m²/kg以上的產(chǎn)品。

3.3系統(tǒng)簡要技術指標

●原料粉煤灰：比表面積≤200m²/kg

●成品粉煤灰：比表面積700-800m²/kg

●粉磨主機：Φ2.6 mX16m球磨機+JS空氣噴射型選粉機；

●產(chǎn)量：30-35t/h

●系統(tǒng)電耗：40-45kWh/t

為規(guī)范生產(chǎn)，該公司業(yè)已制定了企業(yè)標準Q/HYK1-2011《超細粉煤灰》。

3.4超細粉煤灰的顆粒分布（比表面積75m²/kg）

表1 超細粉煤灰的顆粒分布（比表面積75 m²/kg）

從顆粒分布測試結果可以看出，≤5μm顆粒占了45.7%，≤10μm顆粒占了65.53%，≤32μm顆粒則已經(jīng)占到95.16%，而≥45μm顆粒已很少。

3.5產(chǎn)品應用

（1）設置分別粉磨系統(tǒng)，將熟料和石膏共同粉磨至比表面積350 m²/kg）來制備硅酸鹽水泥，依據(jù)熟料自身強度水平，超細粉煤灰以55%-65%的比例摻入硅酸鹽水泥中可制備32.5級水泥，以35%-45%的比例摻入則可制備42.5級水泥。

（2）對于水泥廠或粉磨站而言，最簡單的方法是按90%-95%的水泥摻入5%-10%的超細粉煤灰混合均勻即可出廠。應用表明，摻入5%的超細粉煤灰與95%的42.5級、32.5級水泥混合均勻，3d強度、28d強度分別較原狀水泥提高0.5MPa和1MPa以上。

（3）超細粉煤灰作為配制高強、高性能混凝土的礦物摻合料，等量代替30%以上的水泥，可配置C30以上的泵送混凝土。

（4）超細粉煤灰可作為配制C80以上高溫、高壓蒸養(yǎng)混凝土制品的礦物摻合料。

4結束語

在粉煤灰水泥粉磨中，單獨粉磨粉煤灰比共同粉磨有優(yōu)勢；相比普通粉磨，將粉煤灰超細粉磨又會帶來顯著的性能提升。超細粉煤灰是一種高功能性的水泥混合材和混凝土摻合料，而電廠通過電收塵收集的超細灰數(shù)量占比很小，通過粉磨將電廠原灰或粗灰加工成超細粉煤灰無疑是提升粉煤灰附加值的工業(yè)化有效途徑之一。

附件：工業(yè)廢渣超細粉的性能

工業(yè)廢渣超細粉的性能：目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的超細無機摻合料（亦稱礦物外加劑）種類有：礦渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰等。硅灰雖然適應于制備高性能混凝土，但由于其價格昂貴，產(chǎn)量少，不能滿足大量制備高性能混凝土的要求。以資源豐富的礦渣、粉煤灰為主要原料礦渣微粉和粉煤灰微粉的生產(chǎn)應用比較廣泛。
    粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐煙道氣體中收集的粉末。其主要化學成分為SiO2 、AI 2O3 和Fe2O3 ，高鈣灰則含有較多的CaO。早在1914年，美國人Anon發(fā)表了“煤灰火山特性的研究”，首先發(fā)現(xiàn)粉煤灰中氧化物具有火山灰特性。而對粉煤灰在混凝土中的應用進行比較系統(tǒng)的研究，是由美國伯克利加洲理工學院的RE維斯在1933年后開始的。 由于水泥和混凝土中可以大批量用粉煤灰。因此，粉煤灰在水泥和混凝土中應用也一直是我國科技界研究的重點。
    粉煤灰在混凝土的利用，主要是利用它的三種效應：火山灰活性效應，即水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2將激發(fā)粉煤灰的活性．使之反應生成以C—S—H凝膠為主的膠凝物質(zhì)；形態(tài)效應，即粉煤灰的顆粒形態(tài)所決定的，當微珠含量較高時（大于50%），流動性提高，減少混凝土的用水量，改善混凝土的工作性質(zhì)；微集料效應，即小于45μ m篩余的微粉可填充混凝土中的孔隙，與Ca（OH）2 反應生成的凝膠也可填充微小孔隙，使混凝土更加致密。
    粉煤灰細磨后，不但可以加快熟料顆粒的水化速度，還可以提前破壞粉煤灰密實的球形外殼，加快粉煤灰的火山灰反應。從而提高水泥早期強度。
    礦渣是煉鐵高爐排出的水淬廢渣，其主要化學成分為SiO2 、AI2O3 和CaO，其成分與水泥成分接近。超細粉磨后具有超高活性�，F(xiàn)有研究成果證明，將礦渣粉磨至平均粒徑小于5μm的超細礦渣和平均粒徑小于10μm的中等細度的礦渣，有效提高了礦渣的水化活性，可配制大流動性超高強混凝土。以粒徑小于5μm的超細礦渣取代10%～20%的水泥，可使水泥強度提高12%一23% ，水泥標準稠度需水量降低0．014左右；可配制拌合物坍落度達20cm、28天抗壓強度達100MPa的大流動性超高強混凝土。不僅顯著地改善了混凝土的流動性、減少坍落度損失．還 著地改善了抗?jié)B、抗凍、抗碳化等耐久性。作為混合材，摻加10%～20% ，可使水泥標號提高一個等級。對硅酸鹽水泥、礦渣水泥、普通水泥均有良好的適應性。
    其作用機理是活性的SiO2 、AI2 O3 即可與水泥中C3S和C2S水化產(chǎn)生的Ca（OH）2反應，進一步形成水化硅酸鈣產(chǎn)物，填充于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，同時將強度較低的Ca（OH）2晶體轉(zhuǎn)化成了強度較高的水化硅酸鈣凝膠，從而使水泥混凝土的一系列性能得到顯著改善。

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