超細(xì)粉煤灰的性能與工業(yè)化生產(chǎn)

摘要：超細(xì)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(yīng)用經(jīng)濟(jì)高效的制備工藝來生產(chǎn)超細(xì)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(guān)處理工藝及性能比較，介紹了超細(xì)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(yīng)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(yīng)的粉煤灰是深化利用粉煤灰的研發(fā)方向，而應(yīng)用經(jīng)濟(jì)高效的制備工藝來實(shí)施粉煤灰的超細(xì)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(guān)鍵技術(shù)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(xì)礦渣粉、細(xì)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(dú)粉磨成普通細(xì)灰再外摻入水泥中，而將粗灰加工成超細(xì)灰的很少。下面簡要比較不同粉煤灰處理工藝的相關(guān)情況。

2.1共同粉磨和單獨(dú)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(dǎo)致磨機(jī)倉中破碎能力減弱，粉煤灰細(xì)粉會起到墊襯作用；物料流速過快使其在磨內(nèi)的停留時(shí)間大大減少，粉煤灰易磨性好卻并不能夠被充分磨細(xì)，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?yàn)楦鶕?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(jié)構(gòu)參數(shù)，有效控制物料流速來實(shí)現(xiàn)較好的粉磨效果。而粉煤灰磨得更細(xì)一些則更有利于發(fā)揮其活性和填充效應(yīng)。粉煤灰中的未燃盡炭和多孔玻璃體都可被充分磨細(xì)，有利于粉煤灰減水效應(yīng)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(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)粉煤灰水泥與減水劑的適應(yīng)性。

（3） 分別粉磨工藝生產(chǎn)粉煤灰水泥時(shí)，在配制水泥的比表面積相同的情況下，熟料組分的細(xì)度較粗而粉煤灰細(xì)度較細(xì)的方案，與熟料組分較細(xì)而粉煤灰組分較粗的方案相比，兩者的強(qiáng)度性能差別并不大，而前者的工作性、與減水劑的適應(yīng)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(xì)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(dú)粉磨工藝來加工，粉煤灰的成品細(xì)度也大都在一、二級灰水平，可稱之為普通磨細(xì)灰。以比表面積370 m²/kg的分選灰與普通磨細(xì)灰比較，研究表明：

（1） 細(xì)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(xì)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(xì)粉煤灰配制水泥膠砂的3d、7d及28d強(qiáng)度低于分選粉煤灰配制的水泥膠砂強(qiáng)度：在60d時(shí)二者接近或反超。

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

2.3超細(xì)粉煤灰

相關(guān)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(yīng)用價(jià)值：

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

（2） 具有明顯的減水效果。對超細(xì)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(shí)填充效應(yīng)又大幅減少孔隙水，因此超細(xì)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(yīng)，反而能夠大幅度提高工作性，能減水10%左右。

（3） 超細(xì)粉煤灰和高效減水劑雙摻使用時(shí)，能夠配制高強(qiáng)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(diǎn)。

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

3超細(xì)粉煤灰的工業(yè)化生產(chǎn)￠

3.1工藝流程

綜合比較目前應(yīng)用的高效粉磨設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)，基于料層間擠壓原理的粉磨設(shè)備如錕壓機(jī)、立磨、水平錕磨等對于粉煤灰的粉磨特性不是很適應(yīng)，而振動磨、行星磨等雖然能量利用率高，但目前尚不能適應(yīng)建材產(chǎn)品的大規(guī)模制備要求。因此本工藝采用改進(jìn)型球磨機(jī)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(xì)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(shè)備

（1）超細(xì)磨機(jī)

作為新建生產(chǎn)線，根據(jù)粉煤灰的超細(xì)粉磨特性，設(shè)計(jì)了全新的

Φ2.6mX16m的超細(xì)磨機(jī)，與普通管磨機(jī)不同，磨內(nèi)的諸多結(jié)構(gòu)參數(shù)采用了專門設(shè)計(jì)，使得物料的磨內(nèi)流速便于控制，合理延長了粉磨時(shí)間，同時(shí)避免磨內(nèi)粉磨熱量高、粉磨細(xì)度高而導(dǎo)致的靜電吸附和物料團(tuán)聚，這是粉煤灰超細(xì)粉磨的基礎(chǔ)。

（2）JS空氣噴射型超細(xì)選粉機(jī)

在超細(xì)粉磨工藝中分級設(shè)備是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，與磨機(jī)的關(guān)系相輔相成，共同決定了系統(tǒng)的粉磨分級效率，即磨機(jī)出料要有相當(dāng)比例的合格成品，選粉機(jī)超細(xì)分級清晰，從而使系統(tǒng)的循環(huán)負(fù)荷保持在合理水平，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和成品的產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。JS空氣噴射型超細(xì)選粉機(jī)采用懸浮分散、預(yù)分級以及平面渦流分級技術(shù)，利用空氣噴射氣流，將物料進(jìn)行懸浮分散，強(qiáng)化了分散的物料能力；在物料進(jìn)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(chǔ)；然后物料再進(jìn)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(shè)計(jì)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(shù)指標(biāo)

●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(jī)：Φ2.6 mX16m球磨機(jī)+JS空氣噴射型選粉機(jī)；

●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(biāo)準(zhǔn)Q/HYK1-2011《超細(xì)粉煤灰》。

3.4超細(xì)粉煤灰的顆粒分布（比表面積75m²/kg）

表1 超細(xì)粉煤灰的顆粒分布（比表面積75 m²/kg）

從顆粒分布測試結(jié)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(yīng)用

（1）設(shè)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(qiáng)度水平，超細(xì)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(xì)粉煤灰混合均勻即可出廠。應(yīng)用表明，摻入5%的超細(xì)粉煤灰與95%的42.5級、32.5級水泥混合均勻，3d強(qiáng)度、28d強(qiáng)度分別較原狀水泥提高0.5MPa和1MPa以上。

（3）超細(xì)粉煤灰作為配制高強(qiáng)、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(xì)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(jié)束語

在粉煤灰水泥粉磨中，單獨(dú)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(xì)粉磨又會帶來顯著的性能提升。超細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)粉的性能

工業(yè)廢渣超細(xì)粉的性能：目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的超細(xì)無機(jī)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(yīng)于制備高性能混凝土，但由于其價(jià)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(yīng)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(xué)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(yīng)用進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，是由美國伯克利加洲理工學(xué)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(yīng)用也一直是我國科技界研究的重點(diǎn)。
    粉煤灰在混凝土的利用，主要是利用它的三種效應(yīng)：火山灰活性效應(yīng)，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(yīng)生成以C—S—H凝膠為主的膠凝物質(zhì)；形態(tài)效應(yīng)，即粉煤灰的顆粒形態(tài)所決定的，當(dāng)微珠含量較高時(shí)（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(yīng)，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(yīng)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(xì)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(shí)的球形外殼，加快粉煤灰的火山灰反應(yīng)。從而提高水泥早期強(qiáng)度。
    礦渣是煉鐵高爐排出的水淬廢渣，其主要化學(xué)成分為SiO2 、AI2O3 和CaO，其成分與水泥成分接近。超細(xì)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(xì)礦渣和平均粒徑小于10μm的中等細(xì)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(qiáng)混凝土。以粒徑小于5μm的超細(xì)礦渣取代10%～20%的水泥，可使水泥強(qiáng)度提高12%一23% ，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量降低0．014左右；可配制拌合物坍落度達(dá)20cm、28天抗壓強(qiáng)度達(dá)100MPa的大流動性超高強(qiáng)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(biāo)號提高一個(gè)等級。對硅酸鹽水泥、礦渣水泥、普通水泥均有良好的適應(yīng)性。
    其作用機(jī)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(yīng)，進(jìn)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(shí)將強(qiáng)度較低的Ca（OH）2晶體轉(zhuǎn)化成了強(qiáng)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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