超细粉煤灰的性能与工业化生产.doc

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超细粉煤灰的性能与工业化生产
摘要：超细粉煤灰（比表面积为700-1000m2/kg）是一种高功能性的水泥混合材和混凝土掺合料，应用经济高效的制备工艺来生产超细粉煤灰是提升粉煤灰附加值的工业化有效途径之一。本文综述了粉煤灰的相关处理工艺及性能比较，介绍了超细粉煤灰生产线的概况。
1引言
粉煤灰已得到建材工业的广泛应用，尤其在水泥和混凝土中，这无疑是大宗消化粉煤灰的有效途径。如何制备高功能效应的粉煤灰是深化利用粉煤灰的研发方向，而应用经济高效的制备工艺来实施粉煤灰的超细粉磨是非常有效的途径之一。众所周知，在配制高性能混凝土的关键技术中，利用微粉掺合料的特性可以改善混凝土的性能，因此硅灰、超细矿渣粉、细粉煤灰等掺合料已被视为现代混凝土的“第六组分”，其中硅灰和矿粉资源在全国很多地方已是物尽其用，而粉煤灰资源的深化利用还有较大提升空间。
2粉煤灰的粉磨
目前在水泥行业，一般将电厂分选后的粗灰作为混合材与熟料、石膏等共同粉磨，或者将粗灰单独粉磨成普通细灰再外掺入水泥中，而将粗灰加工成超细灰的很少。下面简要比较不同粉煤灰处理工艺的相关情况。
2.1共同粉磨和单独粉磨
共同粉磨尽管工艺简单，但由于粉煤灰与熟料的易磨性差异很大，以及粉煤灰自身流动性好等因素，会导致磨机仓中破碎能力减弱，粉煤灰细粉会起到垫衬作用；物料流速过快使其在磨内的停留时间大大减少，粉煤灰易磨性好却并不能够被充分磨细，使得粉煤灰水泥需水量很高。而采用分别粉磨工艺可以有效解决以上问题，因为根据粉煤灰的粉磨特性可以配置合理的研磨体级配以及磨内适宜的结构参数，有效控制物料流速来实现较好的粉磨效果。而粉煤灰磨得更细一些则更有利于发挥其活性和填充效应。粉煤灰中的未燃尽炭和多孔玻璃体都可被充分磨细，有利于粉煤灰减水效应的发挥。研究表明：
（1） 分别粉磨工艺能够有效改善粉煤灰水泥的颗粒级配，提高抗压强度、标准稠度用水量，并能够降低粉磨综合电耗。
（2） 在保持水泥具有基本相同的强度和工作性能的情况下，分别粉磨工艺能够有效提高水泥中粉煤灰的掺量，并能够明显增强粉煤灰水泥与减水剂的适应性。
（3） 分别粉磨工艺生产粉煤灰水泥时，在配制水泥的比表面积相同的情况下，熟料组分的细度较粗而粉煤灰细度较细的方案，与熟料组分较细而粉煤灰组分较粗的方案相比，两者的强度性能差别并不大，而前者的工作性、与减水剂的适应性以及在能量消耗方面都有比较显著的优势。
2.2普通磨细灰和分选灰
电厂分选的一、二级灰一般可以直接销售，剩余的粗灰若采用单独粉磨工艺来加工，粉煤灰的成品细度也大都在一、二级灰水平，可称之为普通磨细灰。以比表面积370 m2/kg的分选灰与普通磨细灰比较，研究表明：
（1） 细粉煤灰由于网珠状颗粒少于分选粉煤灰，表面缺陷较多且较为粗糙，因此普通磨细粉煤灰的需水量较大，且在相同水胶比的条件下，所配置的水泥胶砂流动度较小。
（2） 在相同水泥胶砂流动度的条件下，普通磨细粉煤灰配制水泥胶砂的3d、7d及28d强度低于分选粉煤灰配制的水泥胶砂强度：在60d时二者接近或反超。
可见普通磨细粉煤灰在综合性能上弱于分选灰，将磨细粉煤灰的细度大幅提高会获得较为满意的效果。
2.3超细粉煤灰
相关研究表明，根据具体粉煤灰的物性，将粉煤灰的原灰或粗灰粉磨到比表面积为700-1000m2/kg，将明显提升其应用价值：
（1） 显著提高粉煤灰活性，使得在配制相同强度等级的水泥或者塑性混凝土时，大幅提高粉煤灰的掺量。
（2） 具有明显的减水效果。对超细粉煤灰颗粒形貌的研究表明，在粉磨过程中虽然有部分大的球状微珠遭到了破坏，但又能够释放新的和更小的球状微珠；尽管比表面积大幅增加会需要更多的湿润水，但其密实填充效应又大幅减少孔隙水，因此超细粉磨对粉煤灰在水泥和混凝土中的工作性没有不利影响。在掺有高效减水剂和低水灰比的体系下，由于其良好的填充效应，反而能够大幅度提高工作性，能减水10%左右。
（3） 超细粉煤灰和高效减水剂双掺使用时，能够配制高强度砂浆和大流动度高性能混凝土，并具有流动度损失小和干燥收缩小等特点。
超细粉煤灰的减水作用，对混凝土工作性的显著改进作用，以及对砂浆或者混凝土强度的增加程度，是普通磨细灰和商品灰所不能达到的，是一种具有高功能效应的混凝土矿物掺合料或者水泥混合材。
3超细粉煤灰的工业化生产¢
3.1工艺流程
综合比较目前应用的高效粉磨设备可以发现，基于料层间挤压原理的粉磨设备如锟压机、立磨、水平锟磨等对于粉煤灰的粉磨特性不是很适应，而振动磨、行星磨等虽然能量利用率高，但目前尚不能适应建材产品的大规模制备要求。因此本工艺采用改进型球磨机的闭路粉磨系统，不仅适用于新建生产线，也适用于旧线改造。比如技改投产的内蒙古乌海东孚水泥有限公司，将其原有的两台Φ2.2mX9m的开路矿渣磨改造为超细粉煤灰闭路粉磨系统，效益显著。下面以新建投产的淮南市永科新型建材有限公司的生产线为例，流程如下图所示：
袋收尘器
JS选粉机
磨机
成品
原料

3.2系统核心设备
（1）超细磨机
作为新建生产线，根据粉煤灰的超细粉磨特性，设计了全新的
Φ2.6mX16m的超细磨机，与普通管磨机不同，磨内的诸多结构参数采用了专门设计，使得物料的磨内流速便于控制，合理延长了粉磨时间，同时避免磨内粉磨热量高、粉磨细度高而导致的静电吸附和物料团聚，这是粉煤灰超细粉磨的基础。
（2）JS空气喷射型超细选粉机
在超细粉磨工艺中分级设备是确保产品质量的关键，与磨机的关系相辅相成，共同决定了系统的粉磨分级效率，即磨机出料要有相当比例的合格成品，选粉机超细分级清晰，从而使系统的循环负荷保持在合理水平，确保系统运行稳定和成品的产质量稳定。JS空气喷射型超细选粉机采用悬浮分散、预分级以及平面涡流分级技术，利用空气喷射气流，将物料进行悬浮分散，强化了分散的物料能力；在物料进入分级区前，将部分粗料直接分离，降低了受选物料浓度，为清晰分级提供了良好基础；然后物料再进入涡流型转子分级区，由于转子高径比和转子叶片的特殊设计使得物料得到最大限度地分级，可稳定分选比表面积≥700 m2/kg以上的产品。
3.3系统简要技术指标
●原料粉煤灰：比表面积≤200m2/kg
●成品粉煤灰：比表面积700-800m2/kg
●粉磨主机：Φ2.6 mX16m球磨机+JS空气喷射型选粉机；
●产量：30-35t/h
●系统电耗：40-45kWh/t
为规范生产，该公司业已制定了企业标准Q/HYK1-2011《超细粉煤灰》。
3.4超细粉煤灰的颗粒分布（比表面积75m2/kg）
表1 超细粉煤灰的颗粒分布（比表面积75 m2/kg）
粒径（µm）
区间%
累积%

粒径（µm）
区间%
累积%
0.10-0.50
1.8
1.8
28.00-32.00
2.06
95.16
0.50-1.00
8.52
1032
32.00-36.00
1.43
96.59
1.00-2.00
13.63
23.95
36.00-40.00
0.99
97.58
2.00-3.00
8.98
32.93
40.00-45.00
0.82

3.00-4.00
7.05
39.98
45.00-50.00
0.53

4.00-5.00
5.72
45.7
50.00-56.00
0.39

5.00-6.00
4.91
50.61
56.00-60.00
0.17

6.00-7.00
4.3
54.91
60.00-63.00
0.1

7.00-8.00
3.91
58.82
63.00-65.00
0.06

8.00-9.00
3.48
62.3
65.00-70.00
0.11

9.00-10.00
3.23
65.53
70.00-75.00
0.07

10.00-12.00
5.62
71.15
75.00-80.00
0.05

12.00-14.00
4.74
75.89
80.00-85.00
0.05
99.93
14.00-16.00
3.94
79.83
85.00-90.00
0.02
99.95
16.00-18.00
3.32
83.15
90.00-95.00
0.02
99.97
18.00-20.00
2.76
85.91
95.00-100.00
0.01
99.98
20.00-24.00
4.25
90.16
100.00-110.00
0.02
100
24.00-28.00
2.94
93.1
110.00-120.00
0
100
从颗粒分布测试结果可以看出，≤5µm颗粒占了45.7%，≤10µm颗粒占了65.53%，≤32µm颗粒则已经占到95.16%，而≥45µm颗粒已很少。
3.5产品应用
（1）设置分别粉磨系统，将熟料和石膏共同粉磨至比表面积350 m2/kg）来制备硅酸盐水泥，依据熟料自身强度水平，超细粉煤灰以55%-65%的比例掺入硅酸盐水泥中可制备32.5级水泥，以35%-45%的比例掺入则可制备42.5级水泥。
（2）对于水泥厂或粉磨站而言，最简单的方法是按90%-95%的水泥掺入5%-10%的超细粉煤灰混合均匀即可出厂。应用表明，掺入5%的超细粉煤灰与95%的42.5级、32.5级水泥混合均匀，3d强度、28d强度分别较原状水泥提高0.5MPa和1MPa以上。
（3）超细粉煤灰作为配制高强、高性能混凝土的矿物掺合料，等量代替30%以上的水泥，可配置C30以上的泵送混凝土。
（4）超细粉煤灰可作为配制C80以上高温、高压蒸养混凝土制品的矿物掺合料。
4结束语
在粉煤灰水泥粉磨中，单独粉磨粉煤灰比共同粉磨有优势；相比普通粉磨，将粉煤灰超细粉磨又会带来显著的性能提升。超细粉煤灰是一种高功能性的水泥混合材和混凝土掺合料，而电厂通过电收尘收集的超细灰数量占比很小，通过粉磨将电厂原灰或粗灰加工成超细粉煤灰无疑是提升粉煤灰附加值的工业化有效途径之一。
附件：工业废渣超细粉的性能

工业废渣超细粉的性能：目前国内工业化生产的超细无机掺合料（亦称矿物外加剂）种类有：矿渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰等。硅灰虽然适应于制备高性能混凝土，但由于其价格昂贵，产量少，不能满足大量制备高性能混凝土的要求。以资源丰富的矿渣、粉煤灰为主要原料矿渣微粉和粉煤灰微粉的生产应用比较广泛。
    粉煤灰是火力发电厂燃煤粉锅炉烟道气体中收集的粉末。其主要化学成分为SiO2 、AI 2O3 和Fe2O3 ，高钙灰则含有较多的CaO。早在1914年，美国人Anon发表了“煤灰火山特性的研究”，首先发现粉煤灰中氧化物具有火山灰特性。而对粉煤灰在混凝土中的应用进行比较系统的研究，是由美国伯克利加洲理工学院的RE维斯在1933年后开始的。 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应用也一直是我国科技界研究的重点。
    粉煤灰在混凝土的利用，主要是利用它的三种效应：火山灰活性效应，即水泥水化产生的Ca（OH）2将激发粉煤灰的活性．使之反应生成以C—S—H凝胶为主的胶凝物质；形态效应，即粉煤灰的颗粒形态所决定的，当微珠含量较高时（大于50%），流动性提高，减少混凝土的用水量，改善混凝土的工作性质；微集料效应，即小于45µ m筛余的微粉可填充混凝土中的孔隙，与Ca（OH）2 反应生成的凝胶也可填充微小孔隙，使混凝土更加致密。
    粉煤灰细磨后，不但可以加快熟料颗粒的水化速度，还可以提前破坏粉煤灰密实的球形外壳，加快粉煤灰的火山灰反应。从而提高水泥早期强度。
    矿渣是炼铁高炉排出的水淬废渣，其主要化学成分为SiO2 、AI2O3 和CaO，其成分与水泥成分接近。超细粉磨后具有超高活性。现有研究成果证明，将矿渣粉磨至平均粒径小于5µm的超细矿渣和平均粒径小于10µm的中等细度的矿渣，有效提高了矿渣的水化活性，可配制大流动性超高强混凝土。以粒径小于5µm的超细矿渣取代10%～20%的水泥，可使水泥强度提高12%一23% ，水泥标准稠度需水量降低0．014左右；可配制拌合物坍落度达20cm、28天抗压强度达100MPa的大流动性超高强混凝土。不仅显著地改善了混凝土的流动性、减少坍落度损失．还 著地改善了抗渗、抗冻、抗碳化等耐久性。作为混合材，掺加10%～20% ，可使水泥标号提高一个等级。对硅酸盐水泥、矿渣水泥、普通水泥均有良好的适应性。
    其作用机理是活性的SiO2 、AI2 O3 即可与水泥中C3S和C2S水化产生的Ca（OH）2反应，进一步形成水化硅酸钙产物，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，同时将强度较低的Ca（OH）2晶体转化成了强度较高的水化硅酸钙凝胶，从而使水泥混凝土的一系列性能得到显著改善。

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