通用硅酸盐水泥低碳产品指标现状分析及优化措施

通用硅酸盐水泥低碳产品指标现状分析及优化措施

王伟

山西四建集团有限公司

摘要：水泥是国民经济建设的重要基础原材料，2020年，水泥工业二氧化碳排放13.8亿t，约占全国总排放量的13%。实现碳达峰、碳中和是党中央的重大战略决策，要如期实现碳达峰、碳中和的目标，水泥工业必须加快碳减排的步伐。国家也正在研究制定水泥行业碳配额分配方法，推动水泥纳入全国碳排放权交易市场。我国水泥熟料产量15.8亿t，水泥产量23.77亿t，平均吨水泥二氧化碳排放580kg，高出《巴黎协定》要求的520~524kg，实现低碳发展还需应用新技术、新材料。

关键词：通用硅酸盐水泥；低碳产品；指标现状分析；优化措施

引言

近几年，在国内外形势及疫情等多重因素作用下，大宗商品价格快速上行，水泥原材料成本持续提升，对于水泥企业，急需寻找成本低性能优的工业废渣，降低生产成本，改善水泥性能，提高市场竞争力。磷肥渣是利用磷矿石生产复合肥时产生的工业废渣，长期堆积不仅占用大量的土地，而且对周围环境造成严重的污染，不同复合肥生产工艺所产生的废渣成分差异较大，当利用硝酸分解磷矿石时，所产生的工业磷肥渣主要成分为CaCO3，常被作为石灰质原料使用；当采用硫酸分解磷矿石时，所产生的工业废渣（硫酸磷肥渣）主要成分为SiO2，目前在水泥行业暂无研究。

一、基本情况和存在的问题

水化热是中热硅酸盐水泥的重要控制指标，控制中热硅酸盐水泥熟料的KH、C3S、C3A含量是判断满足水化热合格的关键。进入转产阶段后，需要检测熟料满足中热硅酸盐水泥熟料的各项指标后方可倒库，不同时间段熟料率值及成分。从普通硅酸盐水泥熟料转换到中热硅酸盐水泥熟料过渡时间长达8h，期间产生的大量过渡熟料进入到普通硅酸盐水泥熟料库，因过渡料成分与普通硅酸盐水泥熟料成分差异较大，严重影响普通硅酸盐水泥的性能稳定性，为减少过渡料的产生，缩短两品种转产时间已经迫在眉睫，技术质量处与制造分厂共同开展了对优化转产方案的研究。

二、实际认证过程中低碳指标偏高的原因分析

2.1水泥配比不当

在评价方法及要求中对混合材在水泥配比中范围做了明确规定，因此熟料和混合材的配比不同对低碳指标的影响很大，以PO42.5水泥的配比为例，不同生产企业的混合材的占比范围在7%～17%之间，如果混合材占比少，那么熟料的使用量就会较大，这样就会造成最终的水泥低碳指标偏高；反之，水泥低碳指标就会偏低。

2.2能源消耗量偏高

生产水泥过程中的能源消耗量跟企业的生产设备维护情况、落后设备淘汰和技术改造升级情况以及生产运行控制精细情况有直接的关系。以本次认证的6家企业的能耗指标为例，不同的生产企业可比熟料综合能耗指标，好的企业达到99.90kgce/t，差的企业在113kgce/t左右；可比水泥综合能耗指标，好的企业达到80.00kgce/t，差的企业在90.00kgce/t左右。

三、通用硅酸盐水泥低碳产品指标优化策略

3.1硅酸盐水泥熟料中水溶性铬（Ⅵ）检测建议

目前国家、行业及地方标准中，并无针对硅酸盐水泥熟料中水溶性铬（Ⅵ）的检测方法及限量，借鉴GB31893-2015《水泥中水溶性铬（Ⅵ）的限量及测定方法》标准检测硅酸盐水泥熟料中水溶性铬（Ⅵ）含量，会出现结果偏差较大或无法操作的现象。基于上述情况，本文建议在进行硅酸盐水泥熟料中水溶性铬（Ⅵ）检测时，实验前应在熟料中加入二水石膏，并对其进行粉磨处理将其制备成比表面积在340~360m2/kg、80μm方孔筛筛余≤4%、三氧化硫含量在2.0%~2.5%范围内的Ⅰ型硅酸盐水泥，之后再利用胶砂搅拌机将其与标准砂、水混合搅拌成水泥胶砂，利用过滤装置抽滤得到滤液，加入二苯碳酰二肼，使用1.0mol/L盐酸调整酸度、显色，使用分光光度计测定540nm处溶液的吸光度，在工作曲线上查得溶液中铬（Ⅵ）浓度[5]。经实验验证，此检验方法操作上可行且能真实反应硅酸盐水泥熟料中水溶性铬（Ⅵ）含量，建议将此检测方法形成规范标准，并结合目前水泥厂家熟料中水溶性铬（Ⅵ）含量现状给出合理限量，以填补目前此检测区域技术空白，为相关企业单位提供硅酸盐水泥熟料中水溶性铬（Ⅵ）质量控制依据及检验依据。

3.2推广应用低熟料含量水泥和低碳水泥

近年来，在水泥节能降耗水平逐步提高背景下，我国水泥工业吨水泥CO2排放量不降反升，2020年达580kg/t，主要受32.5（R）复合硅酸盐水泥被取消的影响。目前，国际水泥工业低碳发展的方法之一就是通过掺加纳米改性材料、添加混凝土外加剂等新技术，降低熟料使用量。我国应充分利用在低熟料含量水泥方面的实践优势，进一步开展这方面的研究，降低熟料系数CF，减少CO2的“直接”排放。低碳胶凝材料（SCM）是国际水泥工业减碳的另一个努力方向。主要的研究包括高贝利特水泥、烧粘土水泥LC3、铝酸钙+石英Celitements、碱激发矿物胶凝材料Geopolymer、硫（铁）铝酸盐水泥、低碳水泥Aether等。虽然目前SCM仍处于试验应用阶段，市场占有率不足1%，但是我们需要看到其潜力与减碳空间，积极开展相应的研发工作。

3.3絮凝剂对净浆微观结构的影响

水泥净浆中掺入0．050%絮凝剂并养护28d后的SEM照片。从图中可知，硅酸盐水泥净浆中掺入絮凝剂后的主要物相组成仍为C-S-H、钙矾石(AFt)和Ca(OH)2，但掺入絮凝剂对水泥净浆的微观结构产生了一定的影响。由图6(a)可知，不掺絮凝剂水泥石中无明显孔洞，掺入APAM后，水泥石中出现了不连通孔洞。在不掺絮凝剂水泥石中能明显看到针状AFt，而掺入絮凝剂后，在水泥石中能看到管状AFt，且AFt被絮状物质包裹［22］。这主要是由于APAM中的酰胺基水解后转化为含有—COOH的共聚物，并与混凝土中的金属阳离子(如Ca2+)发生反应，生成包含—COO—Ca—OOC—和HO—Ca—OOC—等离子键的化合物，该化合物属于黏稠的凝胶，该凝胶与水泥水化产物相互包裹、填充，形成了不完全连续的空间骨架网状体系结构。部分C-S-H呈颗粒状，而颗粒状是C-S-H的主要形态之一。此外，APAM与水泥水化产物生成的凝胶也会包裹AFt和C-S-H，使其呈颗粒状。

3.4原料准备

在做生产方案时，需要考虑对转产时间的把控精准性，必须提前准备好生产中热硅酸盐水泥熟料所需的原材料进购，做到准确检测。公司生产普通硅酸盐水泥熟料与中热硅酸盐水泥熟料的原材料区别在于硅质原料的不同，中热硅酸盐水泥熟料生产采用高硅低碱硅石，而普通硅酸盐水泥熟料对硅质材料的要求相对较低。根据进厂原材料的检测数据提前在预均化库布料，配料仓使用上，必须按生产方案制定的转产时间节点将生产普通硅酸盐水泥熟料的硅质原料用空后，再安排生产中热硅酸盐水泥熟料的硅石进料。通过摸索实际生产数据的变化规律，我们对转产初期的配料方案进行了调整，由原本逐渐调整配料指标变更为直接用高Fe2O3低Al2O3的配料方式，加快入窑生料满足中热硅酸盐水泥熟料的技术指标要求，生料配方调整前后入窑生料化学分析。经过生料均化库库存以及配方调整，入窑生料2h后可达转产中热硅酸盐水泥熟料的质量要求。

结束语：

水泥行业作为全国碳排放的主要领域之一，随着国家“双碳”政策的持续深入，水泥生产企业应深入贯彻落实国家战略部署，积极响应节能降碳改造升级的要求，在节能降碳改造升级工作上统筹谋划，围绕“节电、节煤、减碳、减排”目标，在设备改造、技术优化升级、清洁能源替代等方面发力，为通用硅酸盐水泥走好低碳发展道路提供关键支撑。

参考文献：

[1]许闽,杨克条,吴和平,曹云松,江敏芳,陈清,陈友治.全谱拟合XRD Rietveld-PONKCS法定量分析通用硅酸盐水泥中的矿物组分含量[J].水泥,2020(02):60-65.

[2]马盈盈.对通用硅酸盐水泥细度(比表面积)检测结果偏差因素的探讨[J].门窗,2019(14):200+202.

[3]阎培渝.通用硅酸盐水泥质量检验规则是否应该修改[J].水泥,2018(09):14-15.

[4].上海市建设工程禁止使用32.5和32.5R通用硅酸盐水泥[J].粉煤灰综合利用,2018(04):86.

[5]本刊综合报道.通用硅酸盐水泥“第3号修改单”向全行业公开征求意见[J].中国水泥,2018(06):7-8.