水泥制造的故事

在详细讨论五条平行路线的每一条之前,有必要提供更多的背景资料,说明提出这些削减的工业背景。下文各章将提供更多的资料,说明水泥的特点、生产工艺和使用,以及该部门目前在减少排放方面所取得的进展。

水泥是什么?

水泥是一种细、软、粉状物质,主要用于将细砂和粗集料结合在一起。水泥是一种胶,起水力粘结剂的作用,也就是说,当加水时,它会变硬。每个人都知道水泥这个词,但它经常与混凝土或砂浆混淆。水泥是混凝土和砂浆的关键成分,在使用前总是与其他材料混合:

  • 水泥与水、沙子和砾石混合形成混凝土,这是绝大多数水泥的用途。
  • 水泥与水、石灰和砂混合形成砂浆。

很长一段时间以来,水泥和混凝土一直被用来建造耐久的结构。建成于公元80年的罗马竞技场是混凝土结构如何抵御时间的一个很好的例子。罗马人使用的水泥是用当地的原材料,白垩和火山灰在明火中加热制成的。现代版本的水泥,被称为波特兰水泥,早在19世纪早期就被开发出来,并一直在改进。

27种常见胶结物CEM硅酸盐水泥,CEM硅酸盐复合水泥,CEM高炉水泥,CEM火山灰水泥,CEM V复合水泥,CEM I硅酸盐水泥,CEM II硅酸盐复合水泥,CEM IV火山灰水泥,CEM V复合水泥,CEM V硅酸盐水泥普通水泥标准进一步规定了7种耐硫酸盐普通水泥、3种低早强高炉水泥和2种耐硫酸盐低早强高炉水泥。还有一些特殊的水泥,如超硫酸盐水泥、极低热水泥和铝酸钙水泥。

具体是什么?

混凝土是由水泥、水骨料和在某些情况下称为外加剂的少量成分混合而成。集料约占混合物的60-75%,水泥和水占其余部分。集料通常是惰性的粗材料,如砾石,碎石,沙子或再生混凝土。选择的骨料类型取决于混凝土的应用。由于水泥的特殊粘合性能,混凝土是一种弹性很强、耐久的材料,可以承受沉重的负荷和抵抗极端环境。

水泥和混凝土

绝大多数水泥用于制造混凝土。因此,任何路线图都必须考虑到最终产品,即具体的产品。这一点尤其重要,因为随着更多新型水泥类型的开发,混凝土所需的水泥量可能会发生变化。

水泥产品和混凝土的有效使用以及这些产品的寿命终止对混凝土的可持续性有直接影响。因此,该路线图还将研究创新的施工方法,允许混凝土建筑元素和组件的重用。

水泥制造

水泥的制作过程可分为两个基本步骤:

  • 熟料(水泥的主要成分)首先在窑炉中使用高达2000°C的气体,将石灰石(碳酸钙)等原材料和少量其他材料(如粘土)加热到1450°C。在这个称为煅烧的过程中,碳酸钙(石灰石)转化为氧化钙(石灰),然后与原材料中的其他成分发生反应,形成新的矿物,统称为熟料。这种接近熔融的材料被迅速冷却到100 - 200°C的温度。
  • 熟料与石膏和其他材料一起被磨碎,生产出被称为水泥的灰色粉末。
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熟料生产

采石原材料

水泥厂通常位于石灰岩、泥灰或白垩等天然物质附近,这些物质从采石场中提取,提供碳酸钙(CaCO3)。可能需要非常少量的材料,如铁矿石、铝土矿、页岩、粘土或沙子,以提供额外的矿物成分,氧化铁(Fe2O3)、氧化铝(Al2O3)和二氧化硅(SiO2),以生产所需的熟料。

破碎

原料采掘和运输到一级/二级破碎机,并破碎成10厘米的碎片。

原料粉磨

在粉碎后,原料被混合和磨在一起,产生“生料”。为了保证高质量的水泥,原材料和随后的生料的化学过程被非常仔细地监控和控制。

预热

来自窑炉的热废气在粉末状生料进入窑炉前对其进行预热。预热器由一系列旋风分离器组成,通过旋风分离器的生料被旋转的热烟气以物料流动的相反方向通过。在这些旋风分离器中,热能(热)从热烟道气中回收,其好处是使生料预热,提高了工艺效率,所需燃料更少。根据原料的水分含量和热回收要求,一个窑可能有多达六个阶段的旋风,在每个额外阶段增加热回收。

预分解

煅烧是把石灰石变成石灰的过程。在现代装置中,高温反应部分发生在“分解炉”中,分解炉是窑炉上方预热器底部的燃烧室,部分反应发生在窑炉中。在这里,石灰石的化学分解,通常产生60%的总CO2水泥制造过程中会产生排放。剩下的CO由燃料燃烧产生2

回转窑熟料生产

然后在1000℃左右的温度下进入窑内。燃料(如煤、石油焦、天然气、石油和替代燃料)以高达2000°C的温度直接进入回转窑,以确保原料达到高达1450°C的材料温度。窑炉(一个砖砌的金属管,宽3-5米,长30-60米)每分钟旋转3-5次,原料流经窑炉内逐渐变热的区域,流向火焰。高温会引起化学和物理反应,使粉部分融化成熟料。还有一些较老的、效率低得多的技术,例如湿窑,原料以湿泥浆的形式注入,而不是像干窑那样以粉末的形式注入。然而,湿窑几乎已经被淘汰,今天超过90%的欧洲水泥熟料是在干窑中生产的。

冷却和储存

从窑中,热熟料用大量空气冷却,其中一部分可作为助燃空气。冷却器对于熟料矿物的生成是必不可少的,熟料矿物决定了水泥的性能。在此过程中,燃烧空气被预热,从而减少系统的总能量损失。熟料通常在现场使用,但可以用卡车、火车或轮船运输到其他磨矿厂。

水泥磨

在熟料中加入约4-5%的石膏,以控制最终水泥的凝结时间。冷却后的熟料和石膏混合物被磨成一种叫做普通硅酸盐水泥(OPC)的灰色粉末,或者可以与其他矿物成分一起磨成粉末来生产,例如,硅酸盐复合水泥(PCC)。传统上,球磨机被用于研磨,尽管更有效的技术,如辊压机和立式磨机或它们的组合被用于许多现代工厂。

混合

水泥也可以与其他细磨矿物成分混合,如大量的矿渣、粉煤灰、石灰石或其他材料来替代部分熟料,因此往往能显著降低CO2排放。

贮存于水泥筒仓

最终产品均质并储存在水泥筒仓中,然后送往包装站(袋装水泥)或筒仓,通过水路、公路或铁路运输。