沈曉東：致力于水泥低能耗制備與高效應(yīng)用研究

　　目前，水泥生產(chǎn)過(guò)程中的燒、磨兩環(huán)節(jié)的能耗大、碳排放高，如何降低這些“高指數(shù)”，是水泥行業(yè)急需解決的問(wèn)題。其中，由南京工業(yè)大學(xué)沈曉東教授為首席科學(xué)家，中國(guó)建筑材料研究院為依托單位的973計(jì)劃項(xiàng)目“水泥低能耗制備與高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目，主要圍繞水泥生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展提高水泥性能和節(jié)能減排的基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)水泥科學(xué)理論和技術(shù)的重大創(chuàng)新。該項(xiàng)目將促進(jìn)水泥工業(yè)生產(chǎn)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高使用效能，提高能源與資源利用效率。起止年限：2009.1至2013.8。

　　總體研究思路

　　該項(xiàng)目通過(guò)提高熟料膠凝性、優(yōu)化熟料與輔助性膠凝材料復(fù)合、高效應(yīng)用水泥和延長(zhǎng)服役壽命等性能方面的研究，實(shí)現(xiàn)水泥制備過(guò)程的直接節(jié)能減排和水泥高效應(yīng)用產(chǎn)生的間接節(jié)能減排。

　　在水泥制備的直接節(jié)能減排方面：第一、通過(guò)調(diào)控阿利特介穩(wěn)程度和缺陷形態(tài)，并優(yōu)化熟料相匹配，提高其活性，制備高膠凝性熟料。第二、通過(guò)摻雜離子和優(yōu)化高膠凝性熟料相組成，降低系統(tǒng)最低共熔點(diǎn)，降低熟料燒成能耗。第三、通過(guò)熟料分段燒成的動(dòng)力學(xué)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)能量在燒成各個(gè)階段合理配置，降低熟料燒成能耗。第四、通過(guò)離心力場(chǎng)粉磨動(dòng)力學(xué)調(diào)控和多頻次小能量振動(dòng)破碎，實(shí)現(xiàn)水泥高效粉磨，降低水泥粉磨電耗。

　　在水泥高效應(yīng)用的間接節(jié)能減排方面：第一、通過(guò)高膠凝性熟料與輔助性膠凝材料的復(fù)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，高效發(fā)揮各組分的膠凝性，減少水泥中熟料使用量，從而減少水泥制備能耗。第二、通過(guò)優(yōu)化水泥漿體結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合水泥水化產(chǎn)物及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、增強(qiáng)其抵抗物理和化學(xué)侵蝕能力，延長(zhǎng)服役壽命，提高使用效能，減少水泥需求量。

　　技術(shù)路線

　　實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)的技術(shù)途徑有六個(gè)方面：

　　一、高介穩(wěn)阿利特微結(jié)構(gòu)和熟料礦物相組成優(yōu)化

　　通過(guò)摻雜技術(shù)、改變熱歷史、調(diào)整化學(xué)組成等手段，改變熟料形成熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，降低燒成過(guò)程的能量和資源的消耗。調(diào)整熟料礦物比例，使熟料中C3S與其它礦物的匹配達(dá)到最優(yōu)化，從而提高熟料的膠凝性。

　　采用高分辨電子顯微成像及電子衍射譜圖研究阿利特微區(qū)結(jié)構(gòu)特征，X射線能譜(EDS)和電子能量損失譜(EELS)等表征化學(xué)組分。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡/能譜儀（FE-SEM/EDS），ESEM通過(guò)測(cè)定水化漿體中單顆粒的未水化部分與水化層的面積比計(jì)算出水化程度。[Page]

　　二、 熟料分段形成動(dòng)力學(xué)及過(guò)程控制

　　設(shè)計(jì)熟料高溫煅燒模擬試驗(yàn)裝置，通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間及熱力學(xué)分布等參數(shù)，進(jìn)行熟料制備和快速冷卻控制；運(yùn)用先進(jìn)測(cè)試方法，確定產(chǎn)物及中間相的組成、結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行性能分析；定量描述反應(yīng)速度、溫度均勻分布與產(chǎn)物及中間相形成數(shù)量的關(guān)系，建立熟料分段形成動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行熟料形成熱力學(xué)效率計(jì)算分析；通過(guò)冷熱態(tài)試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，研究懸浮態(tài)下快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，研究堆積狀態(tài)下低能耗熟料形成過(guò)程，建立新一代高能效水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)原型。

　　三、離心力場(chǎng)中水泥粉磨動(dòng)力學(xué)與顆粒特性

　　運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真模擬研究方法，研究粉磨過(guò)程中的能量傳遞機(jī)理、能量利用率及各顆粒群相的分布規(guī)律等，建立新型高效磨中物料、球體組成的顆粒群多相流的數(shù)學(xué)模型。建立脆性斷裂力學(xué)模型及有限元計(jì)算機(jī)模擬方法，分析復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料損傷和破裂路徑。

　　四、熟料與輔助性膠凝材料優(yōu)化復(fù)合的化學(xué)和物理基礎(chǔ)

　　建立實(shí)驗(yàn)室高效粉碎系統(tǒng)和粉體精確分級(jí)裝置，制備出特定形貌和顆粒級(jí)配的熟料與輔助性膠凝材料粉體，建立復(fù)合水泥粉體堆積模型，確定復(fù)合水泥最緊密堆積的顆粒學(xué)參數(shù)。

　　采用NMR等方法研究不同活性的輔助性膠凝材料玻璃相聚合度與其水化活性的關(guān)系。分析復(fù)合水泥體系不同水化階段的水化程度，獲得不同體系不同水化階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。應(yīng)用點(diǎn)接觸模型模擬復(fù)合水泥體系，建立復(fù)合膠凝效應(yīng)的特征方程。采用接枝、空間合理排布以及多元復(fù)合的方法，改善化學(xué)外加劑與水泥/輔助性膠凝材料的適應(yīng)性，調(diào)節(jié)和控制漿體空間結(jié)構(gòu)形成過(guò)程，獲得理想的漿體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各膠凝組分的充分水化。確定水泥熟料與輔助性膠凝材料物理、化學(xué)優(yōu)化匹配原則。

　　五、復(fù)合水泥漿體組成和結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及調(diào)控

　　對(duì)硅酸鹽水泥熟料-輔助性膠凝材料體系，綜合運(yùn)用核磁共振、小角度X射線散射和高分辨透射電子顯微鏡等現(xiàn)代分析手段精確測(cè)定C-S-H凝膠等固相的組成與結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律。采用同步層析X-射線衍射分析等對(duì)水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究。采用孔溶液等離子發(fā)射光譜（ICP）分析和電阻率測(cè)定等表征孔溶液的性質(zhì)。采用高分辨透射電子顯微鏡和電阻率儀等研究固相物質(zhì)和孔分布情況、孔連通性及水泥漿體各相間的界面結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)調(diào)整水泥漿體初始結(jié)構(gòu)、摻加化學(xué)外加劑等調(diào)控水泥漿體的組成與結(jié)構(gòu)。測(cè)定水泥漿體的強(qiáng)度、變形、流體遷移性能、離子的固結(jié)或持留作用，闡明水泥漿體組成和結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

　　六、水泥基材料的產(chǎn)物與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及服役行為

　　觀察在大氣環(huán)境和壓力水作用下水泥基材料漿體孔隙結(jié)構(gòu)、孔溶液的堿度和水化產(chǎn)物組成隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，獲得基于耐久性的水泥組成設(shè)計(jì)合理性判據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和數(shù)值模擬研究水泥硬化體孔隙內(nèi)表面特性，在試件上預(yù)制特定寬度和密度的裂縫以模擬荷載效果，對(duì)比荷載與非荷載條件下水泥基材料的孔隙特性、體積穩(wěn)定性和開(kāi)裂敏感性對(duì)其滲透性的影響。測(cè)定在不同侵蝕性環(huán)境中實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)沿深度分布的侵蝕性介質(zhì)濃度曲線，建立侵蝕性介質(zhì)在水泥基材料中的擴(kuò)散模型；在大量獲得腐蝕+應(yīng)力耦合作用下鋼筋混凝土破壞數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立水泥基材料的壽命預(yù)測(cè)模型。[Page]

　　可行性

　　該項(xiàng)目研究目標(biāo)緊扣水泥工業(yè)節(jié)能減排，相關(guān)的指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。盡管項(xiàng)目研究難度大，但是項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)深入系統(tǒng)的研究，完全有可能取得重大突破。

　　一、建立阿利特微結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系，并通過(guò)優(yōu)化熟料相匹配低能耗制備高膠凝性熟料是實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)和應(yīng)用環(huán)節(jié)節(jié)能的基礎(chǔ)。熟料礦物微結(jié)構(gòu)表征和微結(jié)構(gòu)調(diào)控是有很強(qiáng)挑戰(zhàn)性的研究?jī)?nèi)容。但在已結(jié)題的“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”中，已對(duì)熟料微結(jié)構(gòu)表征方法和結(jié)構(gòu)調(diào)控措施進(jìn)行了探索，表明現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試技術(shù)手段能夠系統(tǒng)評(píng)價(jià)熟料礦物的微觀結(jié)構(gòu)。而且，可以通過(guò)摻雜、溫變等多種技術(shù)途徑調(diào)控熟料礦物微結(jié)構(gòu)。本課題提出的內(nèi)容已有良好研究基礎(chǔ)，是在繼承前述研究基礎(chǔ)上的深化和發(fā)展。同時(shí)優(yōu)化了課題承擔(dān)人員的專業(yè)結(jié)構(gòu)和分工，在低能耗制備熟料方面取得突破是可以預(yù)期的。

　　二、熟料燒成過(guò)程的熱耗主要是碳酸鹽分解，約占總熱耗的60%左右，而礦物形成過(guò)程是放熱過(guò)程。如果將熟料燒成各個(gè)階段重新劃分，就可以使高反應(yīng)活性的新生態(tài)的CaO和SiO2迅速結(jié)合，同時(shí)進(jìn)行其能量重新配置，把某些反應(yīng)放出熱量補(bǔ)充碳酸鈣分解的吸熱。高溫帶所需要升溫的幅度減少，熱耗減少。項(xiàng)目組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室初步試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一趨勢(shì)。所以，進(jìn)行熟料燒成過(guò)程中的能量重新配置，提高熱交換效率，降低熟料燒成能耗是可能的。

　　三、研究水泥漿體不同層次結(jié)構(gòu)，建立基于性能優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模型，來(lái)指導(dǎo)水泥組成優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高輔助膠凝組分的用量并延長(zhǎng)水泥基材料的服役壽命。這一研究思路得到國(guó)內(nèi)外專家的認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)水泥高效應(yīng)用和水泥工業(yè)間接節(jié)能減排的有效途徑，因而課題設(shè)計(jì)的研究思路是可行的，也是可以達(dá)到的目標(biāo)。主要難點(diǎn)在于建立水泥漿體不同結(jié)構(gòu)層次合理配置模型，及實(shí)現(xiàn)不同層次結(jié)構(gòu)合理配置的方法。而本項(xiàng)目承擔(dān)單位在上述相關(guān)方面已有較好的研究基礎(chǔ)，具有國(guó)際水平的測(cè)試設(shè)備，因此在這方面取得顯著進(jìn)展是完全可以預(yù)期的。

　　四、項(xiàng)目主持單位和參加單位有良好的研究基礎(chǔ)，除了主持已經(jīng)結(jié)題的973項(xiàng)目“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”之外，目前正主持國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目的課題“高性能水泥綠色制造工藝和裝備”。本項(xiàng)目的研究成果將和科技支撐計(jì)劃課題相配合，相輔相成，相互促進(jìn)，有助于本項(xiàng)目研究成果盡快進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，有助于研究取得突破。

　　五、項(xiàng)目承擔(dān)單位為國(guó)內(nèi)水泥領(lǐng)域重要的科研機(jī)構(gòu)、重點(diǎn)大學(xué)以及國(guó)家大型水泥企業(yè)，具備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)條件，并有很好的研究基礎(chǔ)。項(xiàng)目依托單位是已結(jié)題的“973”計(jì)劃“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目的依托單位和主持單位。主要參加人員多數(shù)為已結(jié)題項(xiàng)目參加人員，長(zhǎng)期從事水泥熟料燒成和水泥制備、水泥漿體結(jié)構(gòu)與性能及水泥基材料耐久性的研究，其專業(yè)背景和研究?jī)?yōu)勢(shì)有很強(qiáng)的互補(bǔ)性,這為順利開(kāi)展項(xiàng)目研究工作，提供了強(qiáng)大的人力資源保證。

　　創(chuàng)新點(diǎn)

　　本項(xiàng)目在深入了解和詳盡分析水泥科學(xué)國(guó)際最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，緊密圍繞水泥節(jié)能減排的國(guó)家重大需求，瞄準(zhǔn)影響中國(guó)水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的資源、能源和環(huán)境負(fù)荷的瓶頸問(wèn)題，在高膠凝性熟料組成與結(jié)構(gòu)、熟料燒成和水泥粉磨等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)研究上取得重大突破，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：

　　一、建立熟料相組成匹配模型和阿利特介穩(wěn)化控制準(zhǔn)則。

　　二、提出熟料分段燒成動(dòng)力學(xué)控制理論。

　　三、提出水泥高效粉磨高離心力場(chǎng)和小能量振動(dòng)破碎原理。

　　四、建立基于耐久性的水泥組成設(shè)計(jì)方法。

　　為了更好地幫助水泥企業(yè)提升磨機(jī)效率、降低粉磨能耗，由中國(guó)水泥網(wǎng)主辦的“2011第四屆國(guó)際粉磨峰會(huì)”將于5月21日至22日在南京舉行。本屆峰會(huì)圍繞“走節(jié)能降耗之路，創(chuàng)粉磨技術(shù)新高”的主題，通過(guò)邀請(qǐng)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)解讀政策走向；邀請(qǐng)行業(yè)專家分享前沿技術(shù)；邀請(qǐng)知名水泥企業(yè)探討設(shè)備選型并分享應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合互動(dòng)交流，切實(shí)推動(dòng)水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)粉磨技術(shù)的有效升級(jí)。屆時(shí)，沈曉冬教授將出席峰會(huì)并做題為《水泥低能耗制備與高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究(國(guó)家973計(jì)劃)》的報(bào)告，相信精彩的報(bào)告會(huì)使企業(yè)在粉磨設(shè)備選型方面有所借鑒。