Search Thermo Fisher Scientific
水泥分析及生產資訊
水泥製程
水泥製程從礦場開採石灰岩及黏土開始。物料會拌合、壓碎並送入水泥窯。水泥熟料離開水泥窯後會進行冷卻，經過最終研磨處理後就準備出貨。波特蘭水泥 (Portland cement) 是最常見的水泥，以多種不同強度及色彩配製，視其用途而定。水泥組成是以客戶要求為依據，每種組成配方都需要不同的元素化學性質。
以下說明水泥生產的五個階段及各項步驟，讓水泥從礦場到貯槽乃至於客戶，都維持一致的原料品質，減少化學偏差。
水泥製程的第一個步驟，就是由地表開採石灰岩及黏土。水泥的主要元素成分為鈣、鋁、鐵、矽。不過石灰岩、黏土及砂石之中，有時會出現不必要的元素成分，例如氧化鎂及鈉、鉀和硫等鹼類，不但對製程造成負面影響，也會降低礦場的可開採性。在這類情況下，使用 PGNAA 技術的線上元素分析儀，可協助使用者監測石灰岩之中的氧化鎂濃度，並依據結果加以調整。
皮帶秤可協助量測開採的原料量，夾雜金屬偵測器則可協助找出原料中任何不必要的金屬；這對輸送帶安全及保護非常重要。此外，手持 XRF 分析儀可迅速量測礦場區域，以及可能取樣的任何樣本。
| 開採原料 | 所需的成分包括 |
| • 石灰岩 | • 氧化鈣 (CaO) |
| • 黏土 | • 氧化鋁 (Al2O3) |
| • 氧化鐵 (Fe2O3) | |
| • 二氧化矽 (SiO2) |
原料由地表開採後，會進行壓碎處理以縮小顆粒。原料會存放至特殊的樁並進行拌合，以減少水泥成分變異。原料拌合比例需視礦場石灰岩及原料的元素成分而定。接下來用耙取回原料，然後透過輸送帶送往另一個控制點，也就是混合料配料區域。
為了補充石灰岩及黏土，需要使用其他原料，通常稱為「添加劑」。添加劑一般為砂及鐵礦，不過也會使用其他類型原料，例如泥灰、頁岩及飛灰。每座廠的水泥成分組成並不相同，需視特定礦場的石灰岩品質，以及當地可用的添加劑而定。添加劑與石灰岩由礦倉送往原料研磨機。水泥製程之中極為重要的步驟，就是要按照比例將這些原料送往原料研磨機，確保正確地「拌合」原料。這項程序就像是「配方」一樣，用於製造各種不同水泥。一般來說，水泥客戶會希望控制石灰飽和係數 (LSF)、矽石模數 (SM) 及鐵模數 (IM)。原料──在這裡稱為入窯料，將進入由乾燥室及研磨室組成的原料研磨機。此程序所需要的熱能，是來自水泥窯及熟料冷卻器的循環熱。
入窯料之後將送往旋轉窯；旋轉窯是大型的化學反應室，溫度可達約攝氏 1400 度。這項程序形成 C3A、C4AF、C2S 及 C3S 等熟料成分。熱源可能是煤礦、天然氣及/或生質燃料。此外，混合一致性也非常重要，因為一致的拌合不僅能產生更理想的熟料，也對水泥窯具有重大影響，一方面減少水泥窯的能源需求，另一方面則可延長水泥窯內部耐火磚的壽命。
全球大約仍有 90% 的水泥廠使用煤礦作為能源，因應水泥窯內部所需的熱能。使用 PGNAA 技術的線上煤分析儀，可將配煤控制在特定 GCV，此外也能控制煤的灰份值，因為這也會在製程之中添加原料。這種方式可協助水泥生產商「混合」低成本及高成本的煤，在燃料方面進一步節省成本，並能一致地給料至水泥窯。 此外皮帶秤及雜質金屬檢測儀，則可在生產及安全方面提供價值。
進入水泥窯之前的水泥製程著重於元素組成及原料比例，熟料生產後的重點則轉移至元素形成的分子。舉例來說，鐵 (Fe) 出現在混合料之中，需要達到特定比例，不過熟料中相同的鐵可能以 Fe2O3、FeO 或 Fe3O4 等形式出現，而每種成分的濃度都扮演重要角色，影響水泥色彩及強度等物理特性。
如欲判定材料的元素組成，可使用 XRF 分析儀進行，其中以 XRD 平台識別各種相。最終階段是將冷卻熟料研磨為細微顆粒，並添加石膏以控制水泥的固化時間。礦物學在此階段也相當重要，可於實驗室以 XRD 技術量測。
水泥製程的第一個步驟，就是由地表開採石灰岩及黏土。水泥的主要元素成分為鈣、鋁、鐵、矽。不過石灰岩、黏土及砂石之中，有時會出現不必要的元素成分，例如氧化鎂及鈉、鉀和硫等鹼類，不但對製程造成負面影響，也會降低礦場的可開採性。在這類情況下，使用 PGNAA 技術的線上元素分析儀，可協助使用者監測石灰岩之中的氧化鎂濃度，並依據結果加以調整。
皮帶秤可協助量測開採的原料量，夾雜金屬偵測器則可協助找出原料中任何不必要的金屬；這對輸送帶安全及保護非常重要。此外，手持 XRF 分析儀可迅速量測礦場區域，以及可能取樣的任何樣本。
| 開採原料 | 所需的成分包括 |
| • 石灰岩 | • 氧化鈣 (CaO) |
| • 黏土 | • 氧化鋁 (Al2O3) |
| • 氧化鐵 (Fe2O3) | |
| • 二氧化矽 (SiO2) |
原料由地表開採後，會進行壓碎處理以縮小顆粒。原料會存放至特殊的樁並進行拌合，以減少水泥成分變異。原料拌合比例需視礦場石灰岩及原料的元素成分而定。接下來用耙取回原料，然後透過輸送帶送往另一個控制點，也就是混合料配料區域。
為了補充石灰岩及黏土，需要使用其他原料，通常稱為「添加劑」。添加劑一般為砂及鐵礦，不過也會使用其他類型原料，例如泥灰、頁岩及飛灰。每座廠的水泥成分組成並不相同，需視特定礦場的石灰岩品質，以及當地可用的添加劑而定。添加劑與石灰岩由礦倉送往原料研磨機。水泥製程之中極為重要的步驟，就是要按照比例將這些原料送往原料研磨機，確保正確地「拌合」原料。這項程序就像是「配方」一樣，用於製造各種不同水泥。一般來說，水泥客戶會希望控制石灰飽和係數 (LSF)、矽石模數 (SM) 及鐵模數 (IM)。原料──在這裡稱為入窯料，將進入由乾燥室及研磨室組成的原料研磨機。此程序所需要的熱能，是來自水泥窯及熟料冷卻器的循環熱。
入窯料之後將送往旋轉窯；旋轉窯是大型的化學反應室，溫度可達約攝氏 1400 度。這項程序形成 C3A、C4AF、C2S 及 C3S 等熟料成分。熱源可能是煤礦、天然氣及/或生質燃料。此外，混合一致性也非常重要，因為一致的拌合不僅能產生更理想的熟料，也對水泥窯具有重大影響，一方面減少水泥窯的能源需求，另一方面則可延長水泥窯內部耐火磚的壽命。
全球大約仍有 90% 的水泥廠使用煤礦作為能源，因應水泥窯內部所需的熱能。使用 PGNAA 技術的線上煤分析儀，可將配煤控制在特定 GCV，此外也能控制煤的灰份值，因為這也會在製程之中添加原料。這種方式可協助水泥生產商「混合」低成本及高成本的煤，在燃料方面進一步節省成本，並能一致地給料至水泥窯。 此外皮帶秤及雜質金屬檢測儀，則可在生產及安全方面提供價值。
進入水泥窯之前的水泥製程著重於元素組成及原料比例，熟料生產後的重點則轉移至元素形成的分子。舉例來說，鐵 (Fe) 出現在混合料之中，需要達到特定比例，不過熟料中相同的鐵可能以 Fe2O3、FeO 或 Fe3O4 等形式出現，而每種成分的濃度都扮演重要角色，影響水泥色彩及強度等物理特性。
如欲判定材料的元素組成，可使用 XRF 分析儀進行，其中以 XRD 平台識別各種相。最終階段是將冷卻熟料研磨為細微顆粒，並添加石膏以控制水泥的固化時間。礦物學在此階段也相當重要，可於實驗室以 XRD 技術量測。
Online elemental analyzers based on PGNAA or PFTNA technology can help help cement, coal, and steel producers achieve consistent raw material quality, boost efficiency, and lower productions costs.
To learn more about how PGNAA and PFTNA technology works, download our free eBook, A Guide to PGNAA and PFTNA Technology for Non-Scientists.
請瞭解水泥製程於何處使用元素線上分析儀、X 光分析儀、皮帶秤、皮帶秤重給料機、料位感測器及指示器、流量偵測器、沖板流量計、煙囪排氣偵測器、材料儲存追蹤軟體等儀器。
確保完全遵循法規
水泥製造佔全球二氧化碳排放來源的 5%。其中 60% 排放是因為在高溫原料轉化所產生，40% 則是因為燃燒加熱水泥窯至 1500°C 所產生。因此對水泥廠而言，排放監控是因應法規要求非常重要的關鍵。中國部分省份甚至規定水泥廠一年只能營運 9 個月，以便約束排放量。連續排放監測系統是水泥廠的關鍵所在，可協助監控二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、汞及其他微粒物質等有害排放物。
波特蘭水泥類型
- 類型 I - 適用於不需要任何其他類型指定的特殊屬性時。
- 類型 IA - 輸氣水泥，用途與類型 I 相同，因應輸氣需求。
- 類型 II - 適合一般用途使用，特別是需要適度抗硫酸鹽能力的情況。
- 類型 IIA - 輸氣水泥，用途與類型 II 相同，因應輸氣需求。
- 類型 II (MH) - 適合一般用途使用，特別是需要適度水合熱及適度抗硫酸鹽能力的情況。
- 類型 II (MH)A - 輸氣水泥，用途與類型 II (MH) 相同，因應輸氣需求。
- 類型 III - 適用於需要高早強水泥的情況。
- 類型 IIIA - 輸氣水泥，用途與類型 III 相同，因應輸氣需求。
- 類型 IV - 適用於需要低水合熱的情況。
- 類型 V - 適用於需要高抗硫酸鹽能力的情況。
部落格文章：透過自動化提升熟料品質
Cement, Coal and Minerals Resource Library
Access a targeted collection of scientific application notes, case studies, videos, webinars and white papers for the coal, minerals, and cement industries.