第八届VDZ国际水泥大会内容介绍

王俊杰，李桂金，汪 澜

（中国建筑材料科学研究总院，绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

第八届VDZ国际水泥大会于2018年9月在德国杜塞尔多夫成功举行。VDZ（德国水泥协会）国际水泥大会始于1971年，作为水泥技术领域顶级的国际会议，每年都会吸引国际水泥行业众多科学家和工程师参加。本次会议共有全球水泥生产企业、装备供应商、科研院所等600余人参加，集中讨论水泥生产的最新技术和行业发展面临的共性问题。

会议安排了1项主题会议和6项技术会议。主题会议为综合报告，重点讲述了水泥和建筑行业现有的创新技术及未来的发展前景。六项技术会议的主题分别为数字测量与工程、可持续发展和气候变化、环境保护、粉磨技术、烧成技术及水泥和混凝土。下面对涉及水泥行业发展共性问题的部分报告进行介绍。

1 主题会议

● 未来的水泥厂—水泥生产的创新和技术发展

● 建筑业的技术动向与创新

● 混凝土及其数字化制造

● 走向低碳未来的水泥行业

● 全球水泥和混凝土协会介绍

《未来的水泥厂—水泥生产的创新和技术发展》重点从CO2减排、环境保护、替代燃料使用、规模经济和数字化等方面阐述了水泥行业的发展。在CO2减排方面，重点探讨了CCS（CO2捕集和封存）技术，包括CO2燃烧后捕集、过程CO2分离（LEILAC计划）、全氧燃烧、CO2养殖藻类等。在环境保护方面，围绕NOx减排，论述了SCR脱硝技术，并简要分析了高温高尘（340℃，-100g/Nm3）、高温低尘（300℃，-5mg/Nm3）和低温低尘（220℃，-5mg/Nm3）的优劣；围绕SO2减排，分析了干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫3项技术。在替代燃料使用方面，认为降低生活垃圾或污泥的含水量可以大幅度提高其处置率，对于没有合适烘干热源且空间充足的企业可选择生物干化，可将生活垃圾含水率由60%降低到20%；对于有合适热源且空间有限的企业可选择低温带式干燥技术，可将生活垃圾含水率由35%降低到20%。规模经济的趋势使得现有水泥装备逐步大型化，如单条生产线熟料产量最高达12 000t/d，原料磨1 000t/h，煤磨210t/h，水泥磨500t/h。在数字化方面，论述了海德堡水泥智能工厂的实施路径：远程监控、移动操作（中控室无人化）、初级IROC（远程操作）、IROC（集中操作）、基于大数据的预测分析。

《走向低碳未来的水泥行业》从能效提高、替代燃料使用、降低熟料比例、CCS等方面阐述了水泥行业的发展。目前能效提高的途径之一是采用余热发电技术，包括有机朗肯循环（ORC）、Kalina循环和传统以水为介质发电，其中ORC适用温度范围100℃～400℃，效率20%～25%；Kalina适用温度范围120℃～500℃，效率＜15%；传统以水为介质适用温度范围250℃～500℃，效率20%～25%。到2050年，替代燃料使用率预期可达到30%～60%，水泥中熟料比例预期可达到60%～70%。围绕CCS，重点介绍了由欧洲水泥研究院（ECRA）组织研发的全氧燃烧项目，该项目从2007年启动，分为6个阶段，已经完成了前期调研、实验室及小规模研究、中试规模设计及成本估算等工作，并确定了两家示范水泥企业。围绕CO2减排，该报告还从产业链的角度阐述了水泥中熟料比例与混凝土、建筑之间的相互关系。

2 数字测量与工程

● 水泥行业的大数据分析

● 数字化的重型建材—从Heidel开始转型

● 工业物联网—以立磨为例

● 数字化—撬动水泥行业的运行效率

● 数字化转型：德国水泥工业考察报告

● 如何系统性地对水泥行业数据进行评估

《水泥行业的大数据分析》主要介绍了实时优化（RTO）的应用和机器学习用于故障检测。RTO主要应用于立磨和窑系统。以立磨为例，通过建立了包含9个模型和6个约束模块的复合模型，形成闭环的、具有完全自动决策和执行命令的实时优化系统。在年产量不变的情况下可减少约300h的运行时间，或提高台时产量；降低了生料制备电耗；延长在低谷电价的运行时间。基于机器学习的故障检测系统可以识别设备不正常运行情况，至少提前10d预测出设备故障。

《工业物联网—以立磨为例》主要展示了工业物联网应用于立磨的远程控制与诊断。借助VR、云平台等技术，报告人在会议现场通过VR眼镜对3D打印的立磨模型进行控制，现场控制指令通过云平台、无线传输等手段与水泥企业现场数据进行交互，从而实现立磨的远程控制。进一步，展示了立磨轴承垫应力在线分析，可用于疲劳强度评估进而实现预知性维护。

3 可持续发展和气候变化

● 最大化余热发电量和熟料产量的措施

● Calix 过程CO2分离技术和LEILEC计划进展情况

● 采用钙循环技术生产低碳水泥的潜力

● CO2转化的技术-经济性评价

● 欧洲化工行业的低碳能源和原料

● 使用水泥工业CO2进行碳减排的神话和现实

《Calix过程CO2分离技术和LEILEC计划进展情况》为水泥和石灰行业提供了一种新型的CO2富集技术。通过在分解炉内布置中心管并采用间接加热的方式，使生料分解产生的高浓度CO2被单独引出，从而富集水泥生产过程产生的约60%CO2。LEILEC（Low Emissions Intensity Lime And Cement）于2016年启动，计划通过5年时间在水泥、石灰行业建立该技术的示范工程，其中水泥行业示范工程设计产量10t/h。重点研究中心管的腐蚀、生料分解与产量、示范工程投资及未来工程放大等。目前已经完成了相关实验研究和CFD模拟工作，正在海德堡水泥进行示范工程建设。

《采用钙循环技术生产低碳水泥的潜力》介绍了钙循环捕集CO2技术及其应用于水泥行业的Cleanker计划。钙循环捕集CO2包括两个步骤，即碳化过程和分解过程，前者采用CaO对烟气中的CO2进行吸收，后者即CaCO3在全氧燃烧条件下的分解并产生高纯度CO2。影响钙循环捕集CO2的关键在于吸收剂（即CaO）的捕集能力。目前该技术已经在电力行业进行了一些示范，最大示范项目为1.7MW。与电厂相比，该技术可与水泥行业分解炉相结合，但是需要采用全氧燃烧形式；水泥生料可作为CO2吸收剂。Cleanker计划始于2017年，旨在验证钙循环技术应用于水泥行业的可行性，对技术-经济性进行评价等。目前已经完成了示范工程参数收集和技术路线设计等。

4 环境保护

● 德国水泥行业NOx减排技术

● Goellheim水泥厂 2号窑高尘SCR技术运行经验

● 中国NH3-SCR技术的研究进展和应用前景

● 集成DeCONOx、Xmercury和污泥干化系统实现污染物减排

● 水泥生产过程汞的平衡

● 连续性过程气体和汞的排放监测

《德国水泥行业NOx减排技术》综述了德国水泥行业NOx减排措施，包括过程减排、SNCR和SCR。德国水泥行业2019年NOx排放限制为200mg/Nm3，NH3排放（包括原料带入氨和氨逃逸）为30mg/Nm3。报告列举的SNCR案例之一通过分别控制5只氨水喷枪、在线CFD模拟气体流速、结皮检测、在线计算最优喷入量等措施可实现NOx控制在200mg/Nm3以下，NH3排放控制在30mg/Nm3以下。SCR包括位于预热器之后的高尘布置和收尘器之后对烟气再加热的低尘布置。德国采用高尘布置的水泥生产线4条，反应温度340℃～380℃，吨熟料增加电耗4～5kWh/t；采用低尘布置的水泥生产线1条，烟气再加热至315℃，吨熟料电耗增加＜4.5kWh/t。除此，采用Auto NOx技术的生产线2条，该技术类似于低尘SCR，通过蓄热-换热来加热低温烟气；有1条生产线正在试运行滤袋负载SCR催化剂脱硝除尘技术，该技术运行温度210℃¯220℃；另有1条生产线采用了DeCONOx技术，该技术将低尘SCR与RTO（蓄热式热力焚烧系统）相结合，在脱除NOx同时脱除CO和有机物。总之，德国水泥行业目前正在运行的SCR生产线共有9条，另有10条生产线正在建设或者规划SCR技术，4条生产线正在对SCR技术进行调研并且很可能会采用。

《中国NH3-SCR技术的研究进展和应用前景》由中国建筑材料科学研究总院汪澜进行介绍。报告首先讲述了中国水泥行业NOx排放标准的变化，围绕近年来越来越严格的NOx排放要求，诸多研究设计院所投入水泥行业SCR技术研发。与欧洲水泥行业相比，中国绝大部分生产线都建设有余热发电系统，欧洲普遍采用的SCR高尘或低尘布置直接应用于中国水泥行业，可能导致余热发电量大幅下降或烟气再加热电耗过高等。为此，中国SCR技术的研究侧重于通过调整催化剂氧化还原性、表面酸度等，降低SCR反应温度窗口，如反应温度窗口在200℃左右的中温SCR和反应温度窗口在150℃左右的低温SCR。结合工程示范案例，汪澜教授分别对高温高尘、中温中尘和低温低尘3种SCR布置方式进行了介绍。

《水泥生产过程汞的平衡》重点讲述VDZ对德国水泥行业汞排放的调查，涉及原料、混合材和水泥产品等41种材料。其中，石灰石等钙质原料汞含量的加权平均值为0.024mg/kg，高炉矿渣为0.013mg/kg，工业废物为0.142mg/kg等。测试中定量限、不确定度等的选取会对结果造成较大影响。除此，还对3条水泥磨生产线进行了长期测试，包括烟囱烟气汞浓度在线监测、化学检测及进出口物料中汞含量的测试。结果表明，由于烟囱位置温度较低（＜120℃），烟气汞浓度测试值均在测量不确定度范围内；混合材使用汞含量较高的粉煤灰或者较低的飞灰与烟气汞浓度没有明确关系。总之，德国水泥工业中物料带入的汞高于燃料带入的汞；汞排放中约60%存在于产品中，约40%随烟气带走。

5 粉磨技术

● 粉磨技术的发展趋势

● MVR立磨的广泛运行结果

● 应用VRM对新型复合水泥基材料易磨性调查的研究

● KHD辊压机用于Nuh Cimento’s欧洲最大升级项目

● 水泥分别（超细）粉磨技术

《粉磨技术的发展趋势》重点讲述了德国水泥行业粉磨技术现状和未来发展。近年来，粉磨技术的发展主要包括产品细度的提高、产品的多样化（如单台磨最高可磨12种水泥）等，粉磨技术的发展趋势为高压粉磨、高效选粉机、测量和控制技术。德国水泥行业共有球磨机105台，典型的配置如下：功率2 300kW，直径3.6m，长度12.5m，粉磨4种类型的水泥，产品平均细度430m2/kg。共有立磨24台（均是磨盘驱动），用于生料磨18台，水泥磨2台，高炉矿渣磨4台，煤磨2台；35%为圆锥形辊，65%为凸形辊；产量范围17¯400t/h；80%的立磨都曾因振动发生过停机。共有辊压机20台，其中联合粉磨1台，预粉磨11台，半终粉磨6台，终粉磨2台；辊面有效面积0.4～2.2m2，平均1.1m2；磨辊压力3¯8N/mm2，平均4.9N/mm2；磨辊间隙7-45mm，平均24mm。在上述粉磨系统操作中，使用专家系统（expert system）控制的16家，PID控制的64家，人工控制的15家。产品细度的检测方法包括人工检测、自动检测和在线检测，检测依据包括布莱恩细度、筛余和激光粒度，人工检测以筛余检测为主，自动检测以激光粒度为主，在线检测均为激光粒度。最后，报告认为虽然目前数字化和人工智能很热门，但是在粉磨环节仍然缺少有效而实用的工具。

6 烧成技术

● 余热发电—从概念到运行

● 替代燃料用于主燃烧系统的研究

● Sousel水泥厂高含水率RDF的烘干

● Duna-Drava水泥厂改造以实现了更高的AFR利用率

● Prepol-SC 5年运行经验

● 提升产量并节约能源—逆流换热旋风筒

《替代燃料用于主燃烧系统的研究》通过实际测试和现场试验，研究了替代燃料粉粹、独立燃烧器、富氧燃烧的影响。表明在保持替代燃料使用量为3t/h的情况下，粉粹后的替代燃料应用于主燃烧器增大了火焰宽度，熟料f-CaO含量由2.5%降低至1.8%，烟室CO浓度由0.12%降至0.11%，NOx浓度由480mg/Nm3增大到650mg/Nm3。将粉粹后的替代燃料通过独立卫星燃烧器加入，f-CaO含量为1.1%，烟室CO和NOx的浓度分别为0.05%和1 220mg/Nm3。富氧燃烧的应用可增加熟料中Alite的含量而降低Belite的含量，改善替代燃料的着火情况，并增加火焰温度。

《Prepol-SC五年运行经验》介绍了用于处置替代燃料的Prepol-SC系统使用情况。由于具有独立阶梯式燃烧室，替代燃料在Prepol-SC系统中停留时间＞1 000s，可处置尺寸＜250mm的替代燃料。报告中介绍的某4 800t/d熟料生产线，使用Prepol-SC系统可处置含水率25%的替代燃料量10t/h。除此，SNCR还原剂使用量减少了30%，并降低了替代燃料水分、热值波动对窑系统的影响等。

《提升产量并节约能源—逆流换热旋风筒》介绍了史密斯最新研究的CCX旋风筒。与传统的旋风筒不同，CCX旋风筒没有内管，物料从上部喂入，通过撒料装置均匀撒料；经过气固分离后的气体从旋风筒锥部侧边抽走。较传统旋风筒，CCX旋风筒可以进一步增强换热，如传统旋风筒出口物料温度较气体温度低5℃～10℃，而CCX旋风筒出口物料温度较气体温度高62℃；降低旋风筒压降；减轻预热器框架承重等。实际应用案例表明与上一代的DDX旋风筒相比，使用CCX后产量增加了8%，出口物料温度高于气体温度60℃，压力损失降低25%以上，出口粉尘40～45g/Nm3，分离效率达到94%。泥主要矿物组成为硫硅钙石（C5S2S）和Ye’elimite（C4（AxF1-x）3S），煅烧温度1 250℃～1 350℃，与普通硅酸盐水泥相比可实现CO2减排30%。硼酸盐是Ternocem水泥最优的混凝剂。石膏的掺量对Ternocem水泥早期和后期强度影响很大。Ternocem混凝土强度的发展及水胶比对强度的影响与CEM I配置的混凝土大致相同。由Ternocem水泥配制成的混凝土板最早应用于2014年，展示出良好的工作性和表面光洁度，以及较高的28d强度。Ternocem水泥于2016年用于制造铁路枕木，养护9h后枕木强度达到32.3MPa，28h后达到61.3MPa。同时，尽管水胶比只有0.36，但是展现了良好的流动性和高致密性。除此，该水泥还应用于意大利、瑞典等地。

《中国的硫铝酸钙水泥（CSA）》由中材国际的隋同波进行介绍。重点对熟料掺量低的硫铝酸盐水泥（CSA）、高贝利特水泥（HBC）和高贝利特硫铝酸盐水泥（BCSA）进行了介绍。报告对中国CSA的发展进行了综述，包括CSA的产品种类、矿物组成及水化、性能控制等，并指出CSA的关键是强度发展和膨胀作用间的相互协调。进一步，讲述了BCSA的最新进展，BCSA中硅酸二钙（C2S）含量40%¯60%，无水硫铝酸钙（C4A3S）含量20%¯40%，煅烧温度约1 300℃。所讲述的BCSA示例中C2S含量48%，C4A3S含量37%，比表面积351m2/kg，其不同龄期强度较波特兰水泥均高约10¯15MPa。除此，其干缩率较波特兰水泥降低了50%，并展现了良好的抗硫酸盐侵蚀等性能，但是在与外加剂的适应性、抗碳化能力等方面仍需要进一步研究。

7 水泥和混凝土技术会议

● LC3：从胶凝材料中减少CO2排放的突破性技术

● Ternocem的研究进展—一种贝利特-Yeélimite水泥

● 中国的硫铝酸钙水泥（CSA）

● 混凝土碳化—气化效益和环境问题

● Solidia技术

● 基于性能实现混凝土的成分设计

《LC3：从胶凝材料中减少CO2排放的突破性技术》中LC3指Limestone Calcined Clay Cement，即石灰石煅烧粘土水泥。LC3计划始于2013年，旨在通过石灰石和煅烧粘土间的协同反应来替代部分熟料，从而降低水泥CO2排放量。与PC（波特兰水泥）相比，LC3-50（即熟料掺量50%）具有相近的抗压强度，但是CO2排放量可降低30%，同时拥有更好的抗氯离子渗透性和抗碱骨料反应特性。LC3水泥之所以具有较高的强度得益于煅烧高岭土产生的偏高岭土具有较高反应活性，同时偏高岭土中Al2O3与石灰石协同反应，产生空间填充水合物。不同龄期，LC3水泥的抗压强度均与煅烧黏土中的偏高岭土含量呈线性关系。LC3水泥目前已经得到规模化的生产和应用，第一条工业应用线2013年建于古巴，共粉磨了130t水泥并用于生产混凝土预制品。但是目前LC3水泥可能存在工作性、碳化和颜色问题。

《Ternocem的研究进展—一种贝利特-Yeélimite水泥》介绍了Ternocem水泥、混凝土性能及应用情况。Ternocem之前称为BCT水泥，即Belite-Calciumsulfoaluminate-Ternesite水泥。Ternocem水