我国水泥工业生态优先的经由之路

2021-01-12

水泥技术 2021年4期

2016年，《巴黎协定》确立了2020年后国际社会合作应对气候变化的基本框架，提出把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2℃之内，并力争将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5℃之内的目标。在国内，我国第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要中，明确提出把科技自立自强作为国家发展战略的支柱，把“生态优先，绿色发展”作为国家的发展方向。

2021年政府工作报告中首次提出了“碳达峰”、“碳中和”发展目标。其中，“碳达峰”是指温室气体的最大年排放值，“碳中和”是指二氧化碳排放与二氧化碳吸收量在一定时期内的平衡。“碳达峰”、“碳中和”的提出对我国未来的可持续发展具有重要意义。传统的水泥生产过程是高能耗、高污染物排放的过程，在此国家战略背景下，我国水泥产业正朝着低碳环保、减少污染物排放、提高消纳废弃物的水平和比率的方向努力。

本文把我国水泥工业当前取得的科技成果进行了归纳，并结合国外的产业科技发展现状进行了分析，提出了推行水泥产业“生态优先，绿色发展”的思路，供我国水泥科技工作者参考。

1 绿色水泥矿山的建设

传统的石灰石开采往往只注意资源的开发而忽略生态环境的保护，这必然会对生态环境造成负面影响。为了保护环境，应秉承“绿水青山就是金山银山”的理念，改变矿山开采模式，促进水泥矿山的绿色发展，重点在以下几方面下功夫：

（1）除矿石开采本身外，在生产过程中还应最大限度地关注生态环境保护和废弃矿山的利用问题。

（2）进行动态复绿，通过先进技术，快速栽植适宜当地条件的植被，实现矿山开发整个过程全程复绿，从根本上改变矿山环境。

（3）变废为宝，使废弃矿山完全成为新型产业的建设之地，给后续产业发展提供新的机会。

我们应以现代矿山质量控制技术为基础，对矿山资源源头实施质量控制，提高矿山资源综合利用率，延长矿山使用年限。一般认为，我国水泥绿色矿山的使用目标是：矿山服务年限在30年以上，资源利用率＞95%，矿石回采率在95%以上，生态修复率应为100%。

根据《国家标准化体系建设发展规划2016-2020》的总体要求，2018年年初，中国矿业联合会出台了我国首个绿色矿山建设团体标准；中国自然资源部发布了9项行业绿色矿山建设规范。这些标准规范的出台，必将推进矿业绿色发展的进程。

2 智能化数字矿山建设

我国是一个石灰石资源丰富的国家，据估算，我国的石灰岩地层储量有上千亿吨，几乎在所有地质年代的地层中都存在石灰岩胚胎，但这些资源也不能随意使用。除了水泥行业之外，钢铁、陶瓷、塑料、混凝土、建筑工程等行业都要使用石灰石，即便单从减少碳排放的角度出发，也应少用石灰石，多开发低钙产品。

水泥行业是一个石灰石原料需求量较大的行业，为了节约资源，许多水泥生产线都采用了低品位石灰石。今后，我们还应继续探索低品位石灰石矿床的工业开采价值，而建立智能型矿山开采系统就是一个很好的发展方向[1]。智能化矿山可具备超级自动化、物联网、大数据和人工智能技术，还可将可持续发展和绿色发展理念融入其中，有助于开采低品位矿床。

天津水泥工业设计研究院有限公司在20世纪90年代开发了“三维彩色矿床模型系统”软件，该软件以人工设定的数据和地质纵剖面图为依据，以钻孔和槽探数据为核心，形成采矿境界。该软件的开发和使用，是水泥矿山开采由二维向三维计算机设计方向转变的一个非常成功的案例，并一步步向提高矿块模型软件的准确性及实用性，实现高水平三维数字化软件功能，提高计算机设计水平而迈进。

3 料床粉磨技术的优化

3.1 辊磨与辊压机的发展现状[2]

我国电力来源主要是以化石类燃料发电为主，而水泥制造粉磨工序电耗约为水泥制备全部耗电量的70%，为了更多地减排水泥工业CO2，就必须节约水泥制造粉磨电耗。传统的水泥粉磨设备主要为球磨机，设备能量消耗很大，不适应环保节能需要。为了最大限度地节能和制造开发更多的符合要求的产品，就必须研究粉磨节能的机理，研究物料颗粒形貌，开发更有效的粉磨技术等。目前，以颗粒学和料床粉磨理论为设备制造基础，研发的辊磨和辊压机已在国内外得到了广泛应用，我国在这方面已取得很大成绩，并正在深入研究和开发性能更优的设备。

（1）辊磨发展现状

国内外十多家公司相继研制了各种类型的辊磨，辊磨磨机功率可达10 000kW以上，其粉磨机理不同于球磨机的单颗粒粉磨，辊磨不仅大大提高了粉磨效率，还降低了环境噪声。

在国际上，如德国莱歇公司研制了LM辊磨、非凡公司研制了MPS辊磨、伯利休斯公司研制了RM辊磨、丹麦史密斯公司研制了ATOX辊磨、日本宇部公司研制了UB-LM辊磨。

在国内，辊磨技术已很成熟，与5 000～7 000t/d水泥熟料生产线配套的大型辊磨有TRM型辊磨、HRM型辊磨和LGM型辊磨，天津水泥工业设计研究院有限公司还开发了首台TRM型国产矿渣辊磨，辊磨终粉磨系统也已成功粉磨水泥。

（2）辊压机的发展现状

辊压机是根据料床粉磨原理设计的。辊压机粉磨时，物料不是在破碎工作面上或在粉磨介质间作单个颗粒的破碎与粉磨，而是以层状物料的形式被挤压粉碎，通过压力使一些颗粒压迫临近颗粒致其破裂粉碎。辊压机粉磨时在双辊之间一定要有一层料层，辊压决定于颗粒间的压力而不是两辊间的缝隙，其特点是辊压高、磨辊慢速旋转、料层饱满。辊压机物料循环方式有粗粉循环、料饼循环和粗料循环等，其合理的物料循环有利于提高辊压机粉磨效果。

辊压机可以用于水泥和生料的终粉磨，也可以用于水泥粉磨的预粉磨，其粉磨系统有多种形式。辊压机工艺流程简单，噪声低，装机功率可达8 000kW以上。德国洪堡公司、伯利休斯公司等都是有名的辊压机制造公司，天津水泥工业设计研究院有限公司、合肥水泥研究设计院有限公司等通过自行开发，已使国产化的辊压机设备达到很高的技术水平，并已出口国外。

3.2 料床粉磨技术的研究与探索

随着料床粉磨技术的不断创新，辊磨与辊压机目前均可用于水泥生料、水泥、煤炭、矿渣等多种矿业产品的粉磨。料床粉磨的设备结构、系统以及对原料的适应性等方面都有了很大进步，目前料床粉磨技术的研究与开发有如下动向[2]：

（1）设备规格大型化，表现在窑磨能力同步增长。

（2）设计理念变化，动力相似的不同磨机，盘径相差很大。

（3）重视选粉机的作用，选粉效率不断提高。

（4）重视智能化控制设计，不断调整优化操作参数。

（5）设备操作要求更加精细。

（6）水泥颗粒形貌的研究不断深化。

4 颗粒流体理论在水泥热工工艺上的深化研究

固气多相流是水泥工艺中常见的颗粒流体运动形式，如水泥生料的悬浮预热和分解、煤粉的燃烧、熟料的冷却等，主要表现为颗粒群的非均匀的多尺度形态、状态多值性及突变等。流体理论在水泥工业的应用有如下几个方面：

（1）对水泥工艺颗粒流体系统的研究，主要有简单平均法和单颗粒跟踪法两种方法。简单平均法是最常用的方法，可处理非均匀结构流体系统。其研究的颗粒体积越小，精度越高，但是使用该方法时往往使用的颗粒平均体积都很大，因为规格放大效应，平均后的结构信息容易丢失。而单颗粒跟踪法是最理想的方法，但其受现实计算能力和测量技术水平制约，实行起来有一定难度。因为热量传递是不可逆的过程，“能量”也分为不同的能级，不管水泥产品在制造过程中消耗了多少能量，单纯用“量”的概念去评价“能”的使用价值是不够准确的，必须用一个既能包括“能”的质量又能反映“能”的数量的数学参数去表达，如用exergy（有效能）和anergy（无效能）。

（2）旋风预热器是由窑后的旋风器及连接管路组成的，我国在旋风筒和管路二相流的研究方面，具有一定的理论水平并获得了很好的应用成果。新型旋风预热器在气-固分离、流态化换热及筒体的卸料防堵等方面作了改进，有2级、4级、5级和6级等类型旋风预热器，实际应用时应根据具体情况进行调整和改进设计。

（3）分解炉是分解水泥生料中CaCO3的主要设备，还是协同处置废弃物（如污泥）时的废弃物投入点。目前世界各国使用的分解炉有30多种，我国水泥界也对分解炉作了相当多的研究。我国对于高效分解炉的开发思路是，力求使其发挥综合效应，使分解炉内的热量传递、质量传递、动量传递和化学反应均得到优化。现在水泥工业协同处置废弃物技术得到了长足发展，应加强对那些适合在分解炉内使用的代用燃料的研究。

（4）随着科学技术的发展，水泥工业已具备了利用数学模型来全面描述水泥生产过程实质的能力，即可以通过改变变量求解的方法进行数学模拟试验，以取代实物模型试验，这就是热工系统的数学模型与仿真技术。天津水泥工业设计研究院有限公司已为此作了许多研究工作，建立起热工系统的悬浮预热器、分解炉、回转窑、燃烧器和冷却机等的半经验半理论模型，以系统热效率为目标函数，利用数学模型进行若干工况条件为变量的计算机模拟试验，今后还要深入利用更先进的Fluent等流体力学软件进行技术开发，以争取取得更好的成绩。

5 水泥工业收纳废弃物的延伸研究

5.1 水泥窑协同处置废弃物技术的发展现状

在水泥行业，废弃物可用作水泥烧成的代用燃料和代用原料，我国在20世纪80年代就开始探索水泥窑协同处置（co-processing）废弃物技术。水泥窑协同处置废弃物技术主要包括：工业废弃物和农林废物的焚烧处置，污泥的焚烧处置，生活垃圾、危险废弃物的焚烧处置等。目前，在我国积极推行垃圾分类之后，为水泥工业提供了参与废弃物处置利用的更好机会，水泥工业可以担当起更重要的环保责任，促进水泥工业的可持续发展。

从粉体技术观点来看，国内外成功处置废弃物的技术案例和系统如下[4]：

（1）物料预处理系统（Shredding-Mixing-Pumping System），是为解决工业废弃物和危险废弃物而设计的物料预处理系统，即破碎-混合-泵送系统。该系统全程无需人工参与，自动运行，最大限度避免了操作者与危险废弃物的直接接触。该概念在1988年提出，1998年德国首次采用，是危废预处理最先进最合理的程序之一。目前我国已有企业引进该系统，南京水泥工业设计研究院也开发了适于国内的预处理系统，取得了很好的成绩。

（2）丹麦史密斯公司热盘炉（Hotdisc）技术，是在水泥生产线的分解炉处设置热盘炉垃圾焚烧装置，与水泥窑外的预分解系统组成一个整体，进行垃圾焚烧处理的技术。其主要工艺流程是：窑三次风、部分高温生料和可燃废弃物一同进入热盘炉内，在慢速旋转的圆盘上充分地氧化燃烧。圆盘的转速为1～4r/h，从物料进口到炉渣和生料混合物卸出，在圆盘上大约要运行270°，卸出的残渣向下落入窑尾，细小的飞灰和生料则随高温气体进入分解炉。系统运行时，可以根据可燃废弃物的性质，调节圆盘的转速，使其在炉内有足够的停留时间，达到废弃物充分焚烧的目的。

（3）垃圾焚烧飞灰和垃圾焚烧灰的无害化处理系统，是日本20年前开发的技术，可以有效处理“氯”的危害，还可利用焚烧灰和飞灰作为代用原料，生产“生态水泥”（ecological cement），目前，已拥有工业技术标准。我国也在积极推广垃圾焚烧飞灰技术。

（4）利用水泥窑协同处置污泥技术，是近年来国际、国内流行的一项新技术，污泥可以作为水泥生产的部分燃料，焚烧后的灰渣可以作为水泥生产的添加材料。其生产工艺包括湿污泥接收、输送、干化、水泥窑高温处置等，每3～4t干污泥可替代1t原煤，这是现代水泥生产中一项处置废弃物的有效节能技术。由天津水泥工业设计研究院有限公司建设的桐乡100t/d污泥处置装置，脱水泥饼含水率可降至50%，实现了污泥深度脱水，经济效率显著。另外，华新、华润等集团也在处理污泥方面取得了很大的成绩。

5.2 消纳废弃物的其他延伸研究

（1）废弃物综合利用的研究

一般来说，企业都能结合自身工艺特点开发处置废弃物的装置，但由于水泥熟料生产有着严格的生料化学组分设计要求以及对成分波动范围和熟料产品质量的控制要求，所处置的废弃物组分变化或波动较大、所含微量元素不同和浓度不同、性能差异较大时，均会对水泥生产的稳定性和产品质量带来影响，所以水泥工业对废弃物的质量有一定要求。现在水泥企业收纳废弃物后，需要研究的主要问题是废弃物对环境的影响，特别是有毒有害废弃物的前处理评估，以及对水泥熟料质量的影响。此外，还要研究废弃物的综合利用、衍生燃料的开发、制定和完善消纳废弃物的法律法规等，需提高我国水泥企业处置废弃物的社会责任意识。

（2）生物质替代燃料技术的发展[4]

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，各种垃圾中的生物质成分具有可燃性，焚烧垃圾时一方面处理了垃圾，另一方面可利用它的热值作为水泥窑用的代用燃料。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物等。目前很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。据报道，日本正在研究油藻新能源的生产方法，是利用微藻养殖的研究成果，将部分CO2供给藻种制成一定数量的干油藻，然后将其作为水泥回转窑新燃料。但这一技术开发要涉及农业、化工、粉体和生物工程等领域，难度较大。

我国海螺、华新等水泥集团近年来都加强了江河漂浮物、农业废物等的处理与应用研究工作。

（3）垃圾衍生燃料的开发[4]

垃圾衍生燃料开发技术，是近年来国外发展起来的综合废物分类处理技术。采取机械处理生物获取的垃圾衍生燃料（RDF），具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和二恶英类物质排放量低等特点，美国、加拿大、日本等已进行了许多研究。其中，美国开发的一种RDF，可供水泥工业使用。加拿大生物燃料Enerkem Inc.公司采用热化学法对RDF和其他一些废弃物进行了高效气化，制成了一氧化碳和氢的复合气体生物燃料，可供更多工业领域使用，有效减轻了社会废弃物的处理压力。日本也对“衍生燃料”进行了研究，并在新能源方面取得了进展。

我国近年来参与这项技术研究与开发的单位也在增加，例如有：四川雷鸣生物环保工程有限公司、四川理工学院材料与化学工程学院、武汉理工大学资源与环境工程学院、西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室、中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司、北京钧天工贸有限公司等。

6 新型低碳水泥工业体系的建立

在我国重要的工业部门中，除了煤电和钢铁工业外，水泥工业中二氧化碳排放量最大，约占全国总排放量的六分之一。水泥生产中的碳酸盐分解是最大的非燃烧类二氧化碳排放源。当设定水泥吨熟料热耗为100kg标煤、吨水泥综合电耗为100kW·h、掺入20%混合材时，我国普通硅酸盐水泥制造过程中，每吨水泥约排放0.6tCO2。建立低碳水泥工业体系的实质是减排CO2、提高能源利用效率和发展循环经济。

传统水泥制造业在减排CO2等方面已取得很大成果，例如，余热发电、利用废弃物作为代用燃料或代用原料等，都是大家熟知的内容，此处不再详述，以下部分仅探讨如何发展新型低碳水泥工业体系。

6.1 “以质代量”发展低碳经济

减排CO2不单是某一个生产领域某个环节的工作，从产品的生命周期来看，它涉及到社会的许多领域，国家应在法律法规方面予以支持，还要完善和编制相应的技术标准和规范，全社会都应予以支持和协作。

现代建筑工程越来越高的要求是混凝土的功能化，所以“以质代量”也是水泥领域中的最好的减排CO2措施。

6.2 开发非波特兰水泥体系新产品

开发如硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铝酸盐水泥和阿利尼特水泥等。其中，硫铝酸盐水泥的原料为低品位矾土、石灰石和石膏，因为其石灰石的配合量低，所以烧成温度低，CO2排放量也低。氟铝酸盐水泥用于抢修、堵漏等特殊工程，铝酸盐水泥主要应用在耐火材料方面。尽管非波特兰水泥体系的水泥尚未大量生产和使用，但在某些特殊场合可以代替普通水泥发挥更好的作用。

此外还有碱激发胶凝材料、利用电石渣及CO2合成纳米级轻质碳酸钙的研究报道，碱激发胶凝材料是一种新型胶凝材料，超细轻质碳酸钙是一种新型功能填料，广泛应用于橡胶、塑料、涂料、油墨、造纸、牙膏、食品以及电子工业中。

6.3 加强国际合作，开发CO2减排的新技术

抓住机遇，通过一带一路项目、利用CDM机制加强国际合作，在促进传统工艺减排CO2的同时，开发和引进CO2捕获与封存等控制温室气体的新技术，水泥企业能为减排温室气体承担更大的社会责任。

7 水泥粉体改性与多功能化水泥的发展

水泥的改性一般是通过物理法或化学法，使水泥粉体产生物理化学变化并使其性能发生变化，粉体技术中的“粉体表面改性”在水泥工业中得到了很好应用。现在随着粉体技术的发展，采用机械力化学法和纳米技术改性法的研究也越来越受到人们的重视。

7.1 水泥粉体的改性目的

（1）高强度水泥发展的需求。随着高层、大型建筑结构的出现，有的工程需要混凝土加强抗拉强度，水泥不是最终产品，所以要通过水泥的改性达到高强度混凝土的要求。

（2）特种水泥发展的需求。如大坝水泥、白色水泥和彩色水泥、快硬水泥、油井水泥、军工水泥等，各种特种水泥的发展，都需要对水泥进行改性处理。

（3）新型功能水泥发展的需求。如现在新出现的陶瓷水泥（硬度可与硬塑料媲美）、碳纤水泥（耐高温、阻燃性好）、木质水泥（其制品能像木材一样锯切、钉割和开螺孔）、变色水泥（可预报天气、湿度的变化）、夜光水泥（贮存白天的日光及来往车辆的灯光，夜晚时闪闪发光，构成“夜光公路”）等，都需要对水泥进行改性处理。

7.2 水泥改性的方法[6]

（1）改变原料配料，制备不同品种水泥。

（2）控制水泥细度，制备不同强度水泥。

（3）采用不同粉磨方法，改变水泥颗粒特性。

（4）添加水泥助剂。

（5）利用粉碎机械力化学效应。

7.3 多功能、高性能水泥的研究进展

近期出现了一批“优秀功能水泥”或“智能水泥”，例如，防电磁爆水泥、抗震水泥、艺术水泥、透光水泥等，这些令人惊异的功能水泥，丰富了水泥品种和水泥性能。

8 新能源的开发与利用[7]

新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、潮汐能、氢能、沼气等。目前，水泥工业发展已进入能源变革的时代，在不同的水泥工艺生产单元可考虑采用适用的非化石燃料新能源，从而减少CO2的排放量。另外，水泥热工领域的废气余热的利用也在向多方向发展，如可用于民用采暖、洗浴热水和冬季游泳池用水等。

8.1 新能源的发展

（1）清洁能源，即绿色能源，是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，包括核能和可再生能源。清洁能源的含义包含有三点：第一，清洁能源是指能源利用的技术体系是清洁的；第二，清洁能源不但强调清洁性，同时也强调经济性；第三，清洁能源的清洁性要符合相关的清洁标准[7]。

（2）非化石能源，是由非煤炭、石油、天然气等之外的其他物质，经长时间地质变化形成的能源，是一次能源类型外的能源，包括可再生能源，如风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等，也包括核能等新能源。提高非化石能源在总能源消费中的比重，能够有效降低温室气体排放量，保护生态环境。预计到2030年，我国非化石能源占一次能源消费总量的比重将达到20%左右。

8.2 氢能

氢在地球上主要是以化合态的形式存在，是宇宙中分布最广的物质，它构成了宇宙质量的75%。氢具有燃烧热值高的特点，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，氢能是世界上最干净的能源，也是二次能源。氢的制取、储存、运输、应用技术的发展，或将成为本世纪备受关注的焦点。

8.3 微藻制油

微藻是一些微观的单细胞群体，是最低等的自养的释氧植物，它在生长过程中可将CO2转化为微藻自身的生物质，从而能够固定碳元素。在工业生产中，通过诱导反应可使微藻自身的碳物质转化为油脂，再经提炼加工可生产出生物柴油。利用微藻吸收二氧化碳，生产生物柴油和生物燃气的过程，即是微藻制油的工艺过程。在水泥生产过程中，可利用生产所排放的CO2进行微藻制油，从而达到减排CO2的目的。另外，藻类物质在吸收CO2的同时，还可吸收NOx，有的物种还可吸收SO2，因此，对水泥生产微藻制油降低碳排放的研究是一个重要课题。

8.4 AI新基建发电厂

全称应为“新型基础设施建设发电厂”，现已成为热议词汇，并被认为是中国未来经济增长的新引擎。AI作为信息基础设施板块中的新技术基础设施，从其对传统产业的创新和重塑能力而言，实际上就是数字经济时代的新电能。数字化成为了驱动创新、带动经济增长的新动力，而AI是推动数字化进程的重要底层技术。从电脑、互联网、手机时代开始，我们就已经进入了以数字化配置资源的新阶段，我们的环境将会被数字化、自动化，AI将成为支撑这些效能升级的“新基建发电厂”。

8.5 智慧能源

智慧能源是近几年兴起的一个热词。智慧能源的载体是能源，2009年国际学术界提出，互联互通的科技将改变整个人类世界的运行方式，中国专家学者也发表了“智慧能源与人类文明的进步”等文章，引起各界对智慧能源的关注。2019年底，海螺集团与清华大学等部门签订了智慧能源合作协议，双方将在压缩空气储能发电等能源存储利用技术项目上深入合作。专家们指出，新能源与储能技术对节能减排和经济社会的可持续发展有着重大意义，将会促进水泥行业新能源的发展。

9 智能化生产控制与管理体系的开发[8]

在“十三五”期间，我国与世界一些著名水泥公司取得了一批水泥行业IT与网络自动化、智能化控制的技术成果，如史密斯公司研发的ECS，伯利休斯公司的T系统，洪堡公司的PRODUX系统，很大程度上解决了水泥行业人员劳动强度与安全、环境污染、产品质量和资源能源等问题。随着信息化技术、网络化技术、云端技术的出现，水泥工业在智能化生产控制与管理体系方面有了更大的进步。我国在这一领域的研究与开发也取得了一定进展，例如，金隅冀东集团的一条日产万吨水泥熟料生产线，将会于今年投产，该项目突出绿色、智能两大理念，建成后将是首条智能化万吨生产示范线。下面介绍两个典型的智能管理控制系统。

（1）先进寻优智能控制APC系统，该技术采用先进的控制理论和控制方法，以工艺过程分析和数学模型计算为核心，以工厂控制网络和管理网络为信息载体，使水泥生产过程控制由原来的常规PID控制过渡到多变量模型预测控制，最终增强了水泥生产装置运行的平稳性并提高了装置运行的经济效益[12]。

（2）生产管理信息系统方面的MES系统，通过虚拟现实或增强现实技术，实现三维在线交互沟通，为企业管理层提供生产数据、设备数据、在线显示趋势以及计划排程、生产调度等数据集成分解管理模块，使生产管理进入智能化时代。