韓仲琦

綜述

新常態(tài)水泥工業(yè)與科技創(chuàng)新

韓仲琦

新常態(tài)的我國水泥工業(yè)是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的綠色環(huán)保型產(chǎn)業(yè)，水泥工業(yè)要轉向發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和更多依靠技術進步、以提高產(chǎn)品質量和效率獲取水泥工業(yè)的經(jīng)濟增長。水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展必須得到先進科學技術的支撐，本文探討了新常態(tài)我國水泥工業(yè)的發(fā)展前景以及對科技創(chuàng)新的要求。

新常態(tài)；水泥工業(yè)；科學技術；廢棄物；水泥基材料；低碳化

1　前言

水泥是一種與國民經(jīng)濟建設有著密切關系的基礎原材料。水泥是一種粉粒體狀物料，其生產(chǎn)過程屬于散體物料的處理過程，因此研究粉體工程的規(guī)律性和創(chuàng)新粉體技術，對水泥工業(yè)有著非常重要的意義。

近年來在全球經(jīng)濟持續(xù)放緩的背景下，中國經(jīng)濟發(fā)展進入了新常態(tài)，2014年我國水泥產(chǎn)量達到24.76億噸，連續(xù)31年居世界第一位，但增速是自1990年以來最為緩慢的一年，出現(xiàn)了嚴重產(chǎn)能過剩情況。一些典型的、先進企業(yè)的技術指標已達世界先進水平，但整體能耗與污染物排放指標仍然落后于國際先進水平，協(xié)同處置廢棄物進展緩慢，所以新常態(tài)下的水泥工業(yè)必須加快向清潔生產(chǎn)、環(huán)境友好、綠色制造、環(huán)保功能型產(chǎn)業(yè)轉型升級，水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須得到先進科學技術的支撐。

本文介紹了我國水泥工業(yè)取得的成績和新常態(tài)水泥工業(yè)的發(fā)展目標，同時介紹了相關科學技術成果在水泥工業(yè)的應用研究情況。

2　我國水泥生產(chǎn)技術的進步

波特蘭水泥是一種具有工業(yè)標準的基礎原材料，自1824年英國人取得專利權后已有近兩百年的歷史，1889年我國第一家水泥廠——唐山士敏土廠投產(chǎn)，后經(jīng)六十多年的技術引進和創(chuàng)新，經(jīng)過了艱苦的發(fā)展歷程，我國水泥工業(yè)取得了巨大技術進步，產(chǎn)能快速增長，為國民經(jīng)濟建設做出了巨大貢獻。目前我國已研發(fā)了1 000～10 000t/d高質量系列生產(chǎn)線，承攬海外水泥工程約一半的市場，現(xiàn)有1 700多條新型干法水泥生產(chǎn)線，其中9條為世界最大級萬噸生產(chǎn)線，具有世界最長的43km石灰石輸送機和最大的φ7.2/6.2m×69m回轉窯，每年可消納全國50%以上的工業(yè)廢渣。在處理有毒、有害廢物和污染土、江河垃圾等方面，我國水泥窯爐逐漸成為重要的環(huán)保設施。

3　關于新常態(tài)水泥工業(yè)的發(fā)展前景

3.1水泥工業(yè)向著綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展

加快向清潔生產(chǎn)、環(huán)境友好、綠色轉型是必然之路。以國家強制性能耗標準、各種污染物和溫室氣體排放標準為準則，加快技術改造和裝備升級，向環(huán)保功能產(chǎn)業(yè)轉型，以先進的廢物綜合利用技術和水泥窯協(xié)同處置技術為支撐，定位企業(yè)為綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)。

3.2信息技術將提升企業(yè)的競爭力

我國水泥生產(chǎn)技術與裝備的IT技術、智能化控制技術，與國外先進水平還有很大差距，新常態(tài)下水泥工業(yè)要努力實現(xiàn)集研發(fā)設計、物流采購、生產(chǎn)管控、經(jīng)營管理、市場營銷為一體的工業(yè)流程鏈條智能化，積極開發(fā)智能工程、數(shù)字礦山和物聯(lián)網(wǎng)。

3.3水泥基材料要有大的發(fā)展

隨著基礎設施的完善和其他材料的競爭，將會逐漸減少對“水泥”這種基礎原材料的需求。水泥基材料革命性創(chuàng)新能帶來新的市場需求，若出現(xiàn)重大進展，就會極大地拓寬應用領域，對于水泥的需求將會有所變化。在上下游關聯(lián)領域如水泥與混凝土用礦物材料、混凝土骨料、商品混凝土、特殊功能水泥等，建立相互支撐的多元化產(chǎn)業(yè)群，現(xiàn)在行業(yè)內已出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈延伸，或向行業(yè)外產(chǎn)業(yè)鏈延伸的新情況。

3.4水泥產(chǎn)業(yè)“走出去”

水泥產(chǎn)業(yè)“走出去”，即向國外發(fā)展，有助于化解裝備制造業(yè)的產(chǎn)能過剩和金融資本的過剩。中國水泥技術裝備已占據(jù)國際市場45%左右的份額，“走出去”的是資本、技術裝備和管理。圍繞國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，若“中國水泥”轉變?yōu)閲H化的產(chǎn)業(yè)，對國家和平、國際合作、友好發(fā)展的外交戰(zhàn)略將起到重要支撐作用。

現(xiàn)代水泥工業(yè)在我國已經(jīng)成為成熟的產(chǎn)業(yè)，我國新常態(tài)水泥工業(yè)的發(fā)展目標是：不僅要為國民經(jīng)濟建設提供高質量的基礎原材料，而且要成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的協(xié)同點，逐步發(fā)展成為不可或缺的綠色產(chǎn)業(yè)。

4　相關科學技術在水泥工業(yè)的應用與研究

4.1節(jié)能粉碎理論的研究

單顆粒粉碎是粉碎技術的基礎，單顆粒粉碎系指粉碎過程是顆粒各自獨立進行的，不存在顆粒間的作用。20世紀80年代以后出現(xiàn)了以料床粉碎理論為基礎的預粉碎或預粉磨設備，如輥壓機和立式輥磨。而料層粉碎是指大量顆粒相互聚集形成的粒子群發(fā)生的粉碎現(xiàn)象。近年來人們發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代工業(yè)中眾多的粉碎實踐都含有料層粉碎的因素，此理論由德國Claustal學院Schonert教授最早提出。如顎式破碎機、輥壓機、輥磨、沖擊磨機、振動磨等，單顆粒的粉碎概率可以達到100%，而料層粉碎存在一個極限粉碎概率，由于現(xiàn)代粉碎手段的限制，至今人們還無法獲得絕對極限粒度的產(chǎn)品，得到1～0.1μm已很不錯，所以關于料層粉碎機理的研究還有很多內容。這方面的研究對水泥廠的節(jié)能來說相當重要，粉磨工序的耗電量約為水泥制備全部耗電量的70%，為了最大限度節(jié)能和加工出符合要求的產(chǎn)品，必須研究粉磨節(jié)能的機理、開發(fā)更有效的粉磨技術和設備。現(xiàn)在中材裝備公司開發(fā)的大型生料輥磨規(guī)格為TRM60.4，已用于曲寨河北礦峰6 000t/d生產(chǎn)線上，最大輥壓機規(guī)格為TRP220×160。

粉碎技術的研究內容有三：顆粒的粉碎物理學、粉碎工藝的系統(tǒng)工程以及粉碎的機械力化學。關于水泥工業(yè)粉碎與粉磨的應用基礎研究可能有如下幾方面：

（1）更深入研究輥磨的粉碎機理，如隨供能水平的提高，料床粉碎效率的降低幅度比球磨機小，因此成品越細料床粉磨的能耗越少；施力體形狀對粉碎效率有較大影響，即磨輥與磨盤的組合形式應加強研究；循環(huán)再壓將改變原有料床堆砌結構，組成新的排列，有利于提高能量利用率；要研究輥壓和循環(huán)負荷的合理搭配及機內循環(huán)和機外循環(huán)的適當組合等。

（2）生料粉磨采用立式輥磨得到了廣泛認同，但水泥終粉磨采用料床粉磨的輥磨或輥壓機一直有不同的觀點，因此采用料床預粉磨加上球磨機的流程仍然被一些業(yè)主選用，并且工藝流程也存在幾種方式。近來取消機內選粉機的CKP磨（小野田與川崎開發(fā)）水泥終粉磨得到了一些人的肯定。

（3）水泥工業(yè)參與協(xié)同處置廢棄物的工作是水泥工業(yè)的發(fā)展趨勢，被粉碎和分解的廢棄物種類將會增加，預計預處理技術會有較大進展，故今后應加強粉碎產(chǎn)品的顆粒組成及顆粒形貌的研究。

（4）今后對混合粉碎與單獨粉碎的研究要加強，如何計算粉碎效率以及研究各種粉碎設備的節(jié)能潛力，如何更有效地利用擠壓能和沖擊能。

（5）高效粉碎方法仍然會繼續(xù)探索。在水泥生產(chǎn)中，原料、燃料和熟料都屬于脆性物料，其特點是抗拉強度低而抗壓強度高，這是傳統(tǒng)粉磨設備效率低的一個重要原因。有人曾試圖用抗拉原理使物料受到破碎，設計了粉磨石灰石的裝置，即在高壓容器內瞬時釋放壓力，使物料受拉而被粉碎，這在原理上講是成立的，但“爆炸磨”的工業(yè)應用開發(fā)沒有獲得成功。

（6）由于高效利用資源的研究取得了進展，超細產(chǎn)品越來越得到重視，所以除了水泥工業(yè)慣用的球磨機、輥磨和輥壓機外，一些適合超細粉磨作業(yè)的其他形式粉磨機越來越引起人們的注意，例如振動磨、氣流磨、攪拌磨等，這些磨機近年來也有了很大技術進步。

4.2多功能復合式分離收塵裝置

20世紀90年代以后，袋收塵器進入復合功能時代，二噁英的捕獲和防止就是有代表性的一例。從焚燒爐排出的氣體有多種固體和氣體物質，此外還含有水分，所以要求過濾介質在其表面對二噁英類物質也能捕集。可以在過濾介質表面預涂上石灰或粉狀活性炭，但隨著過濾量的增加，捕獲成本就要增加，所以為了用過濾介質直接分解二噁英，可在濾布表面預涂催化劑，這種過濾介質既可以捕獲顆粒狀物質也可以分解氣體狀物質。納米催化劑氣流成網(wǎng)技術正在開發(fā)，制成載負催化劑的復合針刺氈濾料，兼具過濾和催化裂解功能，可用于分解二噁英等有機廢氣。此外，惡臭問題可以用活性炭或沸石等作為預涂層來解決。

圖1　顆粒大小的劃分和水泥顆粒的范疇

4.3 PM2.5治理技術研究

環(huán)境保護部和國家質監(jiān)總局聯(lián)合發(fā)布的《環(huán)境空氣質量標準》（2012-2-29）中，增加了PM2.5指標，這與世衛(wèi)組織WHO過渡期第一階段目標值相同，但與先進國家仍有很大差距。

目前的情況是：我國建材行業(yè)沒有PM2.5的詳細排放數(shù)據(jù)，欠缺相關的法律法規(guī)標準，污染治理技術的開發(fā)沒有正式進行，監(jiān)測監(jiān)管能力不夠，認識水平較低等。圖1是散體物料的粒徑范圍劃分，可看出水泥的粒徑范圍，水泥粉體中含有PM2.5和PM10。

據(jù)有關資料報道，我國工業(yè)集中的華北PM2.5占到了整個顆粒懸浮物重量的一半以上，此外我國長三角、珠三角、西部等地也是細顆粒物污染嚴重的地區(qū)。

PM2.5及以下的粉塵顆粒，在排放總量中的比率極高，我國水泥產(chǎn)量很大，所以從整體來看，水泥行業(yè)排放的PM2.5可能在前幾位。水泥行業(yè)的PM10和PM2.5一般來自燃燒和冷卻工序，并可能含有氮氧化物、硫化物及其他某些物質。目前我國還缺乏測試手段，研究工作處于起步階段。采用袋收塵器分離粉塵是最有效的方法，所以過濾介質是核心材料，美國杜邦和戈爾公司都是研究過濾介質的有名公司。我國幾所大學已開始這方面實驗室的理論研究。

水泥工業(yè)PM2.5治理技術的研究方向有如下幾點：

（1）研究高性能濾料；

（2）開發(fā)水泥窯PM2.5超細顆粒物的捕獲、測控技術；

（3）制定PM2.5排放標準與水泥生產(chǎn)企業(yè)的安全衛(wèi)生標準。

4.4水泥窯處置廢棄物的應用基礎研究

筆者在過去發(fā)表的文章中，已介紹過水泥工業(yè)協(xié)同處置廢棄物的技術開發(fā)情況，如協(xié)同處置生活垃圾、下水污泥、工業(yè)有毒有害廢棄物的技術開發(fā)、廢棄物的分類分揀裝置、廢棄物預處理的破碎、分級和儲運裝備、有害元素的檢測和控制等，此處不再贅述，本文擬就其他兩個問題作一簡單介紹。

4.4.1回轉窯焚燒廢棄物的效果問題

目前我國水泥窯協(xié)同處置技術應該加強對危險廢物焚燒特性、環(huán)境影響等方面的研究，解決實際應用過程中出現(xiàn)的廢棄物焚燒效果不佳、窯內結皮、耐火材料腐蝕、污染物排放不達標等問題，因為這些問題影響了協(xié)同處置系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性，同時還關系到二噁英等有機污染物的排放、廢物種類與有害物質對燒成系統(tǒng)的影響等。另外，由于廢棄物成分復雜且具有一定的化學性、毒性、腐蝕性及危害性，使得水泥廠建設預處理配套設施時遇到了很多困難。

控制二噁英生成的生產(chǎn)工藝條件等基本理論需要完整地科學地研究，與此同時研究鉀、鈉、硫、氯等干擾元素在燒成系統(tǒng)中的反應行為和控制方法，研究熟料對于重金屬離子的固化理論和固化限值以及防止水泥混凝土使用中的二次污染等，都是很重要的待解決的問題。解決這些問題將奠定水泥窯作為廢棄物最優(yōu)處置的環(huán)保產(chǎn)業(yè)理論基礎，為水泥產(chǎn)業(yè)向環(huán)保產(chǎn)業(yè)轉型提供技術和理論支撐。

4.4.2高間隙質水泥熟料

最近國外期刊報道了高間隙質水泥的質量問題。當把使用廢棄物的水泥與普通波特蘭水泥比較時，Al2O3的成分較多，這是由于采用了大量廢棄物的結果，所以今后要考慮水泥中“間隙質量”的增加問題，“間隙質量”，即“空白質量”，若多的話將對凝結時間、水化熱、流動性、最終強度、收縮率造成影響，應分別研究其影響關系，找到對應措施。例如當C3A增加了，可以調整石膏的加入量以保證良好的流動性，所以有人提出了保證一定物性、強度和水化熱的“間隙質量”組成方案。

4.5 CO2的應用研究

碳捕集與封存技術稱為CCS技術（Carbon Captureand Storage），碳捕集技術目前大體上分為三種：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集。三者各有優(yōu)勢，卻又各有技術與成本難題有待解決。潛在的技術封存方式有：地質封存（在地質構造中，例如石油和天然氣田、不可開采的煤田以及深鹽沼池構造）、海洋封存（直接釋放到海洋水體中或海底）以及將CO2固化成無機碳酸鹽。CO2的地下儲存，作為溫室氣體減排和資源化利用之間的結合點，展示了實現(xiàn)溫室氣體資源化利用并提高油氣采收率的廣泛應用前景，有可能成為在經(jīng)濟開發(fā)與環(huán)境保護上可實現(xiàn)雙贏的有效方法。

目前中國的二氧化碳捕集和封存整體上還處于起步階段，而且大都采用燃燒后捕集的方式。一些企業(yè)已在實踐上進行了嘗試，2008年7月16日我國首個燃煤電廠二氧化碳捕集示范工程正式建成投產(chǎn)，并成功捕集出純度為99.99%的二氧化碳。

二氧化碳是一種重要的資源，適用于國民經(jīng)濟各個領域，具有廣泛的利用價值。水泥工業(yè)是重要的CO2排放源，生產(chǎn)一噸水泥，大約排放0.6～0.7tCO2，水泥企業(yè)可以循環(huán)利用CO2，或從水泥廠分離收集CO2后送到應用部門，形成循環(huán)應用CO2的產(chǎn)業(yè)鏈，將會產(chǎn)生新的生產(chǎn)模式。這是一項新的開拓領域，可以想象困難很多，需要許多相關科技領域部門的合作。開發(fā)二氧化碳資源的綜合利用工作，變“廢”為寶，更好地為國民經(jīng)濟建設服務。這樣既應對了氣候變化，又開發(fā)了新的市場，有利于低碳技術的商業(yè)化發(fā)展。CO2的應用有如下幾方面：

（1）在化工方面，如制備甲烷、制備甲醇、制堿、物質分離、提純、合成有機高分子化合物。

（2）在食品農(nóng)業(yè)方面，如制備碳酸飲料；代替氟利昂做制冷劑，進行冷凍、冷藏、滅菌、防霉、保鮮、生產(chǎn)食品泡沫包裝盒、生產(chǎn)氮肥、用作植物氣肥。

（3）在石油化工方面，如油田助采劑，海藻生產(chǎn)石油。

（4）其他，如氣體保護焊接、污水處理、二氧化碳染色、混凝土添加劑和核反應堆凈化劑。

4.6固氣二相流的深入研究

固氣二相流是水泥工藝中常見的顆粒流體系統(tǒng)，如水泥生料的懸浮預熱、流態(tài)化均化、流態(tài)化燒成與烘干、以及氣力輸送等，主要表現(xiàn)為非均勻的多尺度結構、狀態(tài)多值性及突變等，流態(tài)化熱交換法從機理、燒成效率及產(chǎn)品質量上都是非常好的方法。

人類長期以來，不斷探索和研究了新的水泥燒成法和流態(tài)化立式熟料冷卻機的開發(fā)、礦渣流態(tài)化烘干機的開發(fā)等，例如流化床水泥燒成法在國內外已有四十多年的研究史，美國、日本和我國都作過許多研究工作，但在工業(yè)化方面進展相當緩慢，這是因為流態(tài)化操作敏感性高，狀態(tài)控制要求高，許多成果不能實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的要求。然而不斷的科學探索可啟發(fā)科技人員的發(fā)明創(chuàng)新思路，使相關領域的科學研究取得進展，因此仍具有很重要的實際意義。

4.7水泥基材料的創(chuàng)新

水泥基材料革命性創(chuàng)新帶來新的市場需求，其作用可能是巨大的，會極大地拓寬水泥應用領域，對于水泥的需求將會有所變化。如為了滿足特殊的需要，而要求提供的特種功能水泥（發(fā)光、透明、絕熱、防輻射、高強、導電、藝術成型等功能）或特種混凝土（特殊功能混凝土、高強混凝土等），國內相關單位要加強合作，加強這方面的研究。

機械力化學在水泥技術中的應用逐漸得到人們的重視。機械力化學同熱力學、電化學、光化學等一樣是化學領域的一個分支，作為一門新的學科，目前在材料科學和水泥技術等領域也有了一些探討和研究。采用機械力化學法使用粉體工業(yè)原料，可以將“無機物—有機物”、“無機物—金屬”等組合而成精細復合材料。利用機械力化學的作用，可將水泥改性成為新品種水泥或開發(fā)水泥基新材料。

5　結語

（1）新常態(tài)的我國水泥工業(yè)是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的綠色產(chǎn)業(yè)，已成為我國水泥工業(yè)建立新的發(fā)展模式的核心內容，它意味著我們要從過度依賴資金、自然資源和環(huán)境投入、以量的擴張實現(xiàn)增長，轉向更多依靠發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和技術進步、以提高產(chǎn)品質量和效率獲取水泥工業(yè)的經(jīng)濟增長。

（2）我國水泥工業(yè)的發(fā)展目標是：不僅要為國民經(jīng)濟建設提供高質量的基礎原材料，而且要成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的協(xié)同點，逐步發(fā)展成為不可或缺的綠色產(chǎn)業(yè)。

（3）本文探討了水泥工業(yè)相關領域科學技術在水泥工業(yè)的應用與研究情況，如節(jié)能粉碎理論、多功能分離收塵裝置、PM2.5治理技術研究、水泥窯處置廢棄物的應用基礎研究、CO2的應用研究、固氣二相流、水泥基材料的創(chuàng)新等，科技創(chuàng)新將支撐傳統(tǒng)水泥產(chǎn)業(yè)向著低碳體系和環(huán)保產(chǎn)業(yè)轉型。

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New Normal Cem ent Industry and Technological Innovation

HAN Zhongqi
（Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China）

The new normal cement industry in China is a green environmental protection industry which is resource-conserving and environment friendly.Cement industry must turn to develop cyclic economy，more depend on technicalprogress，improve producequality and efficiency，thus economy growth of cement industry can be acquired.The sustainable developmentof cement industrymustbe supported by advanced science and technology.This article discussed the development prospectand the requirement for scientific and technological innovation of thenew normal cementindustry in China.

the new normal；cement industry；powder technology；waste；cementbasematerials；low carbon

TQ172.8

A

1001-6171（2015）05-0023-04

通訊地址：天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司，天津300400；2015-07-21；編輯：呂光