韓仲琦

1 前言

本文提出的“水泥綠色化”是指傳統(tǒng)水泥制造業(yè)通過科技研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，向環(huán)境友好型方向邁進(jìn)，其內(nèi)涵是低碳、環(huán)保。推進(jìn)水泥生態(tài)設(shè)計和研究是實(shí)施“水泥綠色化”的主要手段。

本文簡述了水泥的產(chǎn)生和發(fā)展歷史，回顧了我國水泥行業(yè)的發(fā)展歷程。當(dāng)今世界水泥技術(shù)創(chuàng)新具有三個特點(diǎn)，第一個特點(diǎn)是“水泥工業(yè)協(xié)同處置廢棄物”的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用；第二個特點(diǎn)是出現(xiàn)了綠色環(huán)保新功能水泥及混凝土產(chǎn)品研發(fā)熱潮，這一類新產(chǎn)品已經(jīng)組成了膠凝材料的新一族；第三個特點(diǎn)是正在探索水泥膠凝材料的突破性制造方法。

眾所周知，水泥是我國國民經(jīng)濟(jì)的一種重要基礎(chǔ)原材料，水泥制造業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，但是傳統(tǒng)水泥產(chǎn)業(yè)受到了來自資源、能源、生態(tài)環(huán)境的越來越大的挑戰(zhàn)，水泥業(yè)整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與世界先進(jìn)國家相比存在很大差距。此外，近年來我國水泥產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了嚴(yán)重的“產(chǎn)能過?！爆F(xiàn)象。當(dāng)前，我國水泥企業(yè)正在國家主管部門和行業(yè)協(xié)會的指導(dǎo)下，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，強(qiáng)化社會責(zé)任和企業(yè)自律，向“水泥綠色化”目標(biāo)前進(jìn)。

另一方面，從技術(shù)層面考慮，我國水泥科技工作者要承擔(dān)“水泥綠色化”的諸多科研開發(fā)任務(wù)，加強(qiáng)國際合作，爭取取得突破性成果，實(shí)現(xiàn)成為水泥產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國的夢想。

2 世界水泥制造業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展

2.1 水泥的發(fā)明

1824年，英國人J.Aspdin取得了“人造石的改良制造法”專利權(quán)，發(fā)明了水泥，從此誕生了世界水泥制造業(yè)，至今已有194年的歷史。1889年，我國“唐山細(xì)綿土廠”建立，從此有了中國水泥制造業(yè)，至今已有129年歷史。1953年，我國最早的水泥工業(yè)設(shè)計機(jī)構(gòu)在沈陽誕生，稱為重工業(yè)部建筑材料工業(yè)管理局建材工業(yè)設(shè)計公司，也就是我國天津院、南京院和成都院等水泥專業(yè)設(shè)計院的前身，距今已有65年的歷史。

現(xiàn)在全球約有159個國家和地區(qū)生產(chǎn)水泥，水泥技術(shù)較為先進(jìn)的國家有日本、丹麥、德國、英國等。2017年，全球水泥總產(chǎn)能為49.66億噸，我國水泥產(chǎn)量為23.16億噸，比2014年峰值產(chǎn)量減少了1.6億噸。30多年來我國一直是世界上水泥產(chǎn)量最大的國家。

2.2 現(xiàn)代水泥生產(chǎn)技術(shù)的確立

水泥制造工藝的演變經(jīng)歷了漫長的過程，例如燒成系統(tǒng)的演變經(jīng)歷了立窯、干法中空窯、半干法窯、濕法窯、窯尾預(yù)熱器窯、立筒預(yù)熱器窯、預(yù)分解窯（窯外預(yù)分解法）的變化。從20世紀(jì)80年代起，新型干法燒成技術(shù)已成熟，大型窯外預(yù)分解水泥熟料生產(chǎn)線成為現(xiàn)代水泥工業(yè)的標(biāo)志，品種水泥和功能水泥也有了很大發(fā)展，將水泥科學(xué)和制造技術(shù)推向了更高的水平，成為現(xiàn)代化工業(yè)的一環(huán)。

另外，水泥生產(chǎn)工藝的其他環(huán)節(jié)，如原料礦山開采、破碎、篩分、粉磨、選粉、輸送、收塵、儲存、裝卸、廢棄物無害化處理、IT和自動化控制、質(zhì)量檢驗(yàn)等技術(shù)也有了很大進(jìn)步，每項單元操作都是典型的粉體工程，幾乎涉及到了工業(yè)領(lǐng)域的所有科學(xué)和技術(shù)。

2.3 我國水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步

在第一個五年計劃期間，我國引進(jìn)了歐洲水泥制造設(shè)備，建成了一批濕法水泥廠。20世紀(jì)50年代末，我國依靠自己的力量制造出了?2.5m×78m上海型濕法窯、?3.5m×145m華新型濕法窯和? 4.0m×60m小屯型半干法立波爾窯。

上世紀(jì)60年代，我國在太原水泥廠建成了第一臺旋風(fēng)預(yù)熱器窯，1976年在吉林省四平市石嶺水泥廠建成了第一臺SF型預(yù)分解窯。1978年，我國從日本石川島播磨重工業(yè)公司和三菱重工業(yè)公司引進(jìn)了兩套4 000t/d水泥熟料制造設(shè)備，隨后又從丹麥、法國等國家進(jìn)口了2 000t/d、3 000t/d和4 000t/d的成套設(shè)備。1986年，由天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院開發(fā)的第一條2 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線在江西水泥廠投產(chǎn)，標(biāo)志著我國水泥工業(yè)進(jìn)入了自主發(fā)展階段，成為中國現(xiàn)代水泥工業(yè)史上的第一個里程碑。

在20世紀(jì)90年代，我國開發(fā)了4 000t/d熟料、5 000t/d熟料、8 000t/d熟料、10 000t/d和12 000t/d熟料的國產(chǎn)化大型水泥生產(chǎn)線。從此我國便掌握了新型干法水泥生產(chǎn)的核心技術(shù)，水泥工程項目開始走出國門，參與海外水泥工程建設(shè)，同時帶動了國內(nèi)相關(guān)裝備制造業(yè)的出口（現(xiàn)代大型水泥廠窯尾系統(tǒng)見圖1）。

2.4 水泥制造業(yè)增加了綠色環(huán)保屬性

圖1 現(xiàn)代大型水泥廠窯尾系統(tǒng)

現(xiàn)在水泥預(yù)分解煅燒法已成為公認(rèn)的現(xiàn)代水泥制造法，但由于水泥產(chǎn)業(yè)是資源和能源依賴型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品在不斷為人類做出貢獻(xiàn)的同時，也產(chǎn)生了巨大的環(huán)保壓力。20世紀(jì)90年代初，世界各主要水泥生產(chǎn)國都加強(qiáng)了向環(huán)境友好型的轉(zhuǎn)變，如日本、德國、丹麥、美國等國開始對水泥生產(chǎn)協(xié)同處理城市垃圾與廢棄物進(jìn)行研究，利用水泥窯設(shè)備消納工業(yè)廢渣、有毒有害廢棄物、城市垃圾等，水泥產(chǎn)業(yè)逐漸演變成環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)的一員。環(huán)境和諧水泥廠外景見題圖。

我國水泥行業(yè)從上世紀(jì)90年代后期開始了水泥窯系統(tǒng)協(xié)同處置工業(yè)危險廢物、生活垃圾及污泥的應(yīng)用研究工作，在實(shí)用技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展，污泥處置技術(shù)及有毒有害工業(yè)廢棄物的處置技術(shù)也已成熟，生活垃圾的多種處置方式也取得了一定進(jìn)展。

3 最新綠色膠凝材料的研發(fā)現(xiàn)狀

高品質(zhì)、新特性和多功能的綠色環(huán)保膠凝材料一直受到世界材料制造業(yè)的關(guān)注，近年來，水泥與混凝土的功能開發(fā)取得了較快進(jìn)展，其研究內(nèi)容已打破無機(jī)硅酸鹽界限，開始向復(fù)合型和高性能、多功能推進(jìn)。水泥與混凝土的關(guān)系更為密切，逐漸形成“綠色環(huán)保新型膠凝材料”一族，主要包括：新品種水泥、優(yōu)秀功能水泥、復(fù)合型水泥、水泥基復(fù)合材料、高性能混凝土、復(fù)合型混凝土以及智能化膠凝材料等，與此同時也出現(xiàn)了新產(chǎn)品的新制造工藝的科研開發(fā)，一些新膠凝材料已應(yīng)用到特殊建筑工程中。表1和表2介紹了以上新材料在國內(nèi)外的研發(fā)狀況，供讀者參考。

表2 新綠色混凝土名稱及性能

4 水泥制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的熱點(diǎn)問題

在“水泥綠色化”方面，媒體報導(dǎo)了一些令人驚喜的新消息，“水泥綠色化”方面的技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)問題包括了非傳統(tǒng)水泥制造法、二惡英捕集、CO2捕集與應(yīng)用、細(xì)顆粒物（PM2.5）治理問題、水泥基材料納米技術(shù)研究、處置廢棄物的應(yīng)用基礎(chǔ)研究、IT和智能化控制等。

4.1 非傳統(tǒng)水泥制造法的研究

長期以來，水泥科技工作者不斷探索和研究新的水泥燒成法（如流態(tài)化煅燒法），雖已取得很大成績，但尚未見到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)例，然而這些研究進(jìn)程可啟發(fā)科技人員開拓創(chuàng)造發(fā)明的新思路，使相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究取得進(jìn)步，具有很好的實(shí)際意義。

4.1.1 生物水泥制造法

歐盟研制出一種“環(huán)境友好型微生物細(xì)菌水泥”，用水泥窯粉塵或建筑廢棄物作為生物水泥的鈣源，少量尿素作為加速生物反應(yīng)的催化劑，食品加工業(yè)或家庭日常生活有機(jī)垃圾作為微生物細(xì)菌的營養(yǎng)源，再通過添加少量植物碳纖維，提高生物水泥的強(qiáng)度和壽命。生物水泥相對傳統(tǒng)水泥可降低水泥生產(chǎn)成本21%以上，降低能耗和溫室氣體排放11%以上。這種技術(shù)若取得完全成功，將成為水泥制造的一種突破性技術(shù)。

4.1.2 太陽能燒成熟料

根據(jù)最近文獻(xiàn)報道，美國喬治·華盛頓大學(xué)的研究人員利用大型菲涅爾透鏡聚焦太陽光，將石灰石加熱到900°C，分解石灰石形成石灰制備水泥，這種做法不會產(chǎn)生二氧化碳排放，是一種新型研究方法。

4.2 二惡英捕集

20世紀(jì)90年代以后，袋收塵器進(jìn)入復(fù)合性能時代，除過濾捕獲粉塵外，還具有捕獲二惡英的功能，這對于水泥工業(yè)協(xié)同處置廢棄物來說是一個好消息。為了使過濾介質(zhì)在其表面也能捕集二惡英類物質(zhì)，開發(fā)者在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂石灰或粉狀活性炭進(jìn)行捕集。然而隨著過濾量的增加，捕獲成本也隨之增加。為了使過濾介質(zhì)能直接分解二惡英，開發(fā)者又在濾布表面預(yù)涂催化劑，這種過濾介質(zhì)既可以捕獲顆粒狀物質(zhì)也可以分解氣體狀物質(zhì)，是一項很有使用價值的創(chuàng)新工作。另外，還可以通過活性炭或沸石等預(yù)涂層解決惡臭問題。

4.3 CO2捕集與應(yīng)用

藻類物質(zhì)在吸收CO2的同時又可吸收NOx，有的物種還可吸收SO2。在水泥生產(chǎn)過程中以CO2和藻類物質(zhì)為載體，充分利用太陽能去煉油，既能解決水泥生產(chǎn)過程中對能源的一部分需求，又可達(dá)到CO2減排的目的。本世紀(jì)初，油藻煉油技術(shù)的開發(fā)引起人們的廣泛關(guān)注，目前已取得一定進(jìn)展，這些油品可以用于汽車、航空等。目前存在的問題是高效光生物反應(yīng)器的研發(fā)問題，反應(yīng)器的占地面積很大，總成本較高。

對于水泥工廠來說，微藻煉油技術(shù)成熟后，不僅可以全部吸納CO2，解決水泥工廠排放的難題，而且可以節(jié)能，但有些水泥廠因不具備超大規(guī)模養(yǎng)殖藻類的條件，難于采用這種技術(shù)。建議水泥廠可以考慮利用養(yǎng)殖微藻的技術(shù)，將部分CO2供藻種制成一定數(shù)量的干油藻，作為水泥回轉(zhuǎn)窯的燃料，這一技術(shù)的開發(fā)涉及了農(nóng)業(yè)和生物工程等領(lǐng)域。

另外，利用電石渣及水泥廠廢氣中CO2合成納米級輕質(zhì)碳酸鈣的新工藝，制造純度高、白度好及粒徑小的產(chǎn)品，是水泥工業(yè)消納CO2的一種新技術(shù)。超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣作為一種新型的功能填料，廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、油墨、造紙、牙膏、食品以及電子工業(yè)等行業(yè)中。

4.4 細(xì)顆粒物治理問題

水泥制造業(yè)的PM10和細(xì)顆粒物（PM2.5）一般來自燃燒和冷卻工序，可能含有氮氧化物、硫化物及其他物質(zhì)。采用袋收塵器分離可能是最有效的方法，因此過濾介質(zhì)是核心材料，我國某些高校已開始了這方面的實(shí)驗(yàn)室研究。水泥工業(yè)細(xì)顆粒物（PM2.5）的治理研究主要包括：高性能濾料、水泥窯細(xì)顆粒物（PM2.5）的捕獲裝置和測控技術(shù)。

4.5 水泥基材料納米技術(shù)研究

水泥硬化體的特性，即混凝土的性能，是由其內(nèi)部空隙決定的，因此有必要研究由氯離子、CO2、水分等混凝土外部與內(nèi)部納米級物質(zhì)移動產(chǎn)生的空隙構(gòu)造與水泥硬化體組織的關(guān)系?？障兜拇笮〔顒e很大，最小直徑在1nm左右。利用納米礦粉填充水泥硬化體的空隙，既可提高混凝土的流動性，也可改善水泥硬化基體與骨料的界面結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性與耐久性。納米礦粉可以使用納米SiO2（超微細(xì)白炭黑）、納米CaCO3和納米Si粉等。

4.6 處置廢棄物的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

4.6.1 廢棄物處置對產(chǎn)品質(zhì)量的影響和控制方法研究

處置廢棄物后，熟料的化學(xué)性能、細(xì)度、凝結(jié)時間、安定性、抗壓強(qiáng)度等性能的變化及規(guī)律。

4.6.2 廢棄物焚燒過程中環(huán)境風(fēng)險控制技術(shù)

處置廢棄物的水泥窯廢氣排放對環(huán)境安全的影響；協(xié)同處置廢棄物對熟料的影響，如強(qiáng)度的變化、有無毒性和對環(huán)境安全性的評估等。

4.7 IT和智能化控制

在生產(chǎn)技術(shù)與裝備的IT技術(shù)、智能化控制技術(shù)方面，正在考慮的問題是集研發(fā)設(shè)計、物流采購、設(shè)備制造、生產(chǎn)管控、經(jīng)營管理、市場營銷為一體的工業(yè)流程鏈條智能化系統(tǒng)，其他還有智能工程、數(shù)字礦山、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的研究。

4.7.1 過程智能化控制

國外的著名水泥裝備公司均已開發(fā)了自有品牌的控制和優(yōu)化系統(tǒng)，如FLS史密斯公司的ECS和ProcessExpert系統(tǒng)，伯利休斯公司的POLCIDNT和POLEXPERT系統(tǒng)，KHD公司的PRODUX和PYRO?EXPERT系統(tǒng)。這些系統(tǒng)除了完成水泥生產(chǎn)的過程控制外，還集成了燒成和粉磨工序的過程優(yōu)化軟件。另外，國外許多電氣自動化控制公司也開發(fā)了適用于水泥工廠的過程智能和過程優(yōu)化軟件包。如SIEMENS公司在專為水泥工業(yè)開發(fā)的CEMAT系統(tǒng)中，集成了水泥窯和粉磨機(jī)優(yōu)化控制軟件，ABB公司在Industry IT中集成了Optimize IT優(yōu)化控制軟件，Rockwell公司提供了Pavilion APC高級過程控制軟件包。

4.7.2 物流智能化管理系統(tǒng)

現(xiàn)代水泥生產(chǎn)企業(yè)，通過建立數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)的原料進(jìn)廠和水泥銷售發(fā)運(yùn)自動控制管理系統(tǒng)，既能直接提高原料進(jìn)廠和水泥銷售環(huán)節(jié)的工作效率，又能提高對原材料進(jìn)廠和水泥產(chǎn)品銷售發(fā)運(yùn)過程的控制，加速信息的流動，提高企業(yè)的資源管理水平。

5 水泥科技工作者的責(zé)任和目標(biāo)

積極推廣綠色建筑和建材與大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)是水泥制造業(yè)科技發(fā)展的中心任務(wù)。對于水泥科技工作者來說，要完成的任務(wù)就是要擔(dān)負(fù)的責(zé)任，概括起來有如下幾點(diǎn)：

5.1 我國新型干法水泥制造技術(shù)的深層次提升工作

新型干法水泥制造中應(yīng)強(qiáng)化水泥工業(yè)的生態(tài)設(shè)計，把節(jié)能環(huán)保意識貫穿和滲透到水泥生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的科研設(shè)計之中，提升原有水泥標(biāo)準(zhǔn)，提高水泥熟料的質(zhì)量要求。其關(guān)鍵技術(shù)包括：資源與環(huán)境工程的應(yīng)用技術(shù)、窯爐能量分布的優(yōu)化升級、數(shù)字礦山軟件開發(fā)、高過濾材料研制（復(fù)合功能收塵）、污染物的智能檢測與控制、高性能高質(zhì)量設(shè)備的制造與操作智能化等，此外要注重社會效益和安全設(shè)計工作。

5.2 水泥窯協(xié)同處置廢棄物的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

高溫環(huán)境中有機(jī)組分分解和固化機(jī)制的研究，重金屬及有害元素檢測與控制研究，TOC、VOC、HF、HCl、CH4、NH3、Hg等多種揮發(fā)性物質(zhì)捕集控制技術(shù)與裝置的研究，處置不同廢棄物對產(chǎn)品質(zhì)量的影響研究，廢棄物焚燒過程中環(huán)境風(fēng)險評估等。

5.3 拓展膠凝材料領(lǐng)域新品種的研發(fā)

在提高水泥熟料質(zhì)量的同時，努力開發(fā)新品種水泥、優(yōu)秀功能水泥、水泥基復(fù)合材料、高性能混凝土、復(fù)合型混凝土以及智能化膠凝材料等，提高其性能和推廣應(yīng)用。

5.4 IT與智能化過程控制

水泥生產(chǎn)流程鏈條智能化系統(tǒng)控制研究，水泥設(shè)備制造智能化系統(tǒng)控制研究。

5.5 制定新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

制定新的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提升水泥與混凝土的質(zhì)量要求和應(yīng)用要求標(biāo)準(zhǔn)，一方面對于水泥制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和自主知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)有重要意義，另一方面可以促進(jìn)綠色環(huán)保技術(shù)的推廣應(yīng)用，科技工作者要直接參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定。

綜上所述，水泥科技工作者應(yīng)打破傳統(tǒng)概念，對水泥基材料進(jìn)行革命性創(chuàng)新，爭取有突破性開發(fā)成果，從而帶來新的市場需求，振興水泥制造業(yè)。此外，在上下游關(guān)聯(lián)領(lǐng)域建立相互支撐的多元化產(chǎn)業(yè)體系，使行業(yè)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈延伸擴(kuò)展并積極開展國際合作。

從技術(shù)角度看，水泥制造業(yè)是我國為數(shù)不多的掌握全套核心技術(shù)的重要行業(yè)之一，爭取水泥制造業(yè)在2025年前整體達(dá)到世界制造強(qiáng)國陣營中等以上水平，應(yīng)是我們水泥科技工作者在新常態(tài)下的重要目標(biāo)。

6 結(jié)語

（1）近代科學(xué)技術(shù)的邊緣性和滲透性，使得跨學(xué)科跨專業(yè)的技術(shù)突破成為可能。

現(xiàn)在的水泥科技工作者應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)經(jīng)濟(jì)工程學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)設(shè)計等近代科學(xué)知識，開闊自己的視野，加強(qiáng)研究與開發(fā)綠色水泥工業(yè)的新工藝、新材料、新設(shè)備。

（2）前述提到的水泥科技工作者的責(zé)任和任務(wù)中，有些內(nèi)容屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目，往往是對未知領(lǐng)域的探索，本身就是一項創(chuàng)造性、探索性很強(qiáng)的工作，其實(shí)質(zhì)是較高層面的科研工作，雖然難度較大，但對于核心技術(shù)研究是必需的。

（3）隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和與世界各國的友好合作交流，可以預(yù)見我國傳統(tǒng)水泥行業(yè)的發(fā)展環(huán)境會有很大改觀，綠色化水平會提高。

（4）在我國經(jīng)濟(jì)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革背景下，水泥產(chǎn)品和技術(shù)將從中低端向中高端邁進(jìn)，預(yù)計高質(zhì)量的、性能卓越的、綠色環(huán)保膠凝材料的研制將有新進(jìn)展，我們期待出現(xiàn)突破性制造技術(shù)成果。