水泥行业节能减排的技术途径*

□□王善拔，刘运江，罗云峰

水泥行业节能减排的技术途径*

Technical Approach of Energy－saving and Emission－reduction in Cement Industry

□□王善拔1.2，刘运江1.2，罗云峰1.2

讨论了目前国内较为成熟的水泥行业节能减排技术途径：淘汰技术落后的立窑企业；多掺混合材，多生产掺混合材的水泥；利用窑尾出预热器的废气和窑头冷却机的废气发电；利用替代燃料和替代原料，降低熟料热耗；利用立磨辊压机终粉磨技术、预粉磨技术和助磨剂以及风机用变频调速技术等；总结了每种途径可能达到的节能减排技术指标。

1 前言

我国是世界第二耗能大国，从国家节能减排目标来看，建材工业是仅次于冶金、化工的第三能源消耗大户。建材工业占全国能源总消耗的7%左右，其中水泥工业又占建材能源消耗的75%。水泥行业也是CO2排放大户。国家“十一·五”计划要求企业每年节能5%，如何达到此目标是水泥行业迫切需要解决的问题。笔者认为，我国水泥行业的节能减排途径应是：淘汰技术落后的立窑企业；多掺混合材，多生产掺混合材的水泥；利用窑尾出预热器的废气和窑头冷却机的废气发电；利用替代燃料和替代原料，降低熟料热耗；利用立磨辊压机终粉磨技术、预粉磨技术和助磨剂以及风机用变频调速技术降低电耗等。

2 水泥行业节能减排的技术途径

我国水泥行业目前较为成熟的节能减排技术途径主要有如下几种。

2.1 淘汰技术落后的立窑企业

立窑企业规模小、技术落后，能耗高，对环境污染严重，因此淘汰立窑、建设大型新型干法窑是水泥行业节能减排最有力和最有效的宏观调控措施。

根据中国水泥协会秘书长孔祥忠的数据［1］，“按每年淘汰 5000万吨落后水泥测算，可节电45×108kWh，减少粉尘排放60万吨，减少二氧化碳排放4000多万吨，节煤700万吨。”

据悉，中国政府要求到2010年新型干法水泥比重提高到70%，累计淘汰落后生产能力达到2.5亿吨，则可节电225×108kWh，减少粉尘排放300万吨，减少二氧化碳排放2亿多吨，节煤3500万吨。

2.2 多掺混合材，多生产掺混合材的水泥特别是复合硅酸盐水泥

多掺混合材不但可增加水泥产量，改善水泥某些性能，还可消纳工业废渣，是水泥行业节能减排最有效的措施。我国2007年水泥总产量达13.6亿吨，大多数为普通硅酸盐水泥。如果每吨水泥多掺1%混合材而少用1%熟料，那么每年将节约1360万吨熟料。我国新型干法窑每吨熟料热耗约在110～130kg标准煤，即使按平均值120kg标准煤计，每多掺1%混合材而少用1%熟料就可节约1.2kg标准煤／t水泥。若普通硅酸盐水泥的混合材最大含量由15%提高至20%，全国所有的水泥都多掺了5%的混合材，那么一年将节约816万吨标准煤，相当于节约1040～1142万吨原煤（原煤按低热值5000～5500×4.18kJ／kg计）。 按 1t水泥熟料产生ltCO2计，可减少CO2排放量6800万吨；按原煤含硫1%计，可减少SO2排放20.8～22.8万吨；按1t标准煤产生7.4kgNOx计，可减少NOx排放量6.0万吨，节能和减排量都相当可观。

据介绍［2］，美国加州大学曾在一幢6层楼的剪力墙和基础的加固工程中，分别用 160kg／m3水泥（占胶凝材料 45%）、195kg／m3粉煤灰（粉煤灰掺量 55%）和 195kg／m3水泥（占胶凝材料 50%）、195kg／m3粉煤灰（粉煤灰掺量50%）配制混凝土，用水量只有118kg／m3，28d 抗压强度分别达到相当于我国立方体强度37.6MPa和45.9MPa。清华大学在深圳地铁足尺寸模型试验中，用45%粉煤灰、10%矿渣和45%硅酸盐水泥配制的混凝土，胶凝材料总用量 400kg／m3，各组试件28d强度均在54MPa以上。如果把上述这三种胶凝材料当作水泥看待，那么其混合材含量分别为55%、50%和55%，这说明，从混凝土生产角度来看，水泥可掺大量混合材。

在GB 175-2007通用硅酸盐水泥［3］标准中，普通硅酸盐水泥的混合材最高含量可达20%，比旧标准中的允许最大含量15%高出5%，而我国的水泥产量中，普通硅酸盐水泥的产量和市场份额都最大，新标准实施对水泥行业的节能减排无疑是一个巨大贡献。矿渣硅酸盐水泥的混合材含量＞20%而≤70%，火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥的混合材含量＞20%而≤40%，而复合硅酸盐水泥的混合材含量＞20%而≤50%，若熟料强度较高，则混合材掺量可比目前的高。在这里，笔者要特别推荐复合硅酸盐水泥，不但混合材含量可比火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥高出10%，而且可掺两种或两种以上的混合材，可以根据混合材的性质，选择性能互补的混合材。例如借鉴清华大学上例配制混凝土的经验，生产既掺大量粉煤灰又掺一定量矿渣的复合硅酸盐水泥，具有连续渐进活性效应和平缓的水化放热，使水泥组分在一开始就发挥活性，而矿渣组分在7d左右发挥作用，早期活性较低的粉煤灰组分在14d开始发挥作用，这样的复合水泥在养护期间，早期（1～7d）、中间（7-28d）、后期（14～28d）均有胶凝材料对强度有贡献，避免粉煤灰早期强度太低而且水化放热不集中的缺点。这里笔者还要推荐掺一些改善水泥颗粒级配或改善某些性能的非活性混合材。在欧洲水泥标准EN 197-1：2000＜水泥—第一部分：通用水泥的组成、规格、要求和合格评定准则＞［4］中规定：27种通用水泥的组成中，次要附加组分占0%～5%。对次要附加组分要求能改善水泥颗粒级配或改善水泥的物理性能（如工作性或保水性）。它们可以是惰性的或具有微弱水硬性、潜在水硬性或火山灰性。我国P.Ⅱ型硅酸盐水泥允许掺入不超过水泥质量5%的石灰石，普通硅酸盐水泥允许用不超过水泥质量8%的非活性混合材或不超过水泥质量5%的窑灰代替活性混合材，矿渣硅酸盐水泥允许用不超过水泥质量8%的非活性混合材或窑灰代替活性混合材，以及复合硅酸盐水泥允许用不超过水泥质量8%的窑灰代替活性混合材，这些规定与欧洲标准的次要附加组分规定很相似。加入窑灰或不符合活性标准的火山灰可改善水泥的泌水性，提高其保水性；而掺入石灰石或砂岩则可改善水泥的工作性，提高流动性，提高混凝土的流动性和可泵性。复合硅酸盐水泥不但可掺石灰石混合材，而且烧失量不像硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥那样受到严格的限制，这意味着石灰石掺量可超过5%。笔者认为，多掺混合材，多生产掺混合材的水泥特别是复合硅酸盐水泥是工艺简单而行之有效的节能减排途径。

2.3 废气余热中低温余热发电

“十一·五”国民经济发展规划提出了单位国内生产总值能源消耗降低20%、工业固体废弃物综合利用率提高到60%这两项约束性指标。利用水泥窑余热纯中低温余热发电技术，把熟料生产过程中排放来的余热进行回收，转化为电能再用于生产，是水泥工业能耗降低20%的重要举措。

利用水泥窑余热纯中低温余热发电技术已在多家水泥厂实践，现在的技术经济指标均能达到35kWh／t熟 料 以 上［1］， 相 当 于 节 约 标 准 煤13.6kg／t熟料。到2007年年底，国内投产的新型干法水泥生产线已经达到780条左右，国内新型干法生产的水泥比例已经达到55%，据此计算2007年全国新型干法水泥约为7.5亿吨，按熟料占水泥总质量82%计，新型干法窑熟料约为6.1亿吨，按仍有50%可建余热发电计，建成后每年可发电107亿kWh，按380g标准煤／kWh计，一年可节约标准煤407万吨，相当于节约518～570t原煤（按低热值（5000～5500）×4.18kJ／kg 计），减少 CO2排放 977t，减少 NOx排放 3t。

2.4 大量利用替代燃料和替代原料

国外特别是德国水泥工业利用替代燃料己取得明显效果，所用的替代燃料主要是废轮胎、废塑料、废纸张和动物肉和骨头粉等。据报导［5］，德国Teutonia水泥公司目前利用替代燃料约占总热耗的60%。

考虑到国内对废轮胎、废塑料、废纸张由其他行业回收和利用更有价值，因此水泥行业目前还无法应用这些再生能源。但有些水泥厂己开始利用废皮革、生活垃圾等煅烧水泥熟料，可节省一些能源。广东某水泥厂废皮革代煤量己达7.8%，1t废皮革可替代0.77t煤。利用替代原料也可节能降耗。 某水泥厂［6］φ4.2m×66m 预分解窑，用煤矸石代替部分粘土质原料，煤矸石配料用量为6%，通过煤矸石预均化，采用适当减煤 （节约用煤）、适当缩短火焰、提高窑速等措施， 产量提高 4.6t／h，3d强度提高4.4MPa，28d强度提高 3.6MPa， 既节约烧成用煤，又消纳了煤矸石，一举两得。据介绍，目前国内在预分解生产线的设计中，在有条件的地方己应用煤矸石，一般用量在5%～6%，最高用量达8%，但尚未看到煤矸石最高用量8%的厂家节能数据的公开报导。

利用含CaO的工业废渣代替石灰石也可以节能，许多含CaO的工业废渣如碳化炉渣、矿渣、钢渣等都是经过高温煅烧后形成的，其CaO已以（或以潜在的）硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐形式存在，无需经历石灰石配料时煅烧中的CaCO3分解，可省掉一部分CaCO3分解热。CaCO3在890℃分解热为1645kJ／kg，按生产1t熟料需 1.2t石灰石计，生产1kg熟料所需CaCO3分解热达1974kJ／kg，占熟料烧成热耗50% 以上。另外，这些废渣中的CaO不存在CO2，也减少了CO2的排放，因此这类钙质替代原料代替石灰石节能减排潜力很大。

2.5 利用预粉磨技术和助磨剂降低水泥粉磨电耗

立磨和辊压机终粉磨技术是目前水泥行业能耗最低的粉磨技术。辊压机终粉磨系统，单位产品电耗可降低40%，生料单位电耗一般为15～18 kWh／t，水泥则为 20～25kWh／t，视物料易磨性和矿物结构不同而有所差别。 据报导［7］，墨西哥 Aguascalientes水泥厂用RMC-51／26／435立磨系统(磨盘直径5.1m、辊子直径2.6m、高效选粉机转子直径4.35m)粉磨熟料6年的经验表明，水泥比表面积为385m2／kg 时，产量 113t／h，立磨单位电 耗 为 18.7kWh／t， 风 机 电 耗 为6.1kWh／t， 高 效 选 粉 机 电 耗 为0.4kWh／t， 三 者 总 计 电 耗 只 需25.2kWh／t。若将斗式提升机进行物料循环的电耗也计算在内，粉磨系统的总电耗也只有25.6kWh／t。产品的颗粒分布曲线与球磨机的相同。辊子运转28000h后磨损很少，无任何辊子需进行表面耐磨堆焊，只有非压模成型的研磨轨道磨在运转15000h后进行过表面耐磨堆焊。立磨也特别适合粉磨潮湿和难磨的矿渣，比球磨机更节电。我国辽宁省鞍钢2002年起用立磨粉磨矿渣，设计产量为90t／h、比表面积 400m2／kg，现在产量为 83t／h、比表面积 430m2／kg，系统电耗(包括立磨、选粉机、循环提升机和系统的风机)为38.4kWh／t。磨盘辊道和辊子的磨损仅为7.3g／t，主要是采用材料外部循环和有效的除铁系统的缘故。在运转3500h即生产矿渣粉30万吨后，才按计划进行表面耐磨堆焊。国内用立磨粉磨煤粉和生料己很普遍。智海企业集团榆次水泥分公司［8］用辊压机终粉磨系统，生料电耗仅12kWh／t（不包括原料预均化及运输）。

国内已采用的多是辊压机+球磨机粉磨系统。亚泰公司哈尔滨水泥厂应用天津水泥工业设计研究院有限公司技术开发中心开发的“辊压机半终粉磨技术”，比传统圈流磨节约10kWh／t水泥，相当于节约标准煤3.8kg／t水泥。目前我国辊压机半终粉磨系统的综合电耗大致处于28～32kWh／t，比不加辊压机的球磨机低8～12kWh／t水泥。

经验表明，利用助磨剂可节约水泥粉磨电耗 3～4kWh／t， 相当于节约标准煤 1.14～1.52kg／t水泥。助磨剂用量约为 300～400g／t水泥，即使经济上不节约，也可降低水泥粉磨电耗。山东日照中联水泥公司［9］用 HY-Ⅲ B型助磨剂在φ4.2m×11.5m水泥闭路磨试验运行16h。生产42.5R水泥，掺0.1%HY-Ⅲ B型助磨剂，水泥熟料配比由82.0%降至72.0%，水泥中混合材由13.0%提高到23.0%，水泥各龄期强度和其他物理性能基本保持一致。每吨水泥少用10kg熟料，就相当于节约标准煤1.1kg。

2.6 风机用变频调速技术节能

一般每生产1t水泥大约耗电l00kWh／t，其中参与工况调节的粉磨及烧成系统的风机耗电量很大，约占30%左右，而随着立磨系统越来越多被采用，风机耗电占总耗电量的比例越来越大。实践经验表明［10］，风机采用变频调速技术可节电2.5kWh／t熟料，约可节约lkg标准煤。一般两年可收回投资。

3 结语

除了国家宏观调控淘汰技术落后的立窑企业能大量节能减排外，水泥企业节能减排的技术途径是：

（1）多掺混合材和多生产掺混合材的水泥，特别是复合硅酸盐水泥。每多掺l%混合材，就可节约1.2kg标准煤／t水泥，混合材掺量越多，节能减排越明显。

（2）利用窑的废气余热发电技术，每吨熟料废气余热发电可提供电能35kWh，相当于节约标准煤13.6kg／t熟料。

（3）利用替代燃料和替代原料可明显节能，节能量取决于替代燃料和替代原料的性质。

（4）采用辊压机+球磨机粉磨系统比球磨机系统节电10kWh／t水泥，相当于节约标准煤3.8kg／t水泥，用助磨剂可节电 3～4kWh／t， 相当于节约标准煤 1.14～1.52kg／t水泥。利用立磨或辊压机终粉磨系统，节能效果更好。

（5）风机用变频调速技术可节电2.5kWh／t水泥，相当于可节约lkg标准煤／t水泥。

（6）根据有关资料，工业用煤按5000～5500×4.18kJ／kg， 含硫 1%折成标准煤，则每节约1t标准煤相当于减少CO2排放2.4t，减少SO2排放0.025t，减少 NOx排放 0.0074t。

[1]孔祥忠.水泥工业的结构调整和科技进步［J］.水泥标准化技术通讯，2007（2）：2.

[2]CCES 01-2004（2005年修订版）混凝土结构耐久性设计与施工指南［M］.北京：中国建筑工业出版杜，2005：83.

[3]GB 175-2007通用硅酸盐水泥［M］.北京：中国标准出版社：2007.

[4]欧洲水泥标准EN 197-1：2000＜水泥—第一部分：通用水泥的组成、规格、要求和合格评定准则＞.

[5]M.Becker A.Lange. Alternative raw materials and fuels[J].Zement Kalk Gips，No.3 ／2008：25.

[6]陈仕香.用煤矸石代替粘土配料生产优质水泥熟料［J］.水泥，2003,（4）：19.

[7]I.Engeln.Operating experience with energysaving grinding plantsforgrinding clinker and granulated blast furnace slag[J].Cement InternationalL，No.5／2006： 73.

[8]王刚.生料辊压机终粉磨系统在2500t／d生产线上的应用［J］.水泥，2008,（6）：50.

[9]安宝军，汪兆先.HY-Ⅲ B型助磨剂在日照中联水泥公司的应用分析［J］.中国水泥网网刊，2008（5）：41.

[10]孟军.水泥厂的风机节能［J］.水泥技术，2007（5）：87.

TQ172.622

A

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2009-08-06；

沈 颖

*本课题得到广州市萝岗区科技局资助