水泥工业的技术发展

水泥工业的技术发展

近年来，水泥工业技术在能效、烧成、粉磨、废气排放、新品种水泥等方面有较大进展，情况如下：

1　能效

水泥生产主要能耗为热能和电能。总体说来，热能约占总能耗的85%～90%，电能约占15%～10%。水泥是地球上消耗最多的工业产品，为提高产品性能，减少生产成本，降低产品价格，长时期以来，人们专注于对其生产能效进行优化，以致于水泥生产是所有工业能效最高的产品，能效高达74%（图1）。要进一步降低能耗，存在一定的难度，但通过技术优化，在现有的74%的基础上提高一些能效，还是存在可能的。

国际能源局（IEA）提出，全世界水泥工业能效降低，最多可减少所产生的CO2排放量约10%。德国水泥工厂协会研究报告称，若将德国现有的水泥窑和磨全部重建和完全更换，最大节能为14%。

这些年来，水泥工业热耗和电耗均有所下降。作为绿色产业，水泥工业加大了工业废弃物作原、燃料及混合材的应用，大幅降低了烟气中的粉尘和NOx、Hg等有害气体的排放，在一定程度上又提高了热耗和电耗，二者大致相当，以致于一些国家水泥生产的能耗，较长时期的保持平稳的势态（图2）。图2表明，德国从2000年至2011年期间，水泥生产能耗变化不大，个别年份还有所增加。

图1　不同工业窑炉的热利用率

2　烧成

烧成系统装置近些年来有较大进展，主要有：预热器分解炉系统装置效率进一步提高，阻力进一步下降。分解炉内燃料燃烧时间适当延长，以满足不同挥发分、不同热值煤粉和代用燃料的燃烧。二支承窑的长径比相应增加，且窑速增至5～5.5r/min。第四代冷却机效率可提高至75%以上。冲量大、调节灵活，可满足不同性能燃料（包括代用燃料）的多风道燃烧器等装置得到大量应用。上述技术促使产能增加，热耗逐年下降。

图2　德国水泥工业单位能耗变化情况（1990～2011年）

熟料煅烧时，所产生的废热损失见图3。其中冷却机和预热器废热均可利用，一般用作原燃料烘干和废热发电，这与一些国家的政策、回收效率和经济形势有关，只有经济可行才能考虑安装废热利用装置。此外熟料形成热和筒体散热是不可利用热。

图3　熟料煅烧所产生的废热及其利用

为减少不可利用热所造成的热损失，只有进一步降低熟料形成热和加强隔热，才能降低熟料热耗。

烧成系统另一特点是代用燃料数量比例增加，矿化燃料比例下降。代用燃料热值和水分波动较大，在使用时一定程度上增加热耗。目前工业发达国家从技术上通过预处置，改善了水泥生产的代用燃料成分的均匀性，缩小了水分含量和波动，为水泥工业大规模使用代用燃料创造了条件，个别工业国家代用燃料代用率约占水泥燃料总量的60%。

3　粉磨

水泥生产过程中，生料制备、水泥粉磨均耗用大量的电能。在确保产品质量和装备运行可靠性的前提下，降低单位产品电耗，是促进粉磨工艺装备技术进展的动力。

辊式磨机集烘干、粉磨、选粉于一体，占地少，且可露天布置，可利用预热器、冷却机废热，设备运行平稳，操作调节方便，产能大型化，满足窑磨大型化要求，现已广泛地取代球磨机用于生料制备。

辊压机和球磨机综合系统能耗低，被广泛地用于水泥粉磨。但在磨制复合水泥时，因矿渣、石灰石、粉煤灰、熟料等成分性能不一，水泥细度要求也不同，在辊式磨中将这些成分粉磨成不同细度成品，然后混合成复合水泥，有利于强度等性能发挥优势。在磨制混合水泥时，球磨因操作调节困难，难于发挥不同成分的性能优势。而辊式磨操作灵活，可以较快更换粉磨物料品种，此外，磨速、磨压、助磨剂加入量、喷水量、料层厚度及粉磨时间、产品细度调节均较灵活，电耗较低，在水泥辊磨上得以发展，现最大产能350t/h。

辊磨适用于矿渣粉磨，矿渣含水量一般超过20%，需利用烧成系统产生的废热对其烘干。矿渣要求粉磨细度细，粉磨电耗仅为球磨的一半。矿渣辊磨配置防磨部件，因而磨耗低，长期运行后，对其防磨部件更换容易，对运转率影响较低，且易大型化，在市场上大量推广应用，目前最大产能可达300t/h。

各公司对其生产的辊式磨，在磨辊、磨盘、选粉机以及减速机等部件均进行了优化，且做到了磨辊、减速机、液压装置以及控制技术一体化，有利于控制及减少漏风和振动。辊式磨减速装置技术已从第一代发展到第四代。

球磨磨制水泥的优点是细度合适，对强度有利，可靠且易于操作。缺点是能耗高，但球磨仍用于已有和新建水泥磨装备，目前的焦点是进一步提高球磨效率，为此，在了解球磨的粉磨机理的基础上，使之优化。

粉磨理论指出，在球磨粉磨过程中，批量粉磨较单颗粒粉磨能耗效率高出一个数量级（图4）。辊式磨和辊压机单位产品能耗虽然较低，但料床内部物料压实磨擦相应损失能量。而球磨由于球对球接触和相应的能量进入，从理论上提供了良好的断裂条件，但因材料应力及其强度是不可控，以致于出现差的能效。为提高效率，近年来VDZ研究院对球磨性能开展了研究。

在球磨粉磨物料时，对球和球之间接触和彼此接触路线及球的负荷特征进行模拟。模拟证明，球和球之间接触所产生的正常应力和接触路线在球磨机内球充填是不变的（图5），但球磨内的接触路线只能模拟。Zeisel试验对粉磨强度和彼此之间的接触路线提供了一个机会，通过模拟仿真和Zeisel试验的结果相互结合，进一步理解装球量的特征，对现有和新建球磨机进行优化。

提高球磨效率的研究项目由欧洲水泥研究院负责，组织由其他有经验的工业部门和研磨装备制造部门共同开展，以找到一个磨机产量和进入单颗粒的作用力之间的较好的平衡，从而提高球磨机的效率。

图4　单颗粒和批量粉磨比较

图5　球磨机内球和球之间不变的接触路线和正常作用力

图6　各有关行业汞排放估算量

4　废气排放

水泥生产所产生的烟气中含有粉尘、NOx、Hg、CO2等有害物，有关部门制定了排放限制值。在确保生产及产品质量和产量稳定的前提下，采取措施，设置技术先进的专项减排装置，达到排放限制值，当前和未来一段时间内关心的焦点主要有：

4.1汞

联合国环境规划署为解决全球范围内汞排放，对人类活动所产生的汞排放量作出了估算（图6）。欧洲水泥局（CEMBUREAU）和水泥可持续发展倡仪部门（CSI）认为汞排放计算结果不适合水泥生产经验，环境规划署计算的水泥工业汞排放限制值过低。

由于汞具有高的挥发压力，在水泥熟料煅烧过程中极易挥发，随烟气温度降低至较低温度时，和其他微量元素相比，易附在窑料（生料）表面。欧洲最佳实用技术（BAT）提供BAT排放水平有关值为＜0.05mg/m3（stp）。BAT文件需要值高于0.03mg/m3（stp），进一步调查，其值接近0.05mg/m3（stp），则需另行考虑。

在许多情况下，需考虑汞减排策略，首先控制代用燃料和燃料的汞含量，以及电收尘器收下粉尘作生料中的汞含量，以降低汞在窑内循环。从一些汞平衡试验显示，停磨时电收尘器收下的粉尘内汞含量超过磨运转时的数量。此外通过周期性的温度控制以控制电收尘器收下的粉尘内的汞含量以控制烟气中的汞排放量。

连续测试汞排放难度较大，原因是燃料燃烧所产生的烟气含有不同价数的汞化合物，有元素汞［HgO］、一价汞化合物［HgI］和二价汞化合物［HgⅡ］。从现有的汞减排装置运行情况来看，长期稳定的测试有一定困难，进一步了解汞在烧成系统内性能及汞减排装置运行特性，优化装置，使之长期稳定运行。

4.2NOx

前些年，水泥烧成系统通过设置选择性无催化还原（SNCR）减排装置，NOx排放值明显地降低，使之达到排放限制值。但过程增加了NH3的排放（NH3逃逸）量，为进一步提高SNCR效率，减少NH3逃脱，进一步改进各种型式的选择性催化剂还原（SCR减排装置），以使水泥工业NOx排放值进一步降低。

目前在水泥工业开展的SCR减少NOx排放的技术实验和实践有高尘SCR（Mergel stetten水泥厂）、低尘SCR装置（Rohrdorf水泥厂）和半尘SCR（Mannersdorf）。上述不同方式的SCR设置在不同位置的烟气管道内各有特色，见表1。

表1　SNCR和SCR减排装置对NOx减排评价

Mengel stetten水泥厂内调研的重点是在SCR结合现有SNCR装置进行生产。两种减排工艺装置结合应用，可使SCR装置减小，可减少投资和操作费用。还需调查清理、使用过程损失、催化物料失去活性的更换机制。

在Rohrdorf水泥厂调研关注的问题是烟气清理装置与热置换装置，结合调研有机化合物和附加的烟气成分的浓度，如汞和有机化合物对催化剂的影响。

2012年奥地利Mannersdorf水泥厂的半尘SCR装置开始运行，该厂使用电收尘、粉尘浓度为15～20g/m3。

4.3 CO2

按照不同的CO2减排情况和国际能源局路线图，水泥工业将采用不同的方式，在全球减少CO2排放。水泥熟料煅烧和生料、水泥粉磨耗电产生CO2排放，减缓排放的方式是降低水泥生产的热耗和电耗。如提高生产效率、采用代用燃料、减少矿物燃料、提高熟料性能、增加混合材的掺加量、生产复合水泥等。上述方式可在一定程度上减少水泥生产所产生的CO2排放，但有一定限度，只有采用CO2捕捉和储存技术（CCS）才能大幅降低CO2排放。为此，欧洲水泥研究院对水泥工业的CCS的技术和经济可行性进行调研。

水泥工业使用CCS技术主要有两种，胺基后燃烧CO2捕获技术和富氧燃料燃烧技术。欧洲水泥研究院将有关工作分配给执行研究的合作单位，并对可能影响水泥生产工艺评估及减少CO2排放的工艺技术、工厂整体和能量效率等进行调查，得出看法是胺基后燃烧CO2捕获技术在给定的时间内技术可能实施。而富氧燃料燃烧技术仍需更多的研究，即使此项技术可以合适于现生产的窑，但该项技术较胺基后燃烧投资稍高些，需较大投资。在水泥工业使用CCS时，因技术改造投资高，能源成本高，造成总体费用高，在经济上是有影响的。

水泥工业捕获的CO2重新利用得到重视。有前途的是从CO2和氢合成为甲烷和甲醇，其优点是一方面可减少CO2排放，另一方面其生产的再生能源可以储存。欧洲水泥研究院和Mons大学合作已对此课题开展研究。

5　新品种水泥

水泥工业的产品品种方面是进一步开发不同性能的新品种水泥。所有的产品均减少CO2排放。这些水泥经多次试验且得到充分验证，满足欧洲标准的技术性能要求。品种有硫铝酸钙熟料、贝利特硫铝酸钙、泰尼西特、贝利特富波特兰熟料等，这些水泥均为低碳水泥，企望在未来市场上得到一定的份额。何时能取代普通水泥熟料，必须在获得经验和市场接受下才能扩大应用。

通过对熟料和矿渣、粉煤灰、天然火山灰和焙烧粘土等混合材的研究以改善现有水泥的性能。举例如下，水泥中含有部分粉煤灰，影响水化性能，若加入5%的含铝物质（例如硫酸铝或变高岭石），对含有富钙粉煤灰的水泥技术超过含有富铝和富硅粉煤灰效果，此外混合相等部分的富钙粉煤灰或低钙粉煤灰作为水泥外加剂，在强度上效果相似。

6　展望

未来水泥生产技术仍将进一步发展，水泥工业面临的挑战仍然是：减少生产费用，加强质量和产品性能以及提高混凝土耐久性。总的来说，CO2排放的区域和全球气候谈判仍然是一个框架，水泥行业将定义自身的碳排放路线图，从生产工艺考虑到CO2排放，造福于人类社会。

陈友德编译自

No.1/2014 Cement International