新常态水泥工业与科技创新

韩仲琦

综述

新常态水泥工业与科技创新

韩仲琦

新常态的我国水泥工业是建设资源节约型、环境友好型的绿色环保型产业，水泥工业要转向发展循环经济和更多依靠技术进步、以提高产品质量和效率获取水泥工业的经济增长。水泥工业可持续发展必须得到先进科学技术的支撑，本文探讨了新常态我国水泥工业的发展前景以及对科技创新的要求。

新常态；水泥工业；科学技术；废弃物；水泥基材料；低碳化

1　前言

水泥是一种与国民经济建设有着密切关系的基础原材料。水泥是一种粉粒体状物料，其生产过程属于散体物料的处理过程，因此研究粉体工程的规律性和创新粉体技术，对水泥工业有着非常重要的意义。

近年来在全球经济持续放缓的背景下，中国经济发展进入了新常态，2014年我国水泥产量达到24.76亿吨，连续31年居世界第一位，但增速是自1990年以来最为缓慢的一年，出现了严重产能过剩情况。一些典型的、先进企业的技术指标已达世界先进水平，但整体能耗与污染物排放指标仍然落后于国际先进水平，协同处置废弃物进展缓慢，所以新常态下的水泥工业必须加快向清洁生产、环境友好、绿色制造、环保功能型产业转型升级，水泥工业的可持续发展，必须得到先进科学技术的支撑。

本文介绍了我国水泥工业取得的成绩和新常态水泥工业的发展目标，同时介绍了相关科学技术成果在水泥工业的应用研究情况。

2　我国水泥生产技术的进步

波特兰水泥是一种具有工业标准的基础原材料，自1824年英国人取得专利权后已有近两百年的历史，1889年我国第一家水泥厂——唐山士敏土厂投产，后经六十多年的技术引进和创新，经过了艰苦的发展历程，我国水泥工业取得了巨大技术进步，产能快速增长，为国民经济建设做出了巨大贡献。目前我国已研发了1 000～10 000t/d高质量系列生产线，承揽海外水泥工程约一半的市场，现有1 700多条新型干法水泥生产线，其中9条为世界最大级万吨生产线，具有世界最长的43km石灰石输送机和最大的φ7.2/6.2m×69m回转窑，每年可消纳全国50%以上的工业废渣。在处理有毒、有害废物和污染土、江河垃圾等方面，我国水泥窑炉逐渐成为重要的环保设施。

3　关于新常态水泥工业的发展前景

3.1水泥工业向着绿色环保产业发展

加快向清洁生产、环境友好、绿色转型是必然之路。以国家强制性能耗标准、各种污染物和温室气体排放标准为准则，加快技术改造和装备升级，向环保功能产业转型，以先进的废物综合利用技术和水泥窑协同处置技术为支撑，定位企业为绿色环保产业。

3.2信息技术将提升企业的竞争力

我国水泥生产技术与装备的IT技术、智能化控制技术，与国外先进水平还有很大差距，新常态下水泥工业要努力实现集研发设计、物流采购、生产管控、经营管理、市场营销为一体的工业流程链条智能化，积极开发智能工程、数字矿山和物联网。

3.3水泥基材料要有大的发展

随着基础设施的完善和其他材料的竞争，将会逐渐减少对“水泥”这种基础原材料的需求。水泥基材料革命性创新能带来新的市场需求，若出现重大进展，就会极大地拓宽应用领域，对于水泥的需求将会有所变化。在上下游关联领域如水泥与混凝土用矿物材料、混凝土骨料、商品混凝土、特殊功能水泥等，建立相互支撑的多元化产业群，现在行业内已出现产业链延伸，或向行业外产业链延伸的新情况。

3.4水泥产业“走出去”

水泥产业“走出去”，即向国外发展，有助于化解装备制造业的产能过剩和金融资本的过剩。中国水泥技术装备已占据国际市场45%左右的份额，“走出去”的是资本、技术装备和管理。围绕国家“一带一路”发展战略，若“中国水泥”转变为国际化的产业，对国家和平、国际合作、友好发展的外交战略将起到重要支撑作用。

现代水泥工业在我国已经成为成熟的产业，我国新常态水泥工业的发展目标是：不仅要为国民经济建设提供高质量的基础原材料，而且要成为产业发展循环经济的协同点，逐步发展成为不可或缺的绿色产业。

4　相关科学技术在水泥工业的应用与研究

4.1节能粉碎理论的研究

单颗粒粉碎是粉碎技术的基础，单颗粒粉碎系指粉碎过程是颗粒各自独立进行的，不存在颗粒间的作用。20世纪80年代以后出现了以料床粉碎理论为基础的预粉碎或预粉磨设备，如辊压机和立式辊磨。而料层粉碎是指大量颗粒相互聚集形成的粒子群发生的粉碎现象。近年来人们发现在现代工业中众多的粉碎实践都含有料层粉碎的因素，此理论由德国Claustal学院Schonert教授最早提出。如颚式破碎机、辊压机、辊磨、冲击磨机、振动磨等，单颗粒的粉碎概率可以达到100%，而料层粉碎存在一个极限粉碎概率，由于现代粉碎手段的限制，至今人们还无法获得绝对极限粒度的产品，得到1～0.1μm已很不错，所以关于料层粉碎机理的研究还有很多内容。这方面的研究对水泥厂的节能来说相当重要，粉磨工序的耗电量约为水泥制备全部耗电量的70%，为了最大限度节能和加工出符合要求的产品，必须研究粉磨节能的机理、开发更有效的粉磨技术和设备。现在中材装备公司开发的大型生料辊磨规格为TRM60.4，已用于曲寨河北矿峰6 000t/d生产线上，最大辊压机规格为TRP220×160。

粉碎技术的研究内容有三：颗粒的粉碎物理学、粉碎工艺的系统工程以及粉碎的机械力化学。关于水泥工业粉碎与粉磨的应用基础研究可能有如下几方面：

（1）更深入研究辊磨的粉碎机理，如随供能水平的提高，料床粉碎效率的降低幅度比球磨机小，因此成品越细料床粉磨的能耗越少；施力体形状对粉碎效率有较大影响，即磨辊与磨盘的组合形式应加强研究；循环再压将改变原有料床堆砌结构，组成新的排列，有利于提高能量利用率；要研究辊压和循环负荷的合理搭配及机内循环和机外循环的适当组合等。

（2）生料粉磨采用立式辊磨得到了广泛认同，但水泥终粉磨采用料床粉磨的辊磨或辊压机一直有不同的观点，因此采用料床预粉磨加上球磨机的流程仍然被一些业主选用，并且工艺流程也存在几种方式。近来取消机内选粉机的CKP磨（小野田与川崎开发）水泥终粉磨得到了一些人的肯定。

（3）水泥工业参与协同处置废弃物的工作是水泥工业的发展趋势，被粉碎和分解的废弃物种类将会增加，预计预处理技术会有较大进展，故今后应加强粉碎产品的颗粒组成及颗粒形貌的研究。

（4）今后对混合粉碎与单独粉碎的研究要加强，如何计算粉碎效率以及研究各种粉碎设备的节能潜力，如何更有效地利用挤压能和冲击能。

（5）高效粉碎方法仍然会继续探索。在水泥生产中，原料、燃料和熟料都属于脆性物料，其特点是抗拉强度低而抗压强度高，这是传统粉磨设备效率低的一个重要原因。有人曾试图用抗拉原理使物料受到破碎，设计了粉磨石灰石的装置，即在高压容器内瞬时释放压力，使物料受拉而被粉碎，这在原理上讲是成立的，但“爆炸磨”的工业应用开发没有获得成功。

（6）由于高效利用资源的研究取得了进展，超细产品越来越得到重视，所以除了水泥工业惯用的球磨机、辊磨和辊压机外，一些适合超细粉磨作业的其他形式粉磨机越来越引起人们的注意，例如振动磨、气流磨、搅拌磨等，这些磨机近年来也有了很大技术进步。

4.2多功能复合式分离收尘装置

20世纪90年代以后，袋收尘器进入复合功能时代，二噁英的捕获和防止就是有代表性的一例。从焚烧炉排出的气体有多种固体和气体物质，此外还含有水分，所以要求过滤介质在其表面对二噁英类物质也能捕集。可以在过滤介质表面预涂上石灰或粉状活性炭，但随着过滤量的增加，捕获成本就要增加，所以为了用过滤介质直接分解二噁英，可在滤布表面预涂催化剂，这种过滤介质既可以捕获颗粒状物质也可以分解气体状物质。纳米催化剂气流成网技术正在开发，制成载负催化剂的复合针刺毡滤料，兼具过滤和催化裂解功能，可用于分解二噁英等有机废气。此外，恶臭问题可以用活性炭或沸石等作为预涂层来解决。

图1　颗粒大小的划分和水泥颗粒的范畴

4.3 PM2.5治理技术研究

环境保护部和国家质监总局联合发布的《环境空气质量标准》（2012-2-29）中，增加了PM2.5指标，这与世卫组织WHO过渡期第一阶段目标值相同，但与先进国家仍有很大差距。

目前的情况是：我国建材行业没有PM2.5的详细排放数据，欠缺相关的法律法规标准，污染治理技术的开发没有正式进行，监测监管能力不够，认识水平较低等。图1是散体物料的粒径范围划分，可看出水泥的粒径范围，水泥粉体中含有PM2.5和PM10。

据有关资料报道，我国工业集中的华北PM2.5占到了整个颗粒悬浮物重量的一半以上，此外我国长三角、珠三角、西部等地也是细颗粒物污染严重的地区。

PM2.5及以下的粉尘颗粒，在排放总量中的比率极高，我国水泥产量很大，所以从整体来看，水泥行业排放的PM2.5可能在前几位。水泥行业的PM10和PM2.5一般来自燃烧和冷却工序，并可能含有氮氧化物、硫化物及其他某些物质。目前我国还缺乏测试手段，研究工作处于起步阶段。采用袋收尘器分离粉尘是最有效的方法，所以过滤介质是核心材料，美国杜邦和戈尔公司都是研究过滤介质的有名公司。我国几所大学已开始这方面实验室的理论研究。

水泥工业PM2.5治理技术的研究方向有如下几点：

（1）研究高性能滤料；

（2）开发水泥窑PM2.5超细颗粒物的捕获、测控技术；

（3）制定PM2.5排放标准与水泥生产企业的安全卫生标准。

4.4水泥窑处置废弃物的应用基础研究

笔者在过去发表的文章中，已介绍过水泥工业协同处置废弃物的技术开发情况，如协同处置生活垃圾、下水污泥、工业有毒有害废弃物的技术开发、废弃物的分类分拣装置、废弃物预处理的破碎、分级和储运装备、有害元素的检测和控制等，此处不再赘述，本文拟就其他两个问题作一简单介绍。

4.4.1回转窑焚烧废弃物的效果问题

目前我国水泥窑协同处置技术应该加强对危险废物焚烧特性、环境影响等方面的研究，解决实际应用过程中出现的废弃物焚烧效果不佳、窑内结皮、耐火材料腐蚀、污染物排放不达标等问题，因为这些问题影响了协同处置系统的经济性和安全性，同时还关系到二噁英等有机污染物的排放、废物种类与有害物质对烧成系统的影响等。另外，由于废弃物成分复杂且具有一定的化学性、毒性、腐蚀性及危害性，使得水泥厂建设预处理配套设施时遇到了很多困难。

控制二噁英生成的生产工艺条件等基本理论需要完整地科学地研究，与此同时研究钾、钠、硫、氯等干扰元素在烧成系统中的反应行为和控制方法，研究熟料对于重金属离子的固化理论和固化限值以及防止水泥混凝土使用中的二次污染等，都是很重要的待解决的问题。解决这些问题将奠定水泥窑作为废弃物最优处置的环保产业理论基础，为水泥产业向环保产业转型提供技术和理论支撑。

4.4.2高间隙质水泥熟料

最近国外期刊报道了高间隙质水泥的质量问题。当把使用废弃物的水泥与普通波特兰水泥比较时，Al2O3的成分较多，这是由于采用了大量废弃物的结果，所以今后要考虑水泥中“间隙质量”的增加问题，“间隙质量”，即“空白质量”，若多的话将对凝结时间、水化热、流动性、最终强度、收缩率造成影响，应分别研究其影响关系，找到对应措施。例如当C3A增加了，可以调整石膏的加入量以保证良好的流动性，所以有人提出了保证一定物性、强度和水化热的“间隙质量”组成方案。

4.5 CO2的应用研究

碳捕集与封存技术称为CCS技术（Carbon Captureand Storage），碳捕集技术目前大体上分为三种：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。三者各有优势，却又各有技术与成本难题有待解决。潜在的技术封存方式有：地质封存（在地质构造中，例如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池构造）、海洋封存（直接释放到海洋水体中或海底）以及将CO2固化成无机碳酸盐。CO2的地下储存，作为温室气体减排和资源化利用之间的结合点，展示了实现温室气体资源化利用并提高油气采收率的广泛应用前景，有可能成为在经济开发与环境保护上可实现双赢的有效方法。

目前中国的二氧化碳捕集和封存整体上还处于起步阶段，而且大都采用燃烧后捕集的方式。一些企业已在实践上进行了尝试，2008年7月16日我国首个燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程正式建成投产，并成功捕集出纯度为99.99%的二氧化碳。

二氧化碳是一种重要的资源，适用于国民经济各个领域，具有广泛的利用价值。水泥工业是重要的CO2排放源，生产一吨水泥，大约排放0.6～0.7tCO2，水泥企业可以循环利用CO2，或从水泥厂分离收集CO2后送到应用部门，形成循环应用CO2的产业链，将会产生新的生产模式。这是一项新的开拓领域，可以想象困难很多，需要许多相关科技领域部门的合作。开发二氧化碳资源的综合利用工作，变“废”为宝，更好地为国民经济建设服务。这样既应对了气候变化，又开发了新的市场，有利于低碳技术的商业化发展。CO2的应用有如下几方面：

（1）在化工方面，如制备甲烷、制备甲醇、制碱、物质分离、提纯、合成有机高分子化合物。

（2）在食品农业方面，如制备碳酸饮料；代替氟利昂做制冷剂，进行冷冻、冷藏、灭菌、防霉、保鲜、生产食品泡沫包装盒、生产氮肥、用作植物气肥。

（3）在石油化工方面，如油田助采剂，海藻生产石油。

（4）其他，如气体保护焊接、污水处理、二氧化碳染色、混凝土添加剂和核反应堆净化剂。

4.6固气二相流的深入研究

固气二相流是水泥工艺中常见的颗粒流体系统，如水泥生料的悬浮预热、流态化均化、流态化烧成与烘干、以及气力输送等，主要表现为非均匀的多尺度结构、状态多值性及突变等，流态化热交换法从机理、烧成效率及产品质量上都是非常好的方法。

人类长期以来，不断探索和研究了新的水泥烧成法和流态化立式熟料冷却机的开发、矿渣流态化烘干机的开发等，例如流化床水泥烧成法在国内外已有四十多年的研究史，美国、日本和我国都作过许多研究工作，但在工业化方面进展相当缓慢，这是因为流态化操作敏感性高，状态控制要求高，许多成果不能实现工业生产的要求。然而不断的科学探索可启发科技人员的发明创新思路，使相关领域的科学研究取得进展，因此仍具有很重要的实际意义。

4.7水泥基材料的创新

水泥基材料革命性创新带来新的市场需求，其作用可能是巨大的，会极大地拓宽水泥应用领域，对于水泥的需求将会有所变化。如为了满足特殊的需要，而要求提供的特种功能水泥（发光、透明、绝热、防辐射、高强、导电、艺术成型等功能）或特种混凝土（特殊功能混凝土、高强混凝土等），国内相关单位要加强合作，加强这方面的研究。

机械力化学在水泥技术中的应用逐渐得到人们的重视。机械力化学同热力学、电化学、光化学等一样是化学领域的一个分支，作为一门新的学科，目前在材料科学和水泥技术等领域也有了一些探讨和研究。采用机械力化学法使用粉体工业原料，可以将“无机物—有机物”、“无机物—金属”等组合而成精细复合材料。利用机械力化学的作用，可将水泥改性成为新品种水泥或开发水泥基新材料。

5　结语

（1）新常态的我国水泥工业是建设资源节约型、环境友好型的绿色产业，已成为我国水泥工业建立新的发展模式的核心内容，它意味着我们要从过度依赖资金、自然资源和环境投入、以量的扩张实现增长，转向更多依靠发展循环经济和技术进步、以提高产品质量和效率获取水泥工业的经济增长。

（2）我国水泥工业的发展目标是：不仅要为国民经济建设提供高质量的基础原材料，而且要成为产业发展循环经济的协同点，逐步发展成为不可或缺的绿色产业。

（3）本文探讨了水泥工业相关领域科学技术在水泥工业的应用与研究情况，如节能粉碎理论、多功能分离收尘装置、PM2.5治理技术研究、水泥窑处置废弃物的应用基础研究、CO2的应用研究、固气二相流、水泥基材料的创新等，科技创新将支撑传统水泥产业向着低碳体系和环保产业转型。

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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

通讯地址：天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2015-07-21；编辑：吕光