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国内外水泥工业进展的技术经济评述

水泥 2009-04-27

　　2007年，中国水泥产量已经突破13亿吨，达到人均1吨的最高年度消费水平，占世界水泥产量一半以上，充分显示了中国经济和中国水泥工业的活力。

　　但是，巨大的水泥产量，除了满足城乡人民众多的住宅建设和基础设施需求外，也正面临着大量的资源消耗、节能减排、环境保护与可持续发展的强大压力！

　　建设资源节约型和环境友好型社会，节能减排，降耗增效，促进行业又好又快地实现可持续发展，主要还是依靠全行业的科技进步！

　　规模如此庞大的水泥工业，如何解决所面临的各种问题，如何可持续发展？我们坚信，除了政策因素外，科学技术仍然是解决问题的第一生产力！

　　全行业的科技进步，是由具体的一项一项的技术组成，下面我从国内外近年来最热门的15项技术进展谈起。由于各国和各地的情况千差万别，不能够完全照搬，我的看法仅供参考。

　　一、余热发电技术
　　国际情况：除了日本外，欧美其他发达国家搞余热发电的不多。主要原因是：生产线的热效率比较高，预热器废气温度比较低；余热利用比较充分，除了烘干原料外，主要用于烘干废弃物，比如下水道淤泥等。此外，国外的电价相对便宜，水泥厂自己发电的动力不足。

　　国内情况：近些年由于能源紧张，电力价格飘升，导致水泥能源成本大幅度上涨；有些水泥厂的煤电成本高达70%，迫使企业寻求节能减排的良策。水泥厂余热发电对中国较大的水泥企业来说，目前不失为一项很好的节能降耗技术。

　　余热用不完的企业，比如日产2500吨以上的企业，可以获得较好的技术经济效益。根据技术装备的水平，一般可以实现每生产一吨熟料发出30到40度电的经济效益。如果购买每度电按优惠电价0.5元计算，生产每吨熟料就可以为水泥厂节省15到20元的成本。

　　目前纯低温余热发电技术已经很成熟，得到国家的大力支持，可以称作是第三代余热发电技术。而在第三代余热发电技术的基础上，出现了带部分补燃的改进型第三代余热发电技术，可以为水泥企业带来更多的经济效益。比如，琉璃河水泥厂的成功实践就是一个很好的案例。其窑头和窑尾的余热锅炉所回收的余热发电量，与其他第三代纯低温余热发电技术的效果一样。而新设置在窑中三次风管处的锅炉回收的余热，又可以多发出10到20 kWh电。

　　很多人对这部分发电量提出疑问，或简单将之归类于补燃发电。
　　实际上，这部分电力的发出是冷却机部分低温废气的有效利用，不用则白白排掉了，补燃的分量只占实际发电热需求量的7%（琉璃河的情况）。

　　因此这部分余热发电的煤耗只有150到160 克标煤/度电, 实际耗煤量远远低于任何一个现代化的火电厂（目前国际上最现代化的超临界机组的火力发电厂，其发出每度电的标准煤耗也都大多在300克标煤/度电左右）。由此看来，仅从发电或用电成本和工厂的经济效益方面来评价，其现实的收益绝对是上算的。在最近印度北部最大的水泥企业希瑞水泥集团的余热发电项目国际竞标中，琉璃河水泥有限公司击败国内外所有的竞争对手，一举中标!

　　二、水泥助磨剂技术
　　国际情况：已经在二十几年前就是十分普及的成熟技术。

　　国内情况：由于水泥新标准与国际接轨，水泥助磨剂技术近几年在国内也得到了大范围的普及和推广，技术也变得越来越成熟，质量也得到不断的改进。代表性厂家有山东宏艺和济南众森等知名品牌，国外的知名品牌如格雷斯等。国内的助磨剂技术这些年在不断完善之中，包括标准的不断修订。

　　三、立磨粉磨水泥技术
　　国际进展：
　　在过去的10年里，立磨用于水泥和矿渣的研磨技术取得了重要的突破。世界上最大的水泥生产者瑞士豪瑞集团于1998年与莱歇公司合作，在越南的Hon Chong水泥厂投入第一台立磨进行水泥的粉磨。自那以后，立磨越来越多地用于水泥和矿渣的终粉磨。水泥生产者对于立磨与传统粉磨系统相比在实际应用和生产同等质量的水泥上的顾虑已经消除。立磨粉磨水泥有许多优点，不仅具有经济上的优势，同时具有通用性，代表了水泥工业今后的发展方向。

　　自第一台粉磨水泥的立磨投入使用以来，豪瑞水泥集团还没有出现任何质量问题。水泥厂的粉磨过程，特别是水泥的粉磨耗电量很大，降低电耗的潜力也很大。粉磨水泥和矿渣时，立磨的粉磨能耗大约是传统球磨机的50%。立磨是一种风扫磨，所以风机的能耗必须包含在粉磨系统中。总的来讲，立磨粉磨车间的电耗大约是球磨机的70%，这是可以和市场上其他的新型粉磨技术相媲美的。

　　下表是在同一个水泥厂内立磨和球磨机生产的水泥质量比较的结果。

水泥质量：立磨和球磨机的粉磨质量比较

　　国内情况：立磨作为原料磨，在国内各大中型水泥厂已经在逐步推开。立磨用于粉磨水泥熟料，还没有看到公开的报道。
据说徐德龙院士已经搞了两个厂的试验。

　　这是一个非常大的市场，节能减排的潜力还很大，值得大家关注。

　　四、变频调速技术
　　国际情况：
　　十年以前，国外在水泥厂已经比较普遍地开展了变频调速技术的应用，实践证明是一项非常成功的节电和自动控制技术。

　　国内情况：
　　变频调速技术最近几年在国内的水泥行业也逐渐获得肯定。一般根据所应用的场合而定，节电范围在10-30%不等。

　　立窑变频调速改造案例：
　　对某立窑水泥厂鼓风机（245 kW一台，215kW两台）、选粉机、选粉风机及盘塔送料等电机进行了变频改造，投资约130万元，改造了从1.5kW到250 kW大小共130台电机。改造后的实际测试情况证明在几个月的时间里靠节约的电费就收回整体投资，在以后的生产经营中也能够以较低的生产成本在市场的竞争中处于更有力的位置。

　　这个案例说在几个月就可以收回投资，或许有些夸大其词，但是变频调速技术改造的经济效益无疑是十分显著的。

　　五、纳米水泥与建材、高效润滑与纳米添加剂技术
　　国际进展：
　　近年来国际材料科学领域的纳米热也渗透到水泥与建材行业。美国在25年前就出现过纳米水泥添加剂，在混凝土中的添加量为万分之几。经过二十多年的混凝土工程对比实验，发现使用纳米添加材料的混凝土工程，无论是外观还是内部各种防渗与抗腐蚀性能，都比没有使用纳米添加材料的建筑物要好得多。

　　欧洲水泥与建材学术界近几年对纳米材料的研究也十分活跃。包括建筑界在内，不断举办各种学术会议。欧洲建筑化学学会认为，纳米建材的研究意义十分重大。利用纳米建材的建筑，不但可以大大延长建筑物的寿命，而且可以减少肥梁胖柱，大量减少材料的使用量和运输量。对资源的节省、环境的保护，以及可持续发展都意义重大。

　　发达国家纳米水泥与混凝土技术的突破，有赖于前些年研究和测试手段的进步。特别是环境电镜等现代观察仪器的出现，打破了过去多年来一些陈旧的学术观点。过去利用常规研究和观测手段，比如利用X-射线和普通电子显微镜等研究手段，认为水泥混凝土是亚微观结构、胶体和不定型材料等。通过环境电镜观察，可以达到纳观结构，认为水泥混凝土在10到120纳米范围，是晶体结构，而非胶体。

　　围绕水泥混凝土纳观结构的组成和设计，水泥水化过程的定量描述及数学模型开始建立。普遍认为，水泥基建筑材料的发展将会出现一个大的技术突破。

　　国内情况：
　　国内的水泥与混凝土研究机构，大多数还在沿用老的思维方式和手段，用宏观现象来研究和解释水泥与混凝土的微观性能；用历史情况来推测未来；依赖统计情况来得出结论等，差距较大。

　　关于纳米添加材料，我认为渗透结晶的混凝土表面防渗和增强涂料属于这一类。随着国际产品的流入，国内的相关机构也推出了类似的产品。

　　在水泥厂润滑方面，浙江水泥公司利用纳米添加剂据说获得了节电4%的良好业绩。
　　西安建筑科技大学、中国矿业大学、南京工业大学和哈尔滨工业大学等，也开始着手进行纳米水泥及建材的研究工作，这是一个很好的动向。

　　六、预防维修技术
　　国际进展：
　　20多年以来，欧洲的水泥工业围绕320天的年运转率（90%），整个水泥厂为之奋斗。到目前为止，许多先进的水泥厂在预防性维修的现代理念指导下，运转率可以达到95%以上。

　　根据欧洲的经验，通过对维护保养部门的优化潜力和深度挖掘，可以极大地提高企业的经济效益——工厂设备的运转率可以提高30%；生产力可以提高25%；维护保养成本可以降低30%。因此，负责预防维修的部门，在现代水泥厂里不被认为是辅助性车间，而普遍被认为是战略性的关键部门。

　　预防性维修技术包括在线监测、远程诊断、预防检修、高效润滑、巡检与抽查等。

　　国内情况：
　　国内水泥窑的设计运转率一般为85%，好的水泥企业可以达到90%以上。如果一个日产5000吨的水泥厂，运转率每提高1%，企业增加的经济效益每年都在几百万元以上。

　　大力推广预防性维修的现代理念和技术，减少危机式的事故性抢修，及同时造成的人员与财产的巨大损失，是中国水泥工业科技和管理技术进步值得研究的一个重大性课题。

　　七、第四代高效篦式冷却机技术
　　国际情况：
　　不管是INK公司,KHD,FLS, 还是Polysius和克劳迪斯彼德斯，其现代的冷却机都大同小异，不分什么第几代，而唯一衡量的硬指标是热效率均在70%以上，一般可以达到79%。

　　国内情况：
　　声称搞出第四代冷却机的院所和厂家不少于4家，有的厂家据报道已经有许多参考用户。
　　无论如何，新型或新一代冷却机确实有许多优点，在技术上有很大的突破，可以实现无篦板漏料、无“红河”、无堆“雪人”、节能、冷却效率高，提高熟料质量，机械磨损少等等，是值得大力推广的技术。

　　八、低压长袋高效袋除尘技术
　　国际情况：
　　由奥地利思求奇公司于2001年推出一种新型袋除尘技术。也叫EMC（能量最小化概念）收尘系统。如今已经销售出100台，受到水泥厂的欢迎。它的主要优点包括：

　　（1）布袋长达8米，已经成为行业标准，因此可以节省布置空间，投资成本低；

　　（2）使用低压清灰，布袋寿命长；避免布袋与支架之间的反弹，清灰脉冲减低一半，这些都意味着布袋所受到的机械应力小；

　　（3）风机能量成本的降低达30%。这是由于布袋密集清灰，收尘器可以通过较低的压差操作所导致的节能效果.

　　（4）由于1到3 bar低的清灰压力和清灰脉冲减少一半，所以供应的压缩空气能耗成本降低80%；　

　　（5）由于较长清灰周期，通过较好利用滤饼的过滤效应，可以减少粉尘的排放；通过降低清灰压力，减少“地毯敲打效应”，因此清灰峰值也得到降低；　

　　（6）由于利用较低的清灰压力，因此噪音排放也得到缓解，可以减少声压峰值约达10 dB。　　

　　国内进展：
　　有关院所也在开发和推广低压清灰和长布袋理念，但是与国外先进技术的差距较大。

　　九、红外线在线检测自动配料技术
　　国际进展：
　　ABB公司近几年发明一款利用普通光源（据说实际上是一个700瓦的灯泡）发光的水泥原料成分在线红外光谱分析仪，已经在瑞士等6个水泥厂投入运行使用。根据工厂运行情况，这种新的在线检测技术手段估计会有巨大的市场需求空间。

　　基本原理：该技术由白光源（灯泡）提供稳定的红外光谱范围。当传送带上的物料经过时，该光线照在其上，红外射线激发被测物质中的分子键振动，这样就产生了可以表示被测物质特征的吸收和反射光谱。

　　国内现状：
　　除了已经引进的琉璃河与华新等水泥厂的约8套在线原料成分分析与配料设备外，其他水泥厂均不具备原料在线检测分析能力。这些在线原料分析仪器，均采用放射线同位素或中子源作为激发能量来源。由于放射材料的潜在危险，以及运输和储存方面的严格防护要求，原有的水泥原料在线检测技术受到很大的限制。

　　如今，随着水泥生产能力的过剩加大，水泥生产者正面临着越来越严酷的降价竞争。为了降低成本、节省高品位矿石原料、优化成本和使用替代组分等，加强对原料侧的管理和控制，实时地对上游组分的化学分析已经迫在眉睫。因此，红外光谱在线分析技术的出现，值得行业的普遍关注。

　　十、大掺量混合材级配、激发与粉磨技术
　　(1) 矿渣水泥，80%的矿渣，15%石膏，5%的激发剂，细磨到6000cm2/g以上；奥地利和国内四平水泥研究所有实用技术；配比、级配、激发和细磨技术并用；
　　(2)EMC水泥, 50-70%粉煤灰或矿渣或石英砂或废弃的混凝土, 30-50%波特兰水泥; 振动磨中磨至5000cm2/g以上；2004年第一条商业化生产线在美国德克萨斯州投入运行；
　　(3) 石灰石水泥, 30-35%的石灰石加入量, 法国和德国生产,有标准; 我国最初有标准, 目前已经废弃, 主要是早期没有解决磨细问题, 水泥太粗, 产品性能不稳定; 过去学术界认为，石灰石为惰性组分，而近年来的研究表明，细磨后的石灰石具有一定的活性，一定量的石灰石粉可以和水泥中的羟基水铝钙石生成半碳铝酸盐和单碳铝酸盐。当方解石含量饱和时，过量的那一部分才固定下来，成为惰性填充剂。加石灰石的水泥，也可以促进C₃A的水化。

　　石灰石掺加量高的水泥有一个弱点，抗硫酸盐的侵蚀性比较差。因此，在使用环境方面受到限制。为了稳妥起见，欧洲的普通水泥的石灰石掺量一般限制在10%以下。

　　十一、沸腾煅烧新工艺技术
　　由日本川崎重工和山东淄博的一家公司联合进行产业化实验，得到国家发改委和日本政府的支持。这是取消回转窑的一次工艺技术尝试，如果有突破，将是继1972年日本发明窑外分解技术之后水泥工艺技术的又一项历史性突破。此前日本川崎重工已经在日本成功地取得了日产200吨的半工业化实验。

　　淄博这条工业化生产线的设计能力为日产1000吨熟料，原计划于今年7月份点火，目前看没能按计划进行，随后的进展值得业界继续关注。

　　沸腾煅烧技术能否大型化，是个巨大的挑战！其次是，如果成功运行后，在处理废弃物和使用替代燃料等方面，能否与窑外分解技术竞争，也是一个问题。

　　淄博这条工业化生产线的设计能力为日产1000吨熟料，原计划于今年7月份点火，目前看没能按计划进行，随后的进展值得业界继续关注。

　　十二、预分解炉或烧成系统优化煅烧技术
　　国际进展：
　　国际上的分解炉大多数都是在线分解炉。热工制度比较稳定，利用冷却机的三次风，烧替代燃料，效果很好。
　　ABB公司的分解炉温度自动控制和优化系统，可以保证分解炉热工制度稳定，预热器和窑系统没有温度移动，不但保护了和延长了耐火材料寿命，而且使得熟料质量稳定，废气温度稳定，节能达到5%。

　　国内情况：
　　国内以前搞离线分解炉，目前开始搞在线分解炉。窑热工制度不稳定，结皮结圈频繁。能耗相对也比较高。

　　十三、回转窑及耐火材料技术的发展趋势
　　国际进展：
　　一条现代的日产5000吨熟料的回转窑的耐火材料的配置情况如下：耐火浇注料35%，隔热材料5%，黏土砖24%，高铝砖21%，碱性砖15%。

　　全世界耐火材料的使用量大约是每年195万吨，中国占40%（可能不包括立窑）。自1990年至2005年的15年里，耐火材料的单位消耗量因技术进步等因素呈逐年下降趋势。1990年单位消耗量为1.34kg/t熟料，到2005年下降到0.8kg/t熟料，预计到2010年该值会下降到0.72kg/t熟料。

　　单位耐火材料的下降原因，与国外开始推广使用两档窑有关系。
　　根据德国水泥厂协会的研究，两个拖轮的回转窑的平均耐火材料单位消耗量为265g/t熟料，但是3个拖轮的回转窑的平均单位消耗量是644g/t熟料，而4个拖轮的回转窑的平均消耗量高达848g/t熟料。

　　另一个节省耐火材料的最大因素来自窑系统的自动控制和优化煅烧。该系统可以把回转窑的工艺运行调整到最佳工作点。这个工作点可以是最大成品率、最佳运行温度、最佳燃烧条件。在最佳燃烧条件下，稳定回转窑运行的同时，可以节约10-30%的耐火材料消耗。

　　自上个世纪80年代中期以来，发达国家已经利用无铬的镁铝尖晶石砖完全取代了镁铬砖。只有在中国和印度这样的发展中国家，还在大量使用镁铬砖。自今年以来，欧盟国家严格控制铬公害和污染，以法律形式规定每吨水泥的铬含量不能超过2ppm。
此外，近年来随着替代燃料使用的增长，也导致了窑用耐火材料单位消耗增长的态势。

　　十四、替代原料和燃料（AFR）技术的进展
　　国际进展：
　　这项技术在欧美等发达国家已经成功运用20多年，是一项十分成熟的技术。在欧洲，目前已经没有烧单一燃料的水泥厂。欧盟国家水泥工业替代燃料的比例平均已经达到30%的水平。德国去年已经平均达到50%的水平，个别水泥厂替代燃料的比例达到75%。

　　发达国家的水泥厂，特别是城镇附近的水泥厂，都在强调为保护环境做贡献。一些其他方法无法处理的废弃物，如下水道淤泥，包括危险废弃物等，水泥工业都在努力帮助社会来完成处理任务。

　　国内情况：
　　在我国，除了北京水泥厂等少数厂家的以处理危险废弃物为主的运用外，替代原料和燃料的技术运用几乎还是一片空白。没有开展起来的原因有许多，但主要原因有3点，一是国家没有得力的配套政策，二是人们的环保意识没有普遍提高，三是没有从家庭开始的垃圾分类收集、社会化分类处理和加工利用的完整体系。

　　随着循环经济促进法的实施，包括国家有关部门正在研究有关促进垃圾分检和综合利用的有关政策，我们相信，水泥工业全面普及AFR技术的时代迟早迟晚会到来。

　　根据我国城市市政垃圾的产生量和增长情况，如果全部分类处理和作为AFR用于水泥工业，可以替代全国水泥工业现有标准煤耗的1/4。如果每个水泥厂的熟料标准煤耗平均降低25%，则节能降耗的幅度和成本降低的幅度是十分可观的。
AFR的推广在中国主要不是技术问题，而是社会管理和政策不配套的问题。

　　十五、其他硬件和软件技术等
　　国际进展：
　　水泥技术与装备不断改进。国际上一般每隔2到3个月，水泥工业就会有一项小的新技术出现，小改小革不断。大的技术一般3到5年出现一次，5年内如果没有新技术，企业就无法生存。所以，国外的机械厂把新技术的寿命期定为5年。

　　国际水泥行业的控制水平正在从自动化走向预控制和智能化阶段，做到用户需要什么产品就生产和提供什么产品。
　　比如，地基用的水泥，地板用的水泥，一二层楼用的快硬早强水泥，隔热保温的泡沫水泥，钢筋密集区域用的自密实混凝土所需要的水泥等等，都不是单一的水泥品种可以满足要求的。

　　水泥企业面向用户的市场化经营理念。发达国家现代化的水泥厂，针对用户需求，可以随时生产和调配出100多个水泥品种。

　　由于用户应用水平的要求高，德国的高速公路要求50年不维修。
　　在水泥与混凝土利用粉煤灰和矿渣等工业废渣方面，国外的利用出发点首先是调整混凝土的和易性、抗渗性和抗腐蚀性等。

　　国内情况：
　　包括日产万吨的水泥成套装备，基本可以设计和大部分自己制造。除了质量和寿命有些差距外，国内与国外在水泥硬件方面的差距不是太大。中国与发达国家水泥工业技术方面的差距主要体现在软件方面。

　　我国的水泥混凝土应用科学及施工水平比较落后，导致水泥品种单一和性能要求不高。据报道，中国建筑物的平均寿命只有30年。

　　中国水泥工业的控制水平正在从人工向半自动化和自动化方向转变。智能化还谈不到。
　　国内水泥和混凝土企业利用粉煤灰和矿渣的出发点首先是调整标号与降低成本。对改善性能的功能往往放在附加的考虑范围。
　　从上述的观念比较上看，国内外在软件环境上的差距要比硬件上的差距大得多。

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