國內外水泥工業(yè)進展的技術經濟評述
2007年，中國水泥產量已經突破13億噸，達到人均1噸的最高年度消費水平，占世界水泥產量一半以上，充分顯示了中國經濟和中國水泥工業(yè)的活力。
但是，巨大的水泥產量，除了滿足城鄉(xiāng)人民眾多的住宅建設和基礎設施需求外，也正面臨著大量的資源消耗、節(jié)能減排、環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展的強大壓力！
建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，節(jié)能減排，降耗增效，促進行業(yè)又好又快地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，主要還是依靠全行業(yè)的科技進步！
規(guī)模如此龐大的水泥工業(yè)，如何解決所面臨的各種問題，如何可持續(xù)發(fā)展？我們堅信，除了政策因素外，科學技術仍然是解決問題的第一生產力！
全行業(yè)的科技進步，是由具體的一項一項的技術組成，下面我從國內外近年來最熱門的15項技術進展談起。由于各國和各地的情況千差萬別，不能夠完全照搬，我的看法僅供參考。
一、余熱發(fā)電技術
國際情況：除了日本外，歐美其他發(fā)達國家搞余熱發(fā)電的不多。主要原因是：生產線的熱效率比較高，預熱器廢氣溫度比較低；余熱利用比較充分，除了烘干原料外，主要用于烘干廢棄物，比如下水道淤泥等。此外，國外的電價相對便宜，水泥廠自己發(fā)電的動力不足。
國內情況：近些年由于能源緊張，電力價格飄升，導致水泥能源成本大幅度上漲；有些水泥廠的煤電成本高達70%，迫使企業(yè)尋求節(jié)能減排的良策。水泥廠余熱發(fā)電對中國較大的水泥企業(yè)來說，目前不失為一項很好的節(jié)能降耗技術。
余熱用不完的企業(yè)，比如日產2500噸以上的企業(yè)，可以獲得較好的技術經濟效益。根據技術裝備的水平，一般可以實現(xiàn)每生產一噸熟料發(fā)出30到40度電的經濟效益。如果購買每度電按優(yōu)惠電價0.5元計算，生產每噸熟料就可以為水泥廠節(jié)省15到20元的成本。
目前純低溫余熱發(fā)電技術已經很成熟，得到國家的大力支持，可以稱作是第三代余熱發(fā)電技術。而在第三代余熱發(fā)電技術的基礎上，出現(xiàn)了帶部分補燃的改進型第三代余熱發(fā)電技術，可以為水泥企業(yè)帶來更多的經濟效益。比如，琉璃河水泥廠的成功實踐就是一個很好的案例。其窯頭和窯尾的余熱鍋爐所回收的余熱發(fā)電量，與其他第三代純低溫余熱發(fā)電技術的效果一樣。而新設置在窯中三次風管處的鍋爐回收的余熱，又可以多發(fā)出10到20 kWh電。
很多人對這部分發(fā)電量提出疑問，或簡單將之歸類于補燃發(fā)電。
實際上，這部分電力的發(fā)出是冷卻機部分低溫廢氣的有效利用，不用則白白排掉了，補燃的分量只占實際發(fā)電熱需求量的7%（琉璃河的情況）。
因此這部分余熱發(fā)電的煤耗只有150到160 克標煤/度電, 實際耗煤量遠遠低于任何一個現(xiàn)代化的火電廠（目前國際上最現(xiàn)代化的超臨界機組的火力發(fā)電廠，其發(fā)出每度電的標準煤耗也都大多在300克標煤/度電左右）。由此看來，僅從發(fā)電或用電成本和工廠的經濟效益方面來評價，其現(xiàn)實的收益絕對是上算的。在最近印度北部最大的水泥企業(yè)希瑞水泥集團的余熱發(fā)電項目國際競標中，琉璃河水泥有限公司擊敗國內外所有的競爭對手，一舉中標!
二、 水泥助磨劑技術
國際情況：已經在二十幾年前就是十分普及的成熟技術。
國內情況：由于水泥新標準與國際接軌，水泥助磨劑技術近幾年在國內也得到了大范圍的普及和推廣，技術也變得越來越成熟，質量也得到不斷的改進。代表性廠家有山東宏藝和濟南眾森等知名品牌，國外的知名品牌如格雷斯等。國內的助磨劑技術這些年在不斷完善之中，包括標準的不斷修訂。
三、立磨粉磨水泥技術
國際進展：
在過去的10年里，立磨用于水泥和礦渣的研磨技術取得了重要的突破。世界上最大的水泥生產者瑞士豪瑞集團于1998年與萊歇公司合作，在越南的Hon Chong水泥廠投入第一臺立磨進行水泥的粉磨。自那以后，立磨越來越多地用于水泥和礦渣的終粉磨。水泥生產者對于立磨與傳統(tǒng)粉磨系統(tǒng)相比在實際應用和生產同等質量的水泥上的顧慮已經消除。立磨粉磨水泥有許多優(yōu)點，不僅具有經濟上的優(yōu)勢，同時具有通用性，代表了水泥工業(yè)今后的發(fā)展方向。
自第一臺粉磨水泥的立磨投入使用以來，豪瑞水泥集團還沒有出現(xiàn)任何質量問題。水泥廠的粉磨過程，特別是水泥的粉磨耗電量很大，降低電耗的潛力也很大。粉磨水泥和礦渣時，立磨的粉磨能耗大約是傳統(tǒng)球磨機的50%。立磨是一種風掃磨，所以風機的能耗必須包含在粉磨系統(tǒng)中?？偟膩碇v，立磨粉磨車間的電耗大約是球磨機的70%，這是可以和市場上其他的新型粉磨技術相媲美的。
下表是在同一個水泥廠內立磨和球磨機生產的水泥質量比較的結果。
水泥質量：立磨和球磨機的粉磨質量比較
國內情況：立磨作為原料磨，在國內各大中型水泥廠已經在逐步推開。立磨用于粉磨水泥熟料，還沒有看到公開的報道。
據說徐德龍院士已經搞了兩個廠的試驗。
這是一個非常大的市場，節(jié)能減排的潛力還很大，值得大家關注。
四、變頻調速技術
國際情況：
十年以前，國外在水泥廠已經比較普遍地開展了變頻調速技術的應用，實踐證明是一項非常成功的節(jié)電和自動控制技術。
國內情況：
變頻調速技術最近幾年在國內的水泥行業(yè)也逐漸獲得肯定。一般根據所應用的場合而定，節(jié)電范圍在10-30%不等。
立窯變頻調速改造案例：
對某立窯水泥廠鼓風機（245 kW一臺，215kW兩臺）、選粉機、選粉風機及盤塔送料等電機進行了變頻改造，投資約130萬元，改造了從1.5kW到250 kW大小共130臺電機。改造后的實際測試情況證明在幾個月的時間里靠節(jié)約的電費就收回整體投資，在以后的生產經營中也能夠以較低的生產成本在市場的競爭中處于更有力的位置。
這個案例說在幾個月就可以收回投資，或許有些夸大其詞，但是變頻調速技術改造的經濟效益無疑是十分顯著的。
五、納米水泥與建材、高效潤滑與納米添加劑技術
國際進展：
近年來國際材料科學領域的納米熱也滲透到水泥與建材行業(yè)。美國在25年前就出現(xiàn)過納米水泥添加劑，在混凝土中的添加量為萬分之幾。經過二十多年的混凝土工程對比實驗，發(fā)現(xiàn)使用納米添加材料的混凝土工程，無論是外觀還是內部各種防滲與抗腐蝕性能，都比沒有使用納米添加材料的建筑物要好得多。
歐洲水泥與建材學術界近幾年對納米材料的研究也十分活躍。包括建筑界在內，不斷舉辦各種學術會議。歐洲建筑化學學會認為，納米建材的研究意義十分重大。利用納米建材的建筑，不但可以大大延長建筑物的壽命，而且可以減少肥梁胖柱，大量減少材料的使用量和運輸量。對資源的節(jié)省、環(huán)境的保護，以及可持續(xù)發(fā)展都意義重大。
發(fā)達國家納米水泥與混凝土技術的突破，有賴于前些年研究和測試手段的進步。特別是環(huán)境電鏡等現(xiàn)代觀察儀器的出現(xiàn)，打破了過去多年來一些陳舊的學術觀點。過去利用常規(guī)研究和觀測手段，比如利用X-射線和普通電子顯微鏡等研究手段，認為水泥混凝土是亞微觀結構、膠體和不定型材料等。通過環(huán)境電鏡觀察，可以達到納觀結構，認為水泥混凝土在10到120納米范圍，是晶體結構，而非膠體。
圍繞水泥混凝土納觀結構的組成和設計，水泥水化過程的定量描述及數(shù)學模型開始建立。普遍認為，水泥基建筑材料的發(fā)展將會出現(xiàn)一個大的技術突破。
國內情況：
國內的水泥與混凝土研究機構，大多數(shù)還在沿用老的思維方式和手段，用宏觀現(xiàn)象來研究和解釋水泥與混凝土的微觀性能；用歷史情況來推測未來；依賴統(tǒng)計情況來得出結論等，差距較大。
關于納米添加材料，我認為滲透結晶的混凝土表面防滲和增強涂料屬于這一類。隨著國際產品的流入，國內的相關機構也推出了類似的產品。
在水泥廠潤滑方面，浙江水泥公司利用納米添加劑據說獲得了節(jié)電4%的良好業(yè)績。
西安建筑科技大學、中國礦業(yè)大學、南京工業(yè)大學和哈爾濱工業(yè)大學等，也開始著手進行納米水泥及建材的研究工作，這是一個很好的動向。
六、 預防維修技術
國際進展：
20多年以來，歐洲的水泥工業(yè)圍繞320天的年運轉率（90%），整個水泥廠為之奮斗。到目前為止，許多先進的水泥廠在預防性維修的現(xiàn)代理念指導下，運轉率可以達到95%以上。
根據歐洲的經驗，通過對維護保養(yǎng)部門的優(yōu)化潛力和深度挖掘，可以極大地提高企業(yè)的經濟效益——工廠設備的運轉率可以提高30%；生產力可以提高25%；維護保養(yǎng)成本可以降低30%。因此，負責預防維修的部門，在現(xiàn)代水泥廠里不被認為是輔助性車間，而普遍被認為是戰(zhàn)略性的關鍵部門。
預防性維修技術包括在線監(jiān)測、遠程診斷、預防檢修、高效潤滑、巡檢與抽查等。
國內情況：
國內水泥窯的設計運轉率一般為85%，好的水泥企業(yè)可以達到90%以上。如果一個日產5000噸的水泥廠，運轉率每提高1%，企業(yè)增加的經濟效益每年都在幾百萬元以上。
大力推廣預防性維修的現(xiàn)代理念和技術，減少危機式的事故性搶修，及同時造成的人員與財產的巨大損失，是中國水泥工業(yè)科技和管理技術進步值得研究的一個重大性課題。
七、第四代高效篦式冷卻機技術
國際情況：
不管是INK公司,KHD,FLS, 還是Polysius和克勞迪斯彼德斯，其現(xiàn)代的冷卻機都大同小異，不分什么第幾代，而唯一衡量的硬指標是熱效率均在70%以上，一般可以達到79%。
國內情況：
聲稱搞出第四代冷卻機的院所和廠家不少于4家，有的廠家據報道已經有許多參考用戶。
無論如何，新型或新一代冷卻機確實有許多優(yōu)點，在技術上有很大的突破，可以實現(xiàn)無篦板漏料、無“紅河”、無堆“雪人”、節(jié)能、冷卻效率高，提高熟料質量，機械磨損少等等，是值得大力推廣的技術。
八、低壓長袋高效袋除塵技術
國際情況：
由奧地利思求奇公司于2001年推出一種新型袋除塵技術。也叫EMC（能量最小化概念）收塵系統(tǒng)。如今已經銷售出100臺，受到水泥廠的歡迎。它的主要優(yōu)點包括：
有關院所也在開發(fā)和推廣低壓清灰和長布袋理念，但是與國外先進技術的差距較大。
九、紅外線在線檢測自動配料技術
國際進展：
ABB公司近幾年發(fā)明一款利用普通光源（據說實際上是一個700瓦的燈泡）發(fā)光的水泥原料成分在線紅外光譜分析儀，已經在瑞士等6個水泥廠投入運行使用。根據工廠運行情況，這種新的在線檢測技術手段估計會有巨大的市場需求空間。
基本原理：該技術由白光源（燈泡）提供穩(wěn)定的紅外光譜范圍。當傳送帶上的物料經過時，該光線照在其上，紅外射線激發(fā)被測物質中的分子鍵振動，這樣就產生了可以表示被測物質特征的吸收和反射光譜。
國內現(xiàn)狀：
除了已經引進的琉璃河與華新等水泥廠的約8套在線原料成分分析與配料設備外，其他水泥廠均不具備原料在線檢測分析能力。這些在線原料分析儀器，均采用放射線同位素或中子源作為激發(fā)能量來源。由于放射材料的潛在危險，以及運輸和儲存方面的嚴格防護要求，原有的水泥原料在線檢測技術受到很大的限制。
如今，隨著水泥生產能力的過剩加大，水泥生產者正面臨著越來越嚴酷的降價競爭。為了降低成本、節(jié)省高品位礦石原料、優(yōu)化成本和使用替代組分等，加強對原料側的管理和控制，實時地對上游組分的化學分析已經迫在眉睫。因此，紅外光譜在線分析技術的出現(xiàn)，值得行業(yè)的普遍關注。
十、大摻量混合材級配、激發(fā)與粉磨技術
(1) 礦渣水泥，80%的礦渣，15%石膏，5%的激發(fā)劑，細磨到6000cm2/g以上；奧地利和國內四平水泥研究所有實用技術；配比、級配、激發(fā)和細磨技術并用；
(2)EMC水泥, 50-70%粉煤灰或礦渣或石英砂或廢棄的混凝土, 30-50%波特蘭水泥; 振動磨中磨至5000cm2/g以上；2004年第一條商業(yè)化生產線在美國德克薩斯州投入運行；
(3) 石灰石水泥, 30-35%的石灰石加入量, 法國和德國生產,有標準; 我國最初有標準, 目前已經廢棄, 主要是早期沒有解決磨細問題, 水泥太粗, 產品性能不穩(wěn)定; 過去學術界認為，石灰石為惰性組分，而近年來的研究表明，細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羥基水鋁鈣石生成半碳鋁酸鹽和單碳鋁酸鹽。當方解石含量飽和時，過量的那一部分才固定下來，成為惰性填充劑。加石灰石的水泥，也可以促進C3A的水化。
石灰石摻加量高的水泥有一個弱點，抗硫酸鹽的侵蝕性比較差。因此，在使用環(huán)境方面受到限制。為了穩(wěn)妥起見，歐洲的普通水泥的石灰石摻量一般限制在10%以下。
十一、沸騰煅燒新工藝技術
由日本川崎重工和山東淄博的一家公司聯(lián)合進行產業(yè)化實驗，得到國家發(fā)改委和日本政府的支持。這是取消回轉窯的一次工藝技術嘗試，如果有突破，將是繼1972年日本發(fā)明窯外分解技術之后水泥工藝技術的又一項歷史性突破。此前日本川崎重工已經在日本成功地取得了日產200噸的半工業(yè)化實驗。
淄博這條工業(yè)化生產線的設計能力為日產1000噸熟料，原計劃于今年7月份點火，目前看沒能按計劃進行，隨后的進展值得業(yè)界繼續(xù)關注。
沸騰煅燒技術能否大型化，是個巨大的挑戰(zhàn)！其次是，如果成功運行后，在處理廢棄物和使用替代燃料等方面，能否與窯外分解技術競爭，也是一個問題。
淄博這條工業(yè)化生產線的設計能力為日產1000噸熟料，原計劃于今年7月份點火，目前看沒能按計劃進行，隨后的進展值得業(yè)界繼續(xù)關注。
沸騰煅燒技術能否大型化，是個巨大的挑戰(zhàn)！其次是，如果成功運行后，在處理廢棄物和使用替代燃料等方面，能否與窯外分解技術競爭，也是一個問題。
十二、預分解爐或燒成系統(tǒng)優(yōu)化煅燒技術
國際進展：
國際上的分解爐大多數(shù)都是在線分解爐。熱工制度比較穩(wěn)定，利用冷卻機的三次風，燒替代燃料，效果很好。
ABB公司的分解爐溫度自動控制和優(yōu)化系統(tǒng)，可以保證分解爐熱工制度穩(wěn)定，預熱器和窯系統(tǒng)沒有溫度移動，不但保護了和延長了耐火材料壽命，而且使得熟料質量穩(wěn)定，廢氣溫度穩(wěn)定，節(jié)能達到5%。
國內情況：
國內以前搞離線分解爐，目前開始搞在線分解爐。窯熱工制度不穩(wěn)定，結皮結圈頻繁。能耗相對也比較高。
十三、 回轉窯及耐火材料技術的發(fā)展趨勢
國際進展：
一條現(xiàn)代的日產5000噸熟料的回轉窯的耐火材料的配置情況如下：耐火澆注料35%，隔熱材料5%，黏土磚24%，高鋁磚21%，堿性磚15%。
全世界耐火材料的使用量大約是每年195萬噸，中國占40%（可能不包括立窯）。自1990年至2005年的15年里，耐火材料的單位消耗量因技術進步等因素呈逐年下降趨勢。1990年單位消耗量為1.34kg/t熟料，到2005年下降到0.8kg/t熟料，預計到2010年該值會下降到0.72kg/t熟料。
單位耐火材料的下降原因，與國外開始推廣使用兩檔窯有關系。
根據德國水泥廠協(xié)會的研究，兩個拖輪的回轉窯的平均耐火材料單位消耗量為265g/t熟料，但是3個拖輪的回轉窯的平均單位消耗量是644g/t熟料，而4個拖輪的回轉窯的平均消耗量高達848g/t熟料。
另一個節(jié)省耐火材料的最大因素來自窯系統(tǒng)的自動控制和優(yōu)化煅燒。該系統(tǒng)可以把回轉窯的工藝運行調整到最佳工作點。這個工作點可以是最大成品率、最佳運行溫度、最佳燃燒條件。在最佳燃燒條件下，穩(wěn)定回轉窯運行的同時，可以節(jié)約10-30%的耐火材料消耗。
自上個世紀80年代中期以來，發(fā)達國家已經利用無鉻的鎂鋁尖晶石磚完全取代了鎂鉻磚。只有在中國和印度這樣的發(fā)展中國家，還在大量使用鎂鉻磚。自今年以來，歐盟國家嚴格控制鉻公害和污染，以法律形式規(guī)定每噸水泥的鉻含量不能超過2ppm。
此外，近年來隨著替代燃料使用的增長，也導致了窯用耐火材料單位消耗增長的態(tài)勢。
十四、替代原料和燃料（AFR）技術的進展
國際進展：
這項技術在歐美等發(fā)達國家已經成功運用20多年，是一項十分成熟的技術。在歐洲，目前已經沒有燒單一燃料的水泥廠。歐盟國家水泥工業(yè)替代燃料的比例平均已經達到30%的水平。德國去年已經平均達到50%的水平，個別水泥廠替代燃料的比例達到75%。
發(fā)達國家的水泥廠，特別是城鎮(zhèn)附近的水泥廠，都在強調為保護環(huán)境做貢獻。一些其他方法無法處理的廢棄物，如下水道淤泥，包括危險廢棄物等，水泥工業(yè)都在努力幫助社會來完成處理任務。
國內情況：
在我國，除了北京水泥廠等少數(shù)廠家的以處理危險廢棄物為主的運用外，替代原料和燃料的技術運用幾乎還是一片空白。沒有開展起來的原因有許多，但主要原因有3點，一是國家沒有得力的配套政策，二是人們的環(huán)保意識沒有普遍提高，三是沒有從家庭開始的垃圾分類收集、社會化分類處理和加工利用的完整體系。
隨著循環(huán)經濟促進法的實施，包括國家有關部門正在研究有關促進垃圾分檢和綜合利用的有關政策，我們相信，水泥工業(yè)全面普及AFR技術的時代遲早遲晚會到來。
根據我國城市市政垃圾的產生量和增長情況，如果全部分類處理和作為AFR用于水泥工業(yè)，可以替代全國水泥工業(yè)現(xiàn)有標準煤耗的1/4。如果每個水泥廠的熟料標準煤耗平均降低25%，則節(jié)能降耗的幅度和成本降低的幅度是十分可觀的。
AFR的推廣在中國主要不是技術問題，而是社會管理和政策不配套的問題。
十五、其他硬件和軟件技術等
國際進展：
水泥技術與裝備不斷改進。國際上一般每隔2到3個月，水泥工業(yè)就會有一項小的新技術出現(xiàn)，小改小革不斷。大的技術一般3到5年出現(xiàn)一次，5年內如果沒有新技術，企業(yè)就無法生存。所以，國外的機械廠把新技術的壽命期定為5年。
國際水泥行業(yè)的控制水平正在從自動化走向預控制和智能化階段，做到用戶需要什么產品就生產和提供什么產品。
比如，地基用的水泥，地板用的水泥，一二層樓用的快硬早強水泥，隔熱保溫的泡沫水泥，鋼筋密集區(qū)域用的自密實混凝土所需要的水泥等等，都不是單一的水泥品種可以滿足要求的。
水泥企業(yè)面向用戶的市場化經營理念。發(fā)達國家現(xiàn)代化的水泥廠，針對用戶需求，可以隨時生產和調配出100多個水泥品種。
由于用戶應用水平的要求高，德國的高速公路要求50年不維修。
在水泥與混凝土利用粉煤灰和礦渣等工業(yè)廢渣方面，國外的利用出發(fā)點首先是調整混凝土的和易性、抗?jié)B性和抗腐蝕性等。
國內情況：
包括日產萬噸的水泥成套裝備，基本可以設計和大部分自己制造。除了質量和壽命有些差距外，國內與國外在水泥硬件方面的差距不是太大。中國與發(fā)達國家水泥工業(yè)技術方面的差距主要體現(xiàn)在軟件方面。
我國的水泥混凝土應用科學及施工水平比較落后，導致水泥品種單一和性能要求不高。據報道，中國建筑物的平均壽命只有30年。
中國水泥工業(yè)的控制水平正在從人工向半自動化和自動化方向轉變。智能化還談不到。
國內水泥和混凝土企業(yè)利用粉煤灰和礦渣的出發(fā)點首先是調整標號與降低成本。對改善性能的功能往往放在附加的考慮范圍。
從上述的觀念比較上看，國內外在軟件環(huán)境上的差距要比硬件上的差距大得多。
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