關于水泥綠色化的思考
——我國水泥科技工作者的責任和目標

韓仲琦

1 前言

本文提出的“水泥綠色化”是指傳統水泥制造業通過科技研發和技術創新，向環境友好型方向邁進，其內涵是低碳、環保。推進水泥生態設計和研究是實施“水泥綠色化”的主要手段。

本文簡述了水泥的產生和發展歷史，回顧了我國水泥行業的發展歷程。當今世界水泥技術創新具有三個特點，第一個特點是“水泥工業協同處置廢棄物”的技術開發與應用；第二個特點是出現了綠色環保新功能水泥及混凝土產品研發熱潮，這一類新產品已經組成了膠凝材料的新一族；第三個特點是正在探索水泥膠凝材料的突破性制造方法。

眾所周知，水泥是我國國民經濟的一種重要基礎原材料，水泥制造業已成為我國國民經濟建設的重要支柱產業之一，但是傳統水泥產業受到了來自資源、能源、生態環境的越來越大的挑戰，水泥業整體技術經濟指標與世界先進國家相比存在很大差距。此外，近年來我國水泥產業出現了嚴重的“產能過剩”現象。當前，我國水泥企業正在國家主管部門和行業協會的指導下，進行產業結構調整，強化社會責任和企業自律，向“水泥綠色化”目標前進。

另一方面，從技術層面考慮，我國水泥科技工作者要承擔“水泥綠色化”的諸多科研開發任務，加強國際合作，爭取取得突破性成果，實現成為水泥產業強國的夢想。

2 世界水泥制造業的產生和發展

2.1 水泥的發明

1824年，英國人J.Aspdin取得了“人造石的改良制造法”專利權，發明了水泥，從此誕生了世界水泥制造業，至今已有194年的歷史。1889年，我國“唐山細綿土廠”建立，從此有了中國水泥制造業，至今已有129年歷史。1953年，我國最早的水泥工業設計機構在沈陽誕生，稱為重工業部建筑材料工業管理局建材工業設計公司，也就是我國天津院、南京院和成都院等水泥專業設計院的前身，距今已有65年的歷史。

現在全球約有159個國家和地區生產水泥，水泥技術較為先進的國家有日本、丹麥、德國、英國等。2017年，全球水泥總產能為49.66億噸，我國水泥產量為23.16億噸，比2014年峰值產量減少了1.6億噸。30多年來我國一直是世界上水泥產量最大的國家。

2.2 現代水泥生產技術的確立

水泥制造工藝的演變經歷了漫長的過程，例如燒成系統的演變經歷了立窯、干法中空窯、半干法窯、濕法窯、窯尾預熱器窯、立筒預熱器窯、預分解窯（窯外預分解法）的變化。從20世紀80年代起，新型干法燒成技術已成熟，大型窯外預分解水泥熟料生產線成為現代水泥工業的標志，品種水泥和功能水泥也有了很大發展，將水泥科學和制造技術推向了更高的水平，成為現代化工業的一環。

另外，水泥生產工藝的其他環節，如原料礦山開采、破碎、篩分、粉磨、選粉、輸送、收塵、儲存、裝卸、廢棄物無害化處理、IT和自動化控制、質量檢驗等技術也有了很大進步，每項單元操作都是典型的粉體工程，幾乎涉及到了工業領域的所有科學和技術。

2.3 我國水泥生產技術的進步

在第一個五年計劃期間，我國引進了歐洲水泥制造設備，建成了一批濕法水泥廠。20世紀50年代末，我國依靠自己的力量制造出了?2.5m×78m上海型濕法窯、?3.5m×145m華新型濕法窯和? 4.0m×60m小屯型半干法立波爾窯。

上世紀60年代，我國在太原水泥廠建成了第一臺旋風預熱器窯，1976年在吉林省四平市石嶺水泥廠建成了第一臺SF型預分解窯。1978年，我國從日本石川島播磨重工業公司和三菱重工業公司引進了兩套4 000t/d水泥熟料制造設備，隨后又從丹麥、法國等國家進口了2 000t/d、3 000t/d和4 000t/d的成套設備。1986年，由天津水泥工業設計研究院開發的第一條2 000t/d水泥熟料生產線在江西水泥廠投產，標志著我國水泥工業進入了自主發展階段，成為中國現代水泥工業史上的第一個里程碑。

在20世紀90年代，我國開發了4 000t/d熟料、5 000t/d熟料、8 000t/d熟料、10 000t/d和12 000t/d熟料的國產化大型水泥生產線。從此我國便掌握了新型干法水泥生產的核心技術，水泥工程項目開始走出國門，參與海外水泥工程建設，同時帶動了國內相關裝備制造業的出口（現代大型水泥廠窯尾系統見圖1）。

2.4 水泥制造業增加了綠色環保屬性

圖1 現代大型水泥廠窯尾系統

現在水泥預分解煅燒法已成為公認的現代水泥制造法，但由于水泥產業是資源和能源依賴型的傳統產業，產品在不斷為人類做出貢獻的同時，也產生了巨大的環保壓力。20世紀90年代初，世界各主要水泥生產國都加強了向環境友好型的轉變，如日本、德國、丹麥、美國等國開始對水泥生產協同處理城市垃圾與廢棄物進行研究，利用水泥窯設備消納工業廢渣、有毒有害廢棄物、城市垃圾等，水泥產業逐漸演變成環境保護產業的一員。環境和諧水泥廠外景見題圖。

我國水泥行業從上世紀90年代后期開始了水泥窯系統協同處置工業危險廢物、生活垃圾及污泥的應用研究工作，在實用技術方面取得了很大進展，污泥處置技術及有毒有害工業廢棄物的處置技術也已成熟，生活垃圾的多種處置方式也取得了一定進展。

3 最新綠色膠凝材料的研發現狀

高品質、新特性和多功能的綠色環保膠凝材料一直受到世界材料制造業的關注，近年來，水泥與混凝土的功能開發取得了較快進展，其研究內容已打破無機硅酸鹽界限，開始向復合型和高性能、多功能推進。水泥與混凝土的關系更為密切，逐漸形成“綠色環保新型膠凝材料”一族，主要包括：新品種水泥、優秀功能水泥、復合型水泥、水泥基復合材料、高性能混凝土、復合型混凝土以及智能化膠凝材料等，與此同時也出現了新產品的新制造工藝的科研開發，一些新膠凝材料已應用到特殊建筑工程中。表1和表2介紹了以上新材料在國內外的研發狀況，供讀者參考。

表2 新綠色混凝土名稱及性能

4 水泥制造業技術創新的熱點問題

在“水泥綠色化”方面，媒體報導了一些令人驚喜的新消息，“水泥綠色化”方面的技術研發熱點問題包括了非傳統水泥制造法、二惡英捕集、CO2捕集與應用、細顆粒物（PM2.5）治理問題、水泥基材料納米技術研究、處置廢棄物的應用基礎研究、IT和智能化控制等。

4.1 非傳統水泥制造法的研究

長期以來，水泥科技工作者不斷探索和研究新的水泥燒成法（如流態化煅燒法），雖已取得很大成績，但尚未見到大規模工業生產的實例，然而這些研究進程可啟發科技人員開拓創造發明的新思路，使相關領域的科學研究取得進步，具有很好的實際意義。

4.1.1 生物水泥制造法

歐盟研制出一種“環境友好型微生物細菌水泥”，用水泥窯粉塵或建筑廢棄物作為生物水泥的鈣源，少量尿素作為加速生物反應的催化劑，食品加工業或家庭日常生活有機垃圾作為微生物細菌的營養源，再通過添加少量植物碳纖維，提高生物水泥的強度和壽命。生物水泥相對傳統水泥可降低水泥生產成本21%以上，降低能耗和溫室氣體排放11%以上。這種技術若取得完全成功，將成為水泥制造的一種突破性技術。

4.1.2 太陽能燒成熟料

根據最近文獻報道，美國喬治·華盛頓大學的研究人員利用大型菲涅爾透鏡聚焦太陽光，將石灰石加熱到900°C，分解石灰石形成石灰制備水泥，這種做法不會產生二氧化碳排放，是一種新型研究方法。

4.2 二惡英捕集

20世紀90年代以后，袋收塵器進入復合性能時代，除過濾捕獲粉塵外，還具有捕獲二惡英的功能，這對于水泥工業協同處置廢棄物來說是一個好消息。為了使過濾介質在其表面也能捕集二惡英類物質，開發者在過濾介質表面預涂石灰或粉狀活性炭進行捕集。然而隨著過濾量的增加，捕獲成本也隨之增加。為了使過濾介質能直接分解二惡英，開發者又在濾布表面預涂催化劑，這種過濾介質既可以捕獲顆粒狀物質也可以分解氣體狀物質，是一項很有使用價值的創新工作。另外，還可以通過活性炭或沸石等預涂層解決惡臭問題。

4.3 CO2捕集與應用

藻類物質在吸收CO2的同時又可吸收NOx，有的物種還可吸收SO2。在水泥生產過程中以CO2和藻類物質為載體，充分利用太陽能去煉油，既能解決水泥生產過程中對能源的一部分需求，又可達到CO2減排的目的。本世紀初，油藻煉油技術的開發引起人們的廣泛關注，目前已取得一定進展，這些油品可以用于汽車、航空等。目前存在的問題是高效光生物反應器的研發問題，反應器的占地面積很大，總成本較高。

對于水泥工廠來說，微藻煉油技術成熟后，不僅可以全部吸納CO2，解決水泥工廠排放的難題，而且可以節能，但有些水泥廠因不具備超大規模養殖藻類的條件，難于采用這種技術。建議水泥廠可以考慮利用養殖微藻的技術，將部分CO2供藻種制成一定數量的干油藻，作為水泥回轉窯的燃料，這一技術的開發涉及了農業和生物工程等領域。

另外，利用電石渣及水泥廠廢氣中CO2合成納米級輕質碳酸鈣的新工藝，制造純度高、白度好及粒徑小的產品，是水泥工業消納CO2的一種新技術。超細輕質碳酸鈣作為一種新型的功能填料，廣泛應用于橡膠、塑料、涂料、油墨、造紙、牙膏、食品以及電子工業等行業中。

4.4 細顆粒物治理問題

水泥制造業的PM10和細顆粒物（PM2.5）一般來自燃燒和冷卻工序，可能含有氮氧化物、硫化物及其他物質。采用袋收塵器分離可能是最有效的方法，因此過濾介質是核心材料，我國某些高校已開始了這方面的實驗室研究。水泥工業細顆粒物（PM2.5）的治理研究主要包括：高性能濾料、水泥窯細顆粒物（PM2.5）的捕獲裝置和測控技術。

4.5 水泥基材料納米技術研究

水泥硬化體的特性，即混凝土的性能，是由其內部空隙決定的，因此有必要研究由氯離子、CO2、水分等混凝土外部與內部納米級物質移動產生的空隙構造與水泥硬化體組織的關系。空隙的大小差別很大，最小直徑在1nm左右。利用納米礦粉填充水泥硬化體的空隙，既可提高混凝土的流動性，也可改善水泥硬化基體與骨料的界面結構，從而提高混凝土的強度、抗滲性與耐久性。納米礦粉可以使用納米SiO2（超微細白炭黑）、納米CaCO3和納米Si粉等。

4.6 處置廢棄物的應用基礎研究

4.6.1 廢棄物處置對產品質量的影響和控制方法研究

處置廢棄物后，熟料的化學性能、細度、凝結時間、安定性、抗壓強度等性能的變化及規律。

4.6.2 廢棄物焚燒過程中環境風險控制技術

處置廢棄物的水泥窯廢氣排放對環境安全的影響；協同處置廢棄物對熟料的影響，如強度的變化、有無毒性和對環境安全性的評估等。

4.7 IT和智能化控制

在生產技術與裝備的IT技術、智能化控制技術方面，正在考慮的問題是集研發設計、物流采購、設備制造、生產管控、經營管理、市場營銷為一體的工業流程鏈條智能化系統，其他還有智能工程、數字礦山、物聯網應用的研究。

4.7.1 過程智能化控制

國外的著名水泥裝備公司均已開發了自有品牌的控制和優化系統，如FLS史密斯公司的ECS和ProcessExpert系統，伯利休斯公司的POLCIDNT和POLEXPERT系統，KHD公司的PRODUX和PYRO?EXPERT系統。這些系統除了完成水泥生產的過程控制外，還集成了燒成和粉磨工序的過程優化軟件。另外，國外許多電氣自動化控制公司也開發了適用于水泥工廠的過程智能和過程優化軟件包。如SIEMENS公司在專為水泥工業開發的CEMAT系統中，集成了水泥窯和粉磨機優化控制軟件，ABB公司在Industry IT中集成了Optimize IT優化控制軟件，Rockwell公司提供了Pavilion APC高級過程控制軟件包。

4.7.2 物流智能化管理系統

現代水泥生產企業，通過建立數據庫、網絡的原料進廠和水泥銷售發運自動控制管理系統，既能直接提高原料進廠和水泥銷售環節的工作效率，又能提高對原材料進廠和水泥產品銷售發運過程的控制，加速信息的流動，提高企業的資源管理水平。

5 水泥科技工作者的責任和目標

積極推廣綠色建筑和建材與大力發展節能環保產業是水泥制造業科技發展的中心任務。對于水泥科技工作者來說，要完成的任務就是要擔負的責任，概括起來有如下幾點：

5.1 我國新型干法水泥制造技術的深層次提升工作

新型干法水泥制造中應強化水泥工業的生態設計，把節能環保意識貫穿和滲透到水泥生產工藝和產品的科研設計之中，提升原有水泥標準，提高水泥熟料的質量要求。其關鍵技術包括：資源與環境工程的應用技術、窯爐能量分布的優化升級、數字礦山軟件開發、高過濾材料研制（復合功能收塵）、污染物的智能檢測與控制、高性能高質量設備的制造與操作智能化等，此外要注重社會效益和安全設計工作。

5.2 水泥窯協同處置廢棄物的應用基礎研究

高溫環境中有機組分分解和固化機制的研究，重金屬及有害元素檢測與控制研究，TOC、VOC、HF、HCl、CH4、NH3、Hg等多種揮發性物質捕集控制技術與裝置的研究，處置不同廢棄物對產品質量的影響研究，廢棄物焚燒過程中環境風險評估等。

5.3 拓展膠凝材料領域新品種的研發

在提高水泥熟料質量的同時，努力開發新品種水泥、優秀功能水泥、水泥基復合材料、高性能混凝土、復合型混凝土以及智能化膠凝材料等，提高其性能和推廣應用。

5.4 IT與智能化過程控制

水泥生產流程鏈條智能化系統控制研究，水泥設備制造智能化系統控制研究。

5.5 制定新技術標準

制定新的相關技術標準，提升水泥與混凝土的質量要求和應用要求標準，一方面對于水泥制造業的技術進步和自主知識產權保護有重要意義，另一方面可以促進綠色環保技術的推廣應用，科技工作者要直接參與相關標準和規范的制定。

綜上所述，水泥科技工作者應打破傳統概念，對水泥基材料進行革命性創新，爭取有突破性開發成果，從而帶來新的市場需求，振興水泥制造業。此外，在上下游關聯領域建立相互支撐的多元化產業體系，使行業內外產業鏈延伸擴展并積極開展國際合作。

從技術角度看，水泥制造業是我國為數不多的掌握全套核心技術的重要行業之一，爭取水泥制造業在2025年前整體達到世界制造強國陣營中等以上水平，應是我們水泥科技工作者在新常態下的重要目標。

6 結語

（1）近代科學技術的邊緣性和滲透性，使得跨學科跨專業的技術突破成為可能。

現在的水泥科技工作者應該不斷學習經濟工程學、循環經濟、生態設計等近代科學知識，開闊自己的視野，加強研究與開發綠色水泥工業的新工藝、新材料、新設備。

（2）前述提到的水泥科技工作者的責任和任務中，有些內容屬于應用基礎研究項目，往往是對未知領域的探索，本身就是一項創造性、探索性很強的工作，其實質是較高層面的科研工作，雖然難度較大，但對于核心技術研究是必需的。

（3）隨著我國經濟的快速發展和與世界各國的友好合作交流，可以預見我國傳統水泥行業的發展環境會有很大改觀，綠色化水平會提高。

（4）在我國經濟供給側結構性改革背景下，水泥產品和技術將從中低端向中高端邁進，預計高質量的、性能卓越的、綠色環保膠凝材料的研制將有新進展，我們期待出現突破性制造技術成果。