水泥行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑*

□□王善拔，劉運江，羅云峰

水泥行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑*

Technical Approach of Energy－saving and Emission－reduction in Cement Industry

□□王善拔1.2，劉運江1.2，羅云峰1.2

討論了目前國內(nèi)較為成熟的水泥行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)途徑：淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)；多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥；利用窯尾出預(yù)熱器的廢氣和窯頭冷卻機的廢氣發(fā)電；利用替代燃料和替代原料，降低熟料熱耗；利用立磨輥壓機終粉磨技術(shù)、預(yù)粉磨技術(shù)和助磨劑以及風(fēng)機用變頻調(diào)速技術(shù)等；總結(jié)了每種途徑可能達到的節(jié)能減排技術(shù)指標(biāo)。

1 前言

我國是世界第二耗能大國，從國家節(jié)能減排目標(biāo)來看，建材工業(yè)是僅次于冶金、化工的第三能源消耗大戶。建材工業(yè)占全國能源總消耗的7%左右，其中水泥工業(yè)又占建材能源消耗的75%。水泥行業(yè)也是CO2排放大戶。國家“十一·五”計劃要求企業(yè)每年節(jié)能5%，如何達到此目標(biāo)是水泥行業(yè)迫切需要解決的問題。筆者認為，我國水泥行業(yè)的節(jié)能減排途徑應(yīng)是：淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)；多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥；利用窯尾出預(yù)熱器的廢氣和窯頭冷卻機的廢氣發(fā)電；利用替代燃料和替代原料，降低熟料熱耗；利用立磨輥壓機終粉磨技術(shù)、預(yù)粉磨技術(shù)和助磨劑以及風(fēng)機用變頻調(diào)速技術(shù)降低電耗等。

2 水泥行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑

我國水泥行業(yè)目前較為成熟的節(jié)能減排技術(shù)途徑主要有如下幾種。

2.1 淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)

立窯企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)落后，能耗高，對環(huán)境污染嚴重，因此淘汰立窯、建設(shè)大型新型干法窯是水泥行業(yè)節(jié)能減排最有力和最有效的宏觀調(diào)控措施。

根據(jù)中國水泥協(xié)會秘書長孔祥忠的數(shù)據(jù)［1］，“按每年淘汰 5000萬噸落后水泥測算，可節(jié)電45×108kWh，減少粉塵排放60萬噸，減少二氧化碳排放4000多萬噸，節(jié)煤700萬噸?！?/p>

據(jù)悉，中國政府要求到2010年新型干法水泥比重提高到70%，累計淘汰落后生產(chǎn)能力達到2.5億噸，則可節(jié)電225×108kWh，減少粉塵排放300萬噸，減少二氧化碳排放2億多噸，節(jié)煤3500萬噸。

2.2 多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥特別是復(fù)合硅酸鹽水泥

多摻混合材不但可增加水泥產(chǎn)量，改善水泥某些性能，還可消納工業(yè)廢渣，是水泥行業(yè)節(jié)能減排最有效的措施。我國2007年水泥總產(chǎn)量達13.6億噸，大多數(shù)為普通硅酸鹽水泥。如果每噸水泥多摻1%混合材而少用1%熟料，那么每年將節(jié)約1360萬噸熟料。我國新型干法窯每噸熟料熱耗約在110～130kg標(biāo)準(zhǔn)煤，即使按平均值120kg標(biāo)準(zhǔn)煤計，每多摻1%混合材而少用1%熟料就可節(jié)約1.2kg標(biāo)準(zhǔn)煤／t水泥。若普通硅酸鹽水泥的混合材最大含量由15%提高至20%，全國所有的水泥都多摻了5%的混合材，那么一年將節(jié)約816萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于節(jié)約1040～1142萬噸原煤（原煤按低熱值5000～5500×4.18kJ／kg計）。 按 1t水泥熟料產(chǎn)生ltCO2計，可減少CO2排放量6800萬噸；按原煤含硫1%計，可減少SO2排放20.8～22.8萬噸；按1t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生7.4kgNOx計，可減少NOx排放量6.0萬噸，節(jié)能和減排量都相當(dāng)可觀。

據(jù)介紹［2］，美國加州大學(xué)曾在一幢6層樓的剪力墻和基礎(chǔ)的加固工程中，分別用 160kg／m3水泥（占膠凝材料 45%）、195kg／m3粉煤灰（粉煤灰摻量 55%）和 195kg／m3水泥（占膠凝材料 50%）、195kg／m3粉煤灰（粉煤灰摻量50%）配制混凝土，用水量只有118kg／m3，28d 抗壓強度分別達到相當(dāng)于我國立方體強度37.6MPa和45.9MPa。清華大學(xué)在深圳地鐵足尺寸模型試驗中，用45%粉煤灰、10%礦渣和45%硅酸鹽水泥配制的混凝土，膠凝材料總用量 400kg／m3，各組試件28d強度均在54MPa以上。如果把上述這三種膠凝材料當(dāng)作水泥看待，那么其混合材含量分別為55%、50%和55%，這說明，從混凝土生產(chǎn)角度來看，水泥可摻大量混合材。

在GB 175-2007通用硅酸鹽水泥［3］標(biāo)準(zhǔn)中，普通硅酸鹽水泥的混合材最高含量可達20%，比舊標(biāo)準(zhǔn)中的允許最大含量15%高出5%，而我國的水泥產(chǎn)量中，普通硅酸鹽水泥的產(chǎn)量和市場份額都最大，新標(biāo)準(zhǔn)實施對水泥行業(yè)的節(jié)能減排無疑是一個巨大貢獻。礦渣硅酸鹽水泥的混合材含量＞20%而≤70%，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥的混合材含量＞20%而≤40%，而復(fù)合硅酸鹽水泥的混合材含量＞20%而≤50%，若熟料強度較高，則混合材摻量可比目前的高。在這里，筆者要特別推薦復(fù)合硅酸鹽水泥，不但混合材含量可比火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥高出10%，而且可摻兩種或兩種以上的混合材，可以根據(jù)混合材的性質(zhì)，選擇性能互補的混合材。例如借鑒清華大學(xué)上例配制混凝土的經(jīng)驗，生產(chǎn)既摻大量粉煤灰又摻一定量礦渣的復(fù)合硅酸鹽水泥，具有連續(xù)漸進活性效應(yīng)和平緩的水化放熱，使水泥組分在一開始就發(fā)揮活性，而礦渣組分在7d左右發(fā)揮作用，早期活性較低的粉煤灰組分在14d開始發(fā)揮作用，這樣的復(fù)合水泥在養(yǎng)護期間，早期（1～7d）、中間（7-28d）、后期（14～28d）均有膠凝材料對強度有貢獻，避免粉煤灰早期強度太低而且水化放熱不集中的缺點。這里筆者還要推薦摻一些改善水泥顆粒級配或改善某些性能的非活性混合材。在歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)EN 197-1：2000＜水泥—第一部分：通用水泥的組成、規(guī)格、要求和合格評定準(zhǔn)則＞［4］中規(guī)定：27種通用水泥的組成中，次要附加組分占0%～5%。對次要附加組分要求能改善水泥顆粒級配或改善水泥的物理性能（如工作性或保水性）。它們可以是惰性的或具有微弱水硬性、潛在水硬性或火山灰性。我國P.Ⅱ型硅酸鹽水泥允許摻入不超過水泥質(zhì)量5%的石灰石，普通硅酸鹽水泥允許用不超過水泥質(zhì)量8%的非活性混合材或不超過水泥質(zhì)量5%的窯灰代替活性混合材，礦渣硅酸鹽水泥允許用不超過水泥質(zhì)量8%的非活性混合材或窯灰代替活性混合材，以及復(fù)合硅酸鹽水泥允許用不超過水泥質(zhì)量8%的窯灰代替活性混合材，這些規(guī)定與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的次要附加組分規(guī)定很相似。加入窯灰或不符合活性標(biāo)準(zhǔn)的火山灰可改善水泥的泌水性，提高其保水性；而摻入石灰石或砂巖則可改善水泥的工作性，提高流動性，提高混凝土的流動性和可泵性。復(fù)合硅酸鹽水泥不但可摻石灰石混合材，而且燒失量不像硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥那樣受到嚴格的限制，這意味著石灰石摻量可超過5%。筆者認為，多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥特別是復(fù)合硅酸鹽水泥是工藝簡單而行之有效的節(jié)能減排途徑。

2.3 廢氣余熱中低溫余熱發(fā)電

“十一·五”國民經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃提出了單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率提高到60%這兩項約束性指標(biāo)。利用水泥窯余熱純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)，把熟料生產(chǎn)過程中排放來的余熱進行回收，轉(zhuǎn)化為電能再用于生產(chǎn)，是水泥工業(yè)能耗降低20%的重要舉措。

利用水泥窯余熱純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)已在多家水泥廠實踐，現(xiàn)在的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)均能達到35kWh／t熟 料 以 上［1］， 相 當(dāng) 于 節(jié) 約 標(biāo) 準(zhǔn) 煤13.6kg／t熟料。到2007年年底，國內(nèi)投產(chǎn)的新型干法水泥生產(chǎn)線已經(jīng)達到780條左右，國內(nèi)新型干法生產(chǎn)的水泥比例已經(jīng)達到55%，據(jù)此計算2007年全國新型干法水泥約為7.5億噸，按熟料占水泥總質(zhì)量82%計，新型干法窯熟料約為6.1億噸，按仍有50%可建余熱發(fā)電計，建成后每年可發(fā)電107億kWh，按380g標(biāo)準(zhǔn)煤／kWh計，一年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤407萬噸，相當(dāng)于節(jié)約518～570t原煤（按低熱值（5000～5500）×4.18kJ／kg 計），減少 CO2排放 977t，減少 NOx排放 3t。

2.4 大量利用替代燃料和替代原料

國外特別是德國水泥工業(yè)利用替代燃料己取得明顯效果，所用的替代燃料主要是廢輪胎、廢塑料、廢紙張和動物肉和骨頭粉等。據(jù)報導(dǎo)［5］，德國Teutonia水泥公司目前利用替代燃料約占總熱耗的60%。

考慮到國內(nèi)對廢輪胎、廢塑料、廢紙張由其他行業(yè)回收和利用更有價值，因此水泥行業(yè)目前還無法應(yīng)用這些再生能源。但有些水泥廠己開始利用廢皮革、生活垃圾等煅燒水泥熟料，可節(jié)省一些能源。廣東某水泥廠廢皮革代煤量己達7.8%，1t廢皮革可替代0.77t煤。利用替代原料也可節(jié)能降耗。 某水泥廠［6］φ4.2m×66m 預(yù)分解窯，用煤矸石代替部分粘土質(zhì)原料，煤矸石配料用量為6%，通過煤矸石預(yù)均化，采用適當(dāng)減煤 （節(jié)約用煤）、適當(dāng)縮短火焰、提高窯速等措施， 產(chǎn)量提高 4.6t／h，3d強度提高4.4MPa，28d強度提高 3.6MPa， 既節(jié)約燒成用煤，又消納了煤矸石，一舉兩得。據(jù)介紹，目前國內(nèi)在預(yù)分解生產(chǎn)線的設(shè)計中，在有條件的地方己應(yīng)用煤矸石，一般用量在5%～6%，最高用量達8%，但尚未看到煤矸石最高用量8%的廠家節(jié)能數(shù)據(jù)的公開報導(dǎo)。

利用含CaO的工業(yè)廢渣代替石灰石也可以節(jié)能，許多含CaO的工業(yè)廢渣如碳化爐渣、礦渣、鋼渣等都是經(jīng)過高溫煅燒后形成的，其CaO已以（或以潛在的）硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵酸鹽形式存在，無需經(jīng)歷石灰石配料時煅燒中的CaCO3分解，可省掉一部分CaCO3分解熱。CaCO3在890℃分解熱為1645kJ／kg，按生產(chǎn)1t熟料需 1.2t石灰石計，生產(chǎn)1kg熟料所需CaCO3分解熱達1974kJ／kg，占熟料燒成熱耗50% 以上。另外，這些廢渣中的CaO不存在CO2，也減少了CO2的排放，因此這類鈣質(zhì)替代原料代替石灰石節(jié)能減排潛力很大。

2.5 利用預(yù)粉磨技術(shù)和助磨劑降低水泥粉磨電耗

立磨和輥壓機終粉磨技術(shù)是目前水泥行業(yè)能耗最低的粉磨技術(shù)。輥壓機終粉磨系統(tǒng)，單位產(chǎn)品電耗可降低40%，生料單位電耗一般為15～18 kWh／t，水泥則為 20～25kWh／t，視物料易磨性和礦物結(jié)構(gòu)不同而有所差別。 據(jù)報導(dǎo)［7］，墨西哥 Aguascalientes水泥廠用RMC-51／26／435立磨系統(tǒng)(磨盤直徑5.1m、輥子直徑2.6m、高效選粉機轉(zhuǎn)子直徑4.35m)粉磨熟料6年的經(jīng)驗表明，水泥比表面積為385m2／kg 時，產(chǎn)量 113t／h，立磨單位電 耗 為 18.7kWh／t， 風(fēng) 機 電 耗 為6.1kWh／t， 高 效 選 粉 機 電 耗 為0.4kWh／t， 三 者 總 計 電 耗 只 需25.2kWh／t。若將斗式提升機進行物料循環(huán)的電耗也計算在內(nèi)，粉磨系統(tǒng)的總電耗也只有25.6kWh／t。產(chǎn)品的顆粒分布曲線與球磨機的相同。輥子運轉(zhuǎn)28000h后磨損很少，無任何輥子需進行表面耐磨堆焊，只有非壓模成型的研磨軌道磨在運轉(zhuǎn)15000h后進行過表面耐磨堆焊。立磨也特別適合粉磨潮濕和難磨的礦渣，比球磨機更節(jié)電。我國遼寧省鞍鋼2002年起用立磨粉磨礦渣，設(shè)計產(chǎn)量為90t／h、比表面積 400m2／kg，現(xiàn)在產(chǎn)量為 83t／h、比表面積 430m2／kg，系統(tǒng)電耗(包括立磨、選粉機、循環(huán)提升機和系統(tǒng)的風(fēng)機)為38.4kWh／t。磨盤輥道和輥子的磨損僅為7.3g／t，主要是采用材料外部循環(huán)和有效的除鐵系統(tǒng)的緣故。在運轉(zhuǎn)3500h即生產(chǎn)礦渣粉30萬噸后，才按計劃進行表面耐磨堆焊。國內(nèi)用立磨粉磨煤粉和生料己很普遍。智海企業(yè)集團榆次水泥分公司［8］用輥壓機終粉磨系統(tǒng)，生料電耗僅12kWh／t（不包括原料預(yù)均化及運輸）。

國內(nèi)已采用的多是輥壓機+球磨機粉磨系統(tǒng)。亞泰公司哈爾濱水泥廠應(yīng)用天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司技術(shù)開發(fā)中心開發(fā)的“輥壓機半終粉磨技術(shù)”，比傳統(tǒng)圈流磨節(jié)約10kWh／t水泥，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3.8kg／t水泥。目前我國輥壓機半終粉磨系統(tǒng)的綜合電耗大致處于28～32kWh／t，比不加輥壓機的球磨機低8～12kWh／t水泥。

經(jīng)驗表明，利用助磨劑可節(jié)約水泥粉磨電耗 3～4kWh／t， 相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 1.14～1.52kg／t水泥。助磨劑用量約為 300～400g／t水泥，即使經(jīng)濟上不節(jié)約，也可降低水泥粉磨電耗。山東日照中聯(lián)水泥公司［9］用 HY-Ⅲ B型助磨劑在φ4.2m×11.5m水泥閉路磨試驗運行16h。生產(chǎn)42.5R水泥，摻0.1%HY-Ⅲ B型助磨劑，水泥熟料配比由82.0%降至72.0%，水泥中混合材由13.0%提高到23.0%，水泥各齡期強度和其他物理性能基本保持一致。每噸水泥少用10kg熟料，就相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.1kg。

2.6 風(fēng)機用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能

一般每生產(chǎn)1t水泥大約耗電l00kWh／t，其中參與工況調(diào)節(jié)的粉磨及燒成系統(tǒng)的風(fēng)機耗電量很大，約占30%左右，而隨著立磨系統(tǒng)越來越多被采用，風(fēng)機耗電占總耗電量的比例越來越大。實踐經(jīng)驗表明［10］，風(fēng)機采用變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)電2.5kWh／t熟料，約可節(jié)約lkg標(biāo)準(zhǔn)煤。一般兩年可收回投資。

3 結(jié)語

除了國家宏觀調(diào)控淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)能大量節(jié)能減排外，水泥企業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑是：

（1）多摻混合材和多生產(chǎn)摻混合材的水泥，特別是復(fù)合硅酸鹽水泥。每多摻l%混合材，就可節(jié)約1.2kg標(biāo)準(zhǔn)煤／t水泥，混合材摻量越多，節(jié)能減排越明顯。

（2）利用窯的廢氣余熱發(fā)電技術(shù)，每噸熟料廢氣余熱發(fā)電可提供電能35kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤13.6kg／t熟料。

（3）利用替代燃料和替代原料可明顯節(jié)能，節(jié)能量取決于替代燃料和替代原料的性質(zhì)。

（4）采用輥壓機+球磨機粉磨系統(tǒng)比球磨機系統(tǒng)節(jié)電10kWh／t水泥，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3.8kg／t水泥，用助磨劑可節(jié)電 3～4kWh／t， 相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 1.14～1.52kg／t水泥。利用立磨或輥壓機終粉磨系統(tǒng)，節(jié)能效果更好。

（5）風(fēng)機用變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)電2.5kWh／t水泥，相當(dāng)于可節(jié)約lkg標(biāo)準(zhǔn)煤／t水泥。

（6）根據(jù)有關(guān)資料，工業(yè)用煤按5000～5500×4.18kJ／kg， 含硫 1%折成標(biāo)準(zhǔn)煤，則每節(jié)約1t標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于減少CO2排放2.4t，減少SO2排放0.025t，減少 NOx排放 0.0074t。

[1]孔祥忠.水泥工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和科技進步［J］.水泥標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)通訊，2007（2）：2.

[2]CCES 01-2004（2005年修訂版）混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版杜，2005：83.

[3]GB 175-2007通用硅酸鹽水泥［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社：2007.

[4]歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)EN 197-1：2000＜水泥—第一部分：通用水泥的組成、規(guī)格、要求和合格評定準(zhǔn)則＞.

[5]M.Becker A.Lange. Alternative raw materials and fuels[J].Zement Kalk Gips，No.3 ／2008：25.

[6]陳仕香.用煤矸石代替粘土配料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥熟料［J］.水泥，2003,（4）：19.

[7]I.Engeln.Operating experience with energysaving grinding plantsforgrinding clinker and granulated blast furnace slag[J].Cement InternationalL，No.5／2006： 73.

[8]王剛.生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)在2500t／d生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］.水泥，2008,（6）：50.

[9]安寶軍，汪兆先.HY-Ⅲ B型助磨劑在日照中聯(lián)水泥公司的應(yīng)用分析［J］.中國水泥網(wǎng)網(wǎng)刊，2008（5）：41.

[10]孟軍.水泥廠的風(fēng)機節(jié)能［J］.水泥技術(shù)，2007（5）：87.

TQ172.622

A

1001-6171（2010）02-0021-03

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2009-08-06；

沈 穎

*本課題得到廣州市蘿崗區(qū)科技局資助