水泥工業(yè)的技術(shù)發(fā)展

水泥工業(yè)的技術(shù)發(fā)展

近年來(lái)，水泥工業(yè)技術(shù)在能效、燒成、粉磨、廢氣排放、新品種水泥等方面有較大進(jìn)展，情況如下：

1　能效

水泥生產(chǎn)主要能耗為熱能和電能?？傮w說(shuō)來(lái)，熱能約占總能耗的85%～90%，電能約占15%～10%。水泥是地球上消耗最多的工業(yè)產(chǎn)品，為提高產(chǎn)品性能，減少生產(chǎn)成本，降低產(chǎn)品價(jià)格，長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，人們專注于對(duì)其生產(chǎn)能效進(jìn)行優(yōu)化，以致于水泥生產(chǎn)是所有工業(yè)能效最高的產(chǎn)品，能效高達(dá)74%（圖1）。要進(jìn)一步降低能耗，存在一定的難度，但通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，在現(xiàn)有的74%的基礎(chǔ)上提高一些能效，還是存在可能的。

國(guó)際能源局（IEA）提出，全世界水泥工業(yè)能效降低，最多可減少所產(chǎn)生的CO2排放量約10%。德國(guó)水泥工廠協(xié)會(huì)研究報(bào)告稱，若將德國(guó)現(xiàn)有的水泥窯和磨全部重建和完全更換，最大節(jié)能為14%。

這些年來(lái)，水泥工業(yè)熱耗和電耗均有所下降。作為綠色產(chǎn)業(yè)，水泥工業(yè)加大了工業(yè)廢棄物作原、燃料及混合材的應(yīng)用，大幅降低了煙氣中的粉塵和NOx、Hg等有害氣體的排放，在一定程度上又提高了熱耗和電耗，二者大致相當(dāng)，以致于一些國(guó)家水泥生產(chǎn)的能耗，較長(zhǎng)時(shí)期的保持平穩(wěn)的勢(shì)態(tài)（圖2）。圖2表明，德國(guó)從2000年至2011年期間，水泥生產(chǎn)能耗變化不大，個(gè)別年份還有所增加。

圖1　不同工業(yè)窯爐的熱利用率

2　燒成

燒成系統(tǒng)裝置近些年來(lái)有較大進(jìn)展，主要有：預(yù)熱器分解爐系統(tǒng)裝置效率進(jìn)一步提高，阻力進(jìn)一步下降。分解爐內(nèi)燃料燃燒時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，以滿足不同揮發(fā)分、不同熱值煤粉和代用燃料的燃燒。二支承窯的長(zhǎng)徑比相應(yīng)增加，且窯速增至5～5.5r/min。第四代冷卻機(jī)效率可提高至75%以上。沖量大、調(diào)節(jié)靈活，可滿足不同性能燃料（包括代用燃料）的多風(fēng)道燃燒器等裝置得到大量應(yīng)用。上述技術(shù)促使產(chǎn)能增加，熱耗逐年下降。

圖2　德國(guó)水泥工業(yè)單位能耗變化情況（1990～2011年）

熟料煅燒時(shí)，所產(chǎn)生的廢熱損失見圖3。其中冷卻機(jī)和預(yù)熱器廢熱均可利用，一般用作原燃料烘干和廢熱發(fā)電，這與一些國(guó)家的政策、回收效率和經(jīng)濟(jì)形勢(shì)有關(guān)，只有經(jīng)濟(jì)可行才能考慮安裝廢熱利用裝置。此外熟料形成熱和筒體散熱是不可利用熱。

圖3　熟料煅燒所產(chǎn)生的廢熱及其利用

為減少不可利用熱所造成的熱損失，只有進(jìn)一步降低熟料形成熱和加強(qiáng)隔熱，才能降低熟料熱耗。

燒成系統(tǒng)另一特點(diǎn)是代用燃料數(shù)量比例增加，礦化燃料比例下降。代用燃料熱值和水分波動(dòng)較大，在使用時(shí)一定程度上增加熱耗。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家從技術(shù)上通過(guò)預(yù)處置，改善了水泥生產(chǎn)的代用燃料成分的均勻性，縮小了水分含量和波動(dòng)，為水泥工業(yè)大規(guī)模使用代用燃料創(chuàng)造了條件，個(gè)別工業(yè)國(guó)家代用燃料代用率約占水泥燃料總量的60%。

3　粉磨

水泥生產(chǎn)過(guò)程中，生料制備、水泥粉磨均耗用大量的電能。在確保產(chǎn)品質(zhì)量和裝備運(yùn)行可靠性的前提下，降低單位產(chǎn)品電耗，是促進(jìn)粉磨工藝裝備技術(shù)進(jìn)展的動(dòng)力。

輥式磨機(jī)集烘干、粉磨、選粉于一體，占地少，且可露天布置，可利用預(yù)熱器、冷卻機(jī)廢熱，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，操作調(diào)節(jié)方便，產(chǎn)能大型化，滿足窯磨大型化要求，現(xiàn)已廣泛地取代球磨機(jī)用于生料制備。

輥壓機(jī)和球磨機(jī)綜合系統(tǒng)能耗低，被廣泛地用于水泥粉磨。但在磨制復(fù)合水泥時(shí)，因礦渣、石灰石、粉煤灰、熟料等成分性能不一，水泥細(xì)度要求也不同，在輥式磨中將這些成分粉磨成不同細(xì)度成品，然后混合成復(fù)合水泥，有利于強(qiáng)度等性能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。在磨制混合水泥時(shí)，球磨因操作調(diào)節(jié)困難，難于發(fā)揮不同成分的性能優(yōu)勢(shì)。而輥式磨操作靈活，可以較快更換粉磨物料品種，此外，磨速、磨壓、助磨劑加入量、噴水量、料層厚度及粉磨時(shí)間、產(chǎn)品細(xì)度調(diào)節(jié)均較靈活，電耗較低，在水泥輥磨上得以發(fā)展，現(xiàn)最大產(chǎn)能350t/h。

輥磨適用于礦渣粉磨，礦渣含水量一般超過(guò)20%，需利用燒成系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱對(duì)其烘干。礦渣要求粉磨細(xì)度細(xì)，粉磨電耗僅為球磨的一半。礦渣輥磨配置防磨部件，因而磨耗低，長(zhǎng)期運(yùn)行后，對(duì)其防磨部件更換容易，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)率影響較低，且易大型化，在市場(chǎng)上大量推廣應(yīng)用，目前最大產(chǎn)能可達(dá)300t/h。

各公司對(duì)其生產(chǎn)的輥式磨，在磨輥、磨盤、選粉機(jī)以及減速機(jī)等部件均進(jìn)行了優(yōu)化，且做到了磨輥、減速機(jī)、液壓裝置以及控制技術(shù)一體化，有利于控制及減少漏風(fēng)和振動(dòng)。輥式磨減速裝置技術(shù)已從第一代發(fā)展到第四代。

球磨磨制水泥的優(yōu)點(diǎn)是細(xì)度合適，對(duì)強(qiáng)度有利，可靠且易于操作。缺點(diǎn)是能耗高，但球磨仍用于已有和新建水泥磨裝備，目前的焦點(diǎn)是進(jìn)一步提高球磨效率，為此，在了解球磨的粉磨機(jī)理的基礎(chǔ)上，使之優(yōu)化。

粉磨理論指出，在球磨粉磨過(guò)程中，批量粉磨較單顆粒粉磨能耗效率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖4）。輥式磨和輥壓機(jī)單位產(chǎn)品能耗雖然較低，但料床內(nèi)部物料壓實(shí)磨擦相應(yīng)損失能量。而球磨由于球?qū)η蚪佑|和相應(yīng)的能量進(jìn)入，從理論上提供了良好的斷裂條件，但因材料應(yīng)力及其強(qiáng)度是不可控，以致于出現(xiàn)差的能效。為提高效率，近年來(lái)VDZ研究院對(duì)球磨性能開展了研究。

在球磨粉磨物料時(shí)，對(duì)球和球之間接觸和彼此接觸路線及球的負(fù)荷特征進(jìn)行模擬。模擬證明，球和球之間接觸所產(chǎn)生的正常應(yīng)力和接觸路線在球磨機(jī)內(nèi)球充填是不變的（圖5），但球磨內(nèi)的接觸路線只能模擬。Zeisel試驗(yàn)對(duì)粉磨強(qiáng)度和彼此之間的接觸路線提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，通過(guò)模擬仿真和Zeisel試驗(yàn)的結(jié)果相互結(jié)合，進(jìn)一步理解裝球量的特征，對(duì)現(xiàn)有和新建球磨機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

提高球磨效率的研究項(xiàng)目由歐洲水泥研究院負(fù)責(zé)，組織由其他有經(jīng)驗(yàn)的工業(yè)部門和研磨裝備制造部門共同開展，以找到一個(gè)磨機(jī)產(chǎn)量和進(jìn)入單顆粒的作用力之間的較好的平衡，從而提高球磨機(jī)的效率。

圖4　單顆粒和批量粉磨比較

圖5　球磨機(jī)內(nèi)球和球之間不變的接觸路線和正常作用力

圖6　各有關(guān)行業(yè)汞排放估算量

4　廢氣排放

水泥生產(chǎn)所產(chǎn)生的煙氣中含有粉塵、NOx、Hg、CO2等有害物，有關(guān)部門制定了排放限制值。在確保生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，采取措施，設(shè)置技術(shù)先進(jìn)的專項(xiàng)減排裝置，達(dá)到排放限制值，當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)關(guān)心的焦點(diǎn)主要有：

4.1汞

聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署為解決全球范圍內(nèi)汞排放，對(duì)人類活動(dòng)所產(chǎn)生的汞排放量作出了估算（圖6）。歐洲水泥局（CEMBUREAU）和水泥可持續(xù)發(fā)展倡儀部門（CSI）認(rèn)為汞排放計(jì)算結(jié)果不適合水泥生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境規(guī)劃署計(jì)算的水泥工業(yè)汞排放限制值過(guò)低。

由于汞具有高的揮發(fā)壓力，在水泥熟料煅燒過(guò)程中極易揮發(fā)，隨煙氣溫度降低至較低溫度時(shí)，和其他微量元素相比，易附在窯料（生料）表面。歐洲最佳實(shí)用技術(shù)（BAT）提供BAT排放水平有關(guān)值為＜0.05mg/m3（stp）。BAT文件需要值高于0.03mg/m3（stp），進(jìn)一步調(diào)查，其值接近0.05mg/m3（stp），則需另行考慮。

在許多情況下，需考慮汞減排策略，首先控制代用燃料和燃料的汞含量，以及電收塵器收下粉塵作生料中的汞含量，以降低汞在窯內(nèi)循環(huán)。從一些汞平衡試驗(yàn)顯示，停磨時(shí)電收塵器收下的粉塵內(nèi)汞含量超過(guò)磨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的數(shù)量。此外通過(guò)周期性的溫度控制以控制電收塵器收下的粉塵內(nèi)的汞含量以控制煙氣中的汞排放量。

連續(xù)測(cè)試汞排放難度較大，原因是燃料燃燒所產(chǎn)生的煙氣含有不同價(jià)數(shù)的汞化合物，有元素汞［HgO］、一價(jià)汞化合物［HgI］和二價(jià)汞化合物［HgⅡ］。從現(xiàn)有的汞減排裝置運(yùn)行情況來(lái)看，長(zhǎng)期穩(wěn)定的測(cè)試有一定困難，進(jìn)一步了解汞在燒成系統(tǒng)內(nèi)性能及汞減排裝置運(yùn)行特性，優(yōu)化裝置，使之長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2NOx

前些年，水泥燒成系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置選擇性無(wú)催化還原（SNCR）減排裝置，NOx排放值明顯地降低，使之達(dá)到排放限制值。但過(guò)程增加了NH3的排放（NH3逃逸）量，為進(jìn)一步提高SNCR效率，減少NH3逃脫，進(jìn)一步改進(jìn)各種型式的選擇性催化劑還原（SCR減排裝置），以使水泥工業(yè)NOx排放值進(jìn)一步降低。

目前在水泥工業(yè)開展的SCR減少NOx排放的技術(shù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐有高塵SCR（Mergel stetten水泥廠）、低塵SCR裝置（Rohrdorf水泥廠）和半塵SCR（Mannersdorf）。上述不同方式的SCR設(shè)置在不同位置的煙氣管道內(nèi)各有特色，見表1。

表1　SNCR和SCR減排裝置對(duì)NOx減排評(píng)價(jià)

Mengel stetten水泥廠內(nèi)調(diào)研的重點(diǎn)是在SCR結(jié)合現(xiàn)有SNCR裝置進(jìn)行生產(chǎn)。兩種減排工藝裝置結(jié)合應(yīng)用，可使SCR裝置減小，可減少投資和操作費(fèi)用。還需調(diào)查清理、使用過(guò)程損失、催化物料失去活性的更換機(jī)制。

在Rohrdorf水泥廠調(diào)研關(guān)注的問題是煙氣清理裝置與熱置換裝置，結(jié)合調(diào)研有機(jī)化合物和附加的煙氣成分的濃度，如汞和有機(jī)化合物對(duì)催化劑的影響。

2012年奧地利Mannersdorf水泥廠的半塵SCR裝置開始運(yùn)行，該廠使用電收塵、粉塵濃度為15～20g/m3。

4.3 CO2

按照不同的CO2減排情況和國(guó)際能源局路線圖，水泥工業(yè)將采用不同的方式，在全球減少CO2排放。水泥熟料煅燒和生料、水泥粉磨耗電產(chǎn)生CO2排放，減緩排放的方式是降低水泥生產(chǎn)的熱耗和電耗。如提高生產(chǎn)效率、采用代用燃料、減少礦物燃料、提高熟料性能、增加混合材的摻加量、生產(chǎn)復(fù)合水泥等。上述方式可在一定程度上減少水泥生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2排放，但有一定限度，只有采用CO2捕捉和儲(chǔ)存技術(shù)（CCS）才能大幅降低CO2排放。為此，歐洲水泥研究院對(duì)水泥工業(yè)的CCS的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行調(diào)研。

水泥工業(yè)使用CCS技術(shù)主要有兩種，胺基后燃燒CO2捕獲技術(shù)和富氧燃料燃燒技術(shù)。歐洲水泥研究院將有關(guān)工作分配給執(zhí)行研究的合作單位，并對(duì)可能影響水泥生產(chǎn)工藝評(píng)估及減少CO2排放的工藝技術(shù)、工廠整體和能量效率等進(jìn)行調(diào)查，得出看法是胺基后燃燒CO2捕獲技術(shù)在給定的時(shí)間內(nèi)技術(shù)可能實(shí)施。而富氧燃料燃燒技術(shù)仍需更多的研究，即使此項(xiàng)技術(shù)可以合適于現(xiàn)生產(chǎn)的窯，但該項(xiàng)技術(shù)較胺基后燃燒投資稍高些，需較大投資。在水泥工業(yè)使用CCS時(shí)，因技術(shù)改造投資高，能源成本高，造成總體費(fèi)用高，在經(jīng)濟(jì)上是有影響的。

水泥工業(yè)捕獲的CO2重新利用得到重視。有前途的是從CO2和氫合成為甲烷和甲醇，其優(yōu)點(diǎn)是一方面可減少CO2排放，另一方面其生產(chǎn)的再生能源可以儲(chǔ)存。歐洲水泥研究院和Mons大學(xué)合作已對(duì)此課題開展研究。

5　新品種水泥

水泥工業(yè)的產(chǎn)品品種方面是進(jìn)一步開發(fā)不同性能的新品種水泥。所有的產(chǎn)品均減少CO2排放。這些水泥經(jīng)多次試驗(yàn)且得到充分驗(yàn)證，滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能要求。品種有硫鋁酸鈣熟料、貝利特硫鋁酸鈣、泰尼西特、貝利特富波特蘭熟料等，這些水泥均為低碳水泥，企望在未來(lái)市場(chǎng)上得到一定的份額。何時(shí)能取代普通水泥熟料，必須在獲得經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)接受下才能擴(kuò)大應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)熟料和礦渣、粉煤灰、天然火山灰和焙燒粘土等混合材的研究以改善現(xiàn)有水泥的性能。舉例如下，水泥中含有部分粉煤灰，影響水化性能，若加入5%的含鋁物質(zhì)（例如硫酸鋁或變高嶺石），對(duì)含有富鈣粉煤灰的水泥技術(shù)超過(guò)含有富鋁和富硅粉煤灰效果，此外混合相等部分的富鈣粉煤灰或低鈣粉煤灰作為水泥外加劑，在強(qiáng)度上效果相似。

6　展望

未來(lái)水泥生產(chǎn)技術(shù)仍將進(jìn)一步發(fā)展，水泥工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)仍然是：減少生產(chǎn)費(fèi)用，加強(qiáng)質(zhì)量和產(chǎn)品性能以及提高混凝土耐久性?？偟膩?lái)說(shuō)，CO2排放的區(qū)域和全球氣候談判仍然是一個(gè)框架，水泥行業(yè)將定義自身的碳排放路線圖，從生產(chǎn)工藝考慮到CO2排放，造福于人類社會(huì)。

陳友德編譯自

No.1/2014 Cement International