建筑工业化——原材料篇
水泥是我国建材领域的三大支柱产业之一，同时也是国民经济建设及发展的基础性原材料，被广泛的应用于工业与民用建筑、道路交通工程、水利水电工程、海港工程、核电工程以及国防建设等工程领域中。
年，我国水泥行业结束了持续近4年需求稳步增长的局面，首次出现了幅负增长（同比增速下滑超过5%）。年，在基础设施建设和房地产投资的拉动下，水泥产量整体呈现弱复苏态势，产量达到了.98万吨。~年间，我国水泥最大产量为05.69万吨。
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1.水泥生产工艺发展历史现代水泥生产工艺已经发展了接近二百年历史。先后经历了立窑、干法回转窑、湿法回转窑和新型干法回转窑等阶段，并最终形成现在的预分解窑新型干法生产工艺。
其中水泥窑内煅烧是水泥生产最为关键的核心技术，因此其工艺发展历史往往与立窑的发展具有极大程度的关联。
图片来源于网络①立窑技术发展阶段年英国人Aspdin将块状石灰石放在特制的“杯窑”中用煤和堆料进行煅烧，并最终取得了世界上第一个波特兰水泥专利。年，英国人Johson在ASpdin的基础上改进煅烧工艺，将原料预热后再进行煅烧，大大提高了熟料质量并节省煤耗。
年，德国人在熟料的煅烧时添加了冷却装置，从而发明了“立窑”，而“立窑”的发明使得熟料的预热、煅烧和冷却都在窑里，从而大大的提高了水泥熟料的煅烧质量。
之后，“立窑”工艺传到英国，而英国人又第一次将机械鼓风系统运用于水泥生产中，使得水泥的质量和产量都得到很大程度的提升。
接着，德国人发明了装料和卸料装置，并在一战前后，完成了立窑的机械化设计，最终形成了机械化立窑技术发明的全过程。
②普通干法旋窑的技术发展干法旋窑最早是在年由英国人克拉登提出的，但是他在实际的试验过程中没有取得成功。
直到年，美国工程师亨利、化验师西蒙在克拉登的基础上继续尝试，他们在进行熟料煅烧时预想将熟料磨细成干粉，从而开发成功了自己的旋窑系统。
到0世纪0年代，德国人对旋窑系统进行了改良，发明了“立波尔窑”。而在同一时期，日本人在干法回转窑工艺的基础上添加了一个锅炉系统，形成了预热锅炉窑，从而完成了普通干法旋窑的技术发展阶段。
③湿法旋窑的技术发展通常情况下，水泥生产的原材料为石灰石质矿石。而在丹麦，由于石灰石资源短缺，而同样具有水化活性的白垩土资源十分丰富，因而在0世纪初，丹麦人史密斯发明了“湿法窑”进行水泥生产。
最早的湿法窑长径比较短（＜0），后来湿法窑发展为带料浆蒸发器，再后来又发展为湿法长窑（长径比＞0）。年，我国拥有湿法窑约条，但是窑长普遍低于国际水平。
④新型干法的技术发展湿法窑在实际的使用过程中普遍存在着高能耗的问题，而且由于水泥具有水硬性特点，因而如何在湿法窑的基础上保持生料质量、生料均化和收尘以及干法的预热利用等问题成为了湿法窑发展的技术壁垒。
50年代初，生料均化库和预均化技术在水泥生产中得到应用，而且随着生料的计算机控制技术的发展，电收尘技术的发明，解决了干法窑尾生料均匀的收尘问题，随后，水泥工艺技术的发展越来越多的向现代化和工业化迈进。例如，在旋风预热器发明以后，德国洪堡公司在此基础上进行深度开发，最终发明了“洪堡窑”；而德国的克虏伯公司在发明了立筒预热器窑以后，通过将立筒与旋风预热器组合进行水泥生产，形成了“悬浮预热器窑”（SP窑），该种生产工艺即为窑外分解窑发明的前奏；而在年，日本的石川岛播磨公司在旋风预热器的基础上研制成功了“窑外分解窑”（NSP窑），才最终完成了“新型干法窑”的开发。从此，在世界范围内，水泥生产技术从“”湿法旋窑”迅速向“新型干法窑”（即NSP窑）过渡。
.新型干法窑在我国的发展情况年我国新型干法生产线总数占比只有40%，而在“十二五”期间《水泥工业产业政策》出台以后，通过淘汰各种规格的干法中空窑、中空余热发电窑、湿法窑等落后工艺技术装备，淘汰单线规模小于15万吨的立窑、各类5万吨以下的回转窑（特种水泥除外）以及单线规模小于40万吨的水泥粉磨站和水泥配置站，关闭环保能耗高的落后产能生产线。到年底，我国新型干法窑占比超过90%，产能为.9万吨；~年产能稳定在.5万吨。
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年，我国拥有日产水泥t、~5t、~5t以及5t以上新型干法熟料生产线共条，总设计产能达万吨。其中t以下生产线总数占比为0%，熟料产能占比为10%，平均年产能达到万吨；~t以下生产线数目占比6%，熟料产能占比为8%，平均年产能69万吨；~5t以下生产线数目占比41%，熟料产能占比为57%，平均年产能万吨；5t以上生产线数目占比%，熟料产能占比为5%，平均年产能万吨。
新型干法熟料生产线数量占比（%）新型干法熟料生产线设计产能占比（%）
注：数据来源于中国水泥网、水泥研究院
今后我国水泥工业将会大力推广新型干法生产线的发展，加速淘汰各种落后水泥窑工艺，同时积极开发和鼓励发展能源、资源消耗量较少的水泥新品种和新生产工艺，在大型水泥生产线上，要大力发展水泥窑余热发电，实现水泥工业的绿色、生态、可持续化发展。
.新型干法窑技术特点由于水泥工业是粉尘、CO和SO的排放大户，其排放量分别占全国工业生产总排放量的7.10%、1.8%、4.85%。而水泥工业生产过程中，氮氧化物的排放量也仅次于电力行业和机动车尾气排放，占全国氮氧化物排放总量的10%。
但是与传统的水泥工业相比，新型干法水泥生产线对原材料的利用、能源消费以及废弃物的排放都要相对经济。而新型干法水泥工艺的创新在提高水泥总量和产品结构的优化同时，在环境效益改变方面也做出了重大贡献。
典型水泥生产工艺资源、能源和环境排放系数
注：数据来源，周志刚，水泥工业物质代谢及生态化转型研究
4.新型干法水泥生产线技术现状
当前，世界范围内的先进水泥生产企业，大都采用以预分解技术为核心，形成了一整套高效、节能、环保以及自动化的现代水泥生产工艺，即新型干法水泥技术。得益于冷热态模拟系统、计算机模拟技术等研发手段，我国目前已经拥有完全自主化知识产权的成套新型干法水泥生产技术，并将相关技术向海外输送。我国水泥行业在预分解窑节能煅烧、原料均化、“料床”粉磨、自动化控制和环境保护技术以及余热发电技术等方面，从设计到装备制造都快速接近、达到或超过世界先进水平。在粉末粉碎技术方面：
目前大都采用80~t/h的锤式破碎机破碎石灰石，而最大的单段锤式破碎机产量可达1~t/h；破碎粘土和煤时所采用的大型齿辊式破碎机小时产量可达t；破碎硬质原料采用大型反击式破碎机，小时产量可达t。
生料粉末系统主要采用粉磨效率高、烘干能力强、基建投资省的辊磨系统。
而水泥粉磨系统则采用管磨闭路系统，该系统被公认为是高新技术对传统流程进行改造的最典型的实例，其组成包括电收尘器、高效笼型选粉机和管磨机。
在预分解窑节能煅烧工艺和技术装备：
70年代起至今，我国在生产实践以及多学科交差研发过程中，已经开发出了第四代熟料冷却机系统，实现了t/d熟料烧成系统的过程化。目前国产预热分解窑按工艺可分5~6级布置，南京院、成都院等水泥制造商开发的回转窑基本都是长径比L/D=14～16的三档窑。
目前燃烧器系列产品可适用包括无烟煤在内的不同性能燃料的燃烧需要，具有可灵活调节、对燃料的适应性强、可延长窑皮的使用寿命等显著优点。
对于预热器系统，目前拥有压损在0Pa左右的低压损五级旋风预热器系统，而且，锁风阀、预热器内筒及耐火材料等的改进，也为熟料煅烧系统的低能耗和高可靠性提供了保障。
在自动控制技术方面：
通常情况下，一条新型干法水泥生产工艺线拥有上千个开关和阀门、近千台电动机、数百台机械设备、数百个检测点和数十个调节回路，人工管理存在费用高、出错较多等缺点。目前，我国水泥行业普遍采用图形显示技术、通信技术、计算机控制技术和集中管理、分散控制的集散型控制系统等自动控制技术，保证了产品质量和系统运行的稳定性。
5.未来发展方向
为了进一步实现水泥行业在工业技术、自动化水平以及节能减排等方面的需求，我国正在加快第二代新型干法水泥生产技术的研究。
通常情况下，第二代新型干法水泥技术主要是指以悬浮预热和预分解技术为核心，利用现代流体力学、燃烧动力学、热工学、计算流体力学、粉体工学等现代科学理论和技术，采用计算机及其网络化信息技术进行水泥工业生产的综合技术。该系统具有更为高效的节能减排、“协同处置”废弃物的作用，能大幅度的提高余热利用率，有效的防治污染，其产业将逐步发展成新型环保产业的一员。
粉磨系统的发展方向：
实践证明，水泥粉磨采用粉磨系统已成趋势。年5月我国首台国产大型水泥辊磨（TRMK）在越南福山水泥公司成功投产，所生产水泥成品的技术指标与圈流球磨系统的产品相当。
窑系统的发展方向：
由于回转窑的热量损失较大，其水泥生产中所占的比例逐渐下降。目前采用主要采用采用两档支撑的短回转窑和提高回转窑转速、减小回转窑规格以及采用耐火材料来降低回转窑表面散热。
资源综合利用和水泥窑协同处置废弃物方面：
年国家财政部和国家税务总局联合印发《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》中规定，4.5及以上等级水泥的原料0%以上来自废渣，其他水泥、水泥熟料的原料40%以上来自废渣，纳税人符合《水泥工业大气污染物排放标准》（GB—01）规定的技术要求，可退税70%。同年工信部、住建部、国家发改委、科技部、财政部、环保部六部委联合下发《关于开展水泥窑协同处置生活垃圾试点工作的通知》（工信厅联节〔〕8号），选择10个企业进行水泥窑协同处置试点，试点期限年。试点工作内容包括优化水泥窑协同处置技术、加强工艺装备研发与产业化、健全标准体系、完善政策机制和强化项目评估。
作者简介：安徽芜湖人，浙江大学工学博士。多年来致力于土木工程新材料与新技术的集成技术开发、应用以及产业推广工作。相关技术在研发、生产、制造以及应用场景拓展等方面有着丰富的实践。zhangwzju.edu.cn预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇