中國水泥工業的進步及發展方向

重慶電子工程職業學院 趙曉東

1. 引言

進入21世紀以來，中國水泥工業發生了翻天覆地的變化，預分解窯水泥生產技術和裝備水平已經達到國際先進水平，自主研發的、具有知識產權的大型國產化裝備，不僅完全滿足中國水泥工業的需求，而且還出口到中東、非洲、東南亞、中亞等60多個國家和地區，為國家創收大量外匯的同時，也為中國水泥行業樹立了豐碑、贏得了至高聲譽和榮耀。但中國水泥的產能嚴重過剩，水泥產品結構嚴重不合理，在環保指標、水泥窯協同處理廢棄物及低碳節能減排等方面與歐美國家還有很大差距，是中國水泥工業未來的攻關發展方向。

2. 中國水泥工業的成績

水泥工業是國民經濟發展、生產建設和人民生活必不可缺的基礎原材料工業。中國水泥工業對全球水泥工業、對中國經濟發展都做出了巨大的貢獻，取得了令世人矚目的驕人成績：

（1）建立了全球最大的水泥工業體系

自1985年以來，中國的水泥生產總量已經連續32年居世界第一位，水泥的產銷量約占全球的60.00%。截至2016年底，中國擁有7條日產10000噸、6條日產12000噸預分解窯熟料生產線，是世界上擁有萬噸生產線最多的國家；預分解窯低溫余熱發電裝機總容量達到6000MW，形成了完善的預分解窯水泥生產的工業體系[1]。

（2）完成了全球規模最大的產業和技術結構調整

從2005年至2016年，中國淘汰了7億噸落后產能的立窯水泥企業，新建1700余條預分解窯生產線，其中的70.00%配備了低溫余熱發電系統，進行了大規模的協同處置，減少了二氧化碳的排放量，實現了綠色發展。2000年我國預分解窯的水泥產量約為1.00億噸，只占水泥總產量的12.00%，2013～2016連續四年預分解窯的水泥產量達到23.00億噸，占水泥總產量的95.00%，水泥平均年增長率高達27.28%，完成了全球規模最大的產業和技術結構調整[2]。

（3）實現了水泥裝備和技術出口創匯

中國先進的整條生產線全套水泥裝備出口數量，在國際市場上按水泥產能計的占有率，從零開始已連續四年達到35.00%～40.00%的份額，躍居世界第一，超過了丹麥FLS、德國KHD等老牌跨國水泥裝備供應商。截至2016年底，中國在中東、非洲、東南亞、中亞等60多個國家和地區建成近300個現代化的預分解窯水泥生產線，累計為國家創匯約200億美元。

（4）培育了中國建材、海螺、金隅等優秀水泥企業集團

中國建材、海螺、金隅等水泥企業集團在海外直接投資興建的水泥廠多達40余家，已經在國際上樹立了各自的品牌，顯著地提升了國際競爭力和影響力。在國內，這些企業積極發揮龍頭先鋒作用，正在有序地進行大規模轉型升級、兼并整合重組，以期進一步提高創新能力和核心競爭力，把整個水泥行業全方位做優、做強。

3. 中國水泥生產技術的進步

（1）水泥生產技術指標居世界先進水平

中國自行設計建造的日產5000～12000噸預分解窯熟料生產線，具有完全自主知識產權的裝備國產化率≥95.00%，熟料熱耗≤3000 kJ/kg，熟料電耗≤55kWh/t，水泥粉磨電耗≤30kWh/t，28d熟料抗壓強度≥60MPa，人均勞動生產率≥8000t/y，水泥生產的主要技術經濟指標都跨入了世界先進水平。

（2）利用低品位原燃材料

中國自主研發的預分解窯生產線，使用石灰石的氧化鈣含量可以低到42.00%、氧化鎂含量可以高到4.00%；燃煤的揮發分可低至2.00%、灰分可高達40.00%；對原料中有害成份堿、氯、硫等的許用范圍也擴大了很多。利用輥磨及管磨，磨制比表面積≥500m2/kg的超細礦渣微粉和粉煤灰，直接摻入水泥或混凝土，有效地調節水泥品種，改善水泥性能，既有效地利用了工業廢渣，又顯著地降低了生產成本。

（3）水泥生產裝備實現國產化和大型化

中國的水泥設計研究院與水泥機械制造公司聯合研發設計及加工制造的大型水泥裝備，其使用性能已達到甚至超過同期國外先進水平：

在原料破碎方面，用于石灰石破碎的單段錘式破碎機，產量達到1500～1700t/h；用于黏土、粉砂巖、煤等破碎的大型齒輥式破碎機，產量達到550t/h；用于硬硅質原料破碎的大型反擊式破碎機，產量達到400t/h。這些破碎機的單機生產能力均可滿足12000t/d熟料生產線的配套需要。

在生料粉磨方面：用于生料制備的最大風掃尾卸磨，規格Φ5.0×12m，臺時產量高達250t/h；最大中卸磨規格Φ4.6×13m，臺時產量高達200t/h；與5000～6000t/d熟料生產線單機配套的生料輥磨，臺時產量高達500t/h。

在熟料煅燒方面，用于熟料煅燒的最大回轉窯，規格為Φ6.6×96m，生產能力是12000t/d ；采用5級布置的預熱及分解系統，其C1筒出口廢氣溫度≤320℃，系繞壓降≤4.8kPa；采用6級布置的預熱及分解系統，其C1筒出口廢氣溫度≤300℃，系繞壓降≤5.0kPa。熟料冷卻采用第四代篦冷機，熟料單位冷卻風量為1.8～2.0Nm3/kg,熱效率≥80%；煤粉燃燒采用四風道節能低氮型燃燒器，火焰形狀及溫度調整靈活，煤粉燃盡率≥99.8%[3]。

在水泥粉磨方面，采用具有自主知識產權、裝機功率1320kW×2的大型國產輥壓機，作為水泥預粉磨設備，與打散機、“V”型選粉機或組合高效選粉機等靈活配置，形成開流或圈流管磨工藝系統，生產能力≥300t/h，粉磨電耗≤30kWh/t。

（4）收塵環保指標達到國家標準

中國水泥設計研究院與環保設備生產公司共同研發的大型袋收塵器及大型電收塵器，其收塵效率達到99.90%，窯頭窯尾排放的廢氣含塵濃度降低到20mg/Nm3，遠低于國家允許排放濃度150mg/Nm3標準；窯內使用中國自主研發的節能低氮型煤粉燃燒器，分解爐采用SNCR脫硝技術，窯尾排放廢氣的NOx濃度≤500mg/Nm3，達到國家排放標準。

（5）低溫余熱發電技術取得突飛猛進的發展

中國自主研發的第三代低溫余熱發電技術裝備已經投入生產使用，其減排增效節能效果非常顯著，在不增加熟料熱耗的前提下，投資只有5000.00～6000.00元/kW，單位熟料發電量達到45kWh/t，發電成本只有0.10～0.12元/kWh，較第二代低溫余熱發電技術有了突飛猛進的發展。

4. 中國水泥工業存在的問題

（1）產能嚴重過剩

中國現在的水泥產能約是35億噸，但水泥銷量市場的最高上限約是24億噸，產能超過需求量至少30.00%，產能利用率不到70.00%，大量水泥生產設備處于浪費的停機狀態。

（2）水泥產品結構嚴重不合理

中國的32.5級水泥大約占市場份額的60%，中高端的42.5、52.5、62.5級水泥合計只占35%～40%；歐美發達國家的32.5水泥市場占有率為40%，42.5水泥為50%～60%，52.5水泥為40%～20%，62.5水泥為0～3%[4]。這種產品結構的差異，致使中國1.40噸的實物水泥才相當于國際平均品質的1噸水泥，在實際應用過程中，制備相同強度等級的混凝土，單位水泥用量要比國際平均水平增加30%～35%。

（3）技術落后企業的環保能耗指標嚴重超標

上世紀末，中國建造了1 0 0多條700～1800 t/d的預分解窯熟料生產線，其工藝設備技術遠遠落后今天的大型預分解窯生產線，其熟料標準煤耗≥130kg/t，熟料電耗≥75kWh/t，窯頭及窯尾粉塵排放濃度≥500mg/Nm3，窯尾排放廢氣中的NOx濃度≥800mg/Nm3，排放的廢氣污染物嚴重超標。

（4）水泥窯協同處理生活垃圾幾乎是空白

隨著工業的發展和人們生活水平的提高，中國城市人均年生活垃圾量已達450kg。水泥窯體積大，熱容量也很大，且煅燒溫度高達1450℃，技術上具備協同處理生活垃圾的能力。中國有近1800條預分解窯生產線，分屬1000多家水泥生產企業，只有海螺、金隅、華潤、華新等少數龍頭企業象征性地實施水泥窯協同處置生活垃圾，替代燃料煅燒水泥熟料還不到0.10%,遠未達到實質性的工業規模應用，與德國的75.00%相比，簡直是天壤之別。

5. 中國水泥工業的發展方向

（1）進行產業結構和產品結構調整

行業利益高于企業利益，企業利益孕于行業利益之中。覆巢之下，焉有完卵，企業應把自身發展放在行業系統中進行思考，行業大系統建設好，企業個體才會有好的發展機會。水泥行業不僅要淘汰落后、大力發展中高端產品，還要把去產量和去產能有機結合起來。通過去產量保證水泥行業當前的效益，通過去產能保證行業的長治久安。去產量，就是要逐漸淘汰32.5級低強度水泥，增加42.5、52.5、62.5級水泥用量，減少石灰石的用量，實現減少CO2排放量；去產能，就是要禁止新建、倡導聯合重組、關閉工藝技術落后的多余企業。淘汰落后產能已是國家水泥產業結構調整的重要內容，對于上世紀建造的單線生產能力≤2000t/d熟料預分解窯生產線，如果其熟料熱耗≥3800kJ/kg，熟料電耗≥70kWh/t，廢氣排放粉塵濃度嚴重超標，在水泥產能嚴重過剩、產業結構大型化、生產大規模化的今天，就要對其進行關閉淘汰。

（2）大力推進水泥窯協同處理可燃廢棄物

水泥窯協同處理可燃廢棄物，就是把含有害成份及可燃成份的生活垃圾、廢舊輪胎等用作水泥窯的替代燃料，既處理了廢棄物，又節省了窯用燃料,具有極高的經濟效益和社會效益。

2008年10月，安徽銅陵海螺水泥有限公司投資1.50億元，引進日本川崎的CKK生產工藝技術，2010年3月實現了5000t/d水泥窯協同處理城市生活垃圾的工業應用，每年焚燒生活垃圾10萬余噸。該水泥企業處置每噸生活垃圾的綜合成本為220.00元，“開明”的銅陵市政府給予的政策補助為192.00元，其他省市政府給予的政策補助只有50.00～70.00元[5]。

除了海螺水泥集團，金隅、華潤、華新等少數水泥企業也先后采用了水泥窯協同處置城市生活垃圾的生產工藝，目前中國有20余條產能為2500～5000t/d的預分解窯實現了焚燒生活垃圾，它們已經積累了豐富的生產實踐經驗，基本掌握了水泥窯協同處理可燃廢棄物技術，只是處置生活垃圾的綜合成本高于當地政府給予的政策補貼，處于入不敷出的賠本經營狀態，阻礙了更多的水泥企業應用這項技術。

目前中國還沒有一家水泥企業采用廢舊輪胎用作水泥窯的替代燃料，但中國已經完全掌握了這項應用技術，成都建筑材料設計院與沙特AJCC水泥公司簽署的兩條5000t/d水泥生產線協同處理廢舊輪胎工程項目，于2016年3月一次性順利通過性能考核，每年處置廢舊輪胎約7萬噸，燃料替代率達到40%以上，對生產線運行及熟料產品質量無任何不良影響，標志著中國成都設計院在水泥窯替代燃料領域卓越的技術水平。

中國已經掌握了水泥窯協同處理可燃廢棄物的高端技術，但目前只有少數知名水泥企業在應用和研發，沒有形成工業規模，急需國家及地方政府出臺相應的激勵政策，引導與扶持更多的水泥企業應用推廣這項技術，使中國的水泥窯協同處理可燃廢棄物真正形成規模效益。

（3）生料采用輥壓機終粉磨技術

目前代表先進節能的生料粉磨技術有輥壓機終粉磨及立磨粉磨系統，其技術性能對比如表1所示。應用輥壓機終粉磨技術制備生料是中國2011年的首創，目前配套日產5000噸熟料預分解窯生產線的有40余臺，其技術正處于繼續完善和發展階段；生料立磨粉磨技術在中國有近30年的使用歷史，中國有自主知識產權、配套日產5000噸熟料預分解窯生產線的大型生料立磨，其技術相當成熟可靠，已經出口200多臺，是我國應用最廣和頗具優越性的粉磨系統。但輥壓機終粉磨系統的單位生料電耗至少比立磨粉磨系統降低2kWh/t，并且國產的大型輥壓機（Φ2000×1600mm）技術成熟度與運行可靠度都在不斷完善和提高，裝備國產化配套和售后服務鏈已經完全建立，從發展的角度看，生料輥壓機終粉磨系統在總裝機容量、設備總重、總投資和運行維修成本等多方面都比立磨系統略勝一籌，是今后新建水泥企業和生料技改升級的首選。

表1 輥壓機終粉磨與立磨粉磨工藝的技術性能對比

（4）煤粉采用立磨粉磨技術

中國水泥工業的煤粉制備采用風掃球磨和立磨兩種粉磨工藝，其技術性能對比如表2所示。風掃球磨在中國有50多年的應用歷史，其技術成熟、裝備可靠，水泥企業的使用率≥95%，只有少數總承包的海外水泥工程項目，因業主強烈要求才選用立磨粉磨工藝。但中國的火力發電行業首選立磨工藝制備煤粉，其原因就是立磨粉磨工藝在單位電耗和維護費用等方面均大大優于風掃球磨。目前國外發達國家新建水泥廠選用立磨粉磨工藝制備煤粉的≥90%。國產煤粉立磨在設計、制造、安裝、備配件與售后服務等方面和生料立磨一樣成熟可靠，是今后新建水泥企業和煤粉技改升級的首選。

表2 風掃球磨與立磨粉磨工藝的技術性能對比

（5）熟料煅燒采用10000t/d噸預分解窯生產線

中國自行配套設計的10000t/d及5000t/d熟料預分解窯生產線的技術已經很成熟，其技術性能指標達到了世界先進水平，出口中東、南亞等多條生產線的生產運行效果理想，成為具有示范性作用的生產線。如技術性能對比表3可知，10000t/d生產線的可比熟料綜合電耗和煤耗指標都優于5000t/d，是今后新建水泥企業和熟料煅燒技改升級的首選，但中西部不發達的地區，也可以選擇5000t/d生產線。

表3 10000t/d與5000t/d配套生產設備的技術性能對比

（6）水泥采用立磨粉磨技術

目前代表先進節能技術的水泥粉磨工藝有輥壓機預粉磨及立磨兩種粉磨系統，其技術性能對比如表4所示。中國于上世紀末開始使用輥壓機＋球磨機的水泥預粉磨工藝技術，其粉磨效率較圈流球磨機粉磨工藝提高了30～35%，水泥粉磨電耗降到30～35kWh/t。2005年，丹麥史密斯公司現代水泥立磨首次在云南東駿水泥有限公司的5000t/d生產線上成功投產，生產的水泥很受昆明市場的歡迎。目前中國投產的水泥立磨已經超過100臺，其年產P.O42.5水泥近1.00億t，占全國42.5級水泥總量的20%～25%，市場對立磨水泥的適應性與歡迎度日益上升。大量的建筑工程實踐證明，立磨生產的水泥技術性能完全可以與球磨水泥相媲美。截至2000年，歐美國家的水泥圈流球磨已經完全被立磨所取代，充分顯示了水泥立磨工藝的技術優勢，是今后新建水泥企業和水泥粉磨技改升級的首選。

表4 水泥預粉磨與立磨粉磨工藝的技術性能對比

（7）開發低碳水泥，減少CO2排放量

水泥生產過程中要排出大量的CO2氣體，水泥工業的CO2排放量占全球的8%～10%，中國水泥工業是第三大CO2排放源，其排放量占中國總排放量的12%～15%，所以減少水泥工業的CO2排放量，不僅僅是水泥企業自身降低生產成本的途徑，更是國家“十三五”節能減排的重要內容。

中國生產和使用的水泥，95%以上都屬于硅酸鹽水泥。在生產硅酸鹽水泥的過程中，要消耗大量的石灰石和煤炭等原燃材料，煤炭燃燒產生CO2、SO2、NOx等氣體，石灰石高溫分解產生CO2氣體。為了降低水泥生產的CO2排放量，除了降低熟料燒成煤耗外，更重要的就是要降低熟料中的氧化鈣含量，也即生產低鈣水泥。因此，開發應用功能型的低鈣水泥將是今后水泥行業的一個技術發展方向，比如，硫鋁酸鹽水泥、高貝利特水泥、鐵鋁酸鹽水泥等都是功能型的低鈣水泥，這些水泥的氧化鈣含量比硅酸鹽水泥低很多，熟料煅燒溫度較硅酸鹽水泥熟料低，熟料煤耗也低，產生的CO2排放量也低。特別是作為特種水泥品種的硫鋁酸鹽水泥，其特殊性能已在快速施工、混凝土預應力制品（制件）、防水工程等有特殊性能要求的場合得到廣泛應用，進一步研究其大規模生產和廣泛使用的技術性能，對未來開發海洋工程、水下工程有現實的社會意義。

（8）開發水泥生產的智能化控制系統

開發水泥生產的智能化控制系統，自動控制生產過程的產品質量，代替人工從事繁重的體力工作及危險工作。在化驗室配置機器人，對出磨生料、出磨煤粉、出窯熟料、出磨水泥及出庫水泥等生產過程實現在線連續取樣分析，自動控制產品質量；對于勞動強度較大的水泥包裝車間，則采用全自動包裝機和全自動裝車機系統，所有包裝機插袋、包裝、稱重、輸送、裝車全部自動完成，不再需要人工體力搬運操作；對于清理生料均化庫、煤粉倉、熟料庫、水泥庫等復雜危險工作，采用機器人自動操作控制系統，完成避免在惡劣環境容易發生人工傷亡事故。中國雖然在水泥生產智能化控制系統方面已經進行了一些基礎性的開發工作，但與歐美先進的水泥企業相比屬于剛剛起步階段，還有很長的研發道路要走，需要加大水泥生產智能化控制的研發力度，提高機器人自動操作控制的技術水平。

6. 結語

經過近30年的不懈努力，中國預分解窯技術取得了突飛猛進的發展，實現了生產裝備的大型化、國產化和多樣化，主要技術經濟指標達到了世界先進水平。今后中國水泥工業要立足于原創性研究，開發更多具有自主知識產權的低碳節能減排等方面的技術，真正實現水泥工業的可持續發展。

7. 備注

本論文是重慶市教育科學“十二五”規劃2015年度專項研究課題(課題名稱：高職院校實施現代學徒制的創新研究與實踐；課題編號：2015-ZJ-032)

8. 參考文獻

[1] 趙曉東.水泥中控操作員[M].北京：中國建材工業出版社，2014.

[2] 趙曉東.水泥煅燒工藝及設備[M].北京：中國建材工業出版社，2014.

[3] 趙曉東.預分解窯煅燒技術[M].北京：中國建材工業出版社，2015.

[4]高長明.關于32.5水泥的三個迷論[J].水泥，2016(12).

[5]高長明.水泥工業“四零一負”理念的前世今生與未來[J].中國水泥，2016(2).