[独家]关于当代水泥工业与水泥品种科技发展方向问题的最新国际动态

　　一．前言

　　联合国所属的国际能源署IEA、国际水泥可持续发展倡议组织CSI和世界可持续发展工商理事会WBCSD，三家国际咨询研究机构，2018年3月发布了《国际水泥工业低碳转型路线图》。这是IEA、CSI、WBCSD邀请9位世界级水泥专家及其团队(约60人)，历时近两年，采访调研了世界60多个国，80多家知名水泥研究设计机构、水泥生产集团和水泥机械装备制造厂商，近300位各国水泥专家、教授、学者、科研、工程技术人员和企业家，经过科学的综合研究分析后，撰写而成的。该《路线图》对全球水泥工业的技术进步和节能减排，提出了4项重大的技术途径和相应的技术措施，主要为：

　　1.降低水泥单位能耗，即对预分解窑(PreCalciner)--- PC窑水泥熟料生产系统（我国称之谓新型干法窑系统）进行更全面深入的研究创新，进一步降低熟料单位热耗：对全厂整个生产系统，尤其是生料和水泥粉磨系统，进行更深入的研究创新，进一步降低水泥单位电耗。

　　2.在保持OPC（我国普通硅酸盐水泥与之相当）性能不变或有所改善的条件下，推广采用熟料含量少的低熟料系数水泥，挖掘混合材的胶凝潜力，尽量多用混合材，使之部分替代熟料的胶凝功能，混合材品种要向多元化发展。

　　3.将各种可燃废弃物用作水泥窑系统的替代燃料，大幅削减化石燃料的消耗，既能利废环保，还能节省煤炭资源，减少二氧化碳排放，削减水泥工业的碳足迹。

　　4.，研究推广从水泥窑废气中回收储存与利用二氧化碳的技术CCSU，大幅降低水泥生产中的碳排放，回收的二氧化碳还可用于其他工业领域。

　　其实，以上4大技术措施，该三家国际机构，在2009年首次发布的《2050年水泥可持续发展技术路线图》中已有详实论述，因为预计这些技术措施的有效期，至少还有30年。所以这次修订补充后再次重新发布。

　　然而近年来，因全球气候变暖的趋势日益严峻，欧洲全社会积极推行环保低碳的进程中，对水泥工业的压力较大。在欧盟各国政府、大批环保低碳主义人士和思想前卫的水泥专家，三方协同呼吁和推动下，传统的水泥工业领域出现了一些新理念、新尝试、新创造和新动态，打破了原先比较平静的按部就班发展的局面。兹分述之。

　　二．关于熟料生产工艺系统

　　最近一两年，许多国际水泥专家和科研机构相继对已经沿用了近70年的 PC窑水泥熟料生产系统，提出了若干新的认知和观点。其主要内容是，过去10年的实践证明，按国际先进水平的水泥单位能耗（热耗+电耗）测算，实际上其进展和收效并不如人意，而且正日益艰难，颇有陷于“瓶颈”之感。究其原因，主要是因为PC窑水泥熟料工艺应用发展60多年以来，现今其单位能耗指标的先逬值已经相当接近其理论值了，再改进提高的空间有限，难度大。

　　例如，熟料热耗理论值450kcal/kg，加上PC窑系统的各项热损失约150 kcal/kg，合计实际所需热耗至少为600kcal/kg左右。而现今PC窑的熟料单位热耗已经下降到700 kcal/kg以下，满打满算最多还有10%左右的改进余地。的确已经相当接近其“顶点”了。又如分解炉、预热器、回转窑、窑传动、窑密封、耐火砖、浇注料、篦冷机、三次风管、拉链机、燃烧器、计量喂料(煤)机、主排风机;、收尘器、脱硫脱硝装置等一系列装备也都更新了三~五代之多。与其还要花费大量人力、物力、财力、时间等各方面的代价来进行“冲顶”攻关，还不如将这些资源转移到水泥生产工艺颠覆性的创新研发方面，摆脱PC窑工艺的羁绊，加强对例如，熟料悬浮流态化煅烧、管道化反应煅烧、电磁震荡煅烧、太阳能聚焦煅烧或分子冲击直接煅烧等崭新工艺的研发。因为这些新工艺的研究实验，目前已稍显不同程度的“曙光”，如果我们及时的转移战略目标，这对促进水泥工业的颠覆性更新换代新发展，可能是一项事半功倍的上策。

　　在这一新思维新动态的影响之下，最近两年，欧洲一些著名的水泥研究机构在非PC窑水泥生产工艺研究领域方面的科研投入加大，研发进展加快。有人预言，2030年到2040年间，世界第1套非PC窑水泥熟料生产工艺系统或将诞生，从而宣告历时近百年的水泥工业PC窑工艺时代的结束。当然，这只是一个国际上最新的动态，最终结果如何尚难以确定。我国水泥界了解并关注这一动向，对科学正确的规划我国水泥工业的发展方向是有借鉴价值的。

　　三．．关于水泥品种和混凝土的性能

　　长期以来，准确的说2009年以前，国际水泥界普遍认为，OPC水泥是性能适宜，廉价实用的最大宗胶凝材料。由OPC制备的混凝土，则是最经济实用的大宗建筑材料，其消费（需求）量是仅次于水的世界排名第2位的必须材料。在人们可以预见的将来，至少30年甚至50年内，不大可能出现OPC 水泥被其他胶凝材料大量取代的情况。

　　在我国则更是，一般人都以为，水泥的性能和质量完全取决于熟料，水泥中熟料含量越多，熟料标号越高，水泥的性能和质量就越高，用高标号水泥制备的混凝土才会是高性能混凝土；等等。

　　事实上，随着近10多年国际科技进步的发展，人们发现，影响水泥性能的主要因素，除了熟料以外，混合材的深加工程度及其品种多元化，对水泥性能同样具有较大的影响。挖掘混合材的潜在胶凝活性，可以发挥其部分替代熟料的作用。等量的熟料含量较少的低标号32.5水泥，同样可以制备出C30以上的混凝土。传统的高标号52.5水泥，因其单位能耗高，生产中的单位碳排放量高；虽然早期强度较高，但其抗裂性、耐久性和后期、长期强度都较差，利少弊多。面对现在低标号32.5复合水泥的推广应用趋势下，高标号OPC水泥已显颓势。32.5复合水泥的占比正在逐步提高，所谓水泥品种要向OPC高标号化发展的观点已经不合时宜了。

　　与我国不久前实施的全部取消PC 32.5复合水泥的做法相反，德国和欧盟经过多年的试验研究后，2016年决定修订其水泥标准 EN 197-1，增添了两个新的32.5复合水泥的品种 CEM II/C-M和CEM VI，熟料系数可分别减少到0.50和0.35。反思检讨我国和德国两种截然不同思维和决策方式的全过程，足以告诫训导我们，首先应该认真做好必要的实际市场需求调研工作，以及科学试验研究论证工作，之后再集思广益三思而行，以免冒失地犯下方向性的错误。所幸我国水泥标准中仍保留有PS、PF和PP 32.5水泥。最近市场上出现了用M 32.5水泥部分替代PC 32.5水泥之势，说明科学发展规律和市场供需法则是不会随着某些权利的意志而转移的。我国现在改正补救，亡羊补牢猶未晚矣。

　　此外人们还注意到，影响混凝土性能的因素，除了水泥和骨料沙石以外，各种外加剂的选择和掺用技术也具有一定的作用。因而加强外加剂的研发，同样是改善提升混凝土性能的一个重要环节。过去那种单纯依靠高标号水泥制备高性能混凝土的教条也应修正，须要改进提升科学认知水平。

　　根据目前已经达到的技术水平，可以预测，在今后15-20年之内，水泥品种科技进步提升发展的趋势，将会从根本上扭转OPC一家独大的局面，逐渐形成以1）贝利特水泥、2）硫铝（铁）酸盐水泥、3）熟料系数0.35~0.55的低标号32.5复合水泥，以及4）熟料系数0.75~0.9的中、高标号（42.5+少量52.5）OPC水泥为主的四分天下的局面。或者还有少量的熟料系数0~0.20的地矿水泥(Geopolymers)，即所谓的无熟料或少熟料水泥。因为前三者，在基础理论与实际应用方面已经完全成熟可靠，今后只是在消费总量中它们三者的占比逐步提升，传统OPC的逐渐下降而已。届时，它们三者虽然还不能完全取代传统OPC水泥，但是至少已经取代了一半以上。延续到2050年，OPC高标号水泥基本上被取代或许就是大概率事件了。这与人们2009年以前的认知和预测相比就发生了重大的变化，这种可能发生的变化同样也值得我国关注研判借鉴。

　　四．关于替代燃料。

　　由于各国水泥工业发展历史、进程和现实生产水平的差异，不同国家水泥工业采用各种可燃废弃物用作替代燃料的程度——对熟料生产所须热能的替代率TSR（Thermal Substitution Rate）相差十分悬殊。例如，挪威TSR已达90%以上，德国近70%。欧盟50%，美国和日本约20-25%。许多发展中国家都刚起步，或尚未启动。我国则很低，仅2%还不到。

　　显然，采用替代燃料这项环保低碳措施，对于德国和欧盟来说，其减碳功效已经享用了不少，所剩也不多了。但是对中国来说，却是潜力很大，其环保低碳功效尚有待大大发挥。笔者估算，按2019年初，我国水泥工业协同燃烧废料的实际生产数据为基准，如果我国TSR达100%，则水泥窑每年协同处置的可燃废弃物数量为，生活垃圾0.8~1.0亿吨，污泥4000万吨，危废3000万吨，其他废物3000万吨。采用协同处置的水泥窑总台数为1600台。也就是象德国一样，每一台水泥回转窑都是协同处置釆用替代燃料的。这样，总计1年将可节省近1.6亿吨标煤，减排二氧化碳约2亿吨.。这是一项功效不小的环保减碳措施。

　　当然更实在更重要的是，今后我国真正能做到怎样的程度？什么时候TSR才能达到100%？这就主要有赖于政府的政策和水泥行业自身的努力了。对各方面的情况综合研究分析后，笔者预测2050年，我国水泥工业TSR将达70%，全世界的总平均值为30%。

　　五, 关于二氧化碳回收储存利用技术CCSU

　　对水泥工业来说，这是一项全新的技术。按照上述三大国际机构《路线图》的预计，以及欧洲水泥统计局Cembureau《水泥工业中性碳排放（二氧化碳排放为0）报告2019版》的测算，对全球水泥工业来说。2050年CCSU在整个削减碳排放量中将承担32~%45%的份额，因不同国家而异。总之CCSU将成水泥工业减碳的主力军。

　　约1~2年前，丹麦FLSmidth和德囩THYSSENKRUPP-Polysuis、KHD等公司均制定了2030-2050年的减碳计划，宣称2050年以前将全面实现二氧化碳零排放，即碳中性排放。瑞士Lafarge-Holcim和德国Heidelberg等水泥集团已联合欧洲多家著名科研机构制定了《中性碳排放计划》，各项试验研究已进行了多年。其中值得一提的是，正在比利时Lixhe水泥厂进行的LEILAC (Low Emission Intensity Lime and Cement)工艺生产试验，采用非接触式煅烧热交换塔替代分解炉和旋风预热器。从水泥生料中先将其中的碳酸钙分解，获取高纯度的二氧化碳，进一步加工成食品级的液态或固态二氧化碳供应市场销售。分解后的生料进入回转窑，煆烧成熟料。这样可以削减水泥窑二氧化碳排放量65%。这种非PC窑的工艺技术值得关注。

　　海螺白马山水泥厂2019年5月投产了我国水泥工业第1条CCSU生产线，所采用的是比较传统的CCSU技术，单位电耗和成本较高。最近我国天津威泽节能环保公司公布了“外燃式旋窑煅烧碳酸盐矿物生产工艺报告”，和LEILAC工艺的构思有些相似，也是采用非接触煅烧碳酸盐分解方式，获取高纯度二氧化碳，两者似为不谋而合。

　　水泥工业的CCSU技术，我国虽然比欧洲稍晚了两三年，鉴于我国现有的各种优势，欲在该领域后来居上，还是很有可能的。笔者预测，2050年，我国水泥工业CCSU的二氧化碳捕集量将达到总排放量的43%，全球的平均数则为30%。

　　六. 结语

　　本文旨在给我国水泥界广大同仁通报国际上的最新重大变化动态，例如，基本理念的修正提升，水泥生产工艺与水泥品种技术进步的发展方向，各项更新换代技术科研开发的进展概况，以及对2050年世界水泥工业发展水平的补充预测等。谨供我国水泥界参考借鉴。这是一个扼要的总体概括，详细的依据，请参见文末的参考文献，兹不赘述。

　　参考文献

　　1.IEA, CSI ,WBCSD：《Technology Roadmap for Low-Carbon Transition in the Cement     Industry》.       March 2018

　　2.高长明：2050年世界及中国水泥工业发展预测与展望 新世紀水泥导报 2019 NO.2       p.1~3

　　3.Calix,Australia:  Testing Innovation.  ICR Feb.2019 p.35~39

　　4.高长明: 我国对混合材的研发工作须要全盘部署和推进 新世紀水泥导报2019 NO.3 p.1-2

　　5.Joachim Harder:  Development of clinker substitutes.  ZKG April 2019 p,40-49

　　6.高长明: 世界两大水泥(混凝土)协会WCA和GCCA须要合作交流共同应对全球气侯变,化  中国水泥 2019 NO.10(预)

　　7.VDZ Conference on Cement Chemistry 2019:  CO2  reduction is top of the agenda in the industry.  ZKG June 2019 p.22-23

　　8.ICR Research:  Creating a new vision.  ICR Sep.2019 p.19-22

　　9.高长明: 我国水泥工业低碳转型的技术途径分析——兼评联合国新发布的《水泥工业低碳转型技术路线图》 2019.01.14

　　10.IEA, CSI ,WBCSD：《2050 Technology Roadmap for Sustainable Development of Cement Industry》March 2009

　　11.高长明：对《2050世界水泥工业可持续发展技术路线图》的分析评议 中国建材报 2010.03.31 第3版

　　12.CSI/ECRA: State-of-Art 52 Papers of Low-Carbon Cement Projects.  Jan.2017

　　欧洲水泥研究院精选:: 有关低碳水泥项目优秀论文52篇详摘  2017.01.

　　13.高长明: 我国水泥窑协同处置废弃物(生活垃圾)工程实践的回顾反思与展望 水泥技术2018 NO.1 p.17-21

　　14.于 海等: 利用”外燃式高温煅烧碳酸盐矿物质旋窑”实现窑尾废气CO2减排及脱硫的技术

　　水泥技术2019 NO.4 p.8-14

　　15.高长明: 关于水泥混凝土产业科技发展方向的若干思考 水泥2017年增刊 p.1-3

　　16.高长明: 水泥混凝土工业是全社会循环经济的重要枢纽 中国建材报。2017.06.14 第3版

　　17.Bernard Mathieu: The global cement industry says yes to climate protection.

　　ZKG Jan./Feb.2019 p.22-25

　　18.ICR Research: Stepping up to climate change.  ICR Jan. 2019 p.28-29

　　19.HeidelbergCement: Strong builder of carbon neutrality.  ICR July 2019 p.54-57

　　20.Taiheiyo Cement: CO2 capture trialled and tested.  ICR July p.58-61

　　21.Arthur Harrisson: Belite in Portland clinker.  ICR July p.48-51

　　22.王燕谋; 当代中国水泥工业的重要使命（硫铝酸盐水泥） 中国建材报 2019.08.26 第1版。

　　23.Joachim Harder: Carbon capture, utilization and storage in the cement industry. ZKG Dec.2018 p.36-43

　　24.LOESCHE GMBH: An integrated approach to alternative fuel use in cement making.

　　ZKG Jan./Feb.2018 p.48-53

　　25.高长明：论水泥工业可持续发展战略  水泥技术 1997 NO.1 p.1-5

　　26.高长明：水泥工业”四零一负”理念及展望 水泥技术 2016 NO.1 p.17-19

　　27. ICR Research: Driving sustainable change.  ICR May 2019 p.40-42

　　28. THYSSENKRUPP;: Polysius fuel substitution -improving the climate footprint of cement production.  ZKG July/Aug. 2019 p.52-55

　　29. 高长明：水泥与混凝土环境友好特性概论 中国建材报2003.02.24 第1版

　　30. KIT, GEFAK MBH: Towards a low-carbon post OPC ear---external framing condition. ZKG Sep.2019 p,46-60

　　31 .Cembureau: Cembureau Low Carbon Roadmap, Progress towards the 20C target.  8th of Oct.,2018  European Parliament

　　32. Achternbosch, M. et al: Why it is so hard to develop new binder system for mass application?  ZKG Sep..2018 p.68-79

　　33. IPCC; Special Report, Global Warming 1.50C. 2018 Geneva, Switzerland

　　34. WMO Statement on the State of the Global Climate in 2017.

　　35. IEA: IEA global energy and CO2 status report 2017.  March 2018  Paris, France

　　36. IEA.: 20 years of Carbon Capture and Storage, Accelerating Future Development. 2016

　　Paris,  France

　　37. Andrew, R. M.: Global CO2 emissions from cement production. Earth Syst. Sci. Date

　　Oct.2018 p.198-217

　　38. Rau, G. H. et al: The global potential for converting renewable electricity to negative-CO2-emissions hydrogen  Nature Climate Change.  Aug.2019 p.621-626

　　39. Davis, St. J.: Net-zero emissions energy systems.  Science 360,  1419(2018) p.1-9

　　40. Lehne, J. et .al.: Making Concrete Change -Innovation in Low-Carbon Cement and Concrete. Chatham House Report. The Royal Institute of International Affairs, 2018, London