世界水泥工业的技术进展报告

近十年来，国际水泥界在工艺方面并未取得新的突破性进展，大量的工作主要还是集中在对新型干法工艺全过程进行优化和完善提高方面。利用以信息技术为龙头的一大批高新技术对传统的水泥工业进行改造，使其成为可持续发展的绿色产业，似乎已成为世界水泥工业今后一段时期的主要发展任务。 　　对新型干法工艺全过程进行优化和完善提高主要取得下述成果： 　　1.采用现代计算机技术，以及地质学、矿物学理论与技术，在探明原料矿山地质构成及矿物成分之后，编制矿体三维模型软件，指导矿石搭配开采，矿山开采、运储过程中预先均化，既保持入厂矿石成分尽可能的均匀，又可以有效地利用在传统开采方式下必须丢弃的废石，有效地利用了资源。 　　2.采用自控及机电一体化堆、取料技术，在原、燃料入厂后进一步均化，彻底改变了传统生产工艺中原、燃料储库仅可用于储存物料的原始功能。使原、燃料预均化堆场具有预均化和储存物料的双重新功能，不仅可以减少物料储期，更为原料配料、生料制备和熟料燃烧创造了均衡稳定生产的条件。储库的形式也出现了多样化趋势。 　　3.采用现代数学最优化理论成果以及X萤光分析仪和物料成分连续测试、计量仪表、仪器系统，并同计算机联网，编制原料配料软件程序，实现生料自动配料，解决了熟料成分均匀稳定“均匀链”中长期难以解决的课题。 　　4.采用粉体工程学理论成果，将传统工艺中的生料贮存库，优化为具有生料粉连续式气力均化装置，保证生料入窑燃烧前得到了充分均化。 　　5.利用现代流体力学，燃烧动力学，气固两相流稀相输送、热量一质量一动量传递机理，硅酸盐物理化学、胶体化学等化学工程以及热工学、热力学等现代科学理论，指导新型悬浮预热、分解炉系统的研制开发和优化工程。目前已开发出许多不同形式的高效低压损预热器和新型分解炉，以满足不同原、燃料特性和工艺特殊要求。不仅有利于提高燃料燃烧率和燃尽率，并保证物料在其中充分分散、均匀分布，提高了气固换热效率、入窑物料分解率以及全窑系统的热效率，为回转窑优质、高效、低耗提供了充分的保证。同时，亦可降低系统废气排放量、排放温度和还原窑气中产生的NOx含量，减少CO2排放量等，减少了对环境的污染。 　　6.根据矿物晶体化学、硅酸盐物理化学固相反应机理及相图，进一步缩短回转窑长度（由原来L／D＝16－20减少到10左右），研制“两支点超短窑”。在预热分解系统中，水泥熟料生产过程中耗热量最大的生料碳酸盐分解过程基本完成，而由于充分分散未能实现固相反应的新生态CaO、SiO2等微晶矿物成分，在入窑紧密接触后，快速进行固相反应，使固相反应的放热过程直接用于物料升温，实现“快速烧成，促使熟料矿物结构微晶化，提高熟料品质”。同时，亦可减少窑体过大造成的筒体散热损失。 　　7.同样根据上述流体力学、结晶化学及自控技术研制成功第三代带有‘空气梁“、”控制流蓖析“的蓖式冷却机，既可保证出窑高温熟料骤冷、以防熟料中硅酸三钙（3CaO. SiO2）晶体长大、硅酸二钙（ZCaO.SiO2）晶体变型，又可使铝酸盐（3 CaO.AL2O3等）、铁铝酸盐（4CaO.A12O3。FeZO3等）固溶体等熔煤矿物形成玻璃体，提高熟料活性。 　　同时，也优化了熟料冷却机作为热回收装备的功能。使炽热熟料进入南冷机后实现急冷的同时又提高了热回收效率，从而可将入窑二次风温从原来850－950℃提高到1100℃以上，入炉三次风温由原来600－700℃提高到850－950℃。这对入窑及火炉燃料燃烧，优化全窑系统热工制度，降低热耗亦起到巨大作用。 　　8.研制开发新型多通道燃料燃烧器，进一步减少低温一次风量，更便于窑内火焰及温度的合理控制，有利于低质燃料及二次燃料利用，亦可减少NOx生成量。 　　9.研制成功“中、低温余热发电”系统，以充分利用预热器、篦冷机排出的温度，实现能源充分回收，提高了系统效率。 　　10.根据硅酸盐化学原理及现代水泥工业采用的具有高新科技特征的新型干法水泥生产技术，在硅酸盐水泥熟设计上，国际上普遍采用了“高硅酸盐矿物（C3S＋C2S总量达78％以上）、高硅酸三钙（C3S含量达65％以上）及根据需要选择适宜的铝酸三钙（C3A）的矿物含量”的优化设计方案，以便尽可能地生产出优质熟料，为生产各种不同需要的优质水泥打下基础。这样，不仅可以在混凝土工程中节约水泥用量，延长使用寿命，亦可满足日益发展的高性能混凝土需求。 　　11.根据系统工程学原理，将预分解密系统中的旋风简、换热管道、分解炉、回转窑、冷却机（简称：筒一管一炉一窑一机）五位一体全面优化，并且力求采用高级合金材料，耐热、耐磨、耐火、隔热、保温材料，电子计算机、自控信息系统、高效除尘设备及精密的装备制造技术，将全窑系统优化成为一个完整的热工系统工程体系。再辅以现代化管理，确保水泥生产中最重要的熟料燃烧热工过程实现优质、高效、节能、环保和均衡稳定生产。 　　12.根据破碎力学、三大粉碎原理及物料层间挤压粉碎学说，研制开发了新型立磨（roller mill）及辊压机（roller press）终粉磨制备生料。采用辊压机一钢球磨或立磨一钢球磨等半终粉磨系统制备水泥，辊筒磨（HoRo mill）系统也正在优化。这样，不仅改变了效率低下的管式钢球磨机在水泥工业生产中长期一统天下的局面，实现高效节能化生产，亦可保留钢球磨机对粉状物料所具有的球形化及级配合理化的功能，提高产品质量。 　　13.进一步优化水泥生产过程及管理计算机控制系统。 　　目前分散控制、集中管理系统成为主流。同时，对工况十分复杂的预分解密系统在原有表格控制、模糊逻辑控制程序的基础上，开发出专家系统软件，更有利于生产过程的稳定和节能降耗。 　　14.在ISO9000质量认证得到了广泛实施后，1996年9月1日又颁布了ISO1400环境管理标准，并已在许多发达国家及部分发展中国家直接采用。目前，国际水泥工业界也正采取高新科技手段，为解决社会环境与生态平衡问题积极行动。现代化水泥工厂本身也实现了“清洁生产”。 　　15.采用“超细粉磨”技术与装备，将同硅酸盐水泥成分近似的高炉矿渣、电厂粉煤灰、煤矸石等激活改性成为“功能调节性材料”。这样，不仅彻底改变了原来仅将这些废渣、废料作为代替和减少熟料的单纯混合材性质，亦可进一步增加废渣用量。 　　16.利用回转窑具有温度高（火焰与物料温度可分别达1850℃及1450℃以上），热容量大，工况稳定，气、料流在窑内滞留时间长（气体在1100℃以上高温区达4s以上，物料达30min左右）以及窑内高温气体湍流强烈，碱性气氛等优点，可消解可燃性废料及化工、医药行业排出的危险性废弃物，如二恶英等。同时，可将废料、废渣、危险废弃物中的绝大部分重金属元素固定在熟料之中，生成稳定的盐类矿物。 　　由于没有二次废渣和有害气体排出，避免了再次对环境的污染。原来，即使发达国家对危险废弃物的处理也仅有填埋及建设废料焚烧炉两种方法。不仅容易造成二次污染，投资亦相当可观。目前，美、英、法、德、加等国家已扩大采用水泥回转窑处理法。利用二次燃料及危险废弃物，连同水泥工业对废渣、废料以及其他工业对生活垃圾的处理和利用，已赋予现代化水泥工业“生态、环保型绿色工业”的新内涵，正逐渐改变其在一些发达国家的“夕阳工业”地位。