第八屆VDZ國際水泥大會內容介紹

王俊杰，李桂金，汪 瀾

（中國建筑材料科學研究總院，綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

第八屆VDZ國際水泥大會于2018年9月在德國杜塞爾多夫成功舉行。VDZ（德國水泥協會）國際水泥大會始于1971年，作為水泥技術領域頂級的國際會議，每年都會吸引國際水泥行業眾多科學家和工程師參加。本次會議共有全球水泥生產企業、裝備供應商、科研院所等600余人參加，集中討論水泥生產的最新技術和行業發展面臨的共性問題。

會議安排了1項主題會議和6項技術會議。主題會議為綜合報告，重點講述了水泥和建筑行業現有的創新技術及未來的發展前景。六項技術會議的主題分別為數字測量與工程、可持續發展和氣候變化、環境保護、粉磨技術、燒成技術及水泥和混凝土。下面對涉及水泥行業發展共性問題的部分報告進行介紹。

1 主題會議

● 未來的水泥廠—水泥生產的創新和技術發展

● 建筑業的技術動向與創新

● 混凝土及其數字化制造

● 走向低碳未來的水泥行業

● 全球水泥和混凝土協會介紹

《未來的水泥廠—水泥生產的創新和技術發展》重點從CO2減排、環境保護、替代燃料使用、規模經濟和數字化等方面闡述了水泥行業的發展。在CO2減排方面，重點探討了CCS（CO2捕集和封存）技術，包括CO2燃燒后捕集、過程CO2分離（LEILAC計劃）、全氧燃燒、CO2養殖藻類等。在環境保護方面，圍繞NOx減排，論述了SCR脫硝技術，并簡要分析了高溫高塵（340℃，-100g/Nm3）、高溫低塵（300℃，-5mg/Nm3）和低溫低塵（220℃，-5mg/Nm3）的優劣；圍繞SO2減排，分析了干法脫硫、半干法脫硫和濕法脫硫3項技術。在替代燃料使用方面，認為降低生活垃圾或污泥的含水量可以大幅度提高其處置率，對于沒有合適烘干熱源且空間充足的企業可選擇生物干化，可將生活垃圾含水率由60%降低到20%；對于有合適熱源且空間有限的企業可選擇低溫帶式干燥技術，可將生活垃圾含水率由35%降低到20%。規模經濟的趨勢使得現有水泥裝備逐步大型化，如單條生產線熟料產量最高達12 000t/d，原料磨1 000t/h，煤磨210t/h，水泥磨500t/h。在數字化方面，論述了海德堡水泥智能工廠的實施路徑：遠程監控、移動操作（中控室無人化）、初級IROC（遠程操作）、IROC（集中操作）、基于大數據的預測分析。

《走向低碳未來的水泥行業》從能效提高、替代燃料使用、降低熟料比例、CCS等方面闡述了水泥行業的發展。目前能效提高的途徑之一是采用余熱發電技術，包括有機朗肯循環（ORC）、Kalina循環和傳統以水為介質發電，其中ORC適用溫度范圍100℃～400℃，效率20%～25%；Kalina適用溫度范圍120℃～500℃，效率＜15%；傳統以水為介質適用溫度范圍250℃～500℃，效率20%～25%。到2050年，替代燃料使用率預期可達到30%～60%，水泥中熟料比例預期可達到60%～70%。圍繞CCS，重點介紹了由歐洲水泥研究院（ECRA）組織研發的全氧燃燒項目，該項目從2007年啟動，分為6個階段，已經完成了前期調研、實驗室及小規模研究、中試規模設計及成本估算等工作，并確定了兩家示范水泥企業。圍繞CO2減排，該報告還從產業鏈的角度闡述了水泥中熟料比例與混凝土、建筑之間的相互關系。

2 數字測量與工程

● 水泥行業的大數據分析

● 數字化的重型建材—從Heidel開始轉型

● 工業物聯網—以立磨為例

● 數字化—撬動水泥行業的運行效率

● 數字化轉型：德國水泥工業考察報告

● 如何系統性地對水泥行業數據進行評估

《水泥行業的大數據分析》主要介紹了實時優化（RTO）的應用和機器學習用于故障檢測。RTO主要應用于立磨和窯系統。以立磨為例，通過建立了包含9個模型和6個約束模塊的復合模型，形成閉環的、具有完全自動決策和執行命令的實時優化系統。在年產量不變的情況下可減少約300h的運行時間，或提高臺時產量；降低了生料制備電耗；延長在低谷電價的運行時間?；跈C器學習的故障檢測系統可以識別設備不正常運行情況，至少提前10d預測出設備故障。

《工業物聯網—以立磨為例》主要展示了工業物聯網應用于立磨的遠程控制與診斷。借助VR、云平臺等技術，報告人在會議現場通過VR眼鏡對3D打印的立磨模型進行控制，現場控制指令通過云平臺、無線傳輸等手段與水泥企業現場數據進行交互，從而實現立磨的遠程控制。進一步，展示了立磨軸承墊應力在線分析，可用于疲勞強度評估進而實現預知性維護。

3 可持續發展和氣候變化

● 最大化余熱發電量和熟料產量的措施

● Calix 過程CO2分離技術和LEILEC計劃進展情況

● 采用鈣循環技術生產低碳水泥的潛力

● CO2轉化的技術-經濟性評價

● 歐洲化工行業的低碳能源和原料

● 使用水泥工業CO2進行碳減排的神話和現實

《Calix過程CO2分離技術和LEILEC計劃進展情況》為水泥和石灰行業提供了一種新型的CO2富集技術。通過在分解爐內布置中心管并采用間接加熱的方式，使生料分解產生的高濃度CO2被單獨引出，從而富集水泥生產過程產生的約60%CO2。LEILEC（Low Emissions Intensity Lime And Cement）于2016年啟動，計劃通過5年時間在水泥、石灰行業建立該技術的示范工程，其中水泥行業示范工程設計產量10t/h。重點研究中心管的腐蝕、生料分解與產量、示范工程投資及未來工程放大等。目前已經完成了相關實驗研究和CFD模擬工作，正在海德堡水泥進行示范工程建設。

《采用鈣循環技術生產低碳水泥的潛力》介紹了鈣循環捕集CO2技術及其應用于水泥行業的Cleanker計劃。鈣循環捕集CO2包括兩個步驟，即碳化過程和分解過程，前者采用CaO對煙氣中的CO2進行吸收，后者即CaCO3在全氧燃燒條件下的分解并產生高純度CO2。影響鈣循環捕集CO2的關鍵在于吸收劑（即CaO）的捕集能力。目前該技術已經在電力行業進行了一些示范，最大示范項目為1.7MW。與電廠相比，該技術可與水泥行業分解爐相結合，但是需要采用全氧燃燒形式；水泥生料可作為CO2吸收劑。Cleanker計劃始于2017年，旨在驗證鈣循環技術應用于水泥行業的可行性，對技術-經濟性進行評價等。目前已經完成了示范工程參數收集和技術路線設計等。

4 環境保護

● 德國水泥行業NOx減排技術

● Goellheim水泥廠 2號窯高塵SCR技術運行經驗

● 中國NH3-SCR技術的研究進展和應用前景

● 集成DeCONOx、Xmercury和污泥干化系統實現污染物減排

● 水泥生產過程汞的平衡

● 連續性過程氣體和汞的排放監測

《德國水泥行業NOx減排技術》綜述了德國水泥行業NOx減排措施，包括過程減排、SNCR和SCR。德國水泥行業2019年NOx排放限制為200mg/Nm3，NH3排放（包括原料帶入氨和氨逃逸）為30mg/Nm3。報告列舉的SNCR案例之一通過分別控制5只氨水噴槍、在線CFD模擬氣體流速、結皮檢測、在線計算最優噴入量等措施可實現NOx控制在200mg/Nm3以下，NH3排放控制在30mg/Nm3以下。SCR包括位于預熱器之后的高塵布置和收塵器之后對煙氣再加熱的低塵布置。德國采用高塵布置的水泥生產線4條，反應溫度340℃～380℃，噸熟料增加電耗4～5kWh/t；采用低塵布置的水泥生產線1條，煙氣再加熱至315℃，噸熟料電耗增加＜4.5kWh/t。除此，采用Auto NOx技術的生產線2條，該技術類似于低塵SCR，通過蓄熱-換熱來加熱低溫煙氣；有1條生產線正在試運行濾袋負載SCR催化劑脫硝除塵技術，該技術運行溫度210℃ˉ220℃；另有1條生產線采用了DeCONOx技術，該技術將低塵SCR與RTO（蓄熱式熱力焚燒系統）相結合，在脫除NOx同時脫除CO和有機物?？傊?，德國水泥行業目前正在運行的SCR生產線共有9條，另有10條生產線正在建設或者規劃SCR技術，4條生產線正在對SCR技術進行調研并且很可能會采用。

《中國NH3-SCR技術的研究進展和應用前景》由中國建筑材料科學研究總院汪瀾進行介紹。報告首先講述了中國水泥行業NOx排放標準的變化，圍繞近年來越來越嚴格的NOx排放要求，諸多研究設計院所投入水泥行業SCR技術研發。與歐洲水泥行業相比，中國絕大部分生產線都建設有余熱發電系統，歐洲普遍采用的SCR高塵或低塵布置直接應用于中國水泥行業，可能導致余熱發電量大幅下降或煙氣再加熱電耗過高等。為此，中國SCR技術的研究側重于通過調整催化劑氧化還原性、表面酸度等，降低SCR反應溫度窗口，如反應溫度窗口在200℃左右的中溫SCR和反應溫度窗口在150℃左右的低溫SCR。結合工程示范案例，汪瀾教授分別對高溫高塵、中溫中塵和低溫低塵3種SCR布置方式進行了介紹。

《水泥生產過程汞的平衡》重點講述VDZ對德國水泥行業汞排放的調查，涉及原料、混合材和水泥產品等41種材料。其中，石灰石等鈣質原料汞含量的加權平均值為0.024mg/kg，高爐礦渣為0.013mg/kg，工業廢物為0.142mg/kg等。測試中定量限、不確定度等的選取會對結果造成較大影響。除此，還對3條水泥磨生產線進行了長期測試，包括煙囪煙氣汞濃度在線監測、化學檢測及進出口物料中汞含量的測試。結果表明，由于煙囪位置溫度較低（＜120℃），煙氣汞濃度測試值均在測量不確定度范圍內；混合材使用汞含量較高的粉煤灰或者較低的飛灰與煙氣汞濃度沒有明確關系?？傊?，德國水泥工業中物料帶入的汞高于燃料帶入的汞；汞排放中約60%存在于產品中，約40%隨煙氣帶走。

5 粉磨技術

● 粉磨技術的發展趨勢

● MVR立磨的廣泛運行結果

● 應用VRM對新型復合水泥基材料易磨性調查的研究

● KHD輥壓機用于Nuh Cimento’s歐洲最大升級項目

● 水泥分別（超細）粉磨技術

《粉磨技術的發展趨勢》重點講述了德國水泥行業粉磨技術現狀和未來發展。近年來，粉磨技術的發展主要包括產品細度的提高、產品的多樣化（如單臺磨最高可磨12種水泥）等，粉磨技術的發展趨勢為高壓粉磨、高效選粉機、測量和控制技術。德國水泥行業共有球磨機105臺，典型的配置如下：功率2 300kW，直徑3.6m，長度12.5m，粉磨4種類型的水泥，產品平均細度430m2/kg。共有立磨24臺（均是磨盤驅動），用于生料磨18臺，水泥磨2臺，高爐礦渣磨4臺，煤磨2臺；35%為圓錐形輥，65%為凸形輥；產量范圍17ˉ400t/h；80%的立磨都曾因振動發生過停機。共有輥壓機20臺，其中聯合粉磨1臺，預粉磨11臺，半終粉磨6臺，終粉磨2臺；輥面有效面積0.4～2.2m2，平均1.1m2；磨輥壓力3ˉ8N/mm2，平均4.9N/mm2；磨輥間隙7-45mm，平均24mm。在上述粉磨系統操作中，使用專家系統（expert system）控制的16家，PID控制的64家，人工控制的15家。產品細度的檢測方法包括人工檢測、自動檢測和在線檢測，檢測依據包括布萊恩細度、篩余和激光粒度，人工檢測以篩余檢測為主，自動檢測以激光粒度為主，在線檢測均為激光粒度。最后，報告認為雖然目前數字化和人工智能很熱門，但是在粉磨環節仍然缺少有效而實用的工具。

6 燒成技術

● 余熱發電—從概念到運行

● 替代燃料用于主燃燒系統的研究

● Sousel水泥廠高含水率RDF的烘干

● Duna-Drava水泥廠改造以實現了更高的AFR利用率

● Prepol-SC 5年運行經驗

● 提升產量并節約能源—逆流換熱旋風筒

《替代燃料用于主燃燒系統的研究》通過實際測試和現場試驗，研究了替代燃料粉粹、獨立燃燒器、富氧燃燒的影響。表明在保持替代燃料使用量為3t/h的情況下，粉粹后的替代燃料應用于主燃燒器增大了火焰寬度，熟料f-CaO含量由2.5%降低至1.8%，煙室CO濃度由0.12%降至0.11%，NOx濃度由480mg/Nm3增大到650mg/Nm3。將粉粹后的替代燃料通過獨立衛星燃燒器加入，f-CaO含量為1.1%，煙室CO和NOx的濃度分別為0.05%和1 220mg/Nm3。富氧燃燒的應用可增加熟料中Alite的含量而降低Belite的含量，改善替代燃料的著火情況，并增加火焰溫度。

《Prepol-SC五年運行經驗》介紹了用于處置替代燃料的Prepol-SC系統使用情況。由于具有獨立階梯式燃燒室，替代燃料在Prepol-SC系統中停留時間＞1 000s，可處置尺寸＜250mm的替代燃料。報告中介紹的某4 800t/d熟料生產線，使用Prepol-SC系統可處置含水率25%的替代燃料量10t/h。除此，SNCR還原劑使用量減少了30%，并降低了替代燃料水分、熱值波動對窯系統的影響等。

《提升產量并節約能源—逆流換熱旋風筒》介紹了史密斯最新研究的CCX旋風筒。與傳統的旋風筒不同，CCX旋風筒沒有內管，物料從上部喂入，通過撒料裝置均勻撒料；經過氣固分離后的氣體從旋風筒錐部側邊抽走。較傳統旋風筒，CCX旋風筒可以進一步增強換熱，如傳統旋風筒出口物料溫度較氣體溫度低5℃～10℃，而CCX旋風筒出口物料溫度較氣體溫度高62℃；降低旋風筒壓降；減輕預熱器框架承重等。實際應用案例表明與上一代的DDX旋風筒相比，使用CCX后產量增加了8%，出口物料溫度高于氣體溫度60℃，壓力損失降低25%以上，出口粉塵40～45g/Nm3，分離效率達到94%。泥主要礦物組成為硫硅鈣石（C5S2S）和Ye’elimite（C4（AxF1-x）3S），煅燒溫度1 250℃～1 350℃，與普通硅酸鹽水泥相比可實現CO2減排30%。硼酸鹽是Ternocem水泥最優的混凝劑。石膏的摻量對Ternocem水泥早期和后期強度影響很大。Ternocem混凝土強度的發展及水膠比對強度的影響與CEM I配置的混凝土大致相同。由Ternocem水泥配制成的混凝土板最早應用于2014年，展示出良好的工作性和表面光潔度，以及較高的28d強度。Ternocem水泥于2016年用于制造鐵路枕木，養護9h后枕木強度達到32.3MPa，28h后達到61.3MPa。同時，盡管水膠比只有0.36，但是展現了良好的流動性和高致密性。除此，該水泥還應用于意大利、瑞典等地。

《中國的硫鋁酸鈣水泥（CSA）》由中材國際的隋同波進行介紹。重點對熟料摻量低的硫鋁酸鹽水泥（CSA）、高貝利特水泥（HBC）和高貝利特硫鋁酸鹽水泥（BCSA）進行了介紹。報告對中國CSA的發展進行了綜述，包括CSA的產品種類、礦物組成及水化、性能控制等，并指出CSA的關鍵是強度發展和膨脹作用間的相互協調。進一步，講述了BCSA的最新進展，BCSA中硅酸二鈣（C2S）含量40%ˉ60%，無水硫鋁酸鈣（C4A3S）含量20%ˉ40%，煅燒溫度約1 300℃。所講述的BCSA示例中C2S含量48%，C4A3S含量37%，比表面積351m2/kg，其不同齡期強度較波特蘭水泥均高約10ˉ15MPa。除此，其干縮率較波特蘭水泥降低了50%，并展現了良好的抗硫酸鹽侵蝕等性能，但是在與外加劑的適應性、抗碳化能力等方面仍需要進一步研究。

7 水泥和混凝土技術會議

● LC3：從膠凝材料中減少CO2排放的突破性技術

● Ternocem的研究進展—一種貝利特-Yeélimite水泥

● 中國的硫鋁酸鈣水泥（CSA）

● 混凝土碳化—氣化效益和環境問題

● Solidia技術

● 基于性能實現混凝土的成分設計

《LC3：從膠凝材料中減少CO2排放的突破性技術》中LC3指Limestone Calcined Clay Cement，即石灰石煅燒粘土水泥。LC3計劃始于2013年，旨在通過石灰石和煅燒粘土間的協同反應來替代部分熟料，從而降低水泥CO2排放量。與PC（波特蘭水泥）相比，LC3-50（即熟料摻量50%）具有相近的抗壓強度，但是CO2排放量可降低30%，同時擁有更好的抗氯離子滲透性和抗堿骨料反應特性。LC3水泥之所以具有較高的強度得益于煅燒高嶺土產生的偏高嶺土具有較高反應活性，同時偏高嶺土中Al2O3與石灰石協同反應，產生空間填充水合物。不同齡期，LC3水泥的抗壓強度均與煅燒黏土中的偏高嶺土含量呈線性關系。LC3水泥目前已經得到規?；纳a和應用，第一條工業應用線2013年建于古巴，共粉磨了130t水泥并用于生產混凝土預制品。但是目前LC3水泥可能存在工作性、碳化和顏色問題。

《Ternocem的研究進展—一種貝利特-Yeélimite水泥》介紹了Ternocem水泥、混凝土性能及應用情況。Ternocem之前稱為BCT水泥，即Belite-Calciumsulfoaluminate-Ternesite水泥。Ternocem水