韩仲琦

(天津水泥工业设计研究院天津300400)

1.前言

水泥是国民经济建设和发展的基础原材料之一，关系到国计民生，为社会进步和经济发展做出了巨大贡献，水泥工业已经成为我国产量最大的制造业，21世纪里它将在全球范围内继续发挥不可替代的重大作用。

然而，传统水泥工业向生态化转型，即从不可持续发展的传统工业转向可持续发展的生态工业，是水泥工业必需面对的现实。人口、资源和环境是当今人类面临的三大经济难题，随着时间的推移，这些难题已日益威胁到了我国经济的发展。

自上世纪70年代开始，国外一些水泥公司已研究和推进废弃物替代自然资源的工作。随着科学技术的发展和人们环保意识的增强，可持续发展的问题越来越得到重视，90年代中期在日本出现了“Eco-Cement”水泥厂；欧洲把可燃性废弃物作为替代燃料，在回转窑上的应用取得了很大进展；美国水泥厂对有毒有害废弃物处置有了很好的经验。此外，随之而出现了用于处置废弃物的破碎机、分选机、燃烧器、专用燃烧炉、环境状态检测装置和仪器、防止二次污染技术、以及生态水泥混凝土性能的研究与开发热潮。目前，发达国家对一般水泥制造技术已很少研究开发，而把研发力量主要集中在高效化装备、利用废弃物和水泥使用技术等方面，可以说国外一些发达国家已率先走上“生态化”之路，正在逐步将水泥工业变成利废和低污染的生态友好型工业。

我国政府提出要走新型工业化道路，也就是要走“循环经济”的道路。使经济系统和谐地纳入到自然生态系统的物质循环过程中。我国也已开始了水泥生态化技术的研究与开发工作，但还处于初步阶段。另一方面，我国水泥工业还存在着产业结构问题，70%多的水泥产量是由落后的水泥工艺生产的，污染严重、资源不能得到有效利用，因此加强产业结构调整，发展新型干法水泥是当前重要的工作，然而在国家有关政策的指引下，我国水泥工业应同时向与资源、环境、经济和社会协调的方向发展，因为“水泥生态化”是社会进步与经济发展的需要。

2.国内外水泥生态化的发展现状

2.1世界水泥技术的发展趋势

世界水泥技术的发展趋势是以节能化、资源化、环境保护为中心，实现清洁生产和高效集约化生产，在保证高质量水泥的同时加强水泥生态化技术研究与开发，逐步减少天然资源和天然能源的消耗，提高废弃物的再循环利用率，最大程度的减少环境污染和最大限度的接收消纳工业废弃物及城市垃圾，达到与生态环境完全相容、和谐共存，生产不影响人体健康的产品，水泥的加工制造逐步纳入到“生态工业”系统中，成为生态乐园的一员。

主要采取的手段是不断进行技术创新，开发生态化技术和装备、运用信息技术和网络化加强水泥生产控制与水泥生产管理。

2.2国外水泥工业发展概况

(1)在过去20年中，世界水泥生产线平均生产规模提高了5倍以上，20世纪90年代已达到8000～10000t/d。装备大型化加上不断创新的新工艺与新设备，使得粉磨效率和烧成热效率不断提高，现在国际水泥热耗先进水平已达到2800kJ/kg，水泥综合电料达到85kWh/t。

(2)改善水泥工业与生态环境的相容性

先进国家的水泥工业都采用了更为严格的水泥厂污染排放标准，一些企业建立了环境管理体系，水泥厂逐步作到与其周围环境完全相容、和谐共存、向无污染靠近。许多国家对粉尘有严格限制外，还对SO2、NOx以及某些重金属(如Hg、Co、Pb等)、巨毒物二恶英等进行了控制，企业已开始自觉地完善环境保护体系和维护生态平衡。

(3)开发环境负荷减少型与环境共容型水泥

每生产1t普通硅酸盐水泥，由石灰石分解和燃料燃烧产生的CO2量可高达0.8t，因此一些可以减少石灰石用量和降低烧成温度的新品种水泥，得到了重视和开发，如以贝利特为主的硅酸盐水泥和阿利尼特水泥，使烧成温度可降到1200～1000℃。此外，广泛应用各种低品位燃料和各种工业废弃物，以及可燃废弃物和城市垃圾等生产“生态水泥”。以各种超细活性混合材代替部分水泥熟料的混合水泥，也可大大降低石灰石用量，这样的水泥均可叫作环境负荷减少型或环境共容型水泥。

(4)水泥生产与管理的信息化

国外水泥企业信息化一般有如下几方面内容：水泥生产过程的自动化、智能化；管理决策的科学化、网络化和信息化；商务活动电子化、网络化、信息化等。

运用信息技术，创新各种工艺过程的专家系统和数字神经网络系统，实现运程诊断和操作，保证水泥生产稳定和良好的质量。

2.3国内水泥工业概况及与国外的差距

(1)我国新型干法水泥有了飞快发展

经过“九五”和“十五”前几年的发展，我国水泥工业经济运行质量明显提高，科技进步加快，结构调正取得很大进展，特别是新型干法水泥工艺技术与装备的开发，通过优化设计已形成1000～5000t/d高质量生产线系列，10000t/d国产化生产线的开发正在加紧进行，2003年全国水泥产量8.62亿t，其中新型干法为1.98亿t，占总量的23%。

但我国新型干法水泥的综合指标与国际相比，还有一定差距，表1所示为国际水泥综合指标与我国新型干法平均水平的比较。在大型节能粉磨设备、大型减速机、计量装备等方面，国内还需要加强开发和研究的力度。

表1　　国际水泥综合指标与我国的比较

项目

国际一般水平

国际先进水平

我国新型干法平均水平

热耗(kJ/kg)

2970

2800

3135

水泥综合电耗(kWh/kg)

95-100

85

<100

窑系统年运转率(%)

85-90

>95

>85

劳动生产率(t/人·年)

8000~10000

15000

3000

粉尘排放量(mg/Nm3)

<50

15~30

<100

NOx排放量(mg/Nm3)

<500

<300

>800

SO2排放量(mg/Nm3)

<400

<200

>400

(2)水泥生态化与可持续发展

从20世纪90年代中期开始，我国水泥工业提高了对环保问题的重视，由于我国水泥工业存在着严重的产业结构问题，故在环境保护与可持续发展方面进展缓慢，一些技经指标与国外相比差距较大，进入21世纪之后我国加强了力度，已在如下方面取得进展。

◆采用低品位石灰石，使用替代粘土原料和采用工业废渣配料，无烟煤和低挥发份煤煅烧技术都已成熟，对细掺合料(如超细矿渣)与水泥强度的关系、水泥颗粒级配、颗粒形状与水泥砂浆强度的关系作了较多的实验室研究；

◆用回转窑焚烧可燃废弃物和有毒有害物、下水污泥配料等工业实验已在几家水泥厂进行，北京水泥厂的焚烧有毒有害废弃物示范工程即将完成；

◆对新型干法水泥厂窑尾NOx排出量的调查已完成，正在深入研究降低NOx生成量的方法。

(3)过程控制自动化及网络技术方面，国内在水泥生产过程检测与控制技术、以及水泥厂信息管理系统、高低压供配电综合自动化系统方面都取得了较大成绩，国内开发的DCS控制系统应用软件，得到了客户好评，但国内在工业控制用计算机硬件和一些操作软件应用软件方面，与国外比还有一定差距，如水泥厂生产管理信息系统、水泥厂电子商务平台系统等。

3.我国水泥工业生态化的发展方向

3.1继续大力发展新型干法水泥生产技术和装备

现代化的新型干法水泥生产工艺，已成为我国水泥界的共识，大型化的新型干法水泥生产技术已成为水泥生产方式的主流，所谓新型干法水泥技术，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，并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。

新型干法水泥技术的内容有：原料矿山计算机控制开采、原料预均化、生料均化、新型节能粉磨、高效预热器和分解炉、新型篦式冷却机、高耐热耐磨及隔热材料、计算机与网络化信息技术等，因此，使用该技术进行水泥生产的优点是高效、优质、节能、节约资源、符合环保和可持续发展的要求。

其特点是：生产大型化、完全自动化、能实现废弃物再利用、是发展循环经济的切入点。

大力发展新型干法水泥，对我国来说具有特殊的和重要的意义，从循环经济观点看，发展新型干法水泥主要解决如下问题：

(1)资源、能源的节约

一般石灰石在水泥原料中的配比占80%～85%，所以生产水泥需要的石灰石资源是很大的，虽然我国是一个水泥资源较丰富的国家，各个地质年代都有石灰岩沉积，但质量好、规模大的石灰岩矿床往往赋存于一定的层位中，并且高品位石灰石也不能全部供生产水泥使用，化工、冶金均需优质石灰石，根据前几年我国石灰石矿勘查的数据，理论上分析悲观的说只够水泥工业几十年的使用，所以石灰石资源严峻的现实是不容乐观的.

我国粘土资源更缺，现在设计的大水泥厂已不再使用粘土，而用其它原料配料，基本使用页岩、粉砂页、铝矾土、粉煤灰、煤矸石等来代替粘土，只有这样才能少用耕地不侵占良田.

我国煤炭资源虽然丰富，但分布并不平均，且低挥发份煤和含硫量大的煤较多，能够用于水泥工业的煤质越来越差.水泥工业是能源资源消耗较大的产业，按照8亿吨水泥熟料10亿吨水泥产量考虑，则每年我国水泥工业需要标准煤炭9600万吨(按每吨熟料热耗为120kg标准煤计)，电力约1000亿kW×h(按每吨水泥电耗为100Kwh计)，石灰石约11亿吨(按每吨熟料需1.4吨石灰石计)，所以按照目前的技术水平和水泥需求发展，必然面临资源、能源和环境问题的严峻挑战。对于传统水泥来说，由于固有工艺原理的限制，要想使水泥工业较好的解决上述问题是困难的，只有发展新型干法水泥，靠技术进步去解决。但是，即便是新型干法水泥也要在生态化方面不断进行技术创新和发展。

(2)关于环境保护

总体来说，我国水泥制造业的环保形象普遍较差，因为有近70%的水泥产量是由落后水泥企业生产的，特别是小水泥企业生产技术落后，环保措施差，每年约有2%～3%的水泥产量是作为粉尘排放于大气中的，立窑普遍使用石膏、莹石作为矿化剂也引起污染，此外还有有害气体的治理和水泥窑灰的处理问题，为了使生态环境得到更好保护，我国水泥工业必需加强“源头治理”和提高环保水平。另外，随着水泥产量的增加，排放的CO2量还要增加，为此需要高新的科学技术，在减少传统水泥生产量的同时，开发高质量水泥和环境共存型水泥，以便减少石灰石的配料量。

3.2推广清洁生产技术

清洁生产(CleanerProduction)又称为绿色生产,即在产品生产过程中，将综合预防的环境策略持续的用于生产过程和产品中，减少对人类和环境的风险。清洁生产是绿色技术思想在生产过程中的反映，体现了在生产过程中对环境保护的要求。

清洁生产是一个相对抽象的概念，没有统一的标准，水泥工业清洁生产指的是，合理而有限的利用自然资源和能源，使用先进的生产技术和装备，生产全过程控制污染，有效利用废弃物，生产符合工业标准的且无毒无害的水泥产品。

清洁生产是控制环境污染的有效措施，它彻底改变了过去被动的、滞后的污染控制手段，强调在污染产生之前就进行有效控制和削减。因此进行清洁生产，可以提高生产效率、增加社会效益和经济效益，提高企业市场竞争力。

一般来说，水泥产品的生命周期包括：原料与燃料、生产制造、包装出厂、工程应用、废弃等几个部分，水泥工业的清洁生产范围主要指水泥产品的生命周期的前面几个环节，然而在水泥原燃料准备和制备工作中，还有废弃物(含混凝土废弃物)的利用问题。

清洁生产的内容包括两方面，即水泥生产工艺和水泥产品，在生产中贯彻环境意识，控制水泥产品在原料、燃料准备、生产过程和水泥产品质量的环境负荷，不对环境造成污染和损害，使水泥产品不单满足工业标准要求而且对人类无毒无害。

概括起来说水泥工业清洁生产的目标是：

◆通过资源的综合利用，天然资源的高效利用或代用，二次资源的利用及节能、降耗、节水，减缓石灰石、粘土、煤炭、水资源的耗竭；

◆减少废物和污染物的生成和排放，使水泥产品与环境相容，降低整个水泥工业生产活动对人类和环境的风险。

目前，我国水泥工业的清洁生产水平与国际发达国家相比，还有很大的差距，虽然我国水泥工业在节能降耗、工业废弃物和低品位矿物利用方面，做了很多工作，取得了很大成绩，但清洁生产的核心内容是“源头削减”，因此从控制、预防和减少污染的角度来说，有的企业刚刚起步，有的企业还没有开始，因此我们要大力加强清洁生产的工作。

2002年6月29日我国颁布了中华人民共和国第72号主席令——《中华人民共和国清洁生产促进法》，2003年12月，国务院在“关于加快推行清洁生产意见的通知”中，要求提高清洁生产技术开发水平和创新能力，用先进适用技术改造传统产业，科技开发计划应将清洁生产作为重点领域。

3.3水泥工业的生态设计

关于水泥工业的生态设计(Eco-design)，涉及到与生态工业的关系、生态设计的原则、方法、如何评价以及相关的技术和设备等问题，由于专业性很强本文只能概略加以说明。

(1)循环经济与生态工业的概念

随着工业化进程的加快和科技的飞速发展，人们开始模仿自然生态规律，以资源利用最大化和污染排放最小化为目的，按照自然生态系统物质循环和能量变换规律来建立经济系统，把经济作为自然系统的一部分，使得经济系统和谐地纳入到自然生态系统的物质循环过程中，在20世纪60年代国外首先提出了“循环经济”的概念，现在我国也开始推广循环经济的发展模式。

“循环经济”不同于“传统经济”和“末端治理”经济发展模式，“传统经济”模式是人类从自然中获取资源，又不加任何处理地向环境排放废弃物，是一种“资源一产品一污染排放”的单向线性开放式经济过程。“末端治理”模式是指在生产过程的终端或者是在废弃物排放到自然界之前，对其进行物理、化学或生物过程的处理，其做法是“先污染，后治理”，强调在生产过程的末端采取措施治理措施，结果治理的技术难度很大，不但治理成本高，而且环境污染难以控制，经济效益、社会效益和环境效益都很难达到预期目的。

水泥工业是资源依赖型和耗能大的产业，对照循环经济的要求来说，我国水泥工业必需向生态化转化。

另外，生态工业是指仿照自然界生态物质循环的方式来规划工业生产系统的工业模式，是一种全新的工业组织形式，以工业生态学作为理论基础。在生态工业系统中，各生产过程不是孤立的，而是通过物质流、能量流和信息流互相关联，一个生产过程的废物可以作为另一种过程的原料加以利用。生态工业追求的是系统内各生产过程从原料、中间产物、废物到产品的物质循环，达到资源、能源、投资的最佳利用。

工业系统向着生态工业体系演变，主要实现如下几方面内容：

◆废弃物资源化；减少资源消耗，进行闭环式物质循环；

◆实现“零排放”，与环境友好相容；

◆能源的非碳化。

生态工业改变了传统的经济发展和环境保护的对立关系，使人类的工业生产活动从生态的“破坏者”转化为生态循环的“创造者。效法自然生态系统，构筑生态工业和循环经济运行模式，对于解决资源枯竭和环境污染问题、保证经济的可持续发展将有重要作用。

当人类社会的工业系统向着“生态工业”转变时，生态设计的水泥工厂将成为某一区域生态工业的一环。

(2)水泥工业的生态设计

概括起来说，水泥工业的生态设计就是提高环境效率(Ecoefficiency)的水泥产品和生产工艺的设计。

众所周知，水泥产品及生产过程的环境特性在很大程度上决定于设计阶段，而水泥工业生态设计就是要把生态环境意识贯穿或渗透到水泥产品和生产工艺的设计之中，生态设计有着丰富的内涵和外延，其实质是摒弃人类以无限消耗自然资源、污染环境为代价的发展，代之以人、社会和自然的和谐、友好的可持续发展。

生态设计的技术领域属硅酸盐水泥的生产工艺与机械装备的设计开发，但主要指采用生态化技术进行的现代水泥工业生产工艺与装备的设计开发，以及使用这些技术和装备的系统工程设计和控制，主要包括各种工业废弃物(含有毒有害物)及城市垃圾、下水污泥的再循环利用，低品位原燃料的利用，减少CO2、NOx、SO2、粉尘与重金属排放技术、污染物监测技术与装置、以及生态水泥生态、混凝土的性能研究与开发等。

一个工厂生态设计的水平，主要由生态设计技术要素、生态设计控制内容和水泥产品的环境协调性决定的。

◆技术要素：工艺技术方法的先进性、符合生态化要求的原燃料、生产规模与产品质量要求、生产与环保设备选型、生产过程控制及计算机网络系统的应用等；

◆生态设计的控制内容：资源和能源的有效利用、生产过程控制、污染物排放控制、水泥产品品质要求、环境管理等；

◆水泥产品的环境协调性：对水泥产品生命周期的评价。

水泥工业生态设计的基本原则是：采用可提高环境效率的水泥生产工艺和技术，生产环境协调性产品，使水泥产品的综合价值指标最大。

对一个生产水泥产品的企业来说，是否进行环境经营、是否按生态设计来生产环境协调性产品等，可能在不久的将来是评价企业成绩与水平的主要依据，因为人们正在转变观念，即人们逐步认识到不是通过生态设计的产品就不是工业产品。

4.结言

传统水泥工业向生态化转型，即从不可持续发展的传统工业转向可持续发展的生态工业，意味着水泥工业正在努力实现与资源、环境、经济和社会的全面协调发展。但是，这件工作不单是水泥工业的事情，它是社会经济的一项系统工程，它需要全社会的综合平衡与考虑，需要全国环保和有关行业部门的共同参与，例如工业废弃物、城市垃圾等的管理与供给系统应该建立全新的模式，国家要制定相关的政策，在外部环境上给水泥工业创造生态化的条件等。当然，水泥工业与其他部们还要从技术上开发生态化的工艺和装备。

采用循环经济发展模式是中国和全世界经济的发展趋势，从这点意义上说“水泥生态化”是很重要的工作，必将成为各方面关心和要解决的问题，水泥工业应该勇敢地面对这一挑战，只有实现水泥生态化，水泥工业才能够可持续发展。