水泥工业低碳发展

水泥工业低碳发展

中国建筑材料科学研究总院

房晶瑞[email protected]


国内外背景

2

低碳

低碳经济

碳排放

碳足迹

碳交易

碳标签

低碳旨在倡导一种低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，减少有害气体排放

核心减少 CO2 排放发展绿色经济


国内外背景

3

1979 年首届世界气候会议

1992 年《联合国气候变化框架公约》

1997 年《京都议定书》

2007 年巴厘路线图

2009 年《哥本哈根协议》

2010 年《坎昆协议》

2012 年多哈会议

国际背景


国内外背景

4

国内背景《中国 21 世纪议程》——1994 年 3 月，中国 21 世纪人口、环境与发展白皮书《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》——2004 年 10 月，国家气候变化对策协调机构，国家温室气体清单《中国应对气候变化国家方案》—— 明确了到 2010 年中国应对气候变化的具体目标、基本原则、重点领域及其政策措施。我国控制温室气体排放行动目标确定 —— 到 2020 年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降40 ％ -45 ％，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。《“十二五”控制温室气体排放工作方案》—— 到 2015 年全国单位国内生产总值二氧化碳排放比 2010 年下降17% 。综合运用多种控制措施，如加快调整产业结构、推进节能降耗、发展低碳能源、增加碳汇等；加强温室气体排放核算工作。


国内外背景

5

国家应对气候变化规划（ 2014-2020 年）

实现到 2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降40%-45% 、非化石能源占一次能源消费的比重达到 15% 左右、森林面积和蓄积量分别比 2005 年增加 4000 万公顷和 13 亿立方米的目标等。低碳试点示范取得显著进展，适应气候变化能力大幅提升，能力建设取得重要成果，国际交流合作广泛开展。


国内外背景

6

•煤炭是建材工业的主要能源品种，占建材工业能源消耗总量的 80% ，其次是电力，电力消耗占建材工业能源消耗总量的 12% 。

•水泥、平板玻璃、建筑陶瓷、卫生陶瓷是建材工业中的主要能耗产品，能源消耗占建材工业总能耗的 70% 以上，是推进建材工业节能的重要环节。


水泥行业相关政策

7

国务院《“十二五”节能减排综合性工作方案》加快水泥工业的科技进步，推动水泥工业绿色、低碳发展，促进水泥工业大幅度节能减排，是水泥工业发展面临的紧迫任务，也是实现经济社会发展和生态文明建设的主要内容。

工信部《关于水泥工业节能减排的指导意见》到“十二五”末，全国水泥生产平均可比熟料综合能耗小于114kg 标准煤 /t ，水泥综合能耗小于 93kg 标准煤 /t 。水泥颗粒物排放在 2009 年基础上降低 50% ，氮氧化物在 2009 年基础上降低25% ，二氧化碳排放强度进一步下降。


水泥工业现状

发展需求◎ 用量最大的基础建设材料

◎ 国家社会经济快速发展◎ 基本建设投入不断加大◎ 城镇化速度不断加快◎ 人均住房面积逐步增加

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2013 年水泥总产量 24.18 亿吨；水泥产量连续 29 年世界第一；全国有新型水泥干生产线 1700 多条；年均增长 3%~4% ；

水泥工业——国民经济支柱产业亿吨

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

01980 1990 2000 2009 2010 2013

0.87

2.1

5.74

16.5

18.8

24.2 水泥年产量

水泥工业——高能耗高排放行业

能源消耗总量约为 1.9 亿吨标准煤，占全国能源消耗总量的 5.8% 左右；

CO2 排放量占全国总量的 9~10% ；污染物： NOx 、粉尘、 SO2 等；


水泥工业现状

全国水泥熟料生产线规模规模 2012 年 2013 年

1000 以下 41 41

1000~2000 309 309

2000~4000 681 704

4000 以上 606 655

总计 1637 1709

2013 年，新增熟料生产线 72 条， 4000t/d 以上规模的 49 条，2000~4000t/d 规模的 23 条，新增熟料产能 9430 万吨。设计熟料产能达到 17 亿吨。

2000~4000t/d

> 4000t/d

< 1000t/d 1000~2000 t/d


世界水泥产量

10

水泥工业现状

中国建筑材料科学研究总院 11

世界水泥产量

水泥工业现状


水泥工业现状—欧盟

12

欧盟• 2001 年的水泥产量近 2.2 亿吨，而由于金融危机的影

响，其在 2011 年降到约 2.0 亿吨，人均水泥消费量约400kg 。

• 作为世界水泥行业技术最为先进的地区之一，欧盟拥有世界六强水泥企业中的五强（ 2005 年），分别为法国 Lafarge 集团、瑞士 Holcim 公司、德国 Heidelberg集团、意大利 Italcementi 公司和 BuzziUnicim 公司。

• 拥有先进的技术工艺、完整的装置设备、充足的资金等优势，再辅以欧盟的严格标准，使得欧盟各国的水泥技术均处于先进水平，如部分欧洲国家水泥行业平均替代燃料率可达 50% ，甚至部分水泥企业全年替代燃料率达 80% ；世界上先进的技术一般都来源于欧洲。


水泥工业现状—美国

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美国：• 美国水泥行业技术水平较其经济和科技水平较为落

后，但其采取积极措施来降低水泥行业 CO2 排放量。• 从 2010 年开始美国环保署强制水泥厂将其排放状况及

时报告给美国政府，其 CO2 减排目标是降低吨水泥的CO2 排放量，包括使用能源效率更高的工艺技术、非碳酸盐原料部分替代原料中的氧化钙、使用火山灰等部分替代波特兰水泥、开发可以替代水泥的新品种等。


水泥工业现状—印度

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印度• 印度是仅次于中国的第二大水泥制造国， 2009 年印度

水泥产能 2.1 亿吨（中国 21 亿吨），企业 513 家（中国 5103 家），新型干法占 97% （中国 70% ）。

• 关于能耗水平，印度水泥工业在企业、设备供应商、咨询部门等的共同努力下，达到了世界先进水平。 2005 年，印度吨水泥（ OPC ）综合电耗达到了82kWh/t ，熟料烧成热耗 3022kJ/kg 。

• 印度工业联合会已将印度水泥发展定位在了世界级水准，并制定了力争电耗降至 56~62kWh/t ，熟料热耗2717kJ/kg 的未来发展目标。


水泥工业现状—俄罗斯

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俄罗斯• 俄罗斯的水泥行业却处于全球相对最差的水平：俄罗斯 1990 年有 234 条湿法生产线、 29 条干法生产线；1998 年有 191 条湿法生产线、 25 条干法生产线；2007 年有 190 条湿法生产线、 25 条干法生产线；2010 年俄罗斯水泥生产能力为 7600 万吨，其中工艺湿法窑占 83% ，产能利用率仅为 66% 。而俄罗斯的水泥产量早在 1990 年时，就达到 9000 万吨，但是历经1990 年的政治风波后，俄罗斯水泥工业年产量仅 2600万吨左右，大量的水泥厂倒闭，而且其企业存在着生产效率偏低、规模偏小、能耗偏高的特点，已远远落后于世界发达国家的水泥行业。。


CO2 排放量计算及认证

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直接排放碳酸盐的分解 CaCO3 CaO + CO2

燃料的燃烧间接排放

电力消耗

水泥工业 CO2 排放情况


碳酸盐分解产生的 CO2 排放量

58.4734.90

实物煤燃烧产生的 CO2 排放量

5.93电力消耗产生的 CO2 排放量

-2.43 余热发电 CO2

减排量每生产 1吨水泥熟料会

产生直接 CO2 排放 0.853

吨，其中 0.320吨是由于燃料燃烧产生的， 0.533

吨是由于原料中的碳酸盐分解产生的；由于电力消耗，每生产 1吨水泥熟料还会产生间接 CO2 排放约0.06吨。水泥熟料生产各工艺过程 CO2 排放量所占比例见左图。

单位水泥熟料 CO2 排放量示意图




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统计分析 :水泥行业在全国工业行业废气排放总量中，位于火力发电业和冶金工业之后列第三位。水泥行业 CO2 排放占全社会总排放18%左右。

理论分析 :

每吨水泥熟料生产平均热耗为0.12吨标准煤，平均电耗为120kW·h ；产生的 CO2 排放约为600千克。

中国能源消耗量：28亿吨标准煤

06. 80%

1. 9中国水泥工业消耗量：亿吨标准煤

18%

82%

全社会CO2排放量



45185

7892588182

98414 97678107960

117810127180

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

万吨

2000年 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年

水泥行业二氧化碳排放情况

我国 2000 年 -2011 年 CO2 排放量情况

水泥工业的 CO2 减排对我国节能减排有举足轻重的作用，也是中国应对气候变化的重要措施和水泥工业可持续发展的重要保证。



窑炉烟气大部分从窑尾烟囱排出， CO2浓度约达 30% ，少量从窑头烟囱排出， CO2浓度低于 1% ；

5000t/d 生产线烟气量系数为 3964 m3/t-熟料（ 2007 全国污染源普查）每年可产生 CO2 约 185万吨


中国环境标志产品认证

22

环保部环境认证中心（中环联合）经国家环境保护部授权、经国家认证认可监督管理委员会认可的，代表国家对绿色产品进行权威认证并授予产品环境标志的机构。

环境标志产品是对产品生命周期全过程的环境行为进行控制。由国家指定的机构依据环境标志产品标准（也称技术要求）及有关规定，对产品的环境性能及生产过程进行确认，并以标志图形的形式告知消费者哪些产品符合环境保护要求，对生态环境更为有利。

中国建筑材料科学研究总院编写《水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法》，协助环保部制定低碳水泥国家标准，为环境标志产品认证提供技术支持和技术服务。



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政府绿色采购与环境标志

自 2006 年起，环境标志产品认证结果被财政部政府采购中心所采信，为中国政府实施绿色采购制度提供支持，目前财政部与环境保护部已经共同发布了十三期环境标志产品政府清单。环保部每月都会发布通过中国环境标志认证的企业名单。

国际互认中国环境标志分别与日本，韩国，澳大利亚，新西兰，香港、德国、北欧和泰国环境标志机构签署了互认合作协议，为中日、中韩、中澳、中新、中港、中德、中北欧和中泰间建立绿色通道奠定了基础。

http://www.feidarz.com/aboutfd/fwln.html



24

基于《水泥生产企业二氧化碳排放计算方法》、《环境标准产品技术要求水泥》，已为国内大型水泥集团的 30余家企业进行了中国环境标志低碳产品认证。

认证项目年份集团名称企业个数总计

水泥

2012

海螺中材冀东华新拉法基中建材

222441

15

2013

华新金隅台泥

中建材

4338

18

2014华新台泥

46

10

预拌混凝土

2013 金隅 1 1

2014 常州 1 1

将继续推广低碳水泥和预拌混凝土认证。

截止到 2014 年 6 月


《水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法》标准

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“ 水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法”标准

规范了水泥生产企业CO2 排放量计算的基准、范围、换算、报告进行了规范，为水泥工业提供了计算二氧化碳排放量的统一方法。

为认证标准进行碳排放量核算的重要依据。


《环境标志产品技术要求》标准

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《环境标志产品技术要求预拌混凝土》规定了预拌混凝土环境标志产品的术语和定义、基本要求、技术内容和检验方法。本标准适用于集中搅拌站生产的预拌混凝土。

《环境标志产品技术要求水泥》规定了水泥环境标志产品的术语和定义、基本要求、技术内容及其检验方法。本标准适用于新型干法水泥生产工艺生产的通用硅酸盐水泥。。


水泥行业碳减排技术

1 减少原料分解产生的 CO2

27

原料替代降低水泥中熟料系数

CCUS： CO2捕集、转化利用水泥窑能源管控系统

2 降低热耗

3 降低电耗

4 其他


水泥工业碳减排技术

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1 富氧燃烧向燃烧区通入充足的氧气，使燃料在富氧乃至纯氧条件下进行燃烧。

提高产能

提高燃烧效率

改造便利性

其他

• 最大可以达到超过 20% 产能的提高• 根据炉窑具体情况，产能提高能力在 5-20% 之间

• 燃料节省 3-5% ，最大可节约 10% 以上• 当用替代燃料时，燃料节约效果更明显

• 最少的初期投入• 在合同签订的 60天内，达到产能提高的目的

• 可延长耐才寿命• 减少烟气中的粉尘 • 提高炉窑稳定性

富氧燃烧技术优势

水泥行业碳减排技术—富氧燃烧


国外水泥厂应用现状

30

企业地点日期窑型

Mountain 水泥厂

Laramie, 怀俄明州 1994 预热

Ash Grove 水泥厂

Chanute, 堪萨斯州 1994 湿法

Hercules水泥厂

Stockertown, 宾州，美国

1999-2001

预热 /预分解

燃料

煤

煤和垃圾

焦油

效果

• 产能提高 10-14%• 吨氧提高 2.3-5.2 吨熟料产能• 没有增加氮氧化物排放

吨氧提高 1.3 吨熟料产能

• 产能提高 8-10%• 吨氧提高熟料产能 4 吨左右• 燃料节约 3-5%• 没有增加氮化物排放

亚洲水泥生产厂家预热

欧洲水泥生产厂家

燃料油

煤和燃料油

• 产能提高 10%• 燃料节省 6%• 吨氧提高 3-3.5 吨熟料产能

• 产能提高大于 20%• 没有增加氮化物排放

1995

2001

韩国

意大利

美国加州波特兰水泥厂

预热 /预分解

煤和燃料油

• 产能提高 20%• 吨氧提高 4-4.5 吨熟料产能• 没有增加氮化物排放

2003Mojave, CA


某企业锅炉富氧燃烧打开 / 关闭对比图

社会效益：促进劣质燃料的使用。

经济效益：综合煤耗降低 5-10% ，吨熟料增加电耗 1-3kwh ，设备投资 1500-4500 万元，则回收期为 1-7 年。

减排效果：吨熟料 CO2削减量约为 2.0-3.7% ， 5000t/d 生产线年减排 CO2 约2.7-4.5 万吨。

示范情况：烟台海洋水泥有限公司，河南天瑞集团汝州水泥有限公司等。


2 燃料替代技术替代燃料是指 CO2 排放因子小于标煤的替代燃料，标煤 CO2 排放因子为0.094kgCO2/MJ ，而废轮胎的排放因子为 0.085kg/MJ ，废玻璃钢为0.083kg/MJ ，均低于标煤 CO2 排放因子，因此使用这类替代燃料，可以降低 CO2 排放量。对于浸渍木屑污泥木材、木材废弃物农业、有机织物废弃物、生活垃圾筛上物等含 100% 生物质碳，可不计入其 CO2 排放量，因此生物质燃料的使用也可以降低 CO2 排放量。对于废弃玻璃钢 10% 替代传统燃料，其指标如下：减排效果：吨熟料 CO2 减排量 4.2kg ，年减排CO2 约 0.63 万吨；经济效益：设备投资 400-500 万元，则投资回收期为 0.25-0.31 年；社会效益：废弃物回收量 11.1kg/tcl ，年回收废弃玻璃钢 1.7 万吨；示范情况：北京水泥厂利用废弃玻璃钢项目、华新秭归自用长江漂浮物项目等。

水泥行业碳减排技术—燃料替代


污泥燃料化技术优点：1. 工艺简单，运行容易循环利用污泥的蒸发蒸汽，仅排出剩余蒸汽的简单工艺；2. 对恶臭气体容易采取相应措施干燥机内为微负压，不会有恶臭气体漏出，恶臭气体在热源炉内可以得到分解；3. 干燥热源的多样化蒸汽、空、低温废气等热源可以得到利用


水泥行业碳减排技术—协同处置废弃物

34 水泥窑处置固体废物优势

燃烧器（ 1850℃）

熟料(1350℃）

20 min 25 min 10 min

物料（ 900℃ ）

烟气（ 750℃ ）

燃烧器（ 1250℃ ）

分解+升温（ 850℃ ）

部分分解+升温（ 1250℃ ）

固 -液相反应（ 1450℃ ）

熟料冷却

预热+升温（ + 1250℃ ）

物料

预热器+分解炉

3 协同处置废弃物

利用窑炉高温特性，焚毁废物中的有害组分，并达到综合利用的目的。

参数焚烧炉水泥窑气体温度 /℃ 1100 1750

物料温度 /℃ 850 1450

气体停留时间 /s 2 ≥4

物料停留时间 /min 根据废物性质调节

30-35

回转窑转速 /r/min 0.2-0.3 2.8-3.2


生料（炉渣配料）

去增湿塔

浆渣废弃物

污泥

替代燃料废液

去煤磨飞灰

水泥窑协同处置废弃物流程图


根据 2006 年 GNR 的数据，全球范围内水泥行业能源供给的 7%是替代燃料， 3% 是生物质，剩余 90% 是传统化石燃料。

2008 年德国水泥工业按全国熟料热耗计的替代燃料对化石燃料的替代率已达 58% 、荷兰 81% 、法国 34% 、比利时 50% 、瑞典29% 、捷克 45% 、美国 24% 、日本 12% 。

右表： 2010 年日本水泥工业消纳的废弃物（万吨）。

种类主要用途 2010 年度矿渣原料混合材 734.5

粉煤灰原料混合材 644.3

污泥原料 251.4

副产石膏添加材 197.4

建设废土原料 193.1

燃渣和燃灰原料和热能 126.1

非金属矿渣原料 65.4

木屑原料和燃料 56.4

铸沙原料 47.8

废塑料燃料 41.3

钢渣原料 40

废机油热能 26.9

废白土原料和热能 23.6

再生油热能 19.5

废轮胎原料和热能 8.7

肉骨粉原料和热能 6.1

其他原料和热能 59.1

每吨水泥使用量（ kg ） 469


城市生活垃圾具有一定热值，其灰渣可用作熟料烧成原料或水泥制备混合材，因此协同处置城市生活垃圾具有一定的燃料替代率和原料替代率。减排效果：对 5000t/d 新型干法线，其处理垃圾量为 200t/d ，即处置垃圾量占总熟料产量 4% ，其燃料替代率为 5-10% ，原料替代率为 2-4% ，则年减排 CO2 排放量约为 0.9-1.6 万吨；社会效益：吨熟料回收城市生活垃圾 40kg ，年处置垃圾量为 6 万吨；经济效益：设备投资 7000-12000 万元，以政府每吨垃圾补贴 150元，则回收期为 5-12 年；示范情况：台湾水泥有限公司，北京金隅集团琉璃河水泥有限公司，安徽铜陵海螺，华新等。


重金属

元素

入窑生料中重金属含量

参考限值 (mg/kg)

砷（ As ） 28

铅（ Pb ） 67

镉（ Cd ） 1.0

铬（ Cr ） 98

铜（ Cu ） 65

镍（ Ni ） 66

锌（ Zn ） 361

锰（ Mn ） 384

重金属

元素

水泥熟料中重金属

含量限值 (mg/kg)

砷（ As ） 40

铅

（ Pb ）

100

镉

（ Cd ）

1.5

铬（ Cr ） 150

铜

（ Cu ）

100

镍（ Ni ） 100

锌

（ Zn ）

500

锰Mn ） 600

重金属

元素

水泥熟料中可浸出重

金属含量限值 (mg/

L)

砷（ As ） 0.1

铅（ Pb ） 0.3

镉（ Cd ） 0.03

铬（ Cr ） 0.2

铜（ Cu ） 1.0

镍（ Ni ） 0.2

锌（ Zn ） 1.0

锰

（ Mn ）1.0

国家标准《水泥窑协同处置固体废物技术规范》

标准规定了水泥窑协同处置固体废物的术语和定义、协同处置固体废物的鉴别和检测、处置工艺技术和管理要求、入窑生料和水泥熟料重金属含量限值及水泥可浸出重金属含量限值、检测方法及检测频次等。


水泥行业碳减排技术—预烧成技术

39

回转窑中仍存在堆积态传热，窑尾部分生料传热及反应热量需求与热量供给间存在矛盾，限制了熟料烧成热耗的降低和单机窑产量的提高；通过提高入窑生料活性 ,缩短物料在窑内的缓慢升温，加快后续固液相反应。

基于熟料烧成过程中多阶段形成的客观事实，提出的具有创新性的概念型生产工艺 -- 水泥预烧成技术，以期进一步增强换热效率，提高物料反应活性，减少回转窑热损失和热负荷，建立新一代，高能效水泥窑炉工艺模型。

4 预烧成窑炉技术土立窑立窑

湿法窑回转窑


强调增强分解炉煅烧功能，使物料全部分解反应及部分固相反应在分解炉中进行；物料入窑后直接进行后续的固相反应和液相反应，提高反应速率，增强有效传热，从而大幅度提高回转窑产量，降低生产热耗。

材料研发

模拟分析

理论研究针对预分解窑炉存在的“热瓶颈”，研究提高入窑物料反应活性的条件，加速水泥熟料固相反应及形成过程，并研究生产过程中有害元素控制措施。

通过现场检测和模拟分析，提出预分解窑炉技术改进方向、思路、方案；并确定新型 RSP分解炉的结构参数和优化运行参数。为实现新型 RSP型分解炉技术及示范应用，开发多功能耐高温材料，研发了镁铝尖晶石 -堇青石材料新体系。


经济效益：综合能耗降低 5-10% ，吨熟料运行成本降低 5.9-10.8元，设备投资3000-9000 万元，则回收期为 1.5-9年。

减排效果：吨熟料 CO2削减量约为 2.0-3.7 % ，5000t/d 生产线年减排 CO2 约 2.7-4.5 万吨。

鲁南中联水泥有限公司 2000t/d预分解窑炉进行技术改造，以验证水泥预烧成技术理论成果及配套研发的多功能耐高温材料。


5 CCUS

水泥行业碳减排技术 --CCUS


ECRA


工业化应用

•2025 燃烧后捕集

•2030 全氧燃烧捕集

成本分析

(包含投资、运输、储存）

•燃烧后 : 50−100 €/t

•全氧燃烧 : 40−60 €/t

oxy-fuelprocess

post-combustion capture

succ

essf

ul d

emon

stra

tion

proj

ects

ECRA


水泥窑全氧燃烧技术

水泥窑全氧燃烧就是把燃料与 85% ~ 100% 的氧气以及富含

CO2 的循环废气按预定燃料比混合，将其代替空气鼓入分解

炉和回转窑炉中助燃燃料的技术。Air空气

原材料Raw Meal

N2

O2

熟料煅烧工艺Clinker Calcination

Technology 熟料 Clinker

废气（富含二氧化碳） Exhaust Gas

with rich CO2

废气再循环Exhaust Gas Recirculation

Atmosphere大气

Air Separation空气分离


水泥窑全氧燃烧流程示意图



Oxy-fuel process

O2-generationCO2-

processing


Coefficient of Heat Transfer (w/m2.C) Heat Capacity (Kj/Kg.C)

T (K) Air Mixed Gas Change (%) Air Mixed Gas Change

(%)

300 4508.81 4102.38 -9.01 1.34 1.75 30.77

400 4494.45 4455.6 -0.86 1.34 1.81 33.73

500 4505.34 4746.82 5.36 1.37 1.86 36.05

600 4530.32 5003.12 10.44 1.38 1.91 37.85

700 4555.17 5241.53 15.07 1.4 1.95 39.27

800 4591.98 5388.23 17.34 1.41 1.98 40.4

900 4640.24 5468.12 17.84 1.43 2.01 41.3

1000 4652.41 5537.91 19.03 1.44 2.04 42.04

1100 4738.85 5581.33 17.78 1.45 2.07 42.65

1200 4769.86 5599.46 17.39 1.46 2.09 43.18

1300 4826.53 5615.35 16.34 1.47 2.12 43.64

1400 4890.7 5626.12 15.04 1.48 2.14 44.05

空气和混合气体的热传递系数和热容

提高热传递系数和热容有益于熟料的烧成和冷却 !

(混合气体—— 21%O2+79%CO2)


CO2浓度对窑炉工况的影响

50

气体中 CO2浓度对预热器、冷却机效率的影响

二次 /三次空气中 CO2浓度对回转窑烟温的影响


实验装置

51


CO2转化利用技术

52

水泥工业窑尾烟气中 CO2

全氧燃烧燃烧后捕集

高分子共聚物催化剂

环氧丙烷等聚合

CO2


CO2转化利用技术

53


水泥行业碳减排技术—能源管控技术

6 水泥生产能源管控技术

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水泥工业智能化控制技术一直受到广泛关注，进步迅速；DCS系统→MES信息化系统→数字化智能控制；产品产质量高、能源消耗量低、劳动生产力也趋于领先水平。

大多采用 DCS+ 人工操作模式，依赖人工技能和经验；难以实现回转窑优化操作运行和精细化管理；生产运行不稳定、能耗高、热效率低、产品质量和产量波动大。

国内国外

质量数据无法实时共享；数据管理整体性不够；自动控制水平较低，分解炉、回转窑等重要工段的未实现自动控制。

信息孤岛现象严重；生产管理较为混乱；能源管理系统性差；设备运行维护随意性强；


水泥生产能源管控技术

生产报表和指标

数据管理和分析• 对海量的能源数据进行整理和统

计• 实时对能耗进行管理，并发现能

耗异常情况• 对能耗的各种影响因素进行分析• 自动需找能效薄弱环节

数据采集• 安装数据仪表对各种能源进行

实时的监测• 通过多种通讯方式传输到能

源数据服务器

• 生成各种能耗指标• 生成几十种报表，如：能耗报表、能源费用报表、碳排放报表、能源成本分摊报表、节能效果报表。

• 生成企业所关注的关键能耗指标，提升能源管理水平

• 实现水泥生产能源管理与控制一体化• 有效解决上述问题• 大量应用实践证实其效果

以能源为核心，通过数据采集、管理、分析和应用对水泥生产实时监控、生产管理、设备管理、能源管理、质量管理等进行信息化管理，对分解炉、回转窑、篦冷机、粉磨系统等重要工段进行智能控制，形成水泥生产能源管控一体化技术。


基于神经网络的复杂过程建模技术解决水泥生产过程中的大数据、多变量、非线性、大时滞、多耦合等过程建模问题，建立精确的数学模型基于逆向差分的不可测干扰抑制技术预先调节操纵变量，实现超前调节。

实时高效数据库技术以国外主流实时数据库系统为基础，结合国内用户的具体情况自主研发VEGOO 实时数据库系统；智能点检仪技术具有振动、温度信号的自动测量与采集技术，数据录入技术，点检定位管理技术。非线性模型预测控制技术通过预测模型来预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优输入策略


基于多线程的数据采集技术；基于网络的多通道数据发布系统；高性能多层数据库体系；海量数据处理及数据挖掘技术；智能化模拟图展示平台软件；系统安全体系及后台监控软件；基于 WEB模式的对外信息交换与共享平台。

在线监测企业的生产能耗动态过程、收集生产过程中大量分散的能耗数据、发现能源消耗过程存在的问题

优化运行方式和用能结构 , 建立企业能耗评估、管理体系

提高企业能源效率水平，实现节能增效

模块建立

生产管理系

统管理

设备管理

质量管理


（ 1 ）信息化和智能化水平的提升：大幅度提高水泥企业信息化和智能化水平，降低操作工的劳动强度，提高各班组操作的一致性。（ 2 ）生产稳定性的提高：降低预分解炉出口温度或者五级筒出口温度波动 25%~50% ；降低篦冷机篦下压力波动 25%~50% ；降低一级筒出口氧含量波动 20% 以上；降低窑头负压波动 30%~50% ；降低熟料中 f-CaO含量、立升重波动 10%~20% 。（ 3 ）系统能耗水平的下降：通过优化分解炉、篦冷机和回转窑，实现窑炉喂煤的智能调控，降低一级筒出口温度和氧气含量，降低出篦冷机熟料温度，提高二次风和三次风温度，增强煤粉燃烧效率。预期可降低系统单位煤耗 1%~2% ，单位电耗 1%~2% 。


水泥行业碳减排技术—余热发电

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余热回收系统（ WHR ）应用在中国和其他亚洲市场不断扩大。 2012 年， 865 WHR系统已投产或在建。

通过余热回收装置—余热锅炉将水泥窑窑头、窑尾排出大量的废气余热进行热交换回收，产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换，从而带动发电机工作的技术。

7 余热发电技术


现阶段我国实行的纯低温余热发电技术的热力系统方案有以下三种：单压系统、双压系统和闪蒸系统。

从理论上分析三种系统的发电效率和余热回收效率：

采用单压系统，产生主蒸汽后的烟气低温废气余热无法利用，导致窑头预热锅炉的排烟温度较高，余热没有得到充分利用，发电效率较低；

采用双压单极补气系统，可余热按不同能级得到充分利用，发电能力最高；

采用复合闪蒸系统其发电能力和余热利用水平和双压系统相当。


水泥窑尾低温余热发电 SP炉

经济效益：采用余热发电技术运行成本降低 14.85-16.5元 /t 熟料，增加初次投资 4800 万元，则投资回收期为 1.9-2.2 年。

减排效果：余热发电产生的净电力约为 33 kwh/t 熟料，折合为 CO2 减排为 28.4kg/t 熟料，各种大气污染物也得到相应减排，全年可节约电耗4950 万 kWh ，减排 CO2 约 4.3 万 t 。

示范情况：目前 80% 左右的水泥生产企业都采用了此技术。


水泥行业碳减排技术—高效热回收

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篦冷机的发展历程

第三代篦冷机在冷却效率、冷却效果、液压传动、自控系统等方面都有了长足的进步。

第三代篦冷机缺点：冷风难于透过粉状熟料料层，未冷却的熟料量增多，冷却效率低，设备事故率高，结构较为复杂。

20 世纪 90 年代末期， FLSmidth公司推出了推动棒式冷却机，篦床完全固定，篦床下安装了机械空气流量控制阀调整充气和熟料层的风量分配，以及独立的推料单元。

8 高效篦冷机热回收技术


形式单位面积产量

t/m2

单位冷却风量

Nm3/kgcl

热效率 %

熟料热耗降低

kcal/kgcl

单位冷却电耗

之比

土建投资之比

维修费用之比

第三代

38~42 1.9~2.2 70±2 100% 100% 100%

第四代

44~46 1.7~1.9 ＞ 75 约 10~20 80% 75%20~30

%

第四代篦冷机与第三代篦冷机的技术参数对比表

减排效果：采用高效篦冷机热回收技术可使熟料生产能耗降低 60-90kJ/kg ，单位熟料 CO2 排放量降低5.6-.5kgCO2/tcl ，年 CO2 排放量降低 0.8-1.3 万吨。

经济效益：增加初次投资 800 万元，年节约标煤300-450 万吨，则投资回收期为 2-3 年。

示范情况：冀东磐石水泥公司等。


9 高效煅烧技术

图 10. 新型燃烧器头部

经济效益：采用高效燃烧器技术运行成本降低 1-4元 /t熟料，增加初次投资 30 万元，则投资回收期为 0.05-0.2 年。

减排效果：多通道燃烧器一次风用量较低，约为 7%-10% ，较传统燃烧器低 4%-11% ，熟料烧成热耗降低33-138kJ/kg ，即降低 1-4% ，吨熟料减排 CO2 约3-12kg ，年减排 CO2 量 0.45-1.35 万吨。

示范情况：目前 50% 左右的水泥生产企业都采用了此技术，如鲁中水泥厂等。

水泥行业碳减排技术—高效煅烧


由 FLS KHD Polysius 等公司最新开发的燃烧器

最新开发的燃烧器注重提高低热值燃料、替代燃料的燃烧效率，增加火焰温度；

与煤风通道位于旋流风和轴流风中间不同，新开发的燃烧器燃料通道位于燃烧器中心；

新开发的燃烧器均可对喷嘴通道间歇进行调整，从而使火焰调整更有效率；

最新的燃烧器可利用二次燃料达80% ，甚至 100% 。


10 立磨技术

图 12. 立磨构造图

经济效益：采用立磨终粉磨水泥技术运行成本降低 2.5-6.5元 /t 熟料，其投资为 4000 万元 -7000 万元，则投资回收期为 3-13 年。

减排效果：较传统圈流球磨水泥粉磨技术单位产品电耗40kwh/t 水泥，立磨终粉磨水泥技术单位产品电耗在 27-35kwh/t ，节电约 12.5~32.5% 。

示范情况：湖北亚东、云南东骏、四川星船城等水泥公司。

水泥行业碳减排技术—立磨技术


在水泥生产中，传统的粉磨系统是球磨机，而当立磨出现以来，便以独特的粉磨原理克服了球磨机粉磨的诸多缺陷，同时集中碎、粉磨、烘干、选粉、运输等功能于一体。

第一台立磨是上个世纪二十年代在德国研制出来的。

立磨的类型很多，结构和功能各有特色，但基本结构大同小异，它们都具有传动装置、磨盘、磨辊、喷口环、液压拉伸装置、选粉装置、润滑系统、机壳等，其主要工作原理也基本相同。

类型厂家磨辊磨盘

MPS型

普费佛（ Pfeiffer

）鼓形

带圆弧凹槽形的碗形磨盘

ATOX型

丹麦史密斯（ F.L.Smid

th ）圆柱形平面轨道

磨盘

RM型

伯力鸠斯（ Polysius

）

两组拼装，每个为轮胎形

碗形结构

LM型

莱歇（ Loesche

）

锥台型平面轨道磨盘

全球主要立磨厂家磨辊和磨盘形状


FLSmidth 公司的 OK磨应用至今超20 年，被认为是矿渣硅酸盐水泥和混合水泥的高效终粉磨机。

OK磨的主要特点：布局简单和节省空间；水泥质量等同或优于球磨机水泥；采用磨辊翻转装置，易于维护；与球磨机相比节省 25%至 45% 电

耗；易于控制颗粒大小分布

OK磨机：优化且多功能的磨机

OK 水泥磨机


OK磨粉磨部件的结构

“碗盘”结构，磨辊中心有凹槽；

磨辊内部可稳定料层，固定物料；

中心凹槽可使气体从磨盘中释放；

磨辊外部产生极高的粉磨压力。


非凡MVR立式辊磨：可靠的高产量粉磨机

MVR磨用于粉磨水泥生料、熟料和其他外加材料的磨机，装机功率最大可以配置 12000kW 。

MVR 立式辊磨的主要特点：采用模块设计，由 4-6个磨辊组成；新型驱动模块 - 多点驱动，或选常规

行星齿轮驱动。当一个驱动模块进行维护工作时，磨机能够继续运转；

平行的粉磨间隙；双支撑结构节省空间。


• 非凡MVR立式辊磨

• 4个或 6个磨辊，平盘；• 磨辊模块包括带圆柱形的磨辊衬板轮胎箍、辊轴、辊壁、轴承座和液压传动单元；

• 平行的间隙有助于降低磨机振动，提高粉磨压力；

• 相邻的磨辊模块是两两布置，即所谓

的与基础相连的双支撑结构，该结构在二个支座中间给热风管道、出入通道、物料的外循环和辅助设备提供了更多的空间；• 采用新型的多点驱动，至多配有六个相同的传动模块，每个功率在2000kW 范围内，减少非计划停机时间。


11 原料替代技术

宝生环保建材有限公司 1200t/d高掺电石渣水泥生产线

水泥行业碳减排技术—原料替代

•通过采用电石渣、高钙粉煤灰等含 CaO 的废物替代石灰石，用于水泥熟料生产，可减少 CO2 排放。•依据替代原料成分和替代量， CO2 减排量在 10~400 kg/t之间变化。假设 CO2 减排量原料替代比例为 30% ，CO2 减排量为 153 kg/t 熟料。•替代原料的单位价格比天然原料低 50%左右，能有效降低熟料生产成本，增加水泥生产企业的经济效益。应用案例 : 都江堰拉法基水泥、唐山冀东、北京新北水

谢谢

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水泥工业低碳发展