2016年，《巴黎協(xié)定》確立了2020年后國(guó)際社會(huì)合作應(yīng)對(duì)氣候變化的基本框架，提出把全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上低于2℃之內(nèi)，并力爭(zhēng)將氣溫升幅限制在工業(yè)化前水平以上1.5℃之內(nèi)的目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)，我國(guó)第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，明確提出把科技自立自強(qiáng)作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的支柱，把“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”作為國(guó)家的發(fā)展方向。

2021年政府工作報(bào)告中首次提出了“碳達(dá)峰”、“碳中和”發(fā)展目標(biāo)。其中，“碳達(dá)峰”是指溫室氣體的最大年排放值，“碳中和”是指二氧化碳排放與二氧化碳吸收量在一定時(shí)期內(nèi)的平衡。“碳達(dá)峰”、“碳中和”的提出對(duì)我國(guó)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)過(guò)程是高能耗、高污染物排放的過(guò)程，在此國(guó)家戰(zhàn)略背景下，我國(guó)水泥產(chǎn)業(yè)正朝著低碳環(huán)保、減少污染物排放、提高消納廢棄物的水平和比率的方向努力。

本文把我國(guó)水泥工業(yè)當(dāng)前取得的科技成果進(jìn)行了歸納，并結(jié)合國(guó)外的產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了推行水泥產(chǎn)業(yè)“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”的思路，供我國(guó)水泥科技工作者參考。

1 綠色水泥礦山的建設(shè)

傳統(tǒng)的石灰石開采往往只注意資源的開發(fā)而忽略生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，這必然會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。為了保護(hù)環(huán)境，應(yīng)秉承“綠水青山就是金山銀山”的理念，改變礦山開采模式，促進(jìn)水泥礦山的綠色發(fā)展，重點(diǎn)在以下幾方面下功夫：

（1）除礦石開采本身外，在生產(chǎn)過(guò)程中還應(yīng)最大限度地關(guān)注生態(tài)環(huán)境保護(hù)和廢棄礦山的利用問(wèn)題。

（2）進(jìn)行動(dòng)態(tài)復(fù)綠，通過(guò)先進(jìn)技術(shù)，快速栽植適宜當(dāng)?shù)貤l件的植被，實(shí)現(xiàn)礦山開發(fā)整個(gè)過(guò)程全程復(fù)綠，從根本上改變礦山環(huán)境。

（3）變廢為寶，使廢棄礦山完全成為新型產(chǎn)業(yè)的建設(shè)之地，給后續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的機(jī)會(huì)。

我們應(yīng)以現(xiàn)代礦山質(zhì)量控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)礦山資源源頭實(shí)施質(zhì)量控制，提高礦山資源綜合利用率，延長(zhǎng)礦山使用年限。一般認(rèn)為，我國(guó)水泥綠色礦山的使用目標(biāo)是：礦山服務(wù)年限在30年以上，資源利用率＞95%，礦石回采率在95%以上，生態(tài)修復(fù)率應(yīng)為100%。

根據(jù)《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)發(fā)展規(guī)劃2016-2020》的總體要求，2018年年初，中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)出臺(tái)了我國(guó)首個(gè)綠色礦山建設(shè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)；中國(guó)自然資源部發(fā)布了9項(xiàng)行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的出臺(tái)，必將推進(jìn)礦業(yè)綠色發(fā)展的進(jìn)程。

2 智能化數(shù)字礦山建設(shè)

我國(guó)是一個(gè)石灰石資源豐富的國(guó)家，據(jù)估算，我國(guó)的石灰?guī)r地層儲(chǔ)量有上千億噸，幾乎在所有地質(zhì)年代的地層中都存在石灰?guī)r胚胎，但這些資源也不能隨意使用。除了水泥行業(yè)之外，鋼鐵、陶瓷、塑料、混凝土、建筑工程等行業(yè)都要使用石灰石，即便單從減少碳排放的角度出發(fā)，也應(yīng)少用石灰石，多開發(fā)低鈣產(chǎn)品。

水泥行業(yè)是一個(gè)石灰石原料需求量較大的行業(yè)，為了節(jié)約資源，許多水泥生產(chǎn)線都采用了低品位石灰石。今后，我們還應(yīng)繼續(xù)探索低品位石灰石礦床的工業(yè)開采價(jià)值，而建立智能型礦山開采系統(tǒng)就是一個(gè)很好的發(fā)展方向[1]。智能化礦山可具備超級(jí)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，還可將可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展理念融入其中，有助于開采低品位礦床。

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司在20世紀(jì)90年代開發(fā)了“三維彩色礦床模型系統(tǒng)”軟件，該軟件以人工設(shè)定的數(shù)據(jù)和地質(zhì)縱剖面圖為依據(jù)，以鉆孔和槽探數(shù)據(jù)為核心，形成采礦境界。該軟件的開發(fā)和使用，是水泥礦山開采由二維向三維計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)變的一個(gè)非常成功的案例，并一步步向提高礦塊模型軟件的準(zhǔn)確性及實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)高水平三維數(shù)字化軟件功能，提高計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)水平而邁進(jìn)。

3 料床粉磨技術(shù)的優(yōu)化

3.1 輥磨與輥壓機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀[2]

我國(guó)電力來(lái)源主要是以化石類燃料發(fā)電為主，而水泥制造粉磨工序電耗約為水泥制備全部耗電量的70%，為了更多地減排水泥工業(yè)CO2，就必須節(jié)約水泥制造粉磨電耗。傳統(tǒng)的水泥粉磨設(shè)備主要為球磨機(jī)，設(shè)備能量消耗很大，不適應(yīng)環(huán)保節(jié)能需要。為了最大限度地節(jié)能和制造開發(fā)更多的符合要求的產(chǎn)品，就必須研究粉磨節(jié)能的機(jī)理，研究物料顆粒形貌，開發(fā)更有效的粉磨技術(shù)等。目前，以顆粒學(xué)和料床粉磨理論為設(shè)備制造基礎(chǔ)，研發(fā)的輥磨和輥壓機(jī)已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)在這方面已取得很大成績(jī)，并正在深入研究和開發(fā)性能更優(yōu)的設(shè)備。

（1）輥磨發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外十多家公司相繼研制了各種類型的輥磨，輥磨磨機(jī)功率可達(dá)10 000kW以上，其粉磨機(jī)理不同于球磨機(jī)的單顆粒粉磨，輥磨不僅大大提高了粉磨效率，還降低了環(huán)境噪聲。

在國(guó)際上，如德國(guó)萊歇公司研制了LM輥磨、非凡公司研制了MPS輥磨、伯利休斯公司研制了RM輥磨、丹麥?zhǔn)访芩构狙兄屏薃TOX輥磨、日本宇部公司研制了UB-LM輥磨。

在國(guó)內(nèi)，輥磨技術(shù)已很成熟，與5 000～7 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線配套的大型輥磨有TRM型輥磨、HRM型輥磨和LGM型輥磨，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司還開發(fā)了首臺(tái)TRM型國(guó)產(chǎn)礦渣輥磨，輥磨終粉磨系統(tǒng)也已成功粉磨水泥。

（2）輥壓機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

輥壓機(jī)是根據(jù)料床粉磨原理設(shè)計(jì)的。輥壓機(jī)粉磨時(shí)，物料不是在破碎工作面上或在粉磨介質(zhì)間作單個(gè)顆粒的破碎與粉磨，而是以層狀物料的形式被擠壓粉碎，通過(guò)壓力使一些顆粒壓迫臨近顆粒致其破裂粉碎。輥壓機(jī)粉磨時(shí)在雙輥之間一定要有一層料層，輥壓決定于顆粒間的壓力而不是兩輥間的縫隙，其特點(diǎn)是輥壓高、磨輥慢速旋轉(zhuǎn)、料層飽滿。輥壓機(jī)物料循環(huán)方式有粗粉循環(huán)、料餅循環(huán)和粗料循環(huán)等，其合理的物料循環(huán)有利于提高輥壓機(jī)粉磨效果。

輥壓機(jī)可以用于水泥和生料的終粉磨，也可以用于水泥粉磨的預(yù)粉磨，其粉磨系統(tǒng)有多種形式。輥壓機(jī)工藝流程簡(jiǎn)單，噪聲低，裝機(jī)功率可達(dá)8 000kW以上。德國(guó)洪堡公司、伯利休斯公司等都是有名的輥壓機(jī)制造公司，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司、合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司等通過(guò)自行開發(fā)，已使國(guó)產(chǎn)化的輥壓機(jī)設(shè)備達(dá)到很高的技術(shù)水平，并已出口國(guó)外。

3.2 料床粉磨技術(shù)的研究與探索

隨著料床粉磨技術(shù)的不斷創(chuàng)新，輥磨與輥壓機(jī)目前均可用于水泥生料、水泥、煤炭、礦渣等多種礦業(yè)產(chǎn)品的粉磨。料床粉磨的設(shè)備結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)以及對(duì)原料的適應(yīng)性等方面都有了很大進(jìn)步，目前料床粉磨技術(shù)的研究與開發(fā)有如下動(dòng)向[2]：

（1）設(shè)備規(guī)格大型化，表現(xiàn)在窯磨能力同步增長(zhǎng)。

（2）設(shè)計(jì)理念變化，動(dòng)力相似的不同磨機(jī)，盤徑相差很大。

（3）重視選粉機(jī)的作用，選粉效率不斷提高。

（4）重視智能化控制設(shè)計(jì)，不斷調(diào)整優(yōu)化操作參數(shù)。

（5）設(shè)備操作要求更加精細(xì)。

（6）水泥顆粒形貌的研究不斷深化。

4 顆粒流體理論在水泥熱工工藝上的深化研究

固氣多相流是水泥工藝中常見的顆粒流體運(yùn)動(dòng)形式，如水泥生料的懸浮預(yù)熱和分解、煤粉的燃燒、熟料的冷卻等，主要表現(xiàn)為顆粒群的非均勻的多尺度形態(tài)、狀態(tài)多值性及突變等。流體理論在水泥工業(yè)的應(yīng)用有如下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)水泥工藝顆粒流體系統(tǒng)的研究，主要有簡(jiǎn)單平均法和單顆粒跟蹤法兩種方法。簡(jiǎn)單平均法是最常用的方法，可處理非均勻結(jié)構(gòu)流體系統(tǒng)。其研究的顆粒體積越小，精度越高，但是使用該方法時(shí)往往使用的顆粒平均體積都很大，因?yàn)橐?guī)格放大效應(yīng)，平均后的結(jié)構(gòu)信息容易丟失。而單顆粒跟蹤法是最理想的方法，但其受現(xiàn)實(shí)計(jì)算能力和測(cè)量技術(shù)水平制約，實(shí)行起來(lái)有一定難度。因?yàn)闊崃總鬟f是不可逆的過(guò)程，“能量”也分為不同的能級(jí)，不管水泥產(chǎn)品在制造過(guò)程中消耗了多少能量，單純用“量”的概念去評(píng)價(jià)“能”的使用價(jià)值是不夠準(zhǔn)確的，必須用一個(gè)既能包括“能”的質(zhì)量又能反映“能”的數(shù)量的數(shù)學(xué)參數(shù)去表達(dá)，如用exergy（有效能）和anergy（無(wú)效能）。

（2）旋風(fēng)預(yù)熱器是由窯后的旋風(fēng)器及連接管路組成的，我國(guó)在旋風(fēng)筒和管路二相流的研究方面，具有一定的理論水平并獲得了很好的應(yīng)用成果。新型旋風(fēng)預(yù)熱器在氣-固分離、流態(tài)化換熱及筒體的卸料防堵等方面作了改進(jìn)，有2級(jí)、4級(jí)、5級(jí)和6級(jí)等類型旋風(fēng)預(yù)熱器，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（3）分解爐是分解水泥生料中CaCO3的主要設(shè)備，還是協(xié)同處置廢棄物（如污泥）時(shí)的廢棄物投入點(diǎn)。目前世界各國(guó)使用的分解爐有30多種，我國(guó)水泥界也對(duì)分解爐作了相當(dāng)多的研究。我國(guó)對(duì)于高效分解爐的開發(fā)思路是，力求使其發(fā)揮綜合效應(yīng)，使分解爐內(nèi)的熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)均得到優(yōu)化。現(xiàn)在水泥工業(yè)協(xié)同處置廢棄物技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)那些適合在分解爐內(nèi)使用的代用燃料的研究。

（4）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水泥工業(yè)已具備了利用數(shù)學(xué)模型來(lái)全面描述水泥生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)的能力，即可以通過(guò)改變變量求解的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬試驗(yàn)，以取代實(shí)物模型試驗(yàn)，這就是熱工系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與仿真技術(shù)。天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司已為此作了許多研究工作，建立起熱工系統(tǒng)的懸浮預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、燃燒器和冷卻機(jī)等的半經(jīng)驗(yàn)半理論模型，以系統(tǒng)熱效率為目標(biāo)函數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行若干工況條件為變量的計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)，今后還要深入利用更先進(jìn)的Fluent等流體力學(xué)軟件進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，以爭(zhēng)取取得更好的成績(jī)。

5 水泥工業(yè)收納廢棄物的延伸研究

5.1 水泥窯協(xié)同處置廢棄物技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在水泥行業(yè)，廢棄物可用作水泥燒成的代用燃料和代用原料，我國(guó)在20世紀(jì)80年代就開始探索水泥窯協(xié)同處置（co-processing）廢棄物技術(shù)。水泥窯協(xié)同處置廢棄物技術(shù)主要包括：工業(yè)廢棄物和農(nóng)林廢物的焚燒處置，污泥的焚燒處置，生活垃圾、危險(xiǎn)廢棄物的焚燒處置等。目前，在我國(guó)積極推行垃圾分類之后，為水泥工業(yè)提供了參與廢棄物處置利用的更好機(jī)會(huì)，水泥工業(yè)可以擔(dān)當(dāng)起更重要的環(huán)保責(zé)任，促進(jìn)水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

從粉體技術(shù)觀點(diǎn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外成功處置廢棄物的技術(shù)案例和系統(tǒng)如下[4]：

（1）物 料 預(yù) 處 理 系 統(tǒng)（Shredding-Mixing-Pumping System），是為解決工業(yè)廢棄物和危險(xiǎn)廢棄物而設(shè)計(jì)的物料預(yù)處理系統(tǒng)，即破碎-混合-泵送系統(tǒng)。該系統(tǒng)全程無(wú)需人工參與，自動(dòng)運(yùn)行，最大限度避免了操作者與危險(xiǎn)廢棄物的直接接觸。該概念在1988年提出，1998年德國(guó)首次采用，是危廢預(yù)處理最先進(jìn)最合理的程序之一。目前我國(guó)已有企業(yè)引進(jìn)該系統(tǒng)，南京水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院也開發(fā)了適于國(guó)內(nèi)的預(yù)處理系統(tǒng)，取得了很好的成績(jī)。

（2）丹麥?zhǔn)访芩构緹岜P爐（Hotdisc）技術(shù)，是在水泥生產(chǎn)線的分解爐處設(shè)置熱盤爐垃圾焚燒裝置，與水泥窯外的預(yù)分解系統(tǒng)組成一個(gè)整體，進(jìn)行垃圾焚燒處理的技術(shù)。其主要工藝流程是：窯三次風(fēng)、部分高溫生料和可燃廢棄物一同進(jìn)入熱盤爐內(nèi)，在慢速旋轉(zhuǎn)的圓盤上充分地氧化燃燒。圓盤的轉(zhuǎn)速為1～4r/h，從物料進(jìn)口到爐渣和生料混合物卸出，在圓盤上大約要運(yùn)行270°，卸出的殘?jiān)蛳侣淙敫G尾，細(xì)小的飛灰和生料則隨高溫氣體進(jìn)入分解爐。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)可燃廢棄物的性質(zhì)，調(diào)節(jié)圓盤的轉(zhuǎn)速，使其在爐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，達(dá)到廢棄物充分焚燒的目的。

（3）垃圾焚燒飛灰和垃圾焚燒灰的無(wú)害化處理系統(tǒng)，是日本20年前開發(fā)的技術(shù)，可以有效處理“氯”的危害，還可利用焚燒灰和飛灰作為代用原料，生產(chǎn)“生態(tài)水泥”（ecological cement），目前，已擁有工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也在積極推廣垃圾焚燒飛灰技術(shù)。

（4）利用水泥窯協(xié)同處置污泥技術(shù)，是近年來(lái)國(guó)際、國(guó)內(nèi)流行的一項(xiàng)新技術(shù)，污泥可以作為水泥生產(chǎn)的部分燃料，焚燒后的灰渣可以作為水泥生產(chǎn)的添加材料。其生產(chǎn)工藝包括濕污泥接收、輸送、干化、水泥窯高溫處置等，每3～4t干污泥可替代1t原煤，這是現(xiàn)代水泥生產(chǎn)中一項(xiàng)處置廢棄物的有效節(jié)能技術(shù)。由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司建設(shè)的桐鄉(xiāng)100t/d污泥處置裝置，脫水泥餅含水率可降至50%，實(shí)現(xiàn)了污泥深度脫水，經(jīng)濟(jì)效率顯著。另外，華新、華潤(rùn)等集團(tuán)也在處理污泥方面取得了很大的成績(jī)。

5.2 消納廢棄物的其他延伸研究

（1）廢棄物綜合利用的研究

一般來(lái)說(shuō)，企業(yè)都能結(jié)合自身工藝特點(diǎn)開發(fā)處置廢棄物的裝置，但由于水泥熟料生產(chǎn)有著嚴(yán)格的生料化學(xué)組分設(shè)計(jì)要求以及對(duì)成分波動(dòng)范圍和熟料產(chǎn)品質(zhì)量的控制要求，所處置的廢棄物組分變化或波動(dòng)較大、所含微量元素不同和濃度不同、性能差異較大時(shí)，均會(huì)對(duì)水泥生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)影響，所以水泥工業(yè)對(duì)廢棄物的質(zhì)量有一定要求?，F(xiàn)在水泥企業(yè)收納廢棄物后，需要研究的主要問(wèn)題是廢棄物對(duì)環(huán)境的影響，特別是有毒有害廢棄物的前處理評(píng)估，以及對(duì)水泥熟料質(zhì)量的影響。此外，還要研究廢棄物的綜合利用、衍生燃料的開發(fā)、制定和完善消納廢棄物的法律法規(guī)等，需提高我國(guó)水泥企業(yè)處置廢棄物的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

（2）生物質(zhì)替代燃料技術(shù)的發(fā)展[4]

生物質(zhì)是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體，各種垃圾中的生物質(zhì)成分具有可燃性，焚燒垃圾時(shí)一方面處理了垃圾，另一方面可利用它的熱值作為水泥窯用的代用燃料。生物質(zhì)能蘊(yùn)藏在植物、動(dòng)物和微生物等可以生長(zhǎng)的有機(jī)物中，通常包括木材、森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物等。目前很多國(guó)家都在積極研究和開發(fā)利用生物質(zhì)能。據(jù)報(bào)道，日本正在研究油藻新能源的生產(chǎn)方法，是利用微藻養(yǎng)殖的研究成果，將部分CO2供給藻種制成一定數(shù)量的干油藻，然后將其作為水泥回轉(zhuǎn)窯新燃料。但這一技術(shù)開發(fā)要涉及農(nóng)業(yè)、化工、粉體和生物工程等領(lǐng)域，難度較大。

我國(guó)海螺、華新等水泥集團(tuán)近年來(lái)都加強(qiáng)了江河漂浮物、農(nóng)業(yè)廢物等的處理與應(yīng)用研究工作。

（3）垃圾衍生燃料的開發(fā)[4]

垃圾衍生燃料開發(fā)技術(shù)，是近年來(lái)國(guó)外發(fā)展起來(lái)的綜合廢物分類處理技術(shù)。采取機(jī)械處理生物獲取的垃圾衍生燃料（RDF），具有熱值高、燃燒穩(wěn)定、易于運(yùn)輸、易于儲(chǔ)存、二次污染低和二惡英類物質(zhì)排放量低等特點(diǎn)，美國(guó)、加拿大、日本等已進(jìn)行了許多研究。其中，美國(guó)開發(fā)的一種RDF，可供水泥工業(yè)使用。加拿大生物燃料Enerkem Inc.公司采用熱化學(xué)法對(duì)RDF和其他一些廢棄物進(jìn)行了高效氣化，制成了一氧化碳和氫的復(fù)合氣體生物燃料，可供更多工業(yè)領(lǐng)域使用，有效減輕了社會(huì)廢棄物的處理壓力。日本也對(duì)“衍生燃料”進(jìn)行了研究，并在新能源方面取得了進(jìn)展。

我國(guó)近年來(lái)參與這項(xiàng)技術(shù)研究與開發(fā)的單位也在增加，例如有：四川雷鳴生物環(huán)保工程有限公司、四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院、武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院、西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司、北京鈞天工貿(mào)有限公司等。

6 新型低碳水泥工業(yè)體系的建立

在我國(guó)重要的工業(yè)部門中，除了煤電和鋼鐵工業(yè)外，水泥工業(yè)中二氧化碳排放量最大，約占全國(guó)總排放量的六分之一。水泥生產(chǎn)中的碳酸鹽分解是最大的非燃燒類二氧化碳排放源。當(dāng)設(shè)定水泥噸熟料熱耗為100kg標(biāo)煤、噸水泥綜合電耗為100kW·h、摻入20%混合材時(shí)，我國(guó)普通硅酸鹽水泥制造過(guò)程中，每噸水泥約排放0.6tCO2。建立低碳水泥工業(yè)體系的實(shí)質(zhì)是減排CO2、提高能源利用效率和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

傳統(tǒng)水泥制造業(yè)在減排CO2等方面已取得很大成果，例如，余熱發(fā)電、利用廢棄物作為代用燃料或代用原料等，都是大家熟知的內(nèi)容，此處不再詳述，以下部分僅探討如何發(fā)展新型低碳水泥工業(yè)體系。

6.1 “以質(zhì)代量”發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)

減排CO2不單是某一個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域某個(gè)環(huán)節(jié)的工作，從產(chǎn)品的生命周期來(lái)看，它涉及到社會(huì)的許多領(lǐng)域，國(guó)家應(yīng)在法律法規(guī)方面予以支持，還要完善和編制相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，全社會(huì)都應(yīng)予以支持和協(xié)作。

現(xiàn)代建筑工程越來(lái)越高的要求是混凝土的功能化，所以“以質(zhì)代量”也是水泥領(lǐng)域中的最好的減排CO2措施。

6.2 開發(fā)非波特蘭水泥體系新產(chǎn)品

開發(fā)如硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和阿利尼特水泥等。其中，硫鋁酸鹽水泥的原料為低品位礬土、石灰石和石膏，因?yàn)槠涫沂呐浜狭康停詿蓽囟鹊?，CO2排放量也低。氟鋁酸鹽水泥用于搶修、堵漏等特殊工程，鋁酸鹽水泥主要應(yīng)用在耐火材料方面。盡管非波特蘭水泥體系的水泥尚未大量生產(chǎn)和使用，但在某些特殊場(chǎng)合可以代替普通水泥發(fā)揮更好的作用。

此外還有堿激發(fā)膠凝材料、利用電石渣及CO2合成納米級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣的研究報(bào)道，堿激發(fā)膠凝材料是一種新型膠凝材料，超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣是一種新型功能填料，廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、油墨、造紙、牙膏、食品以及電子工業(yè)中。

6.3 加強(qiáng)國(guó)際合作，開發(fā)CO2減排的新技術(shù)

抓住機(jī)遇，通過(guò)一帶一路項(xiàng)目、利用CDM機(jī)制加強(qiáng)國(guó)際合作，在促進(jìn)傳統(tǒng)工藝減排CO2的同時(shí)，開發(fā)和引進(jìn)CO2捕獲與封存等控制溫室氣體的新技術(shù)，水泥企業(yè)能為減排溫室氣體承擔(dān)更大的社會(huì)責(zé)任。

7 水泥粉體改性與多功能化水泥的發(fā)展

水泥的改性一般是通過(guò)物理法或化學(xué)法，使水泥粉體產(chǎn)生物理化學(xué)變化并使其性能發(fā)生變化，粉體技術(shù)中的“粉體表面改性”在水泥工業(yè)中得到了很好應(yīng)用?，F(xiàn)在隨著粉體技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)械力化學(xué)法和納米技術(shù)改性法的研究也越來(lái)越受到人們的重視。

7.1 水泥粉體的改性目的

（1）高強(qiáng)度水泥發(fā)展的需求。隨著高層、大型建筑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，有的工程需要混凝土加強(qiáng)抗拉強(qiáng)度，水泥不是最終產(chǎn)品，所以要通過(guò)水泥的改性達(dá)到高強(qiáng)度混凝土的要求。

（2）特種水泥發(fā)展的需求。如大壩水泥、白色水泥和彩色水泥、快硬水泥、油井水泥、軍工水泥等，各種特種水泥的發(fā)展，都需要對(duì)水泥進(jìn)行改性處理。

（3）新型功能水泥發(fā)展的需求。如現(xiàn)在新出現(xiàn)的陶瓷水泥（硬度可與硬塑料媲美）、碳纖水泥（耐高溫、阻燃性好）、木質(zhì)水泥（其制品能像木材一樣鋸切、釘割和開螺孔）、變色水泥（可預(yù)報(bào)天氣、濕度的變化）、夜光水泥（貯存白天的日光及來(lái)往車輛的燈光，夜晚時(shí)閃閃發(fā)光，構(gòu)成“夜光公路”）等，都需要對(duì)水泥進(jìn)行改性處理。

7.2 水泥改性的方法[6]

（1）改變?cè)吓淞?，制備不同品種水泥。

（2）控制水泥細(xì)度，制備不同強(qiáng)度水泥。

（3）采用不同粉磨方法，改變水泥顆粒特性。

（4）添加水泥助劑。

（5）利用粉碎機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)。

7.3 多功能、高性能水泥的研究進(jìn)展

近期出現(xiàn)了一批“優(yōu)秀功能水泥”或“智能水泥”，例如，防電磁爆水泥、抗震水泥、藝術(shù)水泥、透光水泥等，這些令人驚異的功能水泥，豐富了水泥品種和水泥性能。

8 新能源的開發(fā)與利用[7]

新能源一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用的可再生能源，包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、波浪能、潮汐能、氫能、沼氣等。目前，水泥工業(yè)發(fā)展已進(jìn)入能源變革的時(shí)代，在不同的水泥工藝生產(chǎn)單元可考慮采用適用的非化石燃料新能源，從而減少CO2的排放量。另外，水泥熱工領(lǐng)域的廢氣余熱的利用也在向多方向發(fā)展，如可用于民用采暖、洗浴熱水和冬季游泳池用水等。

8.1 新能源的發(fā)展

（1）清潔能源，即綠色能源，是指不排放污染物、能夠直接用于生產(chǎn)生活的能源，包括核能和可再生能源。清潔能源的含義包含有三點(diǎn)：第一，清潔能源是指能源利用的技術(shù)體系是清潔的；第二，清潔能源不但強(qiáng)調(diào)清潔性，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性；第三，清潔能源的清潔性要符合相關(guān)的清潔標(biāo)準(zhǔn)[7]。

（2）非化石能源，是由非煤炭、石油、天然氣等之外的其他物質(zhì)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)變化形成的能源，是一次能源類型外的能源，包括可再生能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等，也包括核能等新能源。提高非化石能源在總能源消費(fèi)中的比重，能夠有效降低溫室氣體排放量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)總量的比重將達(dá)到20%左右。

8.2 氫能

氫在地球上主要是以化合態(tài)的形式存在，是宇宙中分布最廣的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。氫具有燃燒熱值高的特點(diǎn)，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氫燃燒的產(chǎn)物是水，氫能是世界上最干凈的能源，也是二次能源。氫的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，或?qū)⒊蔀楸臼兰o(jì)備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

8.3 微藻制油

微藻是一些微觀的單細(xì)胞群體，是最低等的自養(yǎng)的釋氧植物，它在生長(zhǎng)過(guò)程中可將CO2轉(zhuǎn)化為微藻自身的生物質(zhì)，從而能夠固定碳元素。在工業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)誘導(dǎo)反應(yīng)可使微藻自身的碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為油脂，再經(jīng)提煉加工可生產(chǎn)出生物柴油。利用微藻吸收二氧化碳，生產(chǎn)生物柴油和生物燃?xì)獾倪^(guò)程，即是微藻制油的工藝過(guò)程。在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，可利用生產(chǎn)所排放的CO2進(jìn)行微藻制油，從而達(dá)到減排CO2的目的。另外，藻類物質(zhì)在吸收CO2的同時(shí)，還可吸收NOx，有的物種還可吸收SO2，因此，對(duì)水泥生產(chǎn)微藻制油降低碳排放的研究是一個(gè)重要課題。

8.4 AI新基建發(fā)電廠

全稱應(yīng)為“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)電廠”，現(xiàn)已成為熱議詞匯，并被認(rèn)為是中國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新引擎。AI作為信息基礎(chǔ)設(shè)施板塊中的新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，從其對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和重塑能力而言，實(shí)際上就是數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的新電能。數(shù)字化成為了驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新動(dòng)力，而AI是推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的重要底層技術(shù)。從電腦、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)時(shí)代開始，我們就已經(jīng)進(jìn)入了以數(shù)字化配置資源的新階段，我們的環(huán)境將會(huì)被數(shù)字化、自動(dòng)化，AI將成為支撐這些效能升級(jí)的“新基建發(fā)電廠”。

8.5 智慧能源

智慧能源是近幾年興起的一個(gè)熱詞。智慧能源的載體是能源，2009年國(guó)際學(xué)術(shù)界提出，互聯(lián)互通的科技將改變整個(gè)人類世界的運(yùn)行方式，中國(guó)專家學(xué)者也發(fā)表了“智慧能源與人類文明的進(jìn)步”等文章，引起各界對(duì)智慧能源的關(guān)注。2019年底，海螺集團(tuán)與清華大學(xué)等部門簽訂了智慧能源合作協(xié)議，雙方將在壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電等能源存儲(chǔ)利用技術(shù)項(xiàng)目上深入合作。專家們指出，新能源與儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著重大意義，將會(huì)促進(jìn)水泥行業(yè)新能源的發(fā)展。

9 智能化生產(chǎn)控制與管理體系的開發(fā)[8]

在“十三五”期間，我國(guó)與世界一些著名水泥公司取得了一批水泥行業(yè)IT與網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、智能化控制的技術(shù)成果，如史密斯公司研發(fā)的ECS，伯利休斯公司的T系統(tǒng)，洪堡公司的PRODUX系統(tǒng)，很大程度上解決了水泥行業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度與安全、環(huán)境污染、產(chǎn)品質(zhì)量和資源能源等問(wèn)題。隨著信息化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、云端技術(shù)的出現(xiàn)，水泥工業(yè)在智能化生產(chǎn)控制與管理體系方面有了更大的進(jìn)步。我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究與開發(fā)也取得了一定進(jìn)展，例如，金隅冀東集團(tuán)的一條日產(chǎn)萬(wàn)噸水泥熟料生產(chǎn)線，將會(huì)于今年投產(chǎn)，該項(xiàng)目突出綠色、智能兩大理念，建成后將是首條智能化萬(wàn)噸生產(chǎn)示范線。下面介紹兩個(gè)典型的智能管理控制系統(tǒng)。

（1）先進(jìn)尋優(yōu)智能控制APC系統(tǒng)，該技術(shù)采用先進(jìn)的控制理論和控制方法，以工藝過(guò)程分析和數(shù)學(xué)模型計(jì)算為核心，以工廠控制網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)為信息載體，使水泥生產(chǎn)過(guò)程控制由原來(lái)的常規(guī)PID控制過(guò)渡到多變量模型預(yù)測(cè)控制，最終增強(qiáng)了水泥生產(chǎn)裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性并提高了裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益[12]。

（2）生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)方面的MES系統(tǒng)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維在線交互溝通，為企業(yè)管理層提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、在線顯示趨勢(shì)以及計(jì)劃排程、生產(chǎn)調(diào)度等數(shù)據(jù)集成分解管理模塊，使生產(chǎn)管理進(jìn)入智能化時(shí)代。

10 結(jié)語(yǔ)

（1）“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”的水泥工業(yè)發(fā)展方向，表明了傳統(tǒng)水泥工業(yè)正在向可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)水泥工業(yè)轉(zhuǎn)變，意味著水泥工業(yè)正在為實(shí)現(xiàn)與資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展而努力。

（2）在我國(guó)經(jīng)濟(jì)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革背景下，水泥產(chǎn)品和技術(shù)將從中低端向中高端邁進(jìn)，AI技術(shù)的水平將會(huì)進(jìn)一步提高，高質(zhì)量、高壽命、卓越性能、綠色環(huán)保的膠凝材料產(chǎn)品產(chǎn)量將會(huì)增加。我們期待著“顛覆性制造技術(shù)”出現(xiàn)。

（3）水泥工業(yè)消納廢棄物應(yīng)與社會(huì)廢棄物處理產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，這是水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種途徑，人們正在為把廢棄物變?yōu)樾履茉春托沦Y源而努力。

（4）由于現(xiàn)代粉體技術(shù)的邊緣性和滲透性，使得跨學(xué)科跨專業(yè)的技術(shù)突破成為可能。我國(guó)水泥科技工作者通過(guò)學(xué)習(xí)經(jīng)濟(jì)工程學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)，將會(huì)使綠色水泥技術(shù)得到快速進(jìn)展[9]。

（5）本文提到的一些研究?jī)?nèi)容屬于應(yīng)用基礎(chǔ)類研究項(xiàng)目，有些是對(duì)未知領(lǐng)域的探索，本身是創(chuàng)造性、探索性很強(qiáng)的研究活動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是較高層面的科研工作，我國(guó)水泥科技工作者應(yīng)該積極地進(jìn)行探索和研究。

（6）隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和與世界各國(guó)的友好合作交流，作為世界水泥大國(guó)，我國(guó)水泥行業(yè)的發(fā)展環(huán)境將會(huì)有很大變化，一帶一路水泥項(xiàng)目將會(huì)增加。