水泥工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料工業(yè)，1978年我國(guó)水泥產(chǎn)量約0.6億噸，到2020年增長(zhǎng)至24億噸，多年來(lái)我國(guó)水泥年產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一位。2020年我國(guó)水泥工業(yè)排放二氧化碳12.3億噸，占建材工業(yè)二氧化碳排放總量的84.3%、占全國(guó)二氧化碳排放總量的13.5%。水泥工業(yè)決心將在2023年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，而“節(jié)能減排”是水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”最有效、最基本的常規(guī)路徑。
我國(guó)是水泥外加劑生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是消費(fèi)大國(guó)，水泥外加劑行業(yè)在國(guó)內(nèi)已形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)值超過(guò)300億元，隨著環(huán)保和節(jié)能要求的提高，預(yù)計(jì)未來(lái)三年，行業(yè)年產(chǎn)值將超過(guò)600億元?！笆濉笔俏覈?guó)建材行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折性發(fā)展的重要階段。2019年11月6日，國(guó)家發(fā)改委正式修訂發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄2019》，其中“水泥外加劑開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”新增進(jìn)入了鼓勵(lì)類指導(dǎo)目錄，標(biāo)志水泥外加劑行業(yè)將由“高速增長(zhǎng)階段”轉(zhuǎn)向“高質(zhì)量發(fā)展階段”。
一、“十三五”水泥外加劑助力節(jié)能減排
水泥外加劑分為“水泥生產(chǎn)外加劑”和“水泥功能外加劑”兩大類，包括節(jié)煤劑、生料固硫劑、低溫礦化劑、煙氣脫硫劑、脫硝劑、水泥助磨劑、六價(jià)鉻還原劑及水泥砂漿性能改善劑等。據(jù)我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在水泥生產(chǎn)過(guò)程中添加水泥外加劑，每年可減排CO2氣體1.65億噸；減排SO2氣體2.45萬(wàn)噸；減排NOx氣體5.88萬(wàn)噸；節(jié)電176.6億度；節(jié)煤185.1萬(wàn)噸標(biāo)煤；減少石灰石消耗1.21億噸；減少粘土消耗3200萬(wàn)噸；多消納工業(yè)廢渣1.62億噸。使用水泥外加劑能夠在不改變?cè)猩a(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，減少水泥工業(yè)廢氣排放、降低水泥生產(chǎn)能源消耗，推動(dòng)我國(guó)水泥行業(yè)的綠色發(fā)展。
1）水泥助磨劑的原理和應(yīng)用效果
水泥外加劑已成為水泥生產(chǎn)、制備和應(yīng)用過(guò)程中必不可少的重要組分，其中，水泥助磨劑在我國(guó)水泥企業(yè)中的應(yīng)用率已經(jīng)超過(guò)了90%。每生產(chǎn)一噸水泥需要粉磨三噸物料，粉磨電耗約占水泥總電耗的65%-75%，因此，是節(jié)能減排的重點(diǎn)之一。助磨劑通過(guò)吸附在水泥顆粒表面，降低物料的表面能，改善了物料的易磨性，使其更易于粉碎；同時(shí)，由于助磨劑的滲透作用，能阻止物料顆粒的裂紋閉合、加速裂紋的擴(kuò)展，有利于提高物料被磨細(xì)的速度。使粉磨設(shè)備在裝機(jī)容量不變的情況下，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量提高5%～10%，單產(chǎn)電耗降低5%～10%。每年節(jié)電所產(chǎn)生的二氧化碳“間接”排放十分可觀。
助磨劑通過(guò)吸附在水泥細(xì)顆粒表面，降低物料的表面能，促進(jìn)水泥顆粒的分散，改善物料的易磨性，使其更易于粉碎；有效防止水泥顆粒團(tuán)聚，避免磨內(nèi)物料發(fā)生糊球、糊襯板等現(xiàn)象，提高粉磨效率。使粉磨設(shè)備在裝機(jī)容量不變的情況下，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量提高5%～10%，單產(chǎn)電耗降低5%～10%。同時(shí)，由于助磨劑的滲透作用，能阻止物料顆粒的裂紋閉合、加速裂紋的擴(kuò)展，有利于提高物料被磨細(xì)的速度。助磨劑在開(kāi)路粉磨中可以增產(chǎn)節(jié)能，減少過(guò)粉磨現(xiàn)象。在閉路粉磨系統(tǒng)中，結(jié)合選粉機(jī)的作用，助磨劑不僅可以顯著提高磨機(jī)的產(chǎn)量，還可以提高水泥的比表面積，使3～32μm顆粒的含量顯著增加，優(yōu)化了水泥產(chǎn)品的顆粒組成。水泥產(chǎn)品中的熟料、混合材組分得到充分地粉磨，所謂“物理激發(fā)”使其強(qiáng)度利用率得到提高，因此，對(duì)比未摻助磨劑、相同等級(jí)的水泥產(chǎn)品，其熟料的摻加量可以適當(dāng)節(jié)省一部分，即：用相同數(shù)量的熟料，可以生產(chǎn)更多的水泥。
2）水泥助磨劑在混合粉磨工藝中的應(yīng)用
目前，輥壓機(jī)-球磨機(jī)聯(lián)合粉磨工藝流程，是我國(guó)最常見(jiàn)的水泥粉磨裝備配置；通常采用的作業(yè)方式是：將熟料、石膏、混合材料和助磨劑，按一定比例配合，同步送入該工藝流程內(nèi)粉磨成合格的細(xì)粉，此稱之為：混合粉磨工藝。
混合粉磨工藝，對(duì)各種物料在磨內(nèi)粉磨的時(shí)間是相同的，由于各種物料的易磨性及需要粉磨的粒徑不相同，混合粉磨得出的產(chǎn)品比表面積均為“假象比表面積”。如：P?C42.5水泥，當(dāng)其比表面積為320～340 m2/kg時(shí)，其中粉煤灰表面積會(huì)達(dá)到400 m2/kg，礦渣比表面積卻只有260 m2/kg。經(jīng)試驗(yàn)研究證明，“礦渣只有磨至比表面積為420～430 m2/kg時(shí)，其活性才能激發(fā)出來(lái)；而粉煤灰比表面積為550～600 m2/kg時(shí)，內(nèi)部玻璃體被打破，其活性才能激發(fā)出來(lái)”。所以混合粉磨工藝產(chǎn)品的粒徑分布，大多數(shù)情況下是不合理的。結(jié)果是混合材未起到應(yīng)盡的填充和活性激發(fā)作用，其摻量不宜增加。為確保產(chǎn)品的強(qiáng)度等級(jí)，既增加了熟料用量，又浪費(fèi)了產(chǎn)品電耗，對(duì)“碳減排”十分不利。如果采用“分別粉磨”工藝，即：將不同易磨性的組分（物料）分開(kāi)、單獨(dú)粉磨。如：水泥熟料、石膏磨至≤30 μm；混合材磨到活性發(fā)揮必備的細(xì)度（≤10 μm），然后按配比混合均化，這樣生產(chǎn)的水泥在激發(fā)混合材活性的同時(shí)，更有利于其填充密實(shí)作用，就能把這一粒徑段的熟料置換出來(lái)，既達(dá)到了碳減排、又得到了優(yōu)質(zhì)高性能水泥。
由于助磨劑對(duì)水泥熟料及各品種混合材具有一定的適應(yīng)性，因此，在分別粉磨工藝前，需要助磨劑供應(yīng)商做好“配型試驗(yàn)”，服務(wù)到位，助力水泥企業(yè)滿足粉磨工藝要求。采用分別粉磨，還可以將鋼渣、礦渣和粉煤灰等具有膠凝性能的固廢資源磨細(xì)，代替部分熟料，使其在水泥工業(yè)“碳減排”中，充分發(fā)揮作用。
二、水泥外加劑助力傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)方式綠色轉(zhuǎn)型
1）水泥外加劑在工業(yè)固廢替代水泥原材料中的研究和應(yīng)用
煅燒水泥熟料會(huì)產(chǎn)生大量的CO2排放，這是水泥工業(yè)區(qū)別于其他工業(yè)部門的特點(diǎn)和難點(diǎn)。在考慮碳排放的同時(shí)，水泥行業(yè)也是資源消耗大戶。以國(guó)內(nèi)2019年熟料總產(chǎn)量15.2億噸計(jì)算，消耗礦產(chǎn)資源高達(dá)24億噸左右。如何減少水泥生料中石灰石的配比、或減少水泥熟料中總CaO含量，即減少高鈣硅酸鹽礦物的含量。此項(xiàng)任務(wù)稱之為：“工藝”減排，約占水泥工業(yè)二氧化碳排放總量的60%；所以，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，發(fā)展趨勢(shì)將是：盡量少用或不用碳酸鹽原料，而釆用硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽等原料；或利用低質(zhì)原料、低活性工業(yè)固體廢棄物作為替代原料，現(xiàn)已成為廣大水泥企業(yè)及外加劑行業(yè)勢(shì)在必行的技術(shù)革命。
在確保水泥質(zhì)量的前提下，可以綜合利用當(dāng)?shù)氐唾|(zhì)原料和低活性工業(yè)固體廢棄物作為水泥工業(yè)的替代原料，如：鋼渣、鎳鐵渣、三級(jí)粉煤灰、低品位石灰石、方解石、白云石、煤矸石、硅砂、砂巖、頁(yè)巖、等等，激發(fā)其活性，做混合材料或混凝土摻合料。工業(yè)固體廢棄物和低質(zhì)原料種類繁多、化學(xué)成分復(fù)雜，且不穩(wěn)定，其主要的成分仍然是以CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、SO3等組成；許多所謂“非活性混合材料”，并不是沒(méi)有“水化活性”，只是“活性指數(shù)”較低，達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中“活性混合材料”的要求。這些替代原料的“易磨性”、“易燒性”本來(lái)就是特種水泥生產(chǎn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它們對(duì)常規(guī)外加劑的適應(yīng)性，都發(fā)生了不同程度的變化。水泥助磨劑的有機(jī)組分大多為多元醇、多元醇胺及其衍生物，另外還有一定量的無(wú)機(jī)鹽類。在水泥粉磨后，它們并未消失，而會(huì)成為水泥產(chǎn)品的微量組分；這些物質(zhì)的加入，對(duì)水泥水化有兩個(gè)方面的影響：一是物理作用，助磨劑新增了易水化顆粒的含量，加大了水泥水化的力度；二是化學(xué)作用，水泥助磨劑的化學(xué)成分，可以激發(fā)混合材料的潛在水硬性，提高了水化產(chǎn)物的強(qiáng)度，使水泥工業(yè)的環(huán)保利廢功能更加明顯；節(jié)煤劑、低溫礦化劑，生料固硫劑、煙氣脫硫劑、脫硝劑等都需要針對(duì)性地深入研究；反過(guò)來(lái)說(shuō)，欲在替代原料進(jìn)入水泥生產(chǎn)過(guò)程繼續(xù)保持原來(lái)的優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高產(chǎn)，必須對(duì)水泥外加劑的品種及應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或重新研發(fā)。從低鈣水泥切入，向突破通用硅酸鹽水泥熟料體系、尋找新的四元或五元硅酸鹽類水泥新體系；同時(shí)，應(yīng)與特種水泥有所區(qū)別，在現(xiàn)有水泥生產(chǎn)工藝裝備條件和滿足建筑工程質(zhì)量要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低碳水泥發(fā)展的創(chuàng)新。
某外加劑分會(huì)副會(huì)長(zhǎng)單位，將“低質(zhì)石灰石、玄武巖、煤矸石、建筑垃圾”等資源（原料），先經(jīng)干燥預(yù)處理，使其含水率小于1.5%，然后粉碎、細(xì)磨，選擇合適的外加劑，助磨、活化、將其粉磨至比表面積大于400 m2/kg的微粉，謂之：輔助膠凝材料。通過(guò)對(duì)微粉材料在水泥生產(chǎn)、混凝土制備中的應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明，摻量不超過(guò)15%時(shí)，水泥及混凝土物理性能與不摻時(shí)的效果基本相同，可以替代10%的水泥，其產(chǎn)品各項(xiàng)性能優(yōu)良，節(jié)省水泥中的熟料用量，間接起到節(jié)能減排作用，實(shí)現(xiàn)超低排放的水泥生產(chǎn)過(guò)程，給利用低活性混合材料提供了可行性；為行業(yè)綠色發(fā)展，增添了新的路徑。
2）持續(xù)探索水泥外加劑在水泥窯協(xié)同處置技術(shù)中的應(yīng)用
隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)入新的發(fā)展階段，各類廢棄物與日俱增，“垃圾圍城”形勢(shì)嚴(yán)峻，固體廢棄物污染引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題不斷顯現(xiàn)；所涉及的廢物類型包括：一般工業(yè)固體廢棄物、工業(yè)危險(xiǎn)廢棄物、醫(yī)療廢棄物和生活垃圾四大類型，量大面廣。在我國(guó)水泥工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃中，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)被納入重點(diǎn)推進(jìn)工程。支持利用現(xiàn)有新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾、城市污泥、污染土壤和危險(xiǎn)廢物，綜合利用水、氣、粉、塵，減少各種污染與排放，推進(jìn)綠色發(fā)展，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
水泥窯燃燒溫度高，垃圾在高溫區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng)，有機(jī)物分解徹底；采用破碎+外加劑發(fā)酵+機(jī)械擠壓脫水預(yù)處理，降低入爐垃圾水分，提高垃圾熱值，而且對(duì)于高含水、復(fù)雜形態(tài)，節(jié)煤效果突出；配套單線熟料生產(chǎn)規(guī)模≥3000t/d 的新型干法水泥窯，可以協(xié)同處置生活垃圾（摻加生活垃圾質(zhì)量不超過(guò)入窯物料總質(zhì)量的30%），處置系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)水泥產(chǎn)品質(zhì)量影響??；水泥窯熱容量大，工作狀態(tài)穩(wěn)定，處理垃圾能力強(qiáng)，無(wú)灰渣排放；垃圾中包括：有機(jī)物替代燃料、無(wú)機(jī)物替代原料，資源化利用程度高；水泥熟料對(duì)垃圾中的重金屬具有固化作用，無(wú)害化程度高；水泥窯的堿性環(huán)境可抑制酸性氣體的排放；水泥窯有廢熱資源可供利用，對(duì)垃圾的前置處理方便，投資下降，運(yùn)行費(fèi)用低。
外加劑企業(yè)應(yīng)該積極加入利用水泥窯協(xié)同處置生活垃圾和工業(yè)固體危廢物的工作，此項(xiàng)使命已經(jīng)在國(guó)內(nèi)全面展開(kāi)，并取得了積極的效果。目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，固廢處置與綜合利用領(lǐng)域也面臨如何高質(zhì)量發(fā)展的問(wèn)題。未來(lái)選擇在城市周邊的水泥窯協(xié)同處置生活垃圾和工業(yè)固體危廢物是資源化的重點(diǎn)之一，也是一個(gè)值得期待的發(fā)展方向。
三、水泥外加劑助力“十四五”水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展
1）我國(guó)碳市場(chǎng)的建設(shè)與發(fā)展
碳市場(chǎng)是通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制促進(jìn)企業(yè)對(duì)碳排放權(quán)進(jìn)行優(yōu)化配置。碳市場(chǎng)交易產(chǎn)品主要包括排放配額（Allowance-based transactions）和項(xiàng)目減排（Project-based emission reductions）兩大類型。如果企業(yè)碳排放量超過(guò)了其擁有的配額量，則需要在市場(chǎng)上購(gòu)買更多碳排放配額或碳減排指標(biāo)完成履約責(zé)任；如果企業(yè)排放量低于其擁有的配額，企業(yè)可自主選擇出售盈余配額，獲取收益。碳市場(chǎng)為企業(yè)提供了一個(gè)可以根據(jù)自身實(shí)際情況安排節(jié)能減排或購(gòu)買配額間進(jìn)行靈活選擇的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本效益最優(yōu)碳資產(chǎn)管理模式。
2）水泥外加劑行業(yè)在碳市場(chǎng)建設(shè)中面臨機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)
我國(guó)2011年起在7個(gè)省市啟動(dòng)了地方碳交易試點(diǎn)工作，取得了積極進(jìn)展，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。今年《碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》、《碳排放權(quán)登記管理規(guī)則（試行）》、《碳排放權(quán)交易管理規(guī)則（試行）》和《碳排放權(quán)結(jié)算管理規(guī)則（試行）》的的正式施行，標(biāo)志著全國(guó)碳市場(chǎng)的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)入了新階段。今年全國(guó)碳市場(chǎng)首個(gè)履約周期正式啟動(dòng)，涉及2225家發(fā)電行業(yè)的重點(diǎn)排放單位。根據(jù)國(guó)家碳排放權(quán)交易市場(chǎng)建設(shè)計(jì)劃，“十四五”期間鋼鐵、水泥、化工、電解鋁、造紙行業(yè)將納入碳排放權(quán)交易市場(chǎng)。水泥行業(yè)納入全國(guó)碳交易市場(chǎng)，將為水泥企業(yè)節(jié)能減排帶來(lái)更大的壓力，也為我國(guó)以降低水泥能耗和減少石灰石使用的水泥外加劑技術(shù)企業(yè)帶來(lái)了更大的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)。
預(yù)計(jì)2020 年之后，中國(guó)碳市場(chǎng)覆蓋排放量超過(guò)40億噸，將成為全球規(guī)模最大的碳市場(chǎng)。而全國(guó)統(tǒng)一碳市場(chǎng)對(duì)碳排放的硬約束下，將加大水泥企業(yè)溫室氣體減排的，提升采用節(jié)能減排新技術(shù)的積極性，這就為水泥外加劑，特別是省煤劑、助磨劑等以幫助水泥企業(yè)節(jié)能降耗減少溫室氣體排放的水泥外加劑企業(yè)帶來(lái)機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。
四、結(jié)語(yǔ)
“十三五”是我國(guó)建材行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折性發(fā)展的重要階段。水泥工業(yè)“碳達(dá)峰、碳中和”不僅僅是一項(xiàng)偉大崇高的使命，也是一次關(guān)鍵的行業(yè)轉(zhuǎn)型，這是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)業(yè)績(jī)可持續(xù)增長(zhǎng)的陽(yáng)光大道。水泥外加劑分會(huì)也要擔(dān)負(fù)起歷史使命，引導(dǎo)水泥外加劑企業(yè)要大膽探索、勇于創(chuàng)新、積極進(jìn)取，在踐行使命的同時(shí)，變“環(huán)保壓力”為“綠色動(dòng)力”，順勢(shì)而上，加大科技投入，積極探索碳中和、碳捕集、利用與封存技術(shù)，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。大力研發(fā)各類新型外加劑及其應(yīng)用技術(shù)，推進(jìn)新型膠凝材料、替代化石燃料、低碳資源等前沿技術(shù)，在轉(zhuǎn)型發(fā)展上取得新的突破，助力水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的永續(xù)發(fā)展。同時(shí)，水泥外加劑分會(huì)也要主動(dòng)作為，積極探索水泥外加劑進(jìn)入碳交易范圍的可能性。
