水泥工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料工業(yè)，1978年我國水泥產(chǎn)量約0.6億噸，到2020年增長至24億噸，多年來我國水泥年產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一位。2020年我國水泥工業(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%、占全國二氧化碳排放總量的13.5%。水泥工業(yè)決心將在2023年實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，而“節(jié)能減排”是水泥工業(yè)實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”最有效、最基本的常規(guī)路徑。
我國是水泥外加劑生產(chǎn)大國，同時也是消費大國，水泥外加劑行業(yè)在國內(nèi)已形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)值超過300億元，隨著環(huán)保和節(jié)能要求的提高，預(yù)計未來三年，行業(yè)年產(chǎn)值將超過600億元。“十三五”是我國建材行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)轉(zhuǎn)折性發(fā)展的重要階段。2019年11月6日，國家發(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“水泥外加劑開發(fā)與應(yīng)用”新增進(jìn)入了鼓勵類指導(dǎo)目錄，標(biāo)志水泥外加劑行業(yè)將由“高速增長階段”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、六價鉻還原劑及水泥砂漿性能改善劑等。據(jù)我國實際生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在水泥生產(chǎn)過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2.45萬噸；減排NOx氣體5.88萬噸；節(jié)電176.6億度；節(jié)煤185.1萬噸標(biāo)煤；減少石灰石消耗1.21億噸；減少粘土消耗3200萬噸；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原有生產(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，推動我國水泥行業(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)用過程中必不可少的重要組分，其中，水泥助磨劑在我國水泥企業(yè)中的應(yīng)用率已經(jīng)超過了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)能減排的重點之一。助磨劑通過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，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)備在裝機容量不變的情況下，臺時產(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)備在裝機容量不變的情況下，臺時產(chǎn)量提高5%～10%，單產(chǎn)電耗降低5%～10%。同時，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。助磨劑在開路粉磨中可以增產(chǎn)節(jié)能，減少過粉磨現(xiàn)象。在閉路粉磨系統(tǒng)中，結(jié)合選粉機的作用，助磨劑不僅可以顯著提高磨機的產(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)”使其強度利用率得到提高，因此，對比未摻助磨劑、相同等級的水泥產(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-球磨機聯(lián)合粉磨工藝流程，是我國最常見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，對各種物料在磨內(nèi)粉磨的時間是相同的，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，其中粉煤灰表面積會達(dá)到400 m2/kg，礦渣比表面積卻只有260 m2/kg。經(jīng)試驗研究證明，“礦渣只有磨至比表面積為420～430 m2/kg時，其活性才能激發(fā)出來；而粉煤灰比表面積為550～600 m2/kg時，內(nèi)部玻璃體被打破，其活性才能激發(fā)出來”。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)品的強度等級，既增加了熟料用量，又浪費了產(chǎn)品電耗，對“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、單獨粉磨。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，更有利于其填充密實作用，就能把這一粒徑段的熟料置換出來，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”，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)部門的特點和難點。在考慮碳排放的同時，水泥行業(yè)也是資源消耗大戶。以國內(nèi)2019年熟料總產(chǎn)量15.2億噸計算，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，從長遠(yuǎn)來看，發(fā)展趨勢將是：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、三級粉煤灰、低品位石灰石、方解石、白云石、煤矸石、硅砂、砂巖、頁巖、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”，并不是沒有“水化活性”，只是“活性指數(shù)”較低，達(dá)不到國家標(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”本來就是特種水泥生產(chǎn)中的重點和難點，它們對常規(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機鹽類。在水泥粉磨后，它們并未消失，而會成為水泥產(chǎn)品的微量組分；這些物質(zhì)的加入，對水泥水化有兩個方面的影響：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性地深入研究；反過來說，欲在替代原料進(jìn)入水泥生產(chǎn)過程繼續(xù)保持原來的優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高產(chǎn)，必須對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，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，實現(xiàn)低碳水泥發(fā)展的創(chuàng)新。
某外加劑分會副會長單位，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。通過對微粉材料在水泥生產(chǎn)、混凝土制備中的應(yīng)用試驗，結(jié)果表明，摻量不超過15%時，水泥及混凝土物理性能與不摻時的效果基本相同，可以替代10%的水泥，其產(chǎn)品各項性能優(yōu)良，節(jié)省水泥中的熟料用量，間接起到節(jié)能減排作用，實現(xiàn)超低排放的水泥生產(chǎn)過程，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”形勢嚴(yán)峻，固體廢棄物污染引發(fā)的環(huán)境問題不斷顯現(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)停留時間長，有機物分解徹底；采用破碎+外加劑發(fā)酵+機械擠壓脫水預(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)?！?000t/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)量不超過入窯物料總質(zhì)量的30%），處置系統(tǒng)穩(wěn)定，對水泥產(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，無灰渣排放；垃圾中包括：有機物替代燃料、無機物替代原料，資源化利用程度高；水泥熟料對垃圾中的重金屬具有固化作用，無害化程度高；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，對垃圾的前置處理方便，投資下降，運行費用低。
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，此項使命已經(jīng)在國內(nèi)全面展開，并取得了積極的效果。目前，我國經(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)展的問題。未來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之一，也是一個值得期待的發(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）我國碳市場的建設(shè)與發(fā)展
碳市場是通過市場機制促進(jìn)企業(yè)對碳排放權(quán)進(jìn)行優(yōu)化配置。碳市場交易產(chǎn)品主要包括排放配額（Allowance-based transactions）和項目減排（Project-based emission reductions）兩大類型。如果企業(yè)碳排放量超過了其擁有的配額量，則需要在市場上購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。碳市場為企業(yè)提供了一個可以根據(jù)自身實際情況安排節(jié)能減排或購買配額間進(jìn)行靈活選擇的機會，實現(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)在碳市場建設(shè)中面臨機會與挑戰(zhàn)
我國2011年起在7個省市啟動了地方碳交易試點工作，取得了積極進(jìn)展，積累了豐富經(jīng)驗。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)志著全國碳市場的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)入了新階段。今年全國碳市場首個履約周期正式啟動，涉及2225家發(fā)電行業(yè)的重點排放單位。根據(jù)國家碳排放權(quán)交易市場建設(shè)計劃，“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。水泥行業(yè)納入全國碳交易市場，將為水泥企業(yè)節(jié)能減排帶來更大的壓力，也為我國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)帶來了更大的機會與挑戰(zhàn)。
預(yù)計2020 年之后，中國碳市場覆蓋排放量超過40億噸，將成為全球規(guī)模最大的碳市場。而全國統(tǒng)一碳市場對碳排放的硬約束下，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)帶來機會和挑戰(zhàn)。
四、結(jié)語
“十三五”是我國建材行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(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)，實現(xiàn)業(yè)績可持續(xù)增長的陽光大道。水泥外加劑分會也要擔(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，變“環(huán)保壓力”為“綠色動力”，順勢而上，加大科技投入，積極探索碳中和、碳捕集、利用與封存技術(shù)，堅持創(chuàng)新驅(qū)動。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)實現(xiàn)更高質(zhì)量的永續(xù)發(fā)展。同時，水泥外加劑分會也要主動作為，積極探索水泥外加劑進(jìn)入碳交易范圍的可能性。
