百年征程波澜壮阔，百年初心历久弥坚。今年是中国共产党建党100周年。一百年来，在党旗指引下，一代代共产党人不忘初心、砥砺前行。水泥工业在中国大地上发展100多年来，真实地见证了中国共产党领导和建设中国的沧桑巨变，生动的诠释了中国共产党实践和发展工业的丰功伟绩，水泥工业取得巨大成就的生动缩影，就是中国特色工业发展在水泥行业的生动实践。“十三五”正处于我国实现“两个一百年”目标中第一个“百年”目标的冲刺期。水泥行业作为重要的基础原材料工业，对于全面实现建成小康社会、实现第一个百年奋斗目标，肩负重要责任。“十三五”期间，水泥工业积极践行习近平总书记提出的“科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑”科技创新思想，把科技创新作为引领行业发展的第一动力，勠力同心、开拓进取，在工艺创新、技术研发、智能制造、协同处置等领域取得一系列科技创新成果，为水泥行业实现绿色可持续的高质量发展奠定坚实基础。

水泥工业科技发展水平在“十三五”期间成效显著。科技研发投入强度首次破1；科技创新人才不断涌现，“十三五”期间共评选出113名水泥行业“优秀总工程师”；企业创新平台发展风生水起，技术攻关超过1500项，技术创新成果达1800项，荣获地方以及省部级技术革新奖项约500项；科技创新取得丰硕成果，“十三五”期间获国家科技进步二等奖一项，获得“建筑材料科学技术奖”35项。

“十三五”期间，水泥行业在低碳水泥品种研发、碳捕集及应用、智能制造、水泥窑协同处置、数字化矿山、污染物深度治理领域取得重大科技进展。

一、低碳水泥品种研发

低碳水泥技术是应对中国水泥行业应对碳达峰、碳中和目标的重要路径之一。“十三五”期间，水泥行业相关科研机构在低碳水泥方面开展了较多研究，涉及高贝利特硅酸盐水泥、硫铝（铁）酸盐水泥、以及磷酸镁水泥等。高贝利特硅酸盐水泥不仅具有早期放热速率慢、水化热总量低、早期强度低、后期强度增长等明显的技术优势，且具有抗干缩、抗侵蚀、抗冲耐磨的性能优势。“十三五”期间，主要应用于乌东德和白鹤滩工程，这两个工程属于世界首次将低热硅酸盐水泥全坝应用于300m级混凝土特高双曲拱坝。白鹤滩大坝主体混凝土浇筑总方量达800万立方米，共分为31个坝段，开浇以后未出现一条温度裂缝，不仅使用效果突出，还节约了施工过程中的温控成本。

图1 白鹤滩水电站大坝

2018年，硫铝酸盐水泥被列入工信部发布的《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录》（2018—2019）。由于矿物体系的特点，硫（铁）铝酸盐水泥具有快凝快硬、早强高强；水化放热集中，可在低温下水化硬化，抗冻性好；水化浆体密实，抗渗性好；优异的耐腐蚀性能；碱度低等特点。硫（铁）铝酸盐水泥制备的混凝土抗碳化能力、抗碱集料反应能力以及抗收缩徐变均非常良好。主要应用领域为冬季施工工程、抢修和抢建工程、配制喷射混凝土、生产水泥制品和混凝土预制构件，补偿收缩砼的配制和抗渗工程、生产纤维增强水泥制品等。

二、水泥行业CCS/CCUS

中国水泥行业CO₂捕集应用滥觞于蒙西水泥集团二氧化碳聚合物生产线，设计能力为3000吨/年，该项目从水泥窑废气中提取CO₂达到食品级纯度，作为全降解塑料生产的原料。“十三五”期间，以海螺、金隅冀东、福建龙麟等为代表的水泥企业继续积极开展碳捕集研究和应用。北京金隅琉水公司捕集CO₂应用于协同处置垃圾焚烧飞灰水洗工艺；福建龙麟水泥在建的“新型干法旋窑CO₂碳捕集纯化示范项目（一期）”设计年液化CO₂能力6.2万吨，形成产品为3.5万t/a食品级液态CO₂、1.842万t/a食品级固态CO₂（干冰），附加产品为65%纯度的氧化钙 16.338万t/a，回入水泥窑生产水泥熟料。项目建设内容包括煤气制备、外燃式旋窑生产线、液态二氧化碳及干冰生产装置和与之配套的其他生产辅助设施。该项目主要环节为从预热器C4物料出口截取部分物料进入外燃旋窑，该外燃旋窑由旋窑燃烧室和旋窑筒体组成，煤气在燃烧室内多点燃烧，加热旋窑筒体，火焰不与物料直接接触，确保生料内碳酸盐在筒体内受热分解为较高纯度的CO₂气体。海螺水泥“白马山水泥厂水泥窑烟气CO₂捕集纯化项目”，该项目于2018年正式投运，设计能力为工业级液体二氧化碳2万吨/年，食品级液体二氧化碳3万吨/年。该项目采取的技术路线为燃烧后捕集的化学吸收法，原料气从水泥窑电除尘排风机出口与烟囱之间的管道引出，气量为22000Nm³/h,折算工况风量为30000m³/h，进口温度为91.5℃。该项目在几个方面取得了显著成果，一是研发出易再生复合型有机胺脱碳剂并形成产业化；二是开发了水泥窑烟气预处理工艺及关键装置；三是开发了水泥窑烟气CO₂吸收/解吸工艺技术及装置；四是开发了CO₂纯化精制关键技术及装置。

图2 海螺水泥CO₂捕集纯化主要流程示意图

图3 海螺水泥CO₂捕集纯化项目

三、水泥生产过程智能集成优化控制技术

党的十九大报告中提出要“加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合，促进我国产业迈向全球价值链中高端。”《中国制造2025》提出要“坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展；信息业与制造业的深度融合是未来产业竞争的制高点，推进重点行业智能转型升级”。推动我国水泥工业加速转型升级，互联网、大数据、云计算、人工智能等先进技术是重要技术支撑和发展方向。“十三五”期间，济南大学王孝红团队研发了“水泥生产过程智能集成优化控制技术”，该技术针对水泥生产过程智能集成优化控制需求，围绕稳定产品质量、节能降耗；以水泥生产过程集成自动化系统、智能集成优化控制技术及工程应用为核心；覆盖水泥生产过程的生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨等主要工序。该技术研发出适应水泥生产的集成控制自动化体系架构，解决了异构数据采集、传输和融合的关键集成技术难题；研发了在线工况识别、模型库在线匹配、多控制策略组合控制及优化一体集成的水泥生产过程智能优化控制策略，实现了水泥生产过程的动态监测和优化控制；研究了水泥生料制备、熟料烧成、水泥粉磨等生产过程关键参数的动态耦合关系，建立了动态关系模型，应用多控制器组合控制关键技术，确保水泥生产关键过程的动态稳定性。该项目对推动水泥行业转型升级、提升智能制造发展水平、提质降本增效具有重要意义。

四、水泥窑协同处置/替代燃料技术

新型干法水泥工艺本身具有温度高、热惯量大、工况稳定、气（料）流在窑系统滞留时间长，湍流强烈、碱性气氛等特点，以及最终水泥熟料产品的有效固化作用，使得水泥窑协同处置技术具有得天独厚的明显优势。国家出台相关政策引导和支持水泥行业开展水泥窑协同处置，对于水泥行业协同处置技术发展起到巨大推动作用。“十三五”期间，中国建材集团、海螺水泥、金隅冀东水泥、华润水泥、华新水泥、红狮水泥、台泥等水泥企业（集团）积极探索协同处置技术研发应用。华新水泥“水泥窑高效生态化协同处置固体废弃物成套技术与应用”成果，荣获2016年国家科学技术进步奖二等奖。武安市新峰水泥有限责任公司打造成全国首家城乡生活垃圾一体化处置模式，打通农村生活垃圾从回收到处理的全链条，通过“农户分类-乡村收集-统一转运-集中处理-循环利用”的模式，确保武安市城乡生活垃圾100%无害化处置。据初步统计，截止“十三五”末，全国共有协同处置生产线（含处置污泥、危废、生活垃圾及其他一般固废）共约252条，占比新型干法水泥生产线数量超过15%。

图4 新峰水泥城乡生活垃圾一体化处置

图5 华新水泥协同处置生产线

“十三五”期间，除协同处置生活垃圾替代燃料外，枞阳海螺、吉林金隅冀东等水泥企业也开展了生物质替代燃料研究应用。枞阳海螺生物质替代燃料项目一期正常运行后预计每年可节省原煤约4.9万吨，同时可处理掉秸秆等生物质“废物”约15万吨/年，全部正常运行后将实现生物质替代燃料替代率超过40%。

五、水泥原料矿山智能化管控关键技术

在智能化管控领域，海螺水泥“水泥原料矿山智能化管控关键技术开发与应用”项目获得2019年建筑材料科学技术奖科技进步类二等奖，通过构建矿山地质三维模型、炮孔矿样模型，搭建了数字采矿软件平台、生产执行系统平台和三维可视化管控平台，创立了智能调度系统、生产过程监控和质量控制系统，建立了水泥原料矿山大数据中心，在系统集成应用方面具有较大的创新。通过对数据自动化采集和实时更新，对铲装、运输进行自动调度，对开采过程和设备运行实时动态跟踪，实现了自动配矿和精准开采，提高了低品位矿产资源的综合利用率和生产效率。该项目首次实现水泥原料矿山数字智能化开采，以矿产资源开发过程数字化信息为基础，对资源、规划、设计、生产和管理进行数字化的建模、仿真、评估和优化，并持续应用于矿山生产全过程的新型矿山技术体系和生产组织方式。在矿山数字化的基础上，利用系统工程理论及网络、自动控制和人工智能等技术，以开采环境数字化和采掘装备自动化为特质，实现采矿设计、计划、生产、调度和决策等过程的智能化，是现代水泥原料矿山信息化、智能化发展的新阶段。该项目共获得知识产权16项，其中授权发明专利2项，实质审查发明专利4项，实用新型专利1项，软件著作权9项。

六、氮氧化物深度治理技术

“十三五”期间，水泥行业面临日益增大的环保管控形势，2017年6月苏环办[2017]128号《关于开展全省非电行业氮氧化物深度减排的通知》第一个提出水泥行业NO_x排放浓度控制在100mg/Nm³以下。各省市为继续加大工业部门污染物减排力度，纷纷制定水泥工业大气污染物排放地方标准，截止目前，已有6个省市发布了严于国标限值的地方标准，同时还有浙江、四川、江苏等省市正在制定。综合来看NO_x排放限值最严格值为100mg/Nm³，现有SNCR等氮氧化物治理技术很难实现此排放限值，因此水泥行业相关单位积极开展SCR等深度治理技术的研究和应用。

表4-1水泥工业大气污染物国家标准及地方标准情况

清华大学、北京工业大学、合肥水泥设计研究院、海螺水泥、新峰水泥、福建远致、西矿环保等产学研相关单位就SCR设计、工程应用、脱硝催化剂等进行了深入研究和应用。对于水泥工业SCR应用，催化剂寿命和含尘浓度、烟气中的碱金属、硫以及重金属等元素是关键因素。SCR催化剂常见类型有钒钛基催化剂、沸石催化剂及活性炭催化剂，适宜的温度范围依次是270～400℃、300～440℃、100～150℃。目前国内水泥行业SCR应用以钒钛基催化剂（V₂O₅-WO₃/TiO₂）为主流，基体主要成分是载体TiO₂，助剂WO₃和活性成分V₂O₅。此外，还需添加其他组分以提高抗中毒性能和抗磨蚀性能。催化剂结构形式有蜂窝催化剂、平板催化剂和波纹板催化剂三种，水泥工业多采用蜂窝催化剂。水泥窑高尘SCR脱硝系统，含尘浓度高达60～100g/m³，烟气中的飞灰沉积在催化剂表面，若不及时清灰，在催化剂孔隙内沉积桥接导致催化剂孔隙堵塞，催化剂流通面积变小，尚未堵塞的孔道内流速过快，对催化剂造成严重的磨蚀。同时灰分中的化学成分会与催化剂的活性点位发生化学吸附，影响催化剂活性。目前海螺水泥采用的高温高尘布置，新峰水泥采用高温中尘布置，对于高尘和中尘布置，清灰系统对于催化剂寿命非常关键。福建远致采用高温微尘技术，则能有效避免催化剂磨损，延长使用寿命。据初步统计，截止“十三五”末期全国水泥行业建成投用的SCR脱硝系统已超过20套，在建超过50套，水泥企业正在积极开展氮氧化物深度减排工作。

图6水泥企业SCR系统布置图

 （科技发展部供稿）