水泥工业技术发展史

如果说钢铁是现代工业文明的骨架，那么水泥就是现代工业文明的血肉。

现代工业需要与之匹配的现代建筑，而现代建筑的产生和发展必然需要与之匹配的材料——钢铁和水泥。

第一次工业革命后产业发展的事实也确实如此：现代钢铁工业生产技术和现代水泥工业生产技术都在第一次工业革命时期诞生并逐步成熟起来，而钢铁和水泥生产技术的发展也推动了第一次工业革命的发展。

钢铁是制造机器的主要材料，钢铁和水泥则是基础设施和厂房建筑的主要材料。

现代水泥工业的诞生不是一蹴而就，自农业文明时代以来人类就一直在探索和发明更好的建筑胶凝材料，西方的罗马砂浆和中国的三合土都是早期人类探索的重要成果。

但是这些材料的性能还不够好，无法满足工业文明时期的建筑需求。

现代水泥的诞生源于对灯塔建筑材料的需求，为了抵御海水对灯塔的冲刷和侵蚀，以英国为代表的航海强国需要比罗马砂浆更好的建筑材料，这推动了现代水泥的诞生。

18世纪的欧洲发生了人类历史上第一次工业革命，推动了西方各国社会经济的迅猛向前，建筑胶凝材料的发展步伐也随之加快。

西方国家在“罗马砂浆”的基础上，1756年发现水硬性石灰，1796年发明“罗马水泥”以及类似的天然水泥，1822年出现“英国水泥”，1824年英国政府发布第一个“波特兰水泥”专利。

当代建筑最广泛使用的“波特兰水泥”(硅酸盐水泥)就这样在西方徐徐诞生，同时踏上了不断改进的征途。

1824年，英国利兹的泥水匠阿斯普丁在前人的基础上发明了波特兰水泥并获得专利，波特兰水泥制造方法是：把石灰石捣成细粉，配合一定量黏土，掺水后以人工或机械搅和均匀成泥浆。泥浆干燥后装入石灰窑煅烧，最后将煅烧后的烧块磨细变制成水泥。

水泥的生产过程被形象地概括为“二磨一烧”：即按一定比例混合的原料经粉磨制成生料—再在窑内烧成熟料—最后通过粉磨制成水泥。

在水泥的生产过程中，窑是核心设备，所以人们通常以窑为标志在区别水泥的技术发展。

回顾过去的近二百年，水泥生产先后经历了仓窑、立窑、干法回转窑、湿法回转窑和新型干法回转窑等发展阶段，最终形成现代的预分解窑新型干法。

瓶窑和仓窑

1824年阿斯普丁获得波特兰水泥生产专利时所用的煅烧设备叫瓶窑(Bottle Kiln)，其形状像瓶子，因此而得名。

瓶窑的外形与我国烧成砖瓦的窑类似，在当时是用于煅烧石灰的设备，阿斯普丁将它用来煅烧波特兰水泥。

煅烧的方法与烧石灰类似：将原料制成砖状的料块，自上端装入瓶窑，一层料砖、一层煤炭，逐层堆砌，直到装满为止。然后点燃煤炭，待煤炭烧尽和料块冷却后出窑。

用瓶窑生产水泥缺点较多，除了能源使用效率不高之外，最大的问题是物料煅烧不均匀，出窑的料块有三种:欠烧料、正烧料和过烧料。只有正烧料能用于制造水泥，欠烧料和过烧料一概废弃。

1872年强生在瓶窑的基础上，发明专门用于烧制水泥的仓窑。仓窑是由一个个竖着的瓶窑和一个横向的长仓组成，长仓用作料块的烘干和预烧，瓶窑则用作烧成。

生料块先被装入长仓，在这里进行烘干和预烧，然后将预烧过的料块按一层煤炭、一层料块依次装入瓶窑。

仓窑是在瓶窑被沿用了48年后出现的专门用于烧制水泥熟料的烧成设备，是水泥技术史上第一代水泥窑型。

仓窑在19世纪后期曾一度风靡欧洲，造就了一个水泥工业的仓窑时代。

仓窑在燃料的利用效率上略高于瓶窑，在烧成效率上与瓶窑相同，因此水泥的生产成本仍然较高。

立窑

立窑是德国人狄兹赫(Dietzsch)发明的，1884年在德国取得专利权。

立窑与仓窑的最大区别在于窑内的烧成过程：物料在立窑里沿垂直方向运动并完成煅烧。

使用立窑生产水泥需要先将生料制成料块，将料块投入立窑后先落在加热室进行干燥和预热，然后需要人工将这些料块推到煅烧室并加入燃料，在煅烧室内完成煅烧后经过冷却再卸出。

立窑比仓窑先进，具有操作简便、通风好和热效率高等优点。但是这种窑型仍然属于人工间隙生产，料块的烧成质量不易控制，从窑内卸出的料块仍须挑选才能制造水泥。

立窑在水泥技术史上曾是一代普遍采用的窑型，立窑的投资小、建设快，对技术的要求低，在发展中国家广泛使用。

在中国，人工间隙作业的立窑称普通立窑，机械化连续生产的立窑称之为机立窑。机立窑与普通立窑相比，能显著降低劳动强度，大幅度提高产量，使产品质量得到很大改善。

我国在2000年以前的小水泥使用的主要窑型就是立窑，立窑生产的水泥在我国水泥产量中的比重一度超过80%，直到2000年后随着新型干法回转窑大规模推广后才被逐步淘汰。

干法回转窑和湿法回转窑

在仓窑和立窑中，料块的煅烧往往都不均匀，导致水泥产量低、质量差。

为了提高料块煅烧的均匀程度，工程师们想到让物料在旋转的圆筒中进行煅烧，并进行了孜孜不倦的努力。

经过多次试验，1895年美国工程师亨利和化验师西蒙进行回转窑煅烧波特兰水泥的试验获得成功，并在英国获得专利。

亨利等人试验成功的回转窑是将生料干粉直接喂入窑内，并不像立窑生产那样必须先将生料粉制成砖块或料球后才能入窑，人们将这种窑型称为干法中空回转窑。

回转窑相比之前的窑型有两个重大进步：

第一，回转窑显著提升了水泥的质量。

物料在回转窑内靠着窑的转动而不停地翻动，在翻动的同时自左至右地移动，逐步完成预烧、烧成和冷却等过程。回转窑不存在截面方向温度不均问题，其烧成方式可使产品质量均匀。

第二，回转窑显著提升了水泥的产量。

回转窑的烧成方式不存在温度不均匀的问题，因此可以显著扩大窑体容积，在机械设备许可的条件下大幅度增大，这能够显著提高水泥产量。

回转窑的发明不仅使水泥工业实现大批量连续生产，而且使水泥质量显著提高，这是水泥生产技术的又一次重大进步。

立波尔窑是水泥干法回转窑发展过程中的最终窑型，为了提高燃料使用效率德国人立波尔将干法中空窑的干燥和预热过程移到窑外的加热机上。

20世纪上半叶，在水泥回转窑技术发展过程中同时出现了以湿法长窑为代表的湿法生产和以立波尔窑(又称半干法)为代表的干法生产两种生产方法。

干法回转窑不适用于湿原料，且燃料利用率低，客观催生出了湿法回转窑生产技术。

湿法回转窑的烧成过程与干法回转窑相同，主要在原料制备上有区别：生料是含水为32%~40%的料浆。

悬浮预分解回转窑

水泥生产技术在克服干、湿法缺点和发扬干、湿法优点的过程中不断取得进步，在20世纪50年代出现悬浮预热窑，并最终由此发展出预分解窑。

水泥工业是典型的高耗能产业，降低水泥生产能耗的核心是充分利用好尾气热量。

悬浮预热器的发明和完善进一步提高了尾气的利用率，它通过扩大热空气和物料的接触面积、多次热交换达到最高利用率。

带悬浮预热器的回转窑称为悬浮预热窑，由原料预均化、粉磨兼烘干的生料制造、生料均化、悬浮预热窑和高效收尘设备组成的工艺线则称为悬浮预热窑新型干法。

悬浮预热窑兼容了湿法长窑和立波尔窑的优点，又克服了它们的缺点，其熟料质量可达湿法窑水平但热耗与湿法窑相比下降了40%以上。

在一般情况下，湿法长窑热耗为4.18x(1400~1500)kJ/kg，立波尔窑为4.18x(1000~1100)kJ/kg，悬浮预热窑仅为4.18 x(800~900)kJ/kg。此外，与立波尔窑相比，入窑生料不必事前成球，省去了成球工艺环节和消除了原料的限制。

在20世纪50 年代末到70年代初的10多年间，悬浮预热窑在世界各国得到广泛应用，在德国、日本等能源贫乏的国家采用得尤为普遍。

预分解窑的发明是水泥生产技术的又一重大进展，其技术经济指标较悬浮预热窑又进一步提高，使湿法长窑和立波尔窑更是望尘莫及。

预分解窑经历了上述五个发展阶段后最终脱颖而出，成为当代最先进的水泥烧成设备。它发明于1971年，到20世纪末已遍及全世界，成为主流水泥烧成设备。

预分解窑是新型干法回转窑的最终窑型，从传热的方式看，预分解窑与悬浮预热窑是一样的，因此两者的单位产量热耗也应是相同的。

水泥工业生产技术进步的核心是什么？

水泥工业的技术发展路线十分清晰：回转窑相比仓窑和立窑是烧成方式的改进，而悬浮预分解窑相比湿法和干法回转窑是在能源利用效率上的巨大改进。

水泥工业技术发展到预分解窑后在能源利用效率上基本达到成熟，在此基础上水泥生产线的生产规模从2000吨/日不断增加至10000吨/日以上，水泥工业技术至此基本达到成熟。

在水泥工业技术成熟之后，水泥企业竞争的核心是生产成本和成产规模，而这两者又是密切相关的。

生产规模就是以水泥生产线每日的产量来衡量，单条水泥生产线的生产规模从早期的日产百吨级别发展到20世纪50年代的日产千吨级别，再到21世纪初的万吨级别，水泥企业的生产规模则从年产几十万吨增加到至今的上亿吨的规模。

水泥生产规模的扩大不仅是提高产量，而且在极大程度上可以降低水泥的生产成本。

水泥生产成本降低另一个核心在于水泥的烧成，如何降低水泥烧成的能耗是降低水泥生产成本的另一个关键。

降低水泥烧成能耗的关键在于更加充分的利用燃料，从最初的利用尾气来烘干、加热生料，到最后悬浮预热，以及利用低温尾气发电，水泥工业技术的进步的主线一直都是如何更充分的利用燃料，降低水泥生产过程的能耗。

从不同窑型的能耗来看，悬浮预分解窑的能耗相比早期的仓窑等窑型有了显著的下降，这也是水泥成本能够降到每吨几百元的根源。

在水泥工业的技术发展过程中，中国一直处于追赶的地步，需要从国外引进先进技术设备在国内建立生产线，这种情况从洋务运动时期一直到改革开放时期都是如此。

水泥工业的生产技术在发展到预分解窑后接近成熟，中国通过自主研发和八十年的技术引进，最终掌握了水泥工业的预分解窑生产技术，并且能够制造成套设备。

2000年前后，以海螺水泥、冀东水泥为代表的企业，在国内研究机构的支持下基本掌握了现代悬浮预分解窑的成套技术，基本实现了全套设备的国产化，显著降低了水泥生产线的投资成本。

2002年，全球仅有3条日产万吨的水泥生产线，海螺水泥在掌握技术之后一次就投资建设了4条万吨水泥生产线，在技术和规模方面都达到了全球领先。

在完成技术突破之后，中国水泥生产规模开始急剧增加，很快成为全球最大的水泥生产国，并且中国的水泥产量在全球的占比超过50%。

中国水泥工业技术的追赶与中国在钢铁、电力、石化等领域的技术追赶十分类似，而且基本上在2000年左右完成了赶超。

正是因为中国在能源、材料、交通运输等基础工业领域完成了技术上的赶超，中国的制造业生产才能发展到今天的规模。

中国的工业化过程就是一个技术追赶的过程，除了半导体产业之外，中国基本上完成了其它产业领域的技术追赶。

这是中国工业化区别于其它国家的根源。

参考资料：

1、《中国水泥发展史》

2、《当代中国的建筑材料工业》

3、《王燕谋与国家建材工业局》