低碳水泥的制备工艺及性能优化研究

1. 引言

在全球气候变暖的背景下，水泥行业作为高碳排放的典型代表，其碳排放量对全球温室气体排放的贡献不容忽视。根据相关研究，中国的水泥生产与消费占据全球市场的一半以上，碳排放量占全国总排放量的 13% ，仅次于电力与钢铁行业[1]。2020 年，我国水泥行业的碳排放约为 13.7 亿吨，占全国碳排放总量的 13% ，成为第三大碳排放行业。此外，水泥生产过程中不仅释放大量的二氧化碳，还伴随着氮氧化物等污染物的排放，进一步加剧了环境压力。在此背景下，研发低碳水泥技术已成为实现碳中和目标的关键路径之一。低碳水泥通过采用低碳排放的原材料、新型矿物掺合料、配方技术和能源消耗优化等措施，显著降低了生产过程中的碳排放量，符合绿色低碳的发展理念。因此，本文将围绕低碳水泥的制备工艺及性能优化展开研究，探讨其在推动水泥行业转型升级中的重要作用与潜力。

2. 水泥制备工艺现状与碳排放分析

2.1 传统水泥制备工艺概述

传统水泥制备工艺主要包括原料破碎、生料制备、熟料煅烧以及水泥粉磨等环节。在原料破碎阶段，石灰石、黏土等主要原料经过破碎处理，以满足后续工序对颗粒粒径的要求[2]。生料制备则通过将破碎后的原料按比例混合并磨细，形成均匀的生料粉，为熟料煅烧提供基础。熟料煅烧是整个工艺的核心环节，生料在高温下（通常为 1450℃左右）发生化学反应，生成以硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S）为主的熟料矿物。最后，熟料与适量石膏或其他混合材共同粉磨，制成最终的水泥产品。这一系列工艺流程不仅能耗高，且对环境的影响显著，尤其是熟料煅烧环节，其能耗占整个水泥生产过程的绝大部分。

2.2 传统工艺碳排放环节分析

传统水泥制备工艺中，熟料生产的高温煅烧和原料分解是主要的碳排放来源。熟料煅烧过程中，石灰石分解生成氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO₂），这一化学反应释放大量的 CO₂气体，约占水泥生产总排放量的50%-60%， 。此外，高温煅烧需要消耗大量的燃料，进一步增加了碳排放量。原料分解过程中，石灰石在高温下分解产生的 CO₂ 也是不可忽视的排放源。这些碳排放量大的原因主要包括：一是熟料煅烧温度高且能耗大，导致燃料消耗增加；二是石灰石作为主要原料，其分解过程中直接释放大量 CO₂ ；三是传统工艺中能源利用效率较低，未能充分实现节能减排的目标[3]。因此，针对这些高碳排放环节进行技术革新和工艺优化，对于降低水泥行业的碳排放具有重要意义。

3. 低碳水泥制备工艺探索

3.1 新型原料选用

在低碳水泥的制备过程中，新型原料的选用是减少碳排放的关键环节之一。传统水泥生产以石灰石为主要原料，其在高温煅烧过程中会分解生成大量的 CO₂ ，这是水泥行业碳排放的主要来源之一。为降低这一影响，工业废渣如矿渣、钢渣、粉煤灰等被广泛研究并应用于替代部分石灰石原料。这些废弃物富含钙、硅、铝等元素，可通过适当的处理工艺将其转化为水泥生产的有效成分。

3.2 新煅烧技术研究

新煅烧技术的研发是低碳水泥制备工艺中的另一重要方向。传统水泥熟料的煅烧温度通常在 1450^∘C 左右，这一高温过程消耗大量能源并产生显著的碳排放。因此，开发低温煅烧技术成为降低能耗和碳排放的有效手段之一。例如，有研究提出以C₃S₂矿物为主的新型低钙水泥熟料，其烧成温度可降低至 1200^∘C⋅1300^∘C ，显著减少了能源消耗。此外，电石渣作为一种工业副产品，其含钙量高且活性较好，可用于替代部分石灰石进行煅烧。这种技术不仅降低了原料成本，还减少了煅烧过程中的 CO₂ 排放量。同时，通过优化燃烧器气流、煤粉比例以及回转窑的设计，可以进一步提高煅烧效率，从而实现节能减排的目标。这些新技术的应用为水泥行业的低碳转型提供了技术支持。

3.3 粉磨工艺改进

粉磨工艺的改进对于降低低碳水泥的生产能耗具有重要意义。在传统水泥生产中，粉磨工序占据了总电耗的 65% 以上，成为能源消耗的主要环节之一。为应对这一问题，研究者提出了多种改进措施，包括采用新型粉磨设备（如立磨、辊压机）和优化粉磨参数（如进料粒度、研磨时间）。

4. 低碳水泥性能优化

4.1 性能需求分析

低碳水泥在不同应用场景中对强度、耐久性和抗渗性等性能的要求差异显著。在建筑工程中，低碳水泥需满足结构材料的力学性能要求，尤其是在高层建筑和重载结构中，其抗压强度需达到或接近传统硅酸盐水泥的水平。同时，耐久性也是关键指标之一，特别是在恶劣环境下，如海洋工程或寒冷地区，低碳水泥需要具备良好的抗冻融性和抗化学侵蚀能力。在道路工程中，低碳水泥的抗折强度和耐磨性尤为重要，以确保路面在长期交通荷载作用下的稳定性。此外，抗渗性是影响混凝土结构寿命的关键因素，尤其在水利工程和地下工程中，低碳水泥需通过优化孔隙结构来提高其抗渗性能，从而减少水分和有害离子的侵入。

4.2 性能优化方法

为改善低碳水泥的性能，调整原料配比和添加外加剂是两种主要途径。研究表明，通过合理设计矿渣、钢渣、粉煤灰等工业废渣的配比，可以有效提升低碳水泥的早期强度和后期耐久性。例如，当矿渣掺量控制在 56% 左右时，配合适量的脱硫石膏和钢渣，低碳水泥的抗压强度可接近P·O 42.5水泥的标准。此外，外加剂的引入对性能优化具有重要作用。碱性激发剂如熟石灰和氢氧化钠能够显著提升低碳水泥的28 天强度，其中熟石灰在掺量为 1.5% 时效果最佳，而氢氧化钠则对早期强度激发更为明显。早强型激发剂如氯化钙和甲酸钙也可加速水泥水化反应，从而缩短凝结时间并提高早期强度。复合盐类激发剂的应用进一步拓展了性能优化的可能性，通过多种成分的协同作用，实现了强度和耐久性的综合提升。

5. 结论

在全球气候变暖的严峻背景下，水泥行业作为高碳排放的典型代表，其绿色转型与低碳发展已成为实现碳中和目标的关键环节。本文围绕低碳水泥的制备工艺及性能优化展开深入研究，系统探讨了传统水泥制备工艺的碳排放特征，并提出了多种创新性的低碳制备技术与性能改进策略。研究表明，通过选用新型原料、优化煅烧技术以及改进粉磨工艺，可以显著降低水泥生产过程中的碳排放量，同时满足不同应用场景对水泥性能的需求.

参考文献

[1]商雁青;李敏;张萌;陈旭;聂松;陈智丰.浅谈低碳水泥国内外研究进展[J].中国水泥，2024，（7）：21-28.

[2]鹿晓泉;田野;闫力;程科;国丽娟.国内外低碳水泥体系浅析[J].中国水泥，2024，（5）：54-55.

[3]罗雷;郭旸旸;李寅明;张增寿;朱廷钰.碳中和下水泥行业低碳发展技术路径及预测研究[J].环境科学研究，2022，35（6）：1527-1537.