中国水泥和建筑行业如何利用矿渣和粉煤灰

    2008年，中国的水泥产量为13.88亿吨（根据初步统计2009年约16.48亿吨），几乎是世界水泥产量（28.8亿吨，2008年世界水泥产量）的一半以上。其中，熟料产量为9.7亿吨。余下的混合材主要是矿渣和粉煤灰。这些混合材高达3.5亿吨，意味着熟料系数只有0.7。中国生产的水泥约有25%是来自混合材的贡献（另5%是石膏）。

    作为人口最多的发展中国家，中国正处在城市化和建设的高峰期间。中国每年消费大量的水泥、钢铁和电力。煤作为主要的能源，占中国能源总消费的70% 左右。因此，我国在今后5到10年里，仍将在矿渣和粉煤灰资源方面呈现增长势头。

    2、矿渣的产量及其在水泥和混凝土工业的主要应用

    关于矿渣的年产量，官方没有公开的统计数据。过去的统计资料表明，中国每冶炼一吨生铁，产渣量约为0.4吨左右。

    我们根据生铁的产量，计算出近年来的矿渣产量（见表1）。从表中可以看出，矿渣的数量还在增长中。随着钢铁产能的过剩和国家的限制，预计矿渣年产量今后几年会稳定在2亿吨以上（见图1）。

表1 2005—2010年矿渣产生量（单位：百万吨）

 

年份	2005	2006	2007	2008	2009*	2010*
生铁	323.328	404．16	471.42	470.67	520.00	558.0
矿渣	129	162	188	188	208	223

Source: China Steel & Iron association & Cui Yuansheng, ITIBMIC. * Estimate

Fig.1 Output of Slag from 2005 to 2010 (Unit: million ton)

    近年来，随着优质矿石资源的逐渐短缺，生产每吨生铁的产渣量还在逐年增长。生产每吨生铁产生的矿渣量，一般范围在0.4--0.9吨之间。表2是袁新民先生根据统计数据和矿渣水泥的产量估算出来的另一组数据。该表也同时估算出了水泥工业利用矿渣的大致数量和比例。

表2 2000-2008中国矿渣产量和在水泥工业的利用量

 

年份	高炉矿渣产出量	水泥生产利用量	利用比例
2000年：	9400万吨	5170万吨	55.0 %
2001年：	11320万吨	6450万吨	57.0 %
2002年：	12600万吨	7510万吨	59.6 %
2003年：	13560万吨	8640万吨	63.7 %
2004年：	16000万吨	10567万吨	66.0 %
2005年：	17130万吨	11650万吨	68.0 %
2006年：	19250万吨	13900万吨	72.2 %
2007年：	20360万吨	15270万吨	75.0 %
2008年：	20000万吨	15750万吨	78.8 %

    Fig.2 Output and Usage Amount of Slag in China’s Cement Industry
 (Note: The linear relation is much better for this Fig 2, and it should be more closing to the truth.)

    根据以上两个研究和估算的结果，2008-2009年，中国的矿渣产量大约为2亿吨以上。大约有1.5亿吨，即80%以上的矿渣都用在水泥工业。

    从中国水泥工业的品种结构分析，也可以看出矿渣水泥是中国的主要水泥品种（见表3）。

表3  1985-2008年大中型企业水泥各品种比例  （%）

 

年份	硅酸盐 水泥	普通硅酸盐 水泥	矿渣硅酸盐 水泥	火山灰质 硅酸盐水泥	粉煤灰硅 酸盐水泥	复合硅酸 盐水泥	其它水泥
1985	8.79	49.99	30.02	1.52	0.30	0.90	8.48
1990	7.11	50.44	32.04	0.85	0.54	2.40	6.62
1995	6.31	51.72	33.35	0.87	0.88	2.12	4.75
2000	5.71	53.00	34.65	0.90	0.94	2.00	2.80
2004	4.08	54.10	36.00	0.80	1.70	1.54	1.78
2008	3.30	54.10	37.50	0.70	2.00	1.00	1.40

    从表3可见，我国的水泥品种以普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥为主，目前两种水泥已占水泥总量的91.60%。2008年我国水泥产量达14亿吨，其中矿渣硅酸盐水泥产量占总产量的37.50%，约5.25亿吨。此外，最大的水泥品种普通硅酸盐水泥（54.10%）中，混合材的最高允许掺加量为15%，其中也包括不少矿渣成分。

    因此，2008年，我国产出约2亿吨矿渣,除了有78.8%（15750万吨）用于生产矿渣和普通硅酸盐水泥之外，还有4250万吨，分别用于混凝土（4100万吨，20.5%）、矿渣砖（100万吨，0.5%）和修筑路基（50万吨，0.25%)。

    目前中国的矿渣已经得到了100%的利用，绝大多数（99.3%）的矿渣都用于水泥和混凝土的生产中

    因此，矿渣已经成为建筑工业的重要资源，国家也因此取消了鼓励应用的免税政策。

    2.1磨细矿渣的标准和市场价格

    矿渣过去主要（大约80%）用在水泥厂里，和熟料一起粉磨来生产矿渣水泥和普通硅酸盐水泥。但是，由于矿渣比较硬和难磨，与熟料一起粉磨不能够发挥其良好的性能。因此，近年来矿渣和熟料分别粉磨工艺开始流行。同时，混凝土搅拌站开始大量使用磨细矿渣来代替水泥。钢铁厂自己开始建设矿渣加工厂，生产磨细矿渣面向市场销售。有的水泥厂也开始购买磨细矿渣来作为混合材生产沟兑水泥。

    因此，矿渣的应用开始从水泥厂走向混凝土搅拌站。也有一部分应用于干混沙浆行业，正在成为一种独立的商品流通于市场之上。国家为此专门制定了磨细矿渣的标准（见表4）。

    磨细矿渣根据细度等指标，共分成3个级别。其中S105级别的矿粉，28天的抗压强度超过水泥的强度。标准同时还有一些其他的技术指标要求。

表4   用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣标准

 

项目		级别
		S105	S95	S75
密度/(g/cm3)                      ≥		2.8
比表面积(m2/kg)                   ≥		500	400	300
活性指数/%	7d	95	75	55
	28d­	105	95	75
流动度比/%                       ≥		95
含水量（质量分数）/%             ≤		1.0
三氧化硫（质量分数）/%           ≤		4.0
氯离子（质量分数）/%             ≤		0.06
烧失量（质量分数）/%             ≤		3.0
玻璃体含量（质量分数）/%          ≥		85
放射性		合格

    目前，未加工的粒化高炉矿渣的出厂价格，一般在:20—30元/吨；加工的磨细矿渣市场价格，根据级别，一般在： S75粉70-90元/吨； S95粉135-145元/吨；S105粉180-200元/吨。

    由于S105微粉的细度高，质量好，但加工难度大、能耗较大，导致价格较高，大量使用受限；多数中小用户，更多的是使用S95级细粉。

    3、粉煤灰的产量及其在水泥、混凝土和其他行业的主要应用

    自2000年以来，中国的煤炭消费量总体上一直在增长之中。2004年以后，增长速度在逐年回落。但是，在可见的未来5到10年里，煤炭消费量仍将处于缓慢增长中。因此，粉煤灰的产量也将随之逐年增长。表5是根据发电用煤量推算出的一个比较保守的粉煤灰年度产量。

    据中国资源综合利用协会预计，2009年的粉煤灰产量将超过4亿吨。因此，我们预计，今后5到10年内，中国的粉煤灰年度排放量将保持在4亿吨以上。

表5 中国发电用煤与粉煤灰排放情况（单位：百万吨）

Source: China official websites & ITIBMIC. * Estimate

    另据有关报到（见表6），2008年我国粉煤灰排放量约为3.98亿吨；用于建材制品的粉煤灰占34%左右，为13532万吨；用于道路施工（无机料掺合）约占26%，为10348万吨；用于农业土壤改良和肥料约占3.5%，为1393万吨；用于建筑工程（包括回填）约占4.5%，为1791万吨。另外还有剩余的粉煤灰约占32%，为12736万吨。

    在建材制品方面,粉煤灰的主要应用领域应该是在预拌混凝土搅拌站，其次是生产粉煤灰砖、粉煤灰砌块、粉煤灰加气混凝土和粉煤灰陶粒。

    从表6可知，在过去的6年里，粉煤灰的产量增长了一倍以上，应用量也增长了一倍以上。但是，总的利用率一直徘徊在66%和68%之间。 大城市周边地区的粉煤灰销售很好，供不应求。但是在边远的地区，仍然有高达1.27亿吨的粉煤灰被填埋处置了。

表6 2002年-2008年粉煤灰产出量及利用量   （单位：万吨）

 

年份	产出量	建材生产利用量	道路施工利用量	农业利用量	建筑工程利用量	剩余年存储量	利用率
2002	18100	6335	4706	362	534	6154	66%
2003	21700	7487	5534	434	651	7595	65%
2004	26300	9074	6707	526	789	9205	65%
2005	30200	10268	7550	846	1268	10268	66%
2006	35000	11900	8750	1050	1400	11900	66%
2007	38300	13022	9958	1149	1532	12639	67%
2008	39800	13532	10348	1393	1791	12736	68%

    Source: Public websites, and ITIBMIC

    3.1 粉煤灰的国家标准和市场价格

    2005年，国家对粉煤灰的标准进行了修订。修订后的粉煤灰标准除了细度和烧失量有所不同外，其它指标基本上和美国的ASTM标准类似（见表7）。 

表7  水泥活性混合材用粉煤灰技术要求

 

项目		技术要求
烧失量，不大于/%	F类粉煤灰	8.0
	C类粉煤灰
含水量，不大于/%	F类粉煤灰	1.0
	C类粉煤灰
三氧化硫，不大于/%	F类粉煤灰	3.5
	C类粉煤灰
游离氧化钙，不大于	F类粉煤灰	1.0
	C类粉煤灰	4.0
安定性 雷氏夹沸煮后增加距离，不大于/mm	C类粉煤灰	5.0
强度活性指数，不小于/%	F类粉煤灰	70.0
	C类粉煤灰

    3.2 粉煤灰的价格

    原状的未加工的粉煤灰，原则上不允许在市场上出售。经过加工的粉煤灰，主要用于商品混凝土搅拌站。按照过去的习惯，一般分为三个级别；三级灰市面上基本没有销售，二级灰每吨在50到80元，一级灰在每吨100-180元之间。根据不同的地区和不同的用途，价格变化范围较大。

    按照过去的标准（GBJ146-90），加工的用于混凝土搅拌站的粉煤灰级别和标准见表8。

表8 粉煤灰国家标准基本指标 （GBJ146-90）

 

级别 指标	I	II	III
细度（0.045mm方孔筛筛余）%	≤ 12	≤20	≤45
需水比 %	95	105	115
烧失量 %	≤5	≤8	≤15
含水量 %	≤1	≤1
三氧化硫 %	≤3	≤3	≤3

    4、矿渣和粉煤灰作为混合材在水泥和混凝土工业的用量展望

    如果2009年中国的水泥产量达到15.6亿吨，熟料系数仍按0.7计算，则混合材的需要量为25%（石膏5%），即3.9亿吨。如果扣除其它的混合材，比如石灰石或煤矸石等（按平均5%计算），矿渣和粉煤灰的份量（按水泥产量的20%计算）将达到3.12亿吨。

    粉煤灰除了用做水泥混合材外，也可以代替黏土用做水泥原料，一般不超过配料的10%。用做配料的粉煤灰用量不大，但也有一部分水泥厂家在利用。

    10年以前，在没有磨细矿渣的时候，矿渣基本上都用于做水泥的混合材了。自从磨细矿渣出现以后，混凝土搅拌站的用量开始逐年增长。

    据统计，2008年，中国的RMC产量为6.9亿立方米，2009年可望达到8亿立方米。如果平均每立方米的混凝土的掺和料为100公斤粉煤灰或磨细矿渣，则2008年和2009年在RMC行业消耗的人造火山灰材料分别为0.69亿吨和0.8亿吨。

    从以上水泥行业和RMC行业利用矿渣和粉煤灰的数量上看，两项合计将达到4亿吨左右。

    随着水泥和预拌混凝土产量的增长，可以预计今后5年里，仍将有1亿吨以上的矿渣和粉煤灰会被这个行业吃掉。剩下的1亿多吨主要是粉煤灰，将主要用于墙体材料，比如生产粉煤灰砖、粉煤灰砌块、粉煤灰墙板和粉煤灰路基等建筑材料。

    如今，中国的矿渣已经没有剩余，已经在水泥和RMC等行业全部得到了利用。

    如此算来，仅水泥和混凝土行业，今后几年的矿渣和粉煤灰的利用量就可以达到5亿吨左右。

    除了6亿吨矿渣和粉煤灰外，适合用于水泥和混凝土工业的混合材或掺和合料的还有钢渣、煅烧煤矸石、石灰石和矿山尾矿等工业废渣。

    中国钢渣每年排放5000多万吨。煤矸石的排放量每年高达4亿多吨，历年堆存量高达50多亿吨，主要用于烧砖。

    中国水泥工业利用混合材的历史和现状见表9与图3。

表9 1985年-2008年水泥混合材掺加实现节能和CO2减排

 

年份	水泥产量 （万吨）	掺加混合材 数量（万吨）	混合材所占比例（%）	单位熟料热耗 千克标煤/吨	掺加混合材节能 （万吨标准煤）	CO2减排 （万吨）
1985	14595	3503	24	185.4	649.5	1558.8
1986	16606	3985	24	185.2	738.0	1771.2
1987	18625	4470	24	184.5	824.7	1979.3
1988	21014	5043	24	183.7	926.4	2223.4
1989	21029	5257	25	183.4	964.1	2313.8
1990	22971	5743	25	182.4	1047.5	2514.0
1991	25261	6315	25	180.0	1136.7	2728.1
1992	30822	7706	25	177.5	1367.8	3282.7
1993	35600	9256	26	175.8	1627.2	3905.3
1994	40500	10530	26	173.4	1825.9	4382.2
1995	44561	11586	26	170.3	1973.1	4735.4
1996	47105	12247	26	165.5	2026.9	4864.6
1997	49249	13297	27	161.1	2142.1	5141.0
1998	51384	13874	27	157.8	2189.3	5254.3
1999	54078	14601	27	153.6	2242.7	5382.5
2000	59700	16119	27	150.6	2427.5	5826.0
2001	66104	17848	27	148.4	2648.6	6356.6
2002	72535	20310	28	146.5	2975.4	7141.0
2003	86221	24142	28	145.0	3500.6	8401.4
2004	97333	27253	28	143.3	3905.4	9373.0
2005	106420	29798	28	140.4	4767.7	11442.5
2006	123611	35847	29	139.2	4989.9	11975.8
2007	136117	40835	30	138.2	5643.4	13544.2
2008	139942	41983	30	138.0	5793.7	13904.9

    Fig.3: Energy Saving and CO2 Reduction by Using Cement Admixture

    5、基于环境压力和基本国情条件下的挑战、需求和机会

    a)挑战

    i.水泥和混凝土行业需要进一步融合，协调到底是在哪个环节应多加混合材更合适。
由于混合材的好处，引起水泥厂和混凝土搅拌站的双重兴趣。二者都希望多加混合材，降低成本，但是水泥厂加多了，后面的搅拌站就不能再多加。因此，在产品性能和质量控制方面出现矛盾。如何解决这个问题，是包括用户在内的三个方面都需要认真面对的问题。

    ii.由于产能严重过剩，加上10亿多吨人造火山灰材料，水泥和混凝土行业的竞争越来越激烈，导致行业平均利润率大幅度下滑; 今后5  到10年内，行业的兼并与重组加剧，弱势企业难以生存。

    中国建材行业的主要产品产能都达到了世界产量的一半以上，随着经济增长速度的趋缓，以及建筑业的逐渐饱和，过量的产能无法消化，必然引起行业的激烈竞争。其结果必然是优胜劣汰，市场重新优化与组合。强势企业将越来越大，中小企业或弱小的企业将自身难保。

    b) 需求

    i.提高资源利用效率：熟料和矿渣分别粉磨；沟兑水泥；混合水泥；提高矿渣和粉煤灰的细度；

    ii.利用立磨、振动磨来磨水泥或混合材，提高粉磨效率与细度，降低电耗，节省能量及减少温室气体排放；

    iii.企业需要不断提高技术和管理水平，以求在激烈的市场竞争中生存与发展。

    b)机会

    i.机械活化、化学活化、将粉煤灰替代水泥的量在混凝土中提高到50%以上；减少熟料的产量，节能减排；新的技术需求机会加大。

    ii.逐步取消球磨机，新的工艺和设备采用逐步加快；

    iii.建筑物寿命大大延长，资源节约，促进可持续发展；

    iv.优势企业集团面临收购中小企业的商机。

    6、未来30年中国水泥工业利用混合材的前景预测

    根据未来中国经济和社会的发展对水泥的需求量，我们预测了未来30年水泥工业对混合材的需求量和发展趋势（见表10和图4），供大家参考。

表10 2009-2030中国水泥工业混合材掺加量预测  单位：万吨

 

年份	水泥产量 （万吨）	熟料产量 （万吨）	石膏（5%） （万吨）	混合材数量 （万吨）	混合材的比例 （%）
2009	154216	107951	7710.8	38554.2	25
2010	164010	114807	8200.5	41002.5	25
2011	170132	119092	8505.6	42534.4	25
2012	174307	120272	8715.35	45319.65	26
2013	176100	119748	8805	47547	27
2014	178356	121282	8917.8	48156.2	27
2015	180620	122822	9031	48767	27
2016	180421	120882	9021.05	50517.95	28
2017	180186	120725	9009.3	50451.7	28
2018	180000	120600	9000	50400	28
2019	180020	118813	9001	52206	29
2020	179235	118295	8961.75	51978.25	29
2021	178875	118057	8943.75	51874.25	29
2022	169212	109987	8460.6	50764.4	30
2023	161679	105091	8083.95	48504.05	30
2024	153246	99610	7662.3	45973.7	30
2025	143973	93582	7198.65	43192.35	30
2026	135564	88116	6778.2	40669.8	30
2027	128986	83841	6449.3	38695.7	30
2028	121034	77462	6051.7	37520.3	31
2029	116423	73346	5821.15	37255.85	32
2030	108168	67064	5408.4	35695.6	33

Fig.4 Forecast for Admixture in Chinese Cement Industry from 2009 to 2030

图4 2009-2030年中国水泥工业利用混合材的发展趋势

作者：崔源声 教授级高工

来源：建筑材料工业技术情报研究所