日本水泥产业三十年

日本水泥产业三十年
韩仲琦
【摘要】本文所述及的日本水泥产业30年,是指20世纪80年代至今的30余年
日本水泥产业的情况.日本是水泥产业发达的国家,但由于近30年来经济低迷,日本
水泥产能出现过剩,水泥产业遭受了资源和能源以及环境的严重挑战.日本水泥产业
通过自身结构性调整和水泥低碳化创新,取得了一定成绩.在水泥可持续发展方面,行业协会提出了日本水泥与环境领域的研究重点是替代燃料、高效利用废弃物和减少环境负荷的影响.本文介绍日本水泥产业现状,重点介绍了近年来日本绿色水泥方面
的发展情况,供我国水泥工作者参考.
【期刊名称】《水泥技术》
【年(卷),期】2017(000)003
【总页数】9页(P19-26,32)
【关键词】日本水泥产业;废弃物;可持续发展;环境保护
【作者】韩仲琦
【作者单位】天津水泥工业设计研究院有限公司,天津300400
【正文语种】中文
【中图分类】TQ172.8
日本是水泥产业发达的国家之一，自1875年日本有了水泥厂后，至今已有140
多年的历史，具有很高的产业技术水平。

上世纪70年代初，预分解技术在日本开发成功并得到采用，使喂入回转窑的生料分解率从30%～40%提高到80%～95%，
产量提高到8 000～10 000t熟料/d，日本水泥工业有了飞速发展。

80年代初，
日本水泥产量跃居世界第三，1997年全部淘汰落后生产工艺，进入现代化生产阶段，并在环境保护与可持续发展方面取得很大成绩。

但近30年来，由于日本经济低迷、东海大地震，并且经济长时间没有复苏的迹象，水泥产能出现过剩，在1996年水泥产量出现短暂高峰之后便一路下滑，2016年水泥产量5 596万吨，
仅为1996年的56%，经过调整组合，水泥行业现有17家水泥公司和30座水泥厂。

由于日本的石灰石资源丰富，日本水泥还有一定量的出口。

另一方面，由于世界性的资源、能源和环境的挑战，温室气体对人类的威胁越来越大，日本水泥行业在CO2减排以及废弃物的再利用方面加强了技术开发，取得了不少成绩。

20世纪80年代以后，日本在水泥可持续发展科研开发方面，作出了
很大贡献，如高水平的节能减排、大量处置废弃物技术、水泥生产低碳化、生态水泥的开发、高性能高寿命混凝土的研究等。

太平洋水泥公司是目前日本最大的水泥公司，具有100多年的历史，其中央研究
所进行了许多前沿技术开发工作，代表了日本水泥行业的科技发展水平，研究的范围不仅包括水泥、混凝土，而且还涉及到环境、资源、无机与有机材料等多个领域。

传统水泥产业已经成为成熟产业，传统技术的研究也在减少，但日本相关大学及科研机构仍然重视对基础原材料的研究与开发，如新品种新材料的研制、水泥与混凝土的性能与寿命研究等。

在经济不景气情况下，两年一次的全日本“水泥技术大会”持续召开，2017年5月将在东京召开第71届大会，在“面对下一个100年”的口号下，提出了多项研讨课题。

现在日本水泥与环境领域的研究重点是替代燃料、高效利用废弃物和减少环境负荷的影响。

1.1 水泥产量
2015年日本水泥产量5 924万吨，为1996年的60%；2016年水泥产量5 596
万吨，仅为1996年的56%，但日本每年出口的水泥和熟料仍然不少，约500多
万吨，占产量的10%左右（表1为日本近五年的水泥产量）。

1.2 水泥产品种类
日本水泥的种类比较简单，主要产品为不加混合材的硅酸盐水泥（占水泥总量70%），加混合材的混合水泥（占水泥总量20%），都具有日本工业标准。

另外
还有新开发的、采用垃圾焚烧灰和污泥为主要原料的生态水泥等（现已有工业标准）。

图1为日本水泥产品种类结构图。

另外，日本的特种水泥有：白水泥、超细水泥、高贝利特系水泥、超快硬水泥、高铝水泥、齿科用水泥、磷酸水泥、气硬性水泥等。

日本水泥细分种类如下：
（1）波特兰水泥（纯硅酸盐水泥）。

分为普通、早强、中热、低热、耐硫酸盐等几类，2015年产量为4 100万吨，约占水泥总产量的70%。

（2）混合水泥（掺混合材水泥）。

分为铁矿渣水泥、SiO2水泥、粉煤灰水泥等，2015年产量约为1 200万吨，约占水泥总产量的20%。

（3）其他，占10%。

上世纪80年代初，日本出现了较严重的产能过剩，水泥窑利用率低至80%。

1984年8月通产省确定的《水泥工业改革的基本方案》为水泥行业成功应对产能过剩危机起到重要作用。

《水泥工业改革的基本方案》主要内容包括：
（1）大幅度削减过剩产能。

压减水泥熟料产能3 100万吨，占当时总产能的24%。

淘汰对象主要是闲置设备和落后工艺装备。

要求绝大部分淘汰过剩产能的
工作须在1985年3月底前完成，特殊情况也须在1986年3月底以前完成。

（2）限制新增产能。

1988年6月30日之前，除技术改造外，不再新建和扩建生产线。

（3）实施企业间互助。

企业实施联营，以稳定的经营方式为目的设立联合水泥共同事业公司。

（4）配套措施。

对中小企业、雇佣工人、地区经济稳定、企业转产等重要问题予以特别考虑。

改革的目标是2008～2012年水泥单位能耗比1990年低3.8%（3 451MJ/t水泥），而实际减少了4.4%（3 428MJ/t水泥），已完成目标。

1991年进行了工业结构转型和重组，成立了某些联营公司，产业人均水泥生产量约为8 000t。

目前结构改变的情况也反应了水泥产能的变化，除上述日本现有17家水泥生产公司30家制造工厂外（见表2），因生产性质和产品的特殊性还有编外水泥厂三家。

◆秩父太平洋水泥（株）：焚烧水洗垃圾焚烧灰（去除代用原料中的氯成分）的工业试验工厂
◆市原生态水泥（株）：以垃圾焚烧灰为代用原料的“生态水泥”工业试验工厂
◆山阳白色水泥（株）：白水泥生产厂
3.1 日本水泥产业的技术进步
日本水泥生产技术很先进，但通过持续改进和创新仍然取得了不少成绩，例如在原料制备、熟料烧成和水泥粉磨等方面。

具体分析见表3。

3.2 热能的有效利用
日本水泥产业通常使用的能源有：煤炭、重油与石油焦、城市煤气和电能等。

2010年用于水泥制造的单位能耗（水泥制造+自我发电+购买电力）为3
451MJ/t水泥（约117.9kg标煤/t水泥），比1990年（能耗3 586MJ/t水泥，约122.56kg标煤/t水泥）减少3.8%。

日本水泥企业从1997年起，全部采用了新型干法水泥熟料烧成工艺和悬浮预热器工艺，使日本成为世界主要水泥生产国单位热耗最低的国家。

日本水泥厂有效热分析数据大致如下：
进入系统热100%=燃料燃烧热96%+原料及空气显热4%
其中：
◆有效热（吸收热）：80%=熟料烧成热53%+原料烘干热8%+煤炭烘干热1%+
余热发电回收热18%
◆热损失：20%=废气热损失9%+熟料热损失3%+其他热损失8%
3.3 电能的有效利用
日本由于电能便宜且操作方便，日本水泥企业并不太热衷自家发电。

由于水泥生产操作与控制的自动化水平越来越高，日本的水泥生产电耗并不是很低。

水泥产业节电变化见表4，含有余热发电的日本水泥企业平均电耗见图2，不含有余热发电的日本水泥企业平均电耗见图3。

现在日本每年产生约5.84亿吨废弃物，其中2.69亿吨得到了循环利用。

2014年日本水泥产业利用了3 026万吨。

日本水泥企业使用的“废弃物”，是指根据日本废弃物处理法的规定，水泥工厂可以接受处理的废弃物，而“副产物”是指废弃物以外的水泥厂可接受处理的其他产业不用物。

排在前几位的废弃物和副产物是：矿渣、粉煤灰、污泥、副产石膏、建筑废土、垃圾焚烧灰。

2010年度日本处理量＞100万吨的前6位废弃物是：矿渣、粉煤灰、污泥、副产石膏、建筑废土、焚烧灰，每吨水泥使用的废弃物近似达到500kg。

4.1 废弃物作为有效资源使用
水泥产业一直积极地把废轮胎、粉煤灰等其他产业的废弃物作为代用燃料、代用原料或混合材使用，最近下水污泥、垃圾焚烧灰和城市垃圾也得到了积极采用，从2001年开始处理肉骨粉，并在全国得到推广。

日本水泥厂用的废弃物热回收率可达70%（一般垃圾发电的热回收率只有20%左右）。

2010年水泥工业共消纳了
各种废弃物2 600万吨，其中使用了粉煤灰总产生量的60%，矿渣的37%和废轮胎的12%，对节约石灰石资源及化石类能源、减少垃圾最终处理的环境负荷等做
出了很大贡献。

有人认为，目前对不同种类废弃物的再利用、减少环境负荷的数值进行深入研究，将来到某一节点时可以从生命周期的观点进行评价，可通过数值分析得出水泥产业减少温室气体的贡献率。

日本水泥产业一般使用的各种废弃物见表5。

现在日本对废弃物的应用加强了理论研究，例如Freon（氟氯烷）破坏系统的研究，在回转窑1 450℃以上的高温环境下，氟氯烷系统可能会被破坏，破坏时产生的氯化氢及氟化氢在遇到回转窑内碱性原料时会发生中和反应而固化在水泥熟料中。

4.2 用垃圾焚烧灰作为水泥原料
用城市垃圾代替水泥原料中的粘土成分来生产水泥，日本进行了三种流程开发，因笔者以前已作过介绍，故此处只作简述。

（1）水洗垃圾焚烧灰中的氯
此方法由日本埼玉縣、熊谷市和厡秩父小野田公司合作研究，解决垃圾焚烧灰中的高氯问题。

滤液与回转窑废气中的CO2反应产生沉淀，经压滤后也可作为粘土的替代品，用这种方法生产的水泥为普通硅酸盐水泥。

（2）以城市垃圾焚烧灰（焚烧渣）和下水污泥等作为生产水泥的主原料
这种方法生产的水泥定义为“生态水泥”，日本已制定相关工业标准，并已有工程使用实例。

生态水泥最大限度地利用了焚烧灰的有用成分，1t水泥约使用垃圾焚
烧灰和下水污泥500kg。

烧成时产生的二■英类毒素可在回转窑1 350～1 500℃
的高温中分解。

（3）原生态城市垃圾焚烧法
这种方法是事先不对城市垃圾进行分类焚烧处理，垃圾收集后直接运到水泥厂，通过发酵处理便可作为水泥的补充原料和燃料进入回转窑煅烧成水泥熟料。

此技术由日本太平洋水泥公司开发，在埼玉水泥厂进行了工业实验，年处理垃圾量为1.5万吨，这种方法的报道比较少。

2009年12月，联合国气候变化框架公约15次缔约方会议在丹麦首都哥本哈根举行。

会上可持续发展倡议组织（CSI）与国际能源署（IEA）联合发布了全球水泥
行业减排路线图，设定了2050年前水泥行业CO2减排的宏伟目标，呼吁各国政
府制定明确的政策框架，增加对水泥碳减排、碳捕捉和碳封存技术的科研投入。

日本水泥产业产生的CO2约占全国的1%、全部产业部门的5%。

日本水泥厂自家
发电CO2的排放量要比外部电网电力的CO2排放量大，为了适应这种情况，日
本水泥企业在技术进步和环境保护方面加大了投入力度，最近引进了以木质废物为燃料的“生物体”发电技术，并且焚烧灰可以作为二次废弃物代用原料使用。

随着混合水泥产量的增加，由碳酸钙原料产生的CO2也减少了，日本成为世界水泥生产国CO2排放量较低的国家，其CO2的排放构成情况见图4。

其实二氧化碳是一种重要的资源，适用于国民经济各个领域，具有广泛的利用价值。

水泥工业是重要的CO2排放源，水泥企业可以循环利用CO2，或从水泥厂分离收集CO2后送到应用部门，形成循环应用CO2的产业链，产生新的生产模式。

为
了积极推进废弃物利用和CO2减排，日本对固化CO2使其再资源化的技术开展
了研究，例如把废混凝土悬浊在海水或水中进行人工风化，吸收大气中的CO2，
则HCO3-就会在溶液中溶出，此时混凝土中的Ca2+也会溶出，这样富有HCO3-和Ca2+的海水就可以培育圆石藻，被溶出和存蓄的HCO3-及Ca2+就会作为CaCO3微粒子及藻的有机物而被固化，与此同时大气中的CO2被吸收作为藻体
得到固定。

这样利用混凝土的人工化学风化与圆石藻培育系统的CO2除去法，得到了CO2固化产物CaCO3微颗粒，这种微颗粒可以代替石灰石而再资源化，水
泥生产也成为再循环系统。

这种被称为使用具有矿物化能力的“圆石藻”固定
CO2生产水泥的方法，还只处于初级探讨阶段，可以想像其难度是很大的。

6.1 混凝土研究
在混凝土方面，使用增强纤维的超高强混凝土，可以不用钢筋增强，但设计的强度
比一般的混凝土结构强度要高好几倍，是一种致密度高、耐久性强的材料，因此设计100年耐久结构建筑物是可能的。

日本在混凝土使用历史上，已有很好的实例，例如日本静冈县静冈市的清水灯台（海港灯塔）已有100年以上的历史，是日本
高质量混凝土的范例。

另外，钢筋混凝土劣化的主要原因是混凝土中氯元素对钢筋的扩散，如果能正确掌握其扩散状态就能预测混凝土的寿命，所以开发出混凝土寿命预测技术是很重要的工作。

6.2 水泥化学的研究
（1）日本太平洋水泥株式会社中央研究所在3·11东日本地震和大海啸之后，开
展了灾后重建的基础研究工作，面对由于海啸、地震造成的防波堤移动、下沉、倾斜、毁坏、地盘变形、液状化、建筑物倒塌、道路龟裂、段差、塌陷、原子能发电站的放射污染等破坏和灾害现象，开展了一批新项目研究，例如水泥化学和水泥制造技术的新研究、污染土壤的净化、超高强增强纤维混凝土、铺路混凝土、专用骨材、降低二次辐射污染的混凝土、灌水农田的土壤净化技术等。

（2）作为节能的水泥熟料烧成方法，可以采用添加矿化剂或提高原料易烧性等，在矿化剂方面，高效采用“氟”和“硫”，可以降低烧成温度100℃，有望今后
实际采用。

前述的少量微量元素成分，一方面会给产品带来一些不良影响，但另一方面也会使其变成有用的成分，现在有人提出了使用矿化剂的熟料细粒化的研究报告。

日本还对一种硫铝酸盐矿物的作用进行了研究，这种矿物表示为
4CaO3·3Al2O3·SO3（C4A3S），从原料组成来看，形成的CO2量较少，并且烧成温度也比阿利特低，故除日本外一些国家也开展了研究，并取得了一些成果。

为了适应低碳社会的需求，水泥CO2排放量一定还要减少，这种钙硫铝系水泥可以比现在通用硅酸盐水泥CO2的排放量少30%，故世界上出现了这种系列水泥商品化的开发动向。

1970年以后，日本在超快硬水泥、玻璃纤维增强水泥和膨胀剂方
面，都研究了这种矿物的作用。

6.3 废弃物与水泥熟料质量
使用废弃物的水泥中，Al2O3的成分较多，所以今后要考虑水泥中“间隙质”的增加问题，“间隙质”若多的话将对凝结时间、水化热、流动性、最终强度、收缩率造成影响，应分别研究其影响关系，找到对应措施。

例如当C3A增加了，可以调整石膏的加入量来保证良好的流动性。

另外，较高的“间隙质”对水泥熟料烧成时的节能作用也是研究的内容，其研究成果可能促进废弃物的应用。

在日本已经开发成功的“生态水泥”，也属于这一领域的研究内容。

一般认为为了保证熟料烧成稳定，就要保证有一定的间隙质量，通过原料配料和实验，可以找到合适的工艺值，还可满足低热水泥的质量要求。

这样的熟料尽量不使用Fe和Al成分，与这些元素可能同时进入的Co、Na、K等微量放射元素也就减少了。

这样的熟料具有低放射性，可用于处理放射性的设施和原子能关联设施。

6.4 混合材的深入研究
掺入混合材是水泥混凝土功能化、高性能的有效手段，近年来又成为低碳化的促进手段之一。

在控制一定量的情况下，加入石灰石等混合材与废弃物混合，并且不使一般水泥有大的性能变化，实现废弃物可利用性与低碳化的平衡，是新的技术研究内容。

现在拟采用调整高炉矿渣粉磨细度及无水石膏的添加量，达到高炉水泥的日本标准要求，而且能够抑制绝热温度的上升和减少混凝土龟缩问题。

作为促进低碳化水泥混凝土的开发，一项称之为Energy CO2Mininum的水泥项目，也在进行研究，即在钢筋混凝土构造上大量使用矿渣水泥，以解决初期强度低、收缩大、中性化速度快等问题。

现在基础研究已取得很大成绩，正在对实用化进行深化研究。

采用碳酸养护低水灰比混凝土，取得致密度高、耐久性高的产品，也是日本正在进行的一项研究。

另外，混入粉煤灰再用火力发电排放的废气养护，使混凝土CO2
排放量成为负值也是可能的，其产品已用于砌块路面装饰材料的研发。

还有一种低碳材料，即完全不用水泥，其压缩强度可与水泥一样，但要蒸气养护，已引起世界的关注，这是由Alumino-Silicate（铝硅酸盐）和碱化硅溶液制造的。

6.5 复合性能袋收尘器
日本水泥厂的环保防尘水平很高，水泥厂很干净。

日本一般倾向于采用袋收尘设备，20世纪90年代以后，袋收尘器进入复合性能时代，二■英的捕获和防止就是有代表性的一例。

从焚烧炉排出的气体有多种固体和气体物质，此外还含有水分，所以要求过滤介质在其表面对二■英类物质也能捕集,可通过在过滤介质表面预涂上石灰或粉状活性炭进行捕集。

然而随着过滤量的增加，捕获成本就要增加，所以为了用过滤介质直接分解二■英，可在滤布表面预涂催化剂，这种过滤介质既可以捕获颗粒状物质也可以分解气体状物质。

纳米催化剂气流成网技术正在开发，制成载负催化剂的复合针刺毡滤料，兼具过滤和催化裂解功能，可用于分解二■英等有机废气。

此外，恶臭问题可以用活性炭或沸石等作为预涂层来解决。

（1）都市廃棄物（廃棄物）/废弃物/waste
日本水泥产业使用的“废弃物”，是指“广义的废弃物”，包括工业固体废物、废水、城市垃圾和副产物等，其内容类似于我国城市废物的含义。

垃圾是城市中数量大且严重污染环境的生物质资源，有机固体废弃物，如肉骨粉、酿造类的废渣等，在日本水泥厂处置的种类和数量都很多。

日本水泥产业使用了20种以上废弃物，作为水泥的替代燃料或替代原料。

（2）低碳素社会（低碳素経済）/低碳经济/ low-carbon economy
低碳经济的实质是抛弃以无限消耗碳能源、大量排放温室气体和影响地球环境气候为代价的发展，代之以人、社会和自然的和谐、友好的可持续发展。

日本推行水泥产业低碳经济是指在生产工艺中提高能源利用效率、减少CO2等温室气体的排放量、采用替代燃料或替代原料等措施。

（3）低碳素セメント/低碳水泥/low-carbon ce⁃ment
每生产1t普通硅酸盐水泥，需排放约0.8tCO2。

日本水泥产业界近年来推广使用混合材，成为水泥低碳化的有效手段之一。

另外，开展了利用CO2的研究，利用藻类与水泥工业产生的烟道废气进行光合作用，生产生物能源控制CO2的排放。

近年来，日本非波特兰水泥体系的研究有了一定进展，某些产品也属于低碳水泥。

（4）ダイオキシン/二■英/dioxin
二■英，又称二氧杂芑，是一种无色无味、毒性严重的脂溶性物质，二■英实际上
是“二■英类”的一个简称，它指的并不是一种单一物质，而是结构和性质都很相似的，包含众多同类物或异构体的两大类210种有机化合物。

这类物质非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物体内积累，对人体危害严重。

采用回转窑煅烧，能降低焚烧废弃物产生二■英的风险，但其机理和影响因素需要深入研究。

（5）副産物/副产物/by-products
副产物是指次要产品，来源于生产过程或化学反应，它不是主要的产品或需要的产品。

例如日本水泥产业已采用的副产石膏。

日本水泥产业规定，“副产物”是指废弃物以外的其他产业不用物，水泥厂可接受处理，作为替代燃料或原料。

（6）都市ゴミ焼却灰/垃圾焚烧灰/incineration fly ash
城市垃圾焚烧灰，主要是指垃圾处理厂的焚烧炉烟气由净化系统捕集的飘灰，以及在烟道、烟囱底部沉降的垃圾焚烧灰。

日本市原水泥厂使用了约50%原料的垃圾
焚烧灰（掺加部分污泥）生产“生态水泥”。

（7）廃タイヤ/废轮胎/waste tires
废轮胎属于废旧橡胶，废橡胶的处理是当今人们面临的严重问题之一。

为了满足不断提高的材料性能要求，橡胶朝着高强度、耐磨、稳定和耐老化的方向发展，但也同时造成了废弃后的橡胶长时期不能自然降解的问题，大量的废旧橡胶造成了比塑
料污染（白色污染）更难处理的黑色污染，另一方面浪费了宝贵的橡胶资源。

日本每年产生大量废轮胎，水泥厂焚烧废轮胎可以从处理废汽车部门得到一定费用，还可以作为替代燃料使用和代替原料中的Fe成分。

因此，在日本很多废轮胎都在水泥厂处理。

（8）自家発電/余热发电/cogeneration
利用水泥回转窑窑尾排放的废气进行发电称为余热发电。

余热发电有中低温余热发电和纯低温余热发电等。

余热发电既可大量回收低品位的余热，又可减少水泥生产对环境造成的废热及粉尘的污染，还可以减排温室气体CO2，已成为水泥工业节
能降耗的成熟技术。

（9）セメントベ-スマテリアル/水泥基材料/ cement base materials
以水泥为主体成分的胶凝材料为水泥基材料，水泥基材料再与其他材料复合，可以得到特种功能的产品。

例如日本研究的高强度混凝土——碳纤维水泥基复合材料，作为一种新型的复合材料受到了人们的关注。

（10）資源の効率的利用/资源化（再循环利用）/ recycling
一般是指把废弃的东西进行综合处理后转变为可利用的资源，比如日本水泥产业处置的废弃物，包括垃圾、废土、污泥、废轮胎等，作为代用燃料或原料，成为资源循环利用，因此日本提出资源的有效利用，即我们常说的再循环利用、资源化。

（1）日本是水泥产业发达的国家，对世界水泥工业的发展也有很大贡献，但近
30年来，由于日本经济低迷、东海大地震以及产品绿色化的压力，日本水泥出现
了产能过剩问题，日本水泥产业通过自身结构性调整和水泥低碳化创新，已取得了一定成绩。

（2）现代水泥工业已是成熟产业，因此目前对传统水泥工艺方法与设备的提升研究报道的比较少，但多见如下内容：废弃物的循环再利用，生产低碳化产品，产品多功能化和性能化、混凝土高寿命化等，均为以水泥基为主的材料开发，颠覆性的。