水泥工业是我国国民经济发展的重要基础原材料工业，1978年我国水泥产量约0.6亿吨，到2020年增长至24亿吨，多年来我国水泥年产量稳居世界第一位。2020年我国水泥工业排放二氧化碳12.3亿吨，占建材工业二氧化碳排放总量的84.3%、占全国二氧化碳排放总量的13.5%。水泥工业决心将在2023年实现“碳达峰”，而“节能减排”是水泥工业实现“碳达峰、碳中和”最有效、最基本的常规路径。
我国是水泥外加剂生产大国，同时也是消费大国，水泥外加剂行业在国内已形成规模产业，年产值超过300亿元，随着环保和节能要求的提高，预计未来三年，行业年产值将超过600亿元。“十三五”是我国建材行业转型升级，实现转折性发展的重要阶段。2019年11月6日，国家发改委正式修订发布了《产业结构调整指导目录2019》，其中“水泥外加剂开发与应用”新增进入了鼓励类指导目录，标志水泥外加剂行业将由“高速增长阶段”转向“高质量发展阶段”。
一、“十三五”水泥外加剂助力节能减排
水泥外加剂分为“水泥生产外加剂”和“水泥功能外加剂”两大类，包括节煤剂、生料固硫剂、低温矿化剂、烟气脱硫剂、脱硝剂、水泥助磨剂、六价铬还原剂及水泥砂浆性能改善剂等。据我国实际生产统计数据显示，在水泥生产过程中添加水泥外加剂，每年可减排CO2气体1.65亿吨；减排SO2气体2.45万吨；减排NOx气体5.88万吨；节电176.6亿度；节煤185.1万吨标煤；减少石灰石消耗1.21亿吨；减少粘土消耗3200万吨；多消纳工业废渣1.62亿吨。使用水泥外加剂能够在不改变原有生产条件的基础上，减少水泥工业废气排放、降低水泥生产能源消耗，推动我国水泥行业的绿色发展。
1）水泥助磨剂的原理和应用效果
水泥外加剂已成为水泥生产、制备和应用过程中必不可少的重要组分，其中，水泥助磨剂在我国水泥企业中的应用率已经超过了90%。每生产一吨水泥需要粉磨三吨物料，粉磨电耗约占水泥总电耗的65%-75%，因此，是节能减排的重点之一。助磨剂通过吸附在水泥颗粒表面，降低物料的表面能，改善了物料的易磨性，使其更易于粉碎；同时，由于助磨剂的渗透作用，能阻止物料颗粒的裂纹闭合、加速裂纹的扩展，有利于提高物料被磨细的速度。使粉磨设备在装机容量不变的情况下，台时产量提高5%～10%，单产电耗降低5%～10%。每年节电所产生的二氧化碳“间接”排放十分可观。
助磨剂通过吸附在水泥细颗粒表面，降低物料的表面能，促进水泥颗粒的分散，改善物料的易磨性，使其更易于粉碎；有效防止水泥颗粒团聚，避免磨内物料发生糊球、糊衬板等现象，提高粉磨效率。使粉磨设备在装机容量不变的情况下，台时产量提高5%～10%，单产电耗降低5%～10%。同时，由于助磨剂的渗透作用，能阻止物料颗粒的裂纹闭合、加速裂纹的扩展，有利于提高物料被磨细的速度。助磨剂在开路粉磨中可以增产节能，减少过粉磨现象。在闭路粉磨系统中，结合选粉机的作用，助磨剂不仅可以显著提高磨机的产量，还可以提高水泥的比表面积，使3～32µm颗粒的含量显著增加，优化了水泥产品的颗粒组成。水泥产品中的熟料、混合材组分得到充分地粉磨，所谓“物理激发”使其强度利用率得到提高，因此，对比未掺助磨剂、相同等级的水泥产品，其熟料的掺加量可以适当节省一部分，即：用相同数量的熟料，可以生产更多的水泥。
2）水泥助磨剂在混合粉磨工艺中的应用
目前，辊压机-球磨机联合粉磨工艺流程，是我国最常见的水泥粉磨装备配置；通常采用的作业方式是：将熟料、石膏、混合材料和助磨剂，按一定比例配合，同步送入该工艺流程内粉磨成合格的细粉，此称之为：混合粉磨工艺。
混合粉磨工艺，对各种物料在磨内粉磨的时间是相同的，由于各种物料的易磨性及需要粉磨的粒径不相同，混合粉磨得出的产品比表面积均为“假象比表面积”。如：P•C42.5水泥，当其比表面积为320～340 m2/kg时，其中粉煤灰表面积会达到400 m2/kg，矿渣比表面积却只有260 m2/kg。经试验研究证明，“矿渣只有磨至比表面积为420～430 m2/kg时，其活性才能激发出来；而粉煤灰比表面积为550～600 m2/kg时，内部玻璃体被打破，其活性才能激发出来”。所以混合粉磨工艺产品的粒径分布，大多数情况下是不合理的。结果是混合材未起到应尽的填充和活性激发作用，其掺量不宜增加。为确保产品的强度等级，既增加了熟料用量，又浪费了产品电耗，对“碳减排”十分不利。如果采用“分别粉磨”工艺，即：将不同易磨性的组分（物料）分开、单独粉磨。如：水泥熟料、石膏磨至≤30 μm；混合材磨到活性发挥必备的细度（≤10 μm），然后按配比混合均化，这样生产的水泥在激发混合材活性的同时，更有利于其填充密实作用，就能把这一粒径段的熟料置换出来，既达到了碳减排、又得到了优质高性能水泥。
由于助磨剂对水泥熟料及各品种混合材具有一定的适应性，因此，在分别粉磨工艺前，需要助磨剂供应商做好“配型试验”，服务到位，助力水泥企业满足粉磨工艺要求。采用分别粉磨，还可以将钢渣、矿渣和粉煤灰等具有胶凝性能的固废资源磨细，代替部分熟料，使其在水泥工业“碳减排”中，充分发挥作用。
二、水泥外加剂助力传统水泥生产方式绿色转型
1）水泥外加剂在工业固废替代水泥原材料中的研究和应用
煅烧水泥熟料会产生大量的CO2排放，这是水泥工业区别于其他工业部门的特点和难点。在考虑碳排放的同时，水泥行业也是资源消耗大户。以国内2019年熟料总产量15.2亿吨计算，消耗矿产资源高达24亿吨左右。如何减少水泥生料中石灰石的配比、或减少水泥熟料中总CaO含量，即减少高钙硅酸盐矿物的含量。此项任务称之为：“工艺”减排，约占水泥工业二氧化碳排放总量的60%；所以，从长远来看，发展趋势将是：尽量少用或不用碳酸盐原料，而釆用硅酸盐、铝酸盐、铁铝酸盐等原料；或利用低质原料、低活性工业固体废弃物作为替代原料，现已成为广大水泥企业及外加剂行业势在必行的技术革命。
在确保水泥质量的前提下，可以综合利用当地低质原料和低活性工业固体废弃物作为水泥工业的替代原料，如：钢渣、镍铁渣、三级粉煤灰、低品位石灰石、方解石、白云石、煤矸石、硅砂、砂岩、页岩、等等，激发其活性，做混合材料或混凝土掺合料。工业固体废弃物和低质原料种类繁多、化学成分复杂，且不稳定，其主要的成分仍然是以CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、SO3等组成；许多所谓“非活性混合材料”，并不是没有“水化活性”，只是“活性指数”较低，达不到国家标准中“活性混合材料”的要求。这些替代原料的“易磨性”、“易烧性”本来就是特种水泥生产中的重点和难点，它们对常规外加剂的适应性，都发生了不同程度的变化。水泥助磨剂的有机组分大多为多元醇、多元醇胺及其衍生物，另外还有一定量的无机盐类。在水泥粉磨后，它们并未消失，而会成为水泥产品的微量组分；这些物质的加入，对水泥水化有两个方面的影响：一是物理作用，助磨剂新增了易水化颗粒的含量，加大了水泥水化的力度；二是化学作用，水泥助磨剂的化学成分，可以激发混合材料的潜在水硬性，提高了水化产物的强度，使水泥工业的环保利废功能更加明显；节煤剂、低温矿化剂，生料固硫剂、烟气脱硫剂、脱硝剂等都需要针对性地深入研究；反过来说，欲在替代原料进入水泥生产过程继续保持原来的优质、节能、高产，必须对水泥外加剂的品种及应用技术，进行适当的调整或重新研发。从低钙水泥切入，向突破通用硅酸盐水泥熟料体系、寻找新的四元或五元硅酸盐类水泥新体系；同时，应与特种水泥有所区别，在现有水泥生产工艺装备条件和满足建筑工程质量要求的同时，实现低碳水泥发展的创新。
某外加剂分会副会长单位，将“低质石灰石、玄武岩、煤矸石、建筑垃圾”等资源（原料），先经干燥预处理，使其含水率小于1.5%，然后粉碎、细磨，选择合适的外加剂，助磨、活化、将其粉磨至比表面积大于400 m2/kg的微粉，谓之：辅助胶凝材料。通过对微粉材料在水泥生产、混凝土制备中的应用试验，结果表明，掺量不超过15%时，水泥及混凝土物理性能与不掺时的效果基本相同，可以替代10%的水泥，其产品各项性能优良，节省水泥中的熟料用量，间接起到节能减排作用，实现超低排放的水泥生产过程，给利用低活性混合材料提供了可行性；为行业绿色发展，增添了新的路径。
2）持续探索水泥外加剂在水泥窑协同处置技术中的应用
随着我国城镇化、工业化进入新的发展阶段，各类废弃物与日俱增，“垃圾围城”形势严峻，固体废弃物污染引发的环境问题不断显现；所涉及的废物类型包括：一般工业固体废弃物、工业危险废弃物、医疗废弃物和生活垃圾四大类型，量大面广。在我国水泥工业“十三五”发展规划中，水泥窑协同处置技术被纳入重点推进工程。支持利用现有新型干法水泥窑协同处置生活垃圾、城市污泥、污染土壤和危险废物，综合利用水、气、粉、尘，减少各种污染与排放，推进绿色发展，发展循环经济。
水泥窑燃烧温度高，垃圾在高温区停留时间长，有机物分解彻底；采用破碎+外加剂发酵+机械挤压脱水预处理，降低入炉垃圾水分，提高垃圾热值，而且对于高含水、复杂形态，节煤效果突出；配套单线熟料生产规模≥3000t/d 的新型干法水泥窑，可以协同处置生活垃圾（掺加生活垃圾质量不超过入窑物料总质量的30%），处置系统稳定，对水泥产品质量影响小；水泥窑热容量大，工作状态稳定，处理垃圾能力强，无灰渣排放；垃圾中包括：有机物替代燃料、无机物替代原料，资源化利用程度高；水泥熟料对垃圾中的重金属具有固化作用，无害化程度高；水泥窑的碱性环境可抑制酸性气体的排放；水泥窑有废热资源可供利用，对垃圾的前置处理方便，投资下降，运行费用低。
外加剂企业应该积极加入利用水泥窑协同处置生活垃圾和工业固体危废物的工作，此项使命已经在国内全面展开，并取得了积极的效果。目前，我国经济转向高质量发展阶段，固废处置与综合利用领域也面临如何高质量发展的问题。未来选择在城市周边的水泥窑协同处置生活垃圾和工业固体危废物是资源化的重点之一，也是一个值得期待的发展方向。
三、水泥外加剂助力“十四五”水泥行业可持续发展
1）我国碳市场的建设与发展
碳市场是通过市场机制促进企业对碳排放权进行优化配置。碳市场交易产品主要包括排放配额（Allowance-based transactions）和项目减排（Project-based emission reductions）两大类型。如果企业碳排放量超过了其拥有的配额量，则需要在市场上购买更多碳排放配额或碳减排指标完成履约责任；如果企业排放量低于其拥有的配额，企业可自主选择出售盈余配额，获取收益。碳市场为企业提供了一个可以根据自身实际情况安排节能减排或购买配额间进行灵活选择的机会，实现经济成本效益最优碳资产管理模式。
2）水泥外加剂行业在碳市场建设中面临机会与挑战
我国2011年起在7个省市启动了地方碳交易试点工作，取得了积极进展，积累了丰富经验。今年《碳排放权交易管理办法（试行）》、《碳排放权登记管理规则（试行）》、《碳排放权交易管理规则（试行）》和《碳排放权结算管理规则（试行）》的的正式施行，标志着全国碳市场的建设和发展进入了新阶段。今年全国碳市场首个履约周期正式启动，涉及2225家发电行业的重点排放单位。根据国家碳排放权交易市场建设计划，“十四五”期间钢铁、水泥、化工、电解铝、造纸行业将纳入碳排放权交易市场。水泥行业纳入全国碳交易市场，将为水泥企业节能减排带来更大的压力，也为我国以降低水泥能耗和减少石灰石使用的水泥外加剂技术企业带来了更大的机会与挑战。
预计2020 年之后，中国碳市场覆盖排放量超过40亿吨，将成为全球规模最大的碳市场。而全国统一碳市场对碳排放的硬约束下，将加大水泥企业温室气体减排的，提升采用节能减排新技术的积极性，这就为水泥外加剂，特别是省煤剂、助磨剂等以帮助水泥企业节能降耗减少温室气体排放的水泥外加剂企业带来机会和挑战。
四、结语
“十三五”是我国建材行业转型升级，实现转折性发展的重要阶段。水泥工业“碳达峰、碳中和”不仅仅是一项伟大崇高的使命，也是一次关键的行业转型，这是发展循环经济，实现业绩可持续增长的阳光大道。水泥外加剂分会也要担负起历史使命，引导水泥外加剂企业要大胆探索、勇于创新、积极进取，在践行使命的同时，变“环保压力”为“绿色动力”，顺势而上，加大科技投入，积极探索碳中和、碳捕集、利用与封存技术，坚持创新驱动。大力研发各类新型外加剂及其应用技术，推进新型胶凝材料、替代化石燃料、低碳资源等前沿技术，在转型发展上取得新的突破，助力水泥工业实现更高质量的永续发展。同时，水泥外加剂分会也要主动作为，积极探索水泥外加剂进入碳交易范围的可能性。
