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21世纪的水泥工厂:绿色互联

21世纪的水泥工厂:绿色互联

发布时间:2024-03-23 | 作者: 粉磨项目

  当下正是水泥价值链的核心——水泥工厂建立韧性的关键时期。2020年,水泥行业深受新冠疫情影响,全球需求下降了约7%-8%——但各地区所受影响不完全一样【1】。在疫后复苏较好的中国,水泥行业也面临着限产和减排的压力。尽管工厂只是水泥价值链上的一个环节,但在引导行业应对颠覆性趋势、推动企业取得未来成功方面却是至关重要。

  前方的道路非常清晰:拥抱数字化和可持续发展。将这两个趋势置于未来规划的首位,重点是要一边建立高效的数字化工作新模式,一边提升水泥企业面对颠覆时的韧性。

  未来水泥工厂的运营模式将与现在迥然不同。在本文中,我们将描绘有韧性、敏捷、绿色、高效的未来工厂愿景,探讨其商业经济价值,以及高层在确立发展路线时应考量的战略要素。

  未来的水泥工厂将通过优化能效、配方和产能来降低经营成本,提升资产价值,借助更具针对性的有效维护延长设备的运行周期。每家工厂的环境足迹都降至最低,以确保在其运营的地区都能获得经营许可。工厂根据实时客户数据动态调整生产和物流,以实现用户所需。无附加值的工作实现自动化,员工可以将工作热情倾注于增值活动中。各层级管理者远程即可获取实时信息,以更好地制定决策。

  未来已来。我们的分析显示,数字化和可持续抓手将是水泥工厂大幅度提高产能和效率的关键举措(图1)。它们能将每吨水泥的利润提升3-6美元【2】,让工厂的成本曲线升至同等技术装备工厂中排名前25%的水平。(详见“今天的水泥工厂”)

  实现转型所需的资金数额取决于所采取的举措。例如,为回转窑设置先进分析试点【3】需要专家工作2-3个月,以收集并分析历史数据,建模和训练系统;投资替代燃料装置需要高达数百万乃至上千万美元的资金,以及长达一年的试运行时间;更为激进创新的方案则需要更加多的资金和时间。除此之外,业内常见的卓越运营或合规性要求,以及其他一些规定也都需要资金投入。

  在想象未来的水泥工厂时,第一步是要了解今天典型的水泥工厂。我们参考的工厂使用六级预热器-预分解炉,包括辊压式生料磨和两个水泥磨,年产熟料200万吨,能够生产多种类型的产品。工厂设备的平均利用率为90%,最多可以用15%的替代燃料。

  近期,工厂使用先进流程控制工具来管理回转窑、生料及水泥磨。工厂设有中控室全面监督运营,作业员每天集中检视数字屏上的班次结果。设备部门将每日检查日志记录到可靠性管理工具中,确保下次设备检查时点检员能了解情况。在这样一家工厂,每吨水泥的成本在35-40美元之间。

  和其他行业相比,水泥行业尚处于全面数字化转型的初级阶段。在54家被认为是“灯塔”(即应用工业4.0技术的领先者)的制造工厂中,没有一家是水泥工厂(详见“制造4.0:世界经济论坛定义的灯塔工厂”)。然而,监管趋严、需求降低,以及建筑ECO发生的广泛变化,使得水泥行业迫切地需要应用工业4.0技术以确保竞争力。

  在未来的水泥工厂中,价值(而不见得是产量)至关重要。基于数据实时进行决策将是常态,工厂会通过持续的调整适应ECO的变化。产品组合增至现有规模的5-10倍,通过动态的约束条件和目标寻优来管理运营,并同步调整相应的生产参数。数字孪生(Digital twins)模拟并优化了外部变化对运营的整体影响,将从燃烧等复杂工艺到维护等更结构化的活动都囊括在内。

  必须留在工作现场的员工进一步减少,互动式线上仪表盘让管理者能够最终靠远程合作处理问题,他们可以根据全面的信息与团队一起快速决策。设备工程师会被及时告知设备故障或即时维护工单,并在增强现实的帮助下,按照操作指南一步步进行修复。

  强大的技术基础将推动水泥价值链全面整合,包括不同职能之间的融合。先进分析算法改善了物耗、产量、质量、能效以及熟料掺加量【4】。通过对设备综合利用率(OEE)损失的自动追踪以及先进分析赋能软件,能定制设备管理策略,提升设备可靠性并延长常规使用的寿命(图2)。

  自2018年起,世界经济论坛与麦肯锡合作研究先进的制造领军企业(或称“灯塔”)不同于业内别的企业的特质。世界经济论坛将“灯塔”定义为有能力应用第四次工业革命(工业4.0)技术,通过工厂、价值链和业务模式的转型来实现财务和运营影响的制造企业。灯塔的概念并不局限于工厂本身,也代表了各种工厂模式的可复制性以及价值链整合程度。

  截至2020年9月,世界经济论坛灯塔网络囊括了工业4.0中的54家领先工厂。新的端到端灯塔利用数字互联来推广工厂内的数字化运营,同时为价值链中的各职能消除阻碍。此外,端到端灯塔也持续推动技术扩展边界,超越工厂属性,迅速提升效益并重塑客户旅程【1】。

  1. Kate Whiting,《这十座新的“灯塔”工厂展示了制造业的未来方向》,世界经济论坛,2020年9月17日,/span>

  2017年,水泥生产为全球贡献了7%的二氧化碳排放量。持续收紧的排放标准,以及社会和政府的共同脱碳目标都将对行业产生重大影响,可能会颠覆整体价值链。水泥制造商要重新审视其产品、投资组合及合作伙伴,并努力实现碳中和。

  根据我们的分析,到2050年,水泥行业的碳排放量将较2017年减少75%。其中,约20%来自运营进步,如能效提升和熟料替代;另10%来自替代燃料——然而,各地区替代燃料的可得性不同,钢铁、电力等相关行业在脱碳方面的进展情况也不一样。天然火山灰、工业副产品【5】等熟料替代品也面临类似情况。

  碳捕集、利用与封存(CCUS)等创新技术的应用将有利于建设更绿色、高效的工厂。在推广方面,CCUS技术或许是最先进的技术方案。水泥厂家使用该技术捕集排放的二氧化碳,获取碳固化水泥(一种将二氧化碳锁定在终端产品中的利用方法),或者将碳存储在之前的油气田中。其他的清洁理念,包括电解和细菌产生碳酸钙都需要大量投资来落地,且先发优势显著。最重要的是,工厂与水泥生产的整体价值链紧密挂钩,有助于其以最有效的方式实现碳减排和碳捕集。做实排放追踪、开展端到端碳核算,以及构建全价值链透明度都有利于实现最优情况。

  如今,大多数工厂仍然依赖人工或过时技术,采用传统、非敏捷的运营方式,并在寻找和留用重要岗位上的熟练工人方面挑战重重。过往兼并的以及大量有待完成的新项目需要投资,使得工厂无心也无力开展彻底变革。此外,尽管在过去20年里,水泥行业的IT基础设施和运营技术已取得了极大进展,但新的“企业-资源-规划”系统、流程优化工具,甚至预见性维护因遭遇管理变革的挑战以及不同工厂间的文化差异,以致效果不够理想。

  水泥企业应着手对其工厂乃至整个价值链做评估,了解在每个市场细分领域的差距和机遇。如此一来,企业不仅能确定实际的数字化和可持续愿景,还能推动有关综合战略的探讨,并将之融入每座工厂的详细转型路线图。水泥公司能够自上而下地为每座工厂设立目标,也可根据工厂的实际抓手自下而上地确定目标。无论采取哪一种方式,他们都能通过专门的能力学院来同步建设数字化能力。做好能力建设之后,工厂应志存高远,聚焦于能够为企业和客户创造最大利润的活动。

  成功的道路不止一条,每家工厂都应依据自己情况、目标、集中化意愿、现有内部能力等因素选择比较适合自己的路径。启程之前,亟待水泥企业思考的问题都与价值创造相关——哪些应用和技术能够最大幅度地提升价值?效率最高和产能最大,究竟哪个才能带来整体价值最大化?实现全整合的生产流程能否产生更高利润?

  疫情让水泥企业意识到开启数字化转型旅程宜早不宜迟。数字化、可持续的未来愿景更能帮助工厂在产能、效率和韧性上获得长期优势,这一认知要比获取外部投资更为可贵。

  每座工厂都要建立敏捷运营模式,包括对组织架构、能力、基础设施、流程和合作伙伴做调整。领导者需要取得授权以引领团队达成目标,保持开放透明、以客户为中心,并树立团队的责任感。工厂不能只聚焦成本,在以精益方式开展日常运营的同时,还要关注能够创造更高价值的各项举措。稳定的组织架构能保证组织有共同的目标、标准、平台、文化和价值,以此来实现开放、简单的知识分享。更具效率、更可持续的发展只是未来愿景的一部分,在接下来十年中,水泥企业一定在价值链各环节开展行动,确保水泥生产兼具经济性和生态可持续性。

  【1】      Paul Roger,《新冠疫情对全球水泥市场的影响》,全球水泥市场,2020年6月,/em>

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