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低碳经济加速水泥混凝土行业拓展新天地

来源:肖九梅 中国水泥杂志  撰稿人:  发布时间:2019年03月15日 浏览:
摘要:

【中国建材信息总网】低碳生产技术是水泥工业的未来发展方向,只有大力研发和应用低碳生产技术,才能推进水泥工业的节能减排,实现水泥工业向先进制造业的转变,进而为社会经济的可持续发展、保护生态环境和应对气候变化作出较大的贡献。

  一、水泥产业节能减排刻不容缓迫在眉捷

  目前我国仍处在经济快速发展时期。在这一阶段,消费结构不断升级,城市化进程进一步加快,基础设施建设、房地产开发及大规模的经济建设都将继续拉动水泥产业的快速发展,水泥产业仍然是一个极具发展潜力的产业。然而水泥产业是以矿产资源为基本原料,以化石能源为主要燃料,以高温窑炉的高耗能、高排放作业方式为主体的产业,因此,淘汰落后水泥产能和深入开展节能减排工作,不仅关系到产业升级和结构调整,也关系到能否顺利完成我国政府在哥本哈根会议上向国际社会作出的减排承诺指标的落实。降低二氧化碳排放强度一旦成为产业量化标准和强制目标,将给我国水泥工业结构转型和增长方式的转变带来一场“革命”。

  混凝土是目前用量最大的建筑材料之一,混凝土搅拌站、混凝土制品和构件及混凝土现场施工等方式将每年近30亿立方米的混凝土用于基本设施建设和国家重点工程,混凝土年产量和相关企业数量不断增加。行业发展的同时也造成了大量有限资源的浪费,目前很多地方已经出现混凝土原材料资源紧缺的现象,砂石、粉煤灰、矿渣粉等用量较大的材料运输半径越来越大,在一些经济发达的城市,甚至出现材料运费高于材料本身价格的现象。同时出现的另外一个让人担忧的现象是一些混凝土结构的耐久性变差,建筑寿命缩短。

  中国的基础工程建设量处于世界的前列,在金融危机席卷全球的今天,我国为了应对这场巨大的危机,投巨资拉动经济,有很大比例用于基础设施建设,铁路、公路、机场等。据了解,我国重大工程中,铁路建设重点包括南北、东西大通道,既有客运,也有货运,高速公路建设总里程超过美国,居世界第一。城市轨道交通建设已建成运营地铁的城市有北京、天津、上海、广州、南京、深圳,筹建轨道交通的城市有近40个。核电站建设到2020年,核电运行装机容量4000万千瓦;核电年发电量2600亿~2800亿千瓦时。15年内核电项目建设资金总量约为4500亿元人民币。中国核电建设高峰将至。众多的重大工程都需要大量使用水泥混凝土,这对水泥混凝土的节能减排和提高质量提出了新的紧迫要求。低碳经济的提出,低碳排放技术的应用,不仅对我国混凝土原材料资源浪费是一种整合,对材料和结构性能的提高是一种促进,还可能为混凝土企业创造出一个优胜劣汰的局势,而这个局势将通过以技术带动经济发展来达到。

  二、节能减排发展“绿色混凝土”值得关注

  发展以低能耗、低污染和低二氧化碳排放为主要特征的土木工程建设,是在全球发展低碳经济的新形势下学科发展的主要方向之一。首先,从混凝土材料专业角度分析和思考,我国是水泥和混凝土生产、消耗大国,每年生产与消耗混凝土约40亿立方米(100亿吨),也占全世界的1/2左右。每生产1立方米混凝土大约要用去1/3吨水泥,每生产1吨水泥则向大气排放约800公斤CO2,因此在全球发展低碳经济的新形势下,确定与混凝土相关的研究发展方向:在建设新结构物时少用混凝土;在混凝土中减少水泥消耗量;在生产水泥时减少其中的熟料量。但这个发展方向显然不仅与混凝土材料领域相关,而且还和结构设计、水泥生产两个上游领域密切相关。

  水泥生产包括原料开采、生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨等多个工艺环节,使用多种输送、破碎、粉磨、煅烧工艺设备及电机、风机等,需要消耗一定量的电力。每生产1吨水泥,需要消耗电力约110kWh。

  水泥熟料煅烧包括原料矿物分解、固相反应、液相烧结、熟料冷却等一系列物理、化学过程、需要消耗大量的热量。目前大多使用的煅烧工艺为预分解窑炉,燃煤由喷煤管分别送入分解炉和回转窑进行燃烧。水泥熟料形成反应的理论热耗约为1700kJ/kg。由于窑炉筒体表面散热、燃烧烟气带出热量及出窑熟料带出热量,实际的水泥熟料烧成热耗约为3200kJ/kg,即吨熟料综合煤耗约为110kg标准煤。水泥生产电力消耗可产生CO2间接排放, 即直接CO2排放由发电厂燃料燃烧产生。根据国家主管部门发布的数据,我国电力消耗CO2排放因子平均约为0.86TCO2/MWh,由此也可以推算出吨水泥生产电力消耗产生的间接CO2排放量约为94.6kg。水泥生产燃料消耗会产生直接CO2排放,可根据燃料中有机碳含量进行换算,计算出CO2排放量,但采用标准煤换算更为方便、快捷。根据中国建筑材料科学研究总院的初步研究,燃煤的CO2排放因子介于2.31~2.55kgCO2每kg标准煤,而国家发改委能源所推荐的排放因子为2.46kgCO2每kg标准煤。由此,可以计算出生产每吨水泥熟料、由燃煤燃烧产生的直接CO2排放量约为295kg。水泥生产采用石灰质原料,经煅烧后石灰质原料中的碳酸盐矿物会分解,释放出大量的CO2。通常,生产1吨水泥熟料需要消耗1.55吨生料,即产生的直接CO2排放量约为550kg。按水泥中的熟料系数为0.75计,可计算出生产单位水泥CO2总排放量约为728kg/t。

  目前,我国混凝土企业发展整体水平参差不齐,有科学家预测,以中国目前这种高耗能的方式对砂石进行开采利用,最多还有三十年的使用寿命,三十年后混凝土所用的砂石要么从国外进口,要么用新材料替代,而前者绝不是国人所愿意见到的。然而低碳经济的提出,低碳效应的影响,不仅对我国资源浪费是一种整合,还可能为混凝土企业创造出一个优胜劣汰的局势,而这个局势则将以技术带动经济发展来扭转。对于混凝土企业而言,低碳经济中的低碳标准如何,目前虽还不清楚,但是要减少混凝土中碳排放量,“绿色混凝土”概念正当适用,对原材料的综合利用以及对废弃材料的再生利用,这一切不仅能够为“低碳“助力,更是体现低碳经济中十分明显的环保意义。

  三、水泥生产中能耗碳减排的意义

  燃料消耗主要是用于水泥熟料煅烧的燃煤,而燃煤燃烧提供了熟料形成所需热量,同时也产生了窑炉筒体、出窑炉烟气及入篦冷机熟料带出的三大热损失。

  电石渣是电石法生产乙炔产生的工业废渣。我国电石渣的年排放量已达到2000万吨,历年存积的电石渣量也超过1亿吨。电石渣(干基)的主要成分是Ca(OH)2,达70%以上。采用电石渣完全替代石灰质原料生产1吨水泥熟料,即可减少约550kg过程CO2排放,而全国年排放电石渣的完全利用,则可减少CO2排放约1100万吨。

  降低水泥熟料形成温度、加速水泥熟料矿物形成可以减少燃煤用量及CO2排放量。水泥熟料生产会产生较多的过程CO2排放,减少水泥中熟料的含量就会显著地减少过程排放,但这必须以保证水泥的性能为前提。水泥中熟料系数平均约为0.75,即含有约75%的熟料,另有25%的石膏和混合材。通过提高水泥强度或是增加混合材活性,就可以在保证水泥性能的同时,增加水泥中混合材的掺量。通常提高水泥熟料强度1个MPa,就可以增加混合材掺量约2%,进而获得近似2%的CO2减排。助熔剂和矿化剂可以显著改善水泥熟料的易燃性,实现水泥熟料的低温煅烧,长期以来一直受到广泛的重视,有研究表明采用适宜的助熔剂和矿化剂,可以使水泥熟料形成温度降低至1350℃,减少热耗达25kg标准煤吨熟料,相应的CO2减排量也达到约62kg/吨熟料。

  窑炉筒体的表面散热约为水泥熟料烧成热耗的10%。通过窑炉筒体保温技术及筒体表面散热回收利用,可以减少约2%的热损失。通过提高篦冷机的换热效率、采用余热发电技术则可以回收利用出窑炉烟气及入篦冷机熟料带出的大部分热量。较为先进篦冷机的热效率可达到80%,而余热发电系统的单位熟料发电量达到40kWh/t。一些大宗工业废弃物,包括钢渣、粉煤灰、煤矸石等,含有一定量的氧化钙,作为替代原料,也可以获得一定量的过程CO2减排。例如,一些种类钢渣中CaO含量达45%,若替代50%的石灰质原料,则生产每吨水泥熟料可减少约275kg的过程CO2排放。一些种类粉煤灰中CaO含量也超过10%,通过配比可替代约2%的石灰质原料,生产每吨水泥熟料也可减少约11kg的过程CO2排放。

  采用替代燃料代替燃煤是水泥生产的能耗CO2减排的重要途径。替代燃料是一些具有较高热值(23000kJ/kg)的废弃物,经加工处理后可代替部分燃煤用于水泥熟料的煅烧。替代燃料中含有一定量的有机碳氢化合物,在相同热值条件下替代燃料CO2排放因子比燃煤的低约20%。另一些生物质替代燃料被公认为碳中性物质,即生物质替代燃料燃烧释放出的CO2被认为是对气候无影响,可不计入工业CO2排放中。若全国水泥工业每年利用替代燃料1000万吨,利用生物质能100万吨,也可减少CO2排放约700多万吨。目前,有关部门正在研究制定有关国家标准,以促进和规范替代燃料在水泥生产中高效、环保的应用。粉磨设备、大功率风机及大型电机是水泥生产过程中的主要耗电单元。通过采用辊压机、立磨等新型粉磨设备,采用变频调速技术及采用高效电机,可以显著地降低生产电耗。新型工艺及设备的不断研发和广泛采用,既提高生产技术水平和生产效率,同时也降低了能耗及CO2排放量。

  为降低水泥熟料石灰饱和系数、提高水泥熟料的物理、力学特性,硫铝酸盐改性硅酸盐水泥熟料中CaO含量低于64%,熟料的煅烧温度约为1300℃,在矿渣掺量达50%时,可稳定生产42.5MPa强度等级的水泥。对比于硅酸盐水泥,硫铝酸盐改性硅酸盐水泥生产的过程CO2排放可减少约5%;由于烧成温度降低和混合材掺量增加,水泥生产的单位CO2排放也有显著的下降。提高混合材活性、增加混合材掺量不仅可以获得大幅度的过程CO2减排,而且可以实现综合利用,因而一直受到广泛的关注。我国曾经制定有低熟料和无熟料水泥系列标准,以用于指导和规范相应水泥品种的生产。目前,一些工业化国家在这种水泥系列研究中取得了较大进展。有报导表明在矿渣掺量达85%~90%时,水泥仍有适宜的应用性能。有关部门正积极开展研究工作,恢复相关的水泥系列标准,同时要求在强度等性能指标上有较显著的提高。这对减少水泥生产的过程CO2排放及能源消耗中CO2排放都有重大的意义。

  四、水泥生产中能耗的碳减排技术

  采用低化石燃料替代传统燃料、用非碳酸盐钙质原料替代石灰石,如在水泥制造领域,利用粉煤灰、煤矸石、赤泥、电石渣、各类尾矿渣等替代部分石灰石原料,以及利用经过适当处理的工业废渣替代水泥熟料,减少水泥制备过程中熟料用量,减少生产中CO2直接排放;利用废轮胎、废油、废塑料等可燃废弃物替代燃料,这个方面与发达国家差距大,我国还具有很大的发展潜力。水泥熟料的烧成量是水泥制造中减排的关键,高效利用水泥熟料、减少熟料的烧成量是最有效的减排。在绿色制造技术与装备方面,国内外的最新研究和应用主要包括新一代高能效预分解窑炉工艺技术、高固气比节能技术、无球化粉磨技术、高效冷却装备、低温高效余热发电技术等。目前国内在已有基础上研究开发了六级旋风预热器、二支承回转窑、新型高效低污染水泥工业用燃烧器等节能新技术和装备,技术指标达到国际先进水平。

  研究和推广高标号熟料、高活性熟料,可以使水泥混凝土在保证性能的同时加大工业废弃物的掺量,减少熟料用量,达到减排的目的。在废气的高效分离、捕获及转化方面,主要是研究开发和应用NOx、粉尘和温室气体CO2高效分离、捕获及转化技术。目前水泥产业没有系统开展脱硝等减排技术的研究,排放指标与国外先进水平差距很大。

  发展综合利用和协同处理技术,通过研究水泥窑炉综合利用和协同处置废弃物关键技术和装备,一方面可充分利用废弃物的残余热值,另一方面可协同处置大宗、难以处置、环境危害较大的工农业和生活废弃物,体现出建材在社会大循环中的作用和价值,可实现建材行业的可持续发展。尤其是靠近大中城市的水泥企业,可以利用水泥窑协同处理城市垃圾、污泥,进入城市发展的循环经济中。研究开发低碳排放的胶凝材料,通过调整熟料矿物组分,对传统的熟料矿物进行改性,发展生产能耗低、低碳排放的水泥新品种,研究大掺量辅助胶凝材料利用技术,发展满足配制高性能混凝土和绿色高性能混凝土要求的水泥。

  为大幅度减少水泥生产CO2排放,有广泛的研究开发低CO2排放水泥品种,或对高CO2浓度的废气进行捕集、贮存和分离、应用。有研究机构采用轻烧氧化镁,与粉煤灰等工业废弃物混和、加水搅拌后制成镁建筑制品,再通过碳化或是对水泥窑炉烟气中CO2进行吸附、反应,形成碳氢化合物。通过组分的适当调整及在700℃下的中温煅烧,就会形成具有胶凝性的矿物。这不仅有效地处置和利用了大量的建筑废弃物,而且消除了水泥生产的过程CO2减排。CO2的捕集与封存是将化石燃料燃烧产生的CO2进行捕集,并长期封存在地质结构中。这可将大规模工业的二氧化碳排放量降低85%左右。我国也有大型水泥生产企业单一生产基地的年水泥熟料产量达数百万吨,排放的CO2总量也有数百万吨;由于烟气中CO2浓度达约30%,非常适合捕集和封存处理。CO2分离和利用首先是通过化学吸收、物理吸收、吸附、膜分离、深冷分离等方法将窑炉烟气中的CO2进行分离,获得不同纯度CO2气体产品,再进行各项工业应用,包括化工合成、金属冶炼等。

  水泥生产需要消耗大量的石灰质原料和能源,水泥混凝土作为建筑材料在废弃后难以回收利用。而可浇筑、高耐久高强石膏的生产,基本不排放CO2,废弃的石膏经简单加工后还可重复使用。目前,国际上研究的高强石膏其强度已超过60MPa,并具有抗侵蚀、耐气候等良好的耐久性能。绝大部分工业废渣通过适当组合能在高压下发生聚合,获得非常高的强度,用于生产墙体材料和其他建筑材料制品,可有效地降低水泥的用量。

  五、新型建筑绿色混凝土的发展趋势

  所谓“低碳绿色混凝土”技术,则是可以使新建大型建筑在建设期间的混凝土减少水泥使用量,从而减少二氧化碳排放量。而对于废弃混凝土的利用,也是一项能够减低二氧化碳排放,提高经济效益的“低碳经济效应”。“绿色混凝土”作为一个概念,则是在各个生产环节采用节能、绿色、环保以及节约的材料或方式进行绿色生产,这种生产方式不仅能够节约大量的材料,保护有限的资源,还能够有效减少二氧化碳的排放,为我国建筑业推广发展“绿色建筑”做了技术方面的铺垫。绿色混凝土的发展不仅仅局限于混凝土的原材料是绿色、节能的,在其生产制造过程中有效的降低额外能源消耗也是其“走绿色通道”的一部分。据测算,与袋装水泥相比,每使用1吨散装水泥就可减少粉尘排放4.2kg,如果全国使用4.7亿吨散装水泥,那么则可减少向大气排放粉尘184.7万吨;减少二氧化碳排放2675.3万吨;减少二氧化硫排放84.8万吨,对于节能降耗来说,必须从源头抓起,因而对于其下游产品预拌混凝土而言,环境改善所取得的经济将会是另一个巨大的收益。

  多年来,欧美、日等工业发达国家对绿色建材的发展非常重视,已就建筑材料对室内空气的影响进行了全面、系统的基础研究工作,并制订了严格的法规。大大推动着绿色建材的发展。据报道,爱尔兰17个主要混凝土制造商利用绿色水泥联合制造出一款超低碳混凝土产品,而这款产品够减少新建筑碳排放量的25%。如果爱尔兰所有的建筑都使用低碳混凝土,那么建筑业每年将能够少排放超过200万吨的CO2,这相当于一年减少了50多万辆汽车在道路上跑。

  近年来,我国在高性能混凝土新材料研发,耐久性控制、设计和施工技术等方面取得突破,开发了多品种的工业废渣掺合料,通过物理活化和化学活化解决早期活性、抗裂、收缩等问题,并大量应用;从控制各种原材料的氯离子和含碱量入手控制混凝土的碱集料反应和钢筋锈蚀反应,全国很多地区和大型工程都建立了碱集料反应分布图和安全集料矿山;清水混凝土技术及自流平混凝土制作的大型体育馆看台、盾构管片、大口径预应力钢筒混凝土管都达到国际领先水平。高性能混凝土技术已推广应用到多个国家重点工程中,并取得了显着成绩,高性能混凝土为我国重点工程建设发挥着越来越大的作用。

  高性能混凝土用化学外加剂快速发展,其中发展最突出的是聚羧酸系高性能减水剂,它具有较高的减水率、良好的坍落度保持性能和一定的引气性,生产工艺比萘系简单。国内科研单位开发了多种具有创新性和实用性的外加剂产品。这些外加剂对控制混凝土体积变形、促进早期强度发展、减少动态坍落度损失等方面有特殊功能,成果在多家企业生产,在国家高铁等重要工程中大量应用,获得了很高的技术经济和社会效益。长寿命混凝土的研究和应用范围日渐扩大,我国将高性能混凝土的研究范围由高强度高性能混凝土扩大到中等强度等级高性能混凝土,针对C30~C50强度范围内的混凝土的高性能化进行了系统的研究。结果表明:中等强度等级的C30~C50混凝土可以通过材料优选、混凝土配合比设计、严格的施工管理达到高性能化,不仅材料成本没有大的增加,而且从延长混凝土使用寿命,减少工程维修费用的角度来说意义更为重大。

  混凝土废弃后的循环利用也是近年混凝土行业研究的热点。目前,日本已经形成成熟的建筑垃圾处理技术。美国、德国等国家凭借经济实力与科技优势,采用高新技术处理建筑垃圾。如美国采用微波技术处理回收的沥青混凝土路面,利用率达100%,成本降低且质量相同。德国的干馏燃烧垃圾处理工艺,可以使垃圾中各种再生材料干净地分离出来,再回收利用,有效地解决了垃圾占用土地的问题。我国建筑垃圾的研究和利用相比发达国家重视不够,研究水平和应用情况差距很大,研究成果比较集中在通过物理手段将废弃混凝土、砖瓦制成再生集料替代天然砂石生产商品混凝土、新型墙体材料等方面并实现产业化。

  我国十三五计划在2020年之前节能减排中的二氧化碳排放,将降低到非化石能源占一次能源消费比重达15%左右的目标。该目标不仅是对我国经济发展中所需的巨大能源物质消耗量的考验,也是对巨大的建筑市场节能应用的一场技术创新革命。但是仅以目前的成果来看,要达“15%左右的目标”似乎还不够,那么低碳绿色混凝土的发展将为建筑节能添砖加瓦,助其一臂之力。

  六、结语

  全世界每天每时每刻都有建筑物在诞生,而地球是全人类的,保护地球人人有责,因而全世界的建筑都需要节能降耗,减少二氧化碳的排放,这对于“绿色混凝土”而言,它的优势将为其创造新的商机,对于中国的建筑业而言将是一场绿色革命。随着我国国民经济的快速发展,水泥混凝土作为重要的基础材料,其需求不断增长,而资源、能源和环境的制约,使得提高相关产业的集中度和研发推广低碳技术成为重要的关注点。国家多个部门出台的各种政策法规和设立的科技计划,积极引导水泥混凝土行业的发展,使水泥行业的联合重组成为力度最大的5年,大大提高了水泥企业的集中度,对淘汰落后起到了重要作用,使水泥混凝土领域低碳技术的研究和推广应用显着加快,对科学发展发挥了越来越大的作用。低碳生产技术是水泥工业的未来发展方向,只有大力研发和应用低碳生产技术,才能推进水泥工业的节能减排,实现水泥工业向先进制造业的转变,进而为社会经济的可持续发展、保护生态环境和应对气候变化作出较大的贡献。

责任编辑:单建庆
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