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關于水泥混凝土產業科技發展方向的若干思考

2017-06-09 08:16:10 云南壯山實業股份有限公司 閱讀

        水泥混凝土產業是在世界科技轉向工業化發展階段的初期因運而生的傳統重化工產業之一,在其近200年(1820年至今)的從誕生到不斷技術革命和創新歷程中,雖然經歷了從原始蛋窯、立窯到大型預分解窯,單線熟料日產從20噸、100噸上升到最高13600噸,噸熟料熱耗從一萬多大卡、8000大卡降低到最低700大卡,噸水泥綜合電耗從200度、160度減少到最低80度,噸水泥粉塵排放從數萬克(煙塵彌漫)削減到最低15克(8mg/Nm3),企業全員人均年產水泥從50噸、100噸提高到最高約10000噸,水泥標號從低于12.5提高到最高52.5,混凝土標號從低于C10提高到最高C60,全世界水泥年消費量從少量發展到42億噸、混凝土從很少量發展到40億立方米,其中結構性高性能混凝土和非結構性普通混凝土分別為30和10億立方米。由此可見,在這期間的技術進步十分巨大,甚至可以說,當今世界水泥混凝土科技已達到接近現代工業技術水平的轉折點(或頂點),正在醞釀著一場顛覆性新技術革命的到來。綜合研判各有關方面的前瞻性科研開發工作的進展現狀,水泥混凝土作為最大量、最經濟、最實用的大宗建筑材料在可預見的半個世紀或更長的時期內,其在全部建筑材料總體供需領域中仍將占有最主要的地位。本文擬對當今我國水泥混凝土產業的研發方向提出若干思考,不求面面俱到,只是有感而發,拋磚引玉,謹與業界同好共同探討,歡迎指教。

      近20年來,經過世界第一流專家學者、企業家、科研機構、著名裝備制造和水泥生產廠商等多次共同商討研究確定的水泥混凝土產業科技發展方向的有兩個重要的文件。

      1. 2008年7月,聯合國所屬的三家組織一一國際能源機構(IEA),世界可持續發展工商理事會(WBCSD)和水泥工業可持續發展促進會(CSI)聯合向全球專家征詢了對其組織草擬的《2050世界水泥工業發展技術路線圖》的意見,幾經修改補充于2009年12月向全球正式發布。該《路線圖》提出至2050年期間世界水泥技術發展的方向主要有5個領域1)。

      1.1 由生產普通波特蘭水泥(OPC)轉向生產混合水泥(BlendedCement即BC)。OPC和BC分別相當于我國的普通硅酸鹽水泥(PO)和復合硅酸鹽水泥(PC)、礦渣、粉煤灰硅酸鹽水泥(PS、PF)等。

      該領域的主要重點有三:第一是擴大研究采用各種具有膠凝性潛質的廢棄物,經深加工后用以替代部分水泥熟料,生產相同標號(性能)的少熟料水泥(BC),甚至是無熟料水泥。第二是研發各種外加劑和改性劑,采取各種技術措施,在保證混凝土相同強度和性能的條件下,盡可能減少相同標號水泥的單位需用量。第三是開拓納米技術在水泥基建材中的研究與應用。

      因為在混凝土組成中熟料的單位碳足跡與能耗是最大的,故其主旨就是首先要降低熟料在混凝土中的單位用量,減少熟料消費。

      1.2 全面推廣采用各種含有可燃物質的工、農、服務業廢棄物和城鎮、農村生活廢棄物等,經適當處理后用作水泥窯燃料,替代部分或全部天然化石燃料。2050年全世界水泥產業的化石燃料替代率爭取達到60%~90%。

      1.3 加緊生物質燃料研發,實現工業規模應用。

      因為藻類在光合作用下吸收耦合二氧化碳就能產生生物質(乙醇)柴油,水泥窯卻能提供含高濃度(23%)CO2的廢氣,兩者結合強勢互補,既減少(利用)水泥窯的碳排放,還能給水泥窯提供生物柴油用作替代燃料,實現循環利用。(筆者註:中國臺灣利用這項技術還獲得了生產保健品和化妝品的原料一一蝦紅素)。有關的各項科研試驗工作已獲得可喜進展,是一個頗具發展潛力的方向。

      1.4 全面采用水泥窯系統廢氣余熱發電,回收電能。

      這項技術在中國已廣泛應用并獲得較好效益,噸熟料發電量達36度左右,可供廣大發展中國家借鑒。然而對歐美發達國家來說,這樣的余熱發電效率尚有待提到噸熟料50度以上,才能與其外購電成本大致持平??磥磉M一步提升完善正在進行中的大型工業生產試驗的Kalina余熱發電系統將是一個有望獲得突破的途徑。同時對各種可再生新能源的研發應用也應予以密切關注。

      1.5 大力降低水泥的單位能耗,并且將水泥工業各種污染物的單位排放量盡力削減到最低,實現對生態環境的零污染。

      初擬2050年目標為:熟料熱耗2299~2508kJ/kg,熟料電耗35~40kWh/t,熟料系數50%以下,水泥綜合電耗50~60kWh/t,噸熟料產出CO2少于500kg(2030年)其中大部分將被循環利用和儲存而不排放于大氣中,其他近40種污染物(現今德國標準規定27種)的排放都要盡可能地減少到天然生態環境足以消納自凈的程度。

      2. 2014年全球應對氣候變化的《巴黎協定》(COP21)簽訂后,2016年10月世界箸名水泥集團和裝備集團的首席執行官簽署了一個聯合激勵計劃《宣言》2),號召并歡迎全球的同業者積極參與,共同努力付諸于具體行動。計劃包含以下7個方面。

      2.1 世界各國水泥工業公開披露各自的年度二氧化碳排放總量及其實際能耗數據,特別希望中國參與。目前各大洲所屬國家的參與率是,歐洲92%、北美洲72%、中美洲63%、南美洲(除巴西外)59%、非洲49%、大洋洲和一部分亞洲地區41%、獨聯體國家18%、中東地區15%; 全球總計21%,其中有些國家雖然參與但尚未認真履行,自覺性亟待提高。

      2.2 公開披露各國水泥生產的能源利用效率,即熟料單位熱耗、水泥綜合電耗等實際生產數據,更要不斷地降低單位能耗,提高能源利用效率。

      2.3 大規模地開發利用全社會的各種廢棄物,經適當處理后用作水泥工業的替代燃料和替代原料。

      2.4 在確保水泥質量(標號)的前提下,進一步降低水泥中熟料的占比,盡量多用深加工混合材發揮其替代部分熟料的功能。

      2.5 大量使用OPC,特別是高標號的52.5OPC,對環保和社會的總體效益弊多利少。因此,在水泥原料上要研發采用粘土質(硅、鎂、硫鋁酸鹽)的替代石灰質(碳酸鈣)的。同時研發更低碳足跡的各種較有潛質的新品種水泥,例如高貝利特水泥、鋁酸鹽水泥、低阿利特復合水泥、礦物聚合材料(Geopolymers)、化學激發膠凝材料(Chemically-activated Cementing Materials)等。

      2.6 各國在本土市場健全建筑物和基建工程全生命周期價值鏈評估體系,探索水泥混凝土與其他大宗建材(鋼鐵、木材、塑料、玻纖、……)消費比例的最佳平衡。

      2.7 開展跨行業聯合協作研發,例如現用礦山水土保持與植綠、廢礦山復墾與園林再造、危險廢棄物處置利用、生物質燃料制造、碳捕集儲存利用;等等。

      3. 《四零一負》一一水泥工業可持續發展戰略3)

      這個觀點是筆者1997年初正式發表的,所謂“四零一負”即:第一是水泥工業和生態環境和諧共存,水泥企業對其周圍生態環境實現零污染,各種有害污染物的排放都必須降到最低,使其在天然生態環境中得以消納自凈。第二是不斷創新水泥工藝和余熱發電技術,降低水泥和熟料的單位電耗,提高單位熟料余熱發電量,實現水泥企業對外界電能的零消耗。第三是水泥企業必須實現對外界廢渣、廢料、廢水的零排放。第四是降低單位熟料熱耗,開發利用各種替代燃料,實現熟料生產對天然礦物化石燃料(煤、石油、天然氣)的零消耗。最后是要發揮水泥產業的循環利用各種廢棄物的特有優勢和潛能,擴大消納各種廢料、廢渣用作混合材并替代部分熟料的功能,減輕環境負荷,為全社會廢棄物的負增長做出貢獻。

      不難看出,雖然相隔十幾、廿年,《四零一負》與上述《路線圖》、《宣言》的理念和宗旨竟然如此這般相似,可謂“英雄所見略同”,頗有不謀而合,異曲同工之“巧合”,令人欣慰。以歐美發達國家水泥工業為例,事實上自從1985年至今的30多年里,他們最初是不太有意地,后來卻變成了下意識地朝著這個理念的大方向拓展了一系列的技術革新和創新研發,現已凸顯諸多不俗的成效,令人鼓舞,繼續奮進的信心倍增4)。十分明顯,世界水泥混凝土產業科技發展的大方向及其技術途徑幾經一流專家和企業家的慎審研討,又經歷了長期大量實踐的檢驗,國際上現已形成十分廣泛的高度共識,目標明確,意志堅定,侭管在前進的道路上還有不少科技難關須要攻克,但是可以充滿信心地說,這個大方向是科學的、正確的、現實可行的,成功實現這些理念及其目標是大概率事件!

      我國水泥混凝土產業科技發展方向問題,上述理念和途徑值得進一步深入研判和參考借鑒。近來業界有不少專家教授學者和企業家,以及政府和民間主管部門與機構的規劃分別提出,有關我國水泥工業科研發展方向的意見,匯總起來主要有:綠色化、高端化、高標號化、高附加值化、節能減排化、信息化、互聯網化、智能化、機器人與無人機化、低碳化、環?;?、循環經濟化、生態化、可持續發展化;等等。這裡除了一個“高標號化”以外,其他的這些“化”大方向正確,也是對本文內容的有益補充,值得學習。至于我國水泥“高標號化”的提法,本人認為,我們必須先明確定義并徹底搞清楚這個提法的原旨,意在解決什么問題?譬如,要水泥“高標號化”到多么高為宜?是我國通用水泥的國家標準中的各項指標制訂得太低?或欠周全?還是我國實物水泥的質量不夠達標?合格率低?或是32.5水泥占比太高?假冒偽劣水泥不絕?………。相信集思廣益,我國有足夠的智慧找出抓準其“病根”,采取相應的配套政策與措施,分清輕重緩急,是可以有序地妥善解決這個“老大難”問題的。


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