低碳水泥助力“雙碳”目標(biāo)

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 · 2022-07-05 09:48 留言

水泥,別名“洋灰”,距今已有200余年歷史。1824年英國(guó)人約瑟夫·阿斯譜丁首次發(fā)明了硅酸鹽水泥,并取得了水泥的專利權(quán),命名為波特蘭水泥,這在水泥史上擁有劃時(shí)代意義?!扒уN萬(wàn)鑿出深山,烈火焚燒若等閑。粉骨碎身渾不怕,要留清白在人間?!边@是我國(guó)明代文學(xué)家于謙對(duì)石灰的稱贊,而石灰正是水泥的主要原料。  

當(dāng)水泥在西方大行其道時(shí),我們還在使用木頭、磚坯和石頭建造建筑,雖然質(zhì)量和美觀一流,但不是造價(jià)昂貴,就是防水防火性能差。1889年,水泥傳入中國(guó),人們驚喜地發(fā)現(xiàn)這種像面粉一樣軟綿綿的“土”真能用來(lái)蓋房子,于是給它取了一個(gè)小名—“洋灰”。洋火、洋油、洋灰、洋布、洋釘、洋堿、洋匣子…當(dāng)初這些“洋”是中國(guó)落后的見(jiàn)證,而如今中國(guó)已經(jīng)是世界上最大的水泥生產(chǎn)國(guó)。水泥的橫空出世,徹底改變了人類建筑歷史,水泥、砂、石子、鋼筋,哥兒四個(gè)組成硬邦邦的“鋼筋混凝土”戰(zhàn)隊(duì),橫掃現(xiàn)代化社會(huì),如今的大小城市已是鋼筋水泥的森林,水泥改變了人類的進(jìn)程和地球的面貌。  

然而,與“洋灰”這么洋氣的名字相比,水泥本身生產(chǎn)過(guò)程卻實(shí)在與洋氣不沾邊。水泥粗放的生產(chǎn)模式一直受到大家詬病,在全球變暖、“雙碳”新形勢(shì)下尤為突出。石灰石(CaCO3)是生產(chǎn)波特蘭水泥的一種關(guān)鍵成分,但為此需要從地球上提取巖石,將其粉碎,然后與其他材料一起在極高的溫度下烘烤。CaCO3變成了有用的CaO和沒(méi)用的CO2,這個(gè)過(guò)程本身就產(chǎn)生了水泥生產(chǎn)中三分之二以上的碳排放。如果不這么做,這些二氧化碳原本會(huì)被安全地鎖住數(shù)億年,但隨著越來(lái)越多的石灰石被挖出并烘烤成水泥生產(chǎn)的原料,它們反而大量地進(jìn)入了大氣。研究表明,生產(chǎn)水泥可產(chǎn)生大量二氧化碳廢氣,多達(dá)全球二氧化碳排放總量的8%,這還是個(gè)低估數(shù)值。曾有人說(shuō),如果將水泥生產(chǎn)行業(yè)當(dāng)作一個(gè)國(guó)家,它將是繼中美之后的第三大碳排放國(guó)。那么,在新形勢(shì)下如何使水泥再度洋氣起來(lái)?秘訣就在于低碳二字。  

新型干法水泥窯生產(chǎn)工藝流程

2020年,我國(guó)水泥工業(yè)碳排放達(dá)到13.79億噸,占全國(guó)碳排放總量的13.5%,是減排的重點(diǎn)和難點(diǎn),2030年前,水泥工業(yè)必須要實(shí)現(xiàn)減碳40%。水泥工業(yè)自身要實(shí)現(xiàn)低碳、高效生產(chǎn),目前面臨最緊迫的任務(wù)就是開(kāi)發(fā)低碳、高效、潔凈的水泥生產(chǎn)工藝以及相關(guān)技術(shù),提高能源利用效率,創(chuàng)新清潔生產(chǎn)模式。早在2020年,低碳水泥就已入選《科學(xué)美國(guó)人》評(píng)選的年度十大新興技術(shù)之一。  

現(xiàn)有新型干法水泥生產(chǎn)工藝中,水泥生產(chǎn)的二氧化碳來(lái)源有兩個(gè):一是源自煤炭等化石燃料的燃燒(排放占比32%),燃燒過(guò)程為水泥生產(chǎn)提供高溫環(huán)境;二是源自回轉(zhuǎn)窯中石灰石燒成熟料的化學(xué)過(guò)程(排放占比63%)。最終將熟料磨細(xì)后與其他材料混合即可形成水泥。  

單位水泥熟料CO2排放占比  

目前新型干法水泥生產(chǎn)工藝中水泥熟料主要燒自于不停轉(zhuǎn)動(dòng)的龐然大物回轉(zhuǎn)窯中,其直徑約5米,長(zhǎng)度更是達(dá)到70余米。如此的龐然大物不僅外部壯觀,內(nèi)部也異常暴躁,在煤粉燃燒的加持下,窯內(nèi)部煙氣溫度高達(dá)1700~1800℃,而目的僅僅是將進(jìn)入到窯內(nèi)的物料加熱到1400℃左右,煙氣-物料間高達(dá)300℃以上的溫差是現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯低傳熱效率的表現(xiàn)。目前回轉(zhuǎn)窯致命的弱點(diǎn)是堆積態(tài)煅燒導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)效率低、轉(zhuǎn)動(dòng)功率大、體積龐大,導(dǎo)致熱耗、成本等指標(biāo)難以顯著降低,一直是人們想要“革命”的對(duì)象。  

要想實(shí)現(xiàn)低碳水泥生產(chǎn),則需要進(jìn)行原料、燃料、工藝過(guò)程等各環(huán)節(jié)創(chuàng)新技術(shù)的突破。水泥工業(yè)碳減排路徑主要包括:  

燃料替代。使用垃圾、生物質(zhì)等可燃廢棄物以及綠氫、光伏等新能源,減少煤炭等傳統(tǒng)化石燃料的燃燒。數(shù)據(jù)顯示,如果在水泥生產(chǎn)中使用40%的替代燃料,則每生產(chǎn)100萬(wàn)噸熟料將少排放約10萬(wàn)噸二氧化碳。目前,歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家已有超過(guò)2/3的水泥廠使用替代燃料,可燃廢物在水泥工業(yè)中的替代比例平均達(dá)20%。但目前我國(guó)燃料替代仍處于研發(fā)和示范階段,整體替代率偏低,推廣應(yīng)用仍有巨大的空間。  

原料替代。包括采用電石渣、鋼渣、礦渣等富鈣廢棄物,替代石灰石作為水泥生產(chǎn)用原料,能夠節(jié)約大量的天然礦產(chǎn)資源,因此采用工業(yè)固體廢棄物作為替代原料是水泥工業(yè)協(xié)同處置工業(yè)固廢、減少天然礦物消耗、降低二氧化碳排放的重要手段之一。我國(guó)水泥年產(chǎn)量約24億噸,每生產(chǎn)1噸水泥熟料需要消耗約1.3噸的石灰質(zhì)原料。而原料替代面臨的問(wèn)題是,富鈣廢棄物的可利用量難以滿足水泥生產(chǎn)需求。  

變革性水泥熟料生產(chǎn)工藝。回轉(zhuǎn)窯是水泥熟料生產(chǎn)的主要設(shè)備,實(shí)現(xiàn)低碳水泥生產(chǎn),就需要變革水泥熟料生產(chǎn)工藝。如果說(shuō)未來(lái)誰(shuí)最可能替代回轉(zhuǎn)窯,那自然首推流態(tài)化水泥熟料煅燒。在流態(tài)化煅燒條件下,傳熱傳質(zhì)效率高,可實(shí)現(xiàn)幾秒內(nèi)將物料快速升溫至1400℃左右,是理想的水泥熟料生產(chǎn)裝備。與回轉(zhuǎn)窯相比,流態(tài)化條件下煅燒水泥熟料可實(shí)現(xiàn)煤耗降低20%以上,二氧化碳減排25%以上(若采用生物質(zhì)等替代燃料,效果將更加明顯),氮氧化物排放降低40%以上,是下一代新型低碳水泥窯爐技術(shù)。  

上世紀(jì)50年代以來(lái),美國(guó)、日本、中國(guó)、俄羅斯、印度等國(guó)家都相繼對(duì)不帶回轉(zhuǎn)窯的沸騰燒成工藝進(jìn)行了研究。由于當(dāng)時(shí)的科技水平所限,采用沸騰爐(流化床)煅燒水泥熟料時(shí),在高溫(1300-1400℃)有液相存在的條件下維持正常的流態(tài)化操作難度非常大,在20世紀(jì)90年代之前均未取得完全的成功,更達(dá)不到工業(yè)化的要求。  

中科院工程熱物理研究所水泥窯爐研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于流態(tài)化燒成原理,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室在循環(huán)流化床方面40余年的研究基礎(chǔ),在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下,在現(xiàn)有新型干法水泥生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地提出了低碳水泥預(yù)煅燒-燒成工藝,實(shí)現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中的生料分解、硅酸二鈣煅燒、硅酸三鈣燒成分區(qū)域進(jìn)行,在節(jié)能和二氧化碳減排等方面的諸多優(yōu)勢(shì),目前已經(jīng)完成機(jī)理、小試研究,正在開(kāi)展10t/d中試技術(shù)開(kāi)發(fā)。  

在雙碳背景下,水泥行業(yè)碳減排勢(shì)在必行、大有可為,在國(guó)家的大力支持下,大家八仙過(guò)海、各顯神通,相信在不久的將來(lái)會(huì)有一批低碳水泥、零碳水泥新技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展,并得以推廣應(yīng)用,進(jìn)一步加快我國(guó)水泥行業(yè)碳中和進(jìn)程。

編輯:孫蕾

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