2050世界水泥可持续发展技术路线图.pdf

国际水泥行业粉磨技术高峰论坛论文集G r I n dL n gT e c h n o l o g yF o r u m2 0 5 0 世界水泥可持续发展技术路线图高长明中国水泥协会高级顾问2 0 0 9 年6 , q 中国科学院发布了我国科技战略研究发展路线图系列报告《创新2 0 5 0 ：科技革命与中国的未来》．涵盖1 8 个科技领域．科学出版社已出版了1 5 卷其中与水泥工业直接有关的主要有能源、矿产资源、生态与环境、生物质资源、先进制造．先进材料与纳米等7 个领域2 0 0 9 年9 F J 在德国召开的第6 届V D Z 国际水泥大会上国际能源机构( 1 E A ) ．世界可持续发展工商理事会( W B C S D )和水泥工业可持续发展促进委员会( C S I ) 向一些专家征询了对草拟中的《2 0 5 0 世界水泥工业发展技术路线图》( 讨论稿) 的意见兹将有关动态以及国内外最新的信息一并述评如下，供我国水泥界参考研究1 ，科技发展路线图的特征与功能科技发展路线图最重要的特征首先是高度的概括性和高度的综合性，其次就是相对科学准确的前瞻性科技发展路线图是用简洁清晰的图形、表格．文字等描述技术进步的发展方向和步骤．其主要功能包含：预测未来市场所需的新产品、新工艺、新技术、新装备：瞄准目标．‘确定须要重点研究的关键科学与技术i 指明科技研发的方向和途径，组织行业协作．配置研发资源，作出科学决策；寻求知识共享技术协作的新伙伴，减少科技创新的风险，提高创新能力和核心竞争力，把握未来的市场机遇与发展空间。

此外，对于传统产业而言．产业技术发展路线图又是一个系统诊断工具，可以帮助人们找出产业链中的薄弱环节，而这些薄弱环节则往往正是其”利润池”之所在2 、2 0 5 0 水泥工业发展技术路线图国际能源机构( 1 E A ) ．世界工商理事会( W B C S D ) 和水泥促进委( c s l ) 组织全球著名的水泥公司和水泥装备公司．以及各国专家学者共同研究初步商讨得出的从现今至2 0 5 0 年期间，世界水泥技术发展的路线图包含下歹, j 5 - 6 个同时进行的方向、途径和目标2 ．1 由生产普通波特兰水泥( O P C ) 转向生产混合水泥该领域的内容主要有三个方面：其一是广泛研究采用具有水硬性或胶凝性潜质的各种工业废料，例如矿渣、粉煤灰，冶炼渣、化工渣，矸石等．进行深度加工用以替代部分水泥熟料．生产少熟料水泥( 混合水泥) ，甚至是无熟料水泥这也可以理解为往水泥中多掺混合材，用混合材替代部分熟料其二是研发各种水泥和混凝土的外加剂与改性剂．用以弥补提高水泥混凝土的性能，满足多样性的需求其三是开拓纳米技术在水泥基建材中的研究应用自从进入本世纪( 2 0 0 0 年) 以来国际水泥界在以上三方面已有一定的进展，水泥中混合材的平均掺入量各国均有所提高。

例9 R 2 0 0 8 年美国已达8 ％、日本1 3 ％、德国15 ％、法国1 7 ％．逐渐多掺混合材的趋势正在不断研发之中各种水泥混凝土外加剂和改性剂的应用也在向着纵深发展2 0 0 2 年成立的欧洲水泥基础研究合作组织( N a n o c e m ) 在熟料和混合材的微米、纳米级性能研究与混凝土外加剂研究方面已发现若干重大突破的苗头．前景令人期待应该强调指出，所谓O P C 向混合水泥转变，多掺混合材替代熟科．必须遵守确保水泥性能不降低或受损害的前提■主国盔渥回型! 型：垦! ! 塑! 坐：! 旦堕2条件我国水泥中混合材掺入量平均为3 0 ％，其中新干水泥中平均约2 0 ％．而落后的卅、水泥”中则平均高A 4 0 ％或更多这是有一部分卅、水泥”因逐利而无视水泥性能和国家标准．超标多掺滥掺所谓的混合材而造成的显然，这种现象非但与上述的混合材深度加工．多生产混合水泥的理念风马牛不相关，而且应予制裁取缔2 ．2 全面推广采用各种可燃工业废料和生活废弃物替化石燃料来生产水泥熟料，替代率达至1 J 9 0 , 9 6 以上该领域的主要任务有两方面．首先是在确保环境安全和各种有害物( 呋喃、二嚼英、重金属等) 的排放必须符合严格的环保标准；不允许产生二次污染：不能影响熟料品质和水泥窑系统的运转率。

其次是与全社会的其他行业一起建立各种废弃物回收利用的物流产业链．尽量减少废物产生．完善回收再利用体制，实现循环经济，充分发挥水泥工业的利废功能这样水泥工业就可以节省大量不可再生的天然化石燃料资源，减少吨熟料的c O ：排放，降低熟料生产成本同时又为社会妥善地消纳了一部分废弃物，为环境保护作出贡献在过去的Z O 多年间，世界水泥工业采用废料替代燃料，从少量的试验起步开始，一直发展到现今在许多发达国家已较广泛地工业规模应用，成效显著2 0 0 8 年德国水泥工业按全国熟料热耗计的替代燃料对化石燃料的替代率已达5 8 ％，荷兰8 1 ％，法国3 4 ％、比利时5 0 ％、瑞典2 9 ％．捷克4 5 ％、美国2 4 ％，日本1 2 ％许多发展中的新兴国家．包括我国，近年也正在启动推广之中从环境安全和技术经济层面上看，水泥工业协同燃烧可燃废弃物．现今已经是一项环境安全、经济合理．工艺成熟的实用技术( B A T ) 许多发达国家很可能在2 0 2 0 年左右，其对化石燃料的替代率就能达到9 0 ％以上而对全球水泥工业来说，2 0 5 0 年其替代率达到9 0 ％虽是一项较艰巨的任务，但是有望力争完成。

2 ．3 研发应用C O ：捕集技术( C C S ) 大幅消减温室气体排放关于C O ：的捕集与储存技术现今在技术层面已获基本解决问题在于成本太高，同时储存地的选建费用也受各国的情况不同而有较大差异因为水泥工业单位产品( 熟料) c O ：排放量特别大，加之作为经济实用的大宗建筑材料，在今后半个世纪内人们预计水泥还难以被其他的新型材料所取代所以水泥工业开发应用c o ：捕集储存技术是具有现实意义的．是符合水泥工业的发展需要的在已有的技术基础上．现今水泥工业可以继续研发的c O ：捕集方法有从传统熟料煅烧后的废气中分离捕集C O ：的，还有就是采用富氧( 或纯氧) 煅烧熟料，将高浓度C O ：的废气直接捕集储存前者须要事后从废气中分离C O ：，后者则须要事前制备好O ：就目前的技术装备水平而言，采用c O ：捕集每吨水泥所增加的成本，传统煅烧( 前者) 方法为3 5 ～6 0 欧元．富氧煅烧( 后者) 法为1 0 ～2 0 欧元根据欧洲水泥研究科学院( E C R A ) 的预计．C O ：捕集技术在世界水泥工业的实际应用大致会开始于2 0 15 年．到2 0 3 0 年可能推广到5 0 ％以上的水泥企业。

届时C C S 的投资约为1 ～3 亿欧元( 与年产2 0 0 万吨熟料线配套) ．单位熟料增加生产成本1 0 - - 5 0 欧元至U 2 0 5 0 年时C C S 可能应用于9 0 ％以上的水泥企业，C C S 的投资将降到O ．8 - 2 ．5 亿欧元，吨熟料成本增加10 ～4 0 欧元笔者曾问询过这些数字是如何估算的，看来只是一个大框框的范围，仅供参考2 ．4 加紧生物质燃料研发，实现工业规模应用生物质燃料是可再生能源．是近年来国际上开拓研究的一种新能源最初( 2 0 0 0 年前后) 是旨在生产生物柴油用以替代石油，因为在生物柴油的生产过程中除了生物质以外还需要C O ：从而促发了水泥工业对这项新能源的积极响应2 0 0 5 年，生物质燃料与水泥工业开始结缘进行科技合作．研发创新这方面目前较先进的国家有荷兰、澳大利亚、美国、德国、以色列和印度．我国与荷兰已有科技合作项目，中试基地正在筹建国际水泥行业粉磨技术高峰论坛论文集G r I n a l n gT e c n n o l o g yF o r u m根据生长速率、产油率、对阳光的需求，土地占用以及生产成本等因素的考量，现在比较看好的生物质原料是藻类。

综合诸多已公布的研究试验的初步成果．理想情况下．未来水泥工业与生物燃料的联合生产粗线条的组成．如表1所示表1 ：藻类光合固碳作用生产生物燃料藻类在光合作用中具有吸碳固碳功能，与水泥窑废气中的c O ：形成互补，而且水泥窑废气中c O ：的含量为2 3 ％左右．比火电厂( 约1 2 ％) 的高这样生成的生物燃料主要是中低级生物柴油及残渣．其数量足以全部替代水泥窑所需的燃料，实现熟料烧成对天然化石燃料的零消耗在生产熟料的同时还有少量高级生物柴油和氧气产出当然有一部分剩余的C O ：还得排放或设法处置，不过吨熟料C O ：排放量比纯粹烧煤的将削减近一半这个美好的前景．欲付诸于工业规模的实施，实际上还须要克服不少障碍．尚待时日首先是阳光( 或替代光源) ；第二是藻类的培育和供应；第三是光合过程的占地等等在现有科技与装备水平的条件下．按照荷兰B i o k i n g 公司、A l g a e L i n k 公司和美国G r e e n S h i f t 公司等的报价资料．与一台日产2 5 0 0 吨水泥窑相配套的藻类生物燃料联合生产装置．其投资估计为4 ．8 亿元，占地近2 0 公顷显然如此高昂的代价．说明它还有许多必须大幅改进之处．否则就难以推广应用。

原定2 0 0 9 年5 月在澳大利亚将有一台日产6 0 0 吨水泥窑与一套藻类生物燃料生产装置实现联产试验的后因世界经济危机而暂停了最近据悉，该项试验有望2 0 1 0 年重启此外各种各样的创新和改进也在不断地涌现例如立式光合反应塔、新型L E D 替代光源等总之．这项技术尚属初期阶级，发展空间和变数也较大，有待不断完善和创新但是，把实现水泥和生物燃料工业规模联产的目标设定在2 0 5 0 年以前完成比较可行，是有一定把握的应该说明，因为采用玉米生产乙醇汽( 柴) 油的方法已显露若干重大缺陷，所以有些水泥专家学者对藻类光合作用的技术路线持有某些保留意见以上主要反映了另一种“不要放弃，应该继续研发”的观点和动态2 ．5 水泥窑废气余热发电对于水泥窑废气余热发电这一措施在世界工商理事会和水泥促委会最初的2 0 5 0 水泥路线图草稿中只是提了几句．并未与前四条路线并列这里是笔者结合我国水泥工业的实际情况建议增补的仅供参考而已如今水泥窑余热发电在我国如火如茶，现已作为我国水泥工业节能减排最成功的主力举措何以在欧美却始终未受青睐其根本原因在于我国火电厂的发电效率平均约3 5 ％，远低于美国的5 5 ％，西欧和北欧的5 6 ％．发达国家现今普遍应用超临界发电技术．而我国还有2 5 ％左右的落后电厂电价很贵。

以美国为例，其电价每度约4 美分．水泥售价每吨约9 0 美元；而我国电价超过0 ．6 元一度，水泥不至l J 3 0 0 元一吨电价与水泥价之比值，我国是美国的5 倍．欧盟的4 ．5倍因而在欧美水泥窑余热发电如果不能达到吨熟料5 5 ～6 0 度以上的话，水泥厂就不会采用．否则还不如买电更经济3一虫垦查渥囤塑型型：垦! 塑! ! ! ：! 里塑4相反地，我国水泥厂只要利用窑余热发电能够达到吨熟料2 5 度以上就有利可图了这是在我国火电厂发电效率很低条件下的特殊情况．并非我国水泥工业余热发电水平高的证明只能说，这是在特定的市场条件下．水泥窑余热发电正好满足了这种需求火电厂发电效率越低．电价越贵．水泥窑余热发电的市场越大，反之亦然无论如何．在我国火电厂整体大幅提高发电效率以前，水泥窑余热发电依然是我国水泥工业发展路线图的重要组成．而且余热发电的效率仍有继续提升的需求和可能尽管目前我国最先进的水平已经达到吨熟料4 0 度．但要实现5 0 度或更高，我们尚需继续努力按照我国现有各方面的资源和水平．经过努力是有望达到这一目标的对K a l i n a 循环进行探索试验或许是在不增加熟料热耗( 一< 7 5 0 x 4 ．1 8 K J ／k g ) 的前提下将吨熟料发电量提升到5 0 度( 或6 0。