[獨家]關于當代水泥工業(yè)與水泥品種科技發(fā)展方向問題的最新國際動態(tài)

　　一．前言

　　聯(lián)合國所屬的國際能源署IEA、國際水泥可持續(xù)發(fā)展倡議組織CSI和世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會WBCSD，三家國際咨詢研究機構，2018年3月發(fā)布了《國際水泥工業(yè)低碳轉型路線圖》。這是IEA、CSI、WBCSD邀請9位世界級水泥專家及其團隊(約60人)，歷時近兩年，采訪調研了世界60多個國，80多家知名水泥研究設計機構、水泥生產集團和水泥機械裝備制造廠商，近300位各國水泥專家、教授、學者、科研、工程技術人員和企業(yè)家，經過科學的綜合研究分析后，撰寫而成的。該《路線圖》對全球水泥工業(yè)的技術進步和節(jié)能減排，提出了4項重大的技術途徑和相應的技術措施，主要為：

　　1.降低水泥單位能耗，即對預分解窯(PreCalciner)--- PC窯水泥熟料生產系統(tǒng)（我國稱之謂新型干法窯系統(tǒng)）進行更全面深入的研究創(chuàng)新，進一步降低熟料單位熱耗：對全廠整個生產系統(tǒng)，尤其是生料和水泥粉磨系統(tǒng)，進行更深入的研究創(chuàng)新，進一步降低水泥單位電耗。

　　2.在保持OPC（我國普通硅酸鹽水泥與之相當）性能不變或有所改善的條件下，推廣采用熟料含量少的低熟料系數(shù)水泥，挖掘混合材的膠凝潛力，盡量多用混合材，使之部分替代熟料的膠凝功能，混合材品種要向多元化發(fā)展。

　　3.將各種可燃廢棄物用作水泥窯系統(tǒng)的替代燃料，大幅削減化石燃料的消耗，既能利廢環(huán)保，還能節(jié)省煤炭資源，減少二氧化碳排放，削減水泥工業(yè)的碳足跡。

　　4.，研究推廣從水泥窯廢氣中回收儲存與利用二氧化碳的技術CCSU，大幅降低水泥生產中的碳排放，回收的二氧化碳還可用于其他工業(yè)領域。

　　其實，以上4大技術措施，該三家國際機構，在2009年首次發(fā)布的《2050年水泥可持續(xù)發(fā)展技術路線圖》中已有詳實論述，因為預計這些技術措施的有效期，至少還有30年。所以這次修訂補充后再次重新發(fā)布。

　　然而近年來，因全球氣候變暖的趨勢日益嚴峻，歐洲全社會積極推行環(huán)保低碳的進程中，對水泥工業(yè)的壓力較大。在歐盟各國政府、大批環(huán)保低碳主義人士和思想前衛(wèi)的水泥專家，三方協(xié)同呼吁和推動下，傳統(tǒng)的水泥工業(yè)領域出現(xiàn)了一些新理念、新嘗試、新創(chuàng)造和新動態(tài)，打破了原先比較平靜的按部就班發(fā)展的局面。茲分述之。

　　二．關于熟料生產工藝系統(tǒng)

　　最近一兩年，許多國際水泥專家和科研機構相繼對已經沿用了近70年的 PC窯水泥熟料生產系統(tǒng)，提出了若干新的認知和觀點。其主要內容是，過去10年的實踐證明，按國際先進水平的水泥單位能耗（熱耗+電耗）測算，實際上其進展和收效并不如人意，而且正日益艱難，頗有陷于“瓶頸”之感。究其原因，主要是因為PC窯水泥熟料工藝應用發(fā)展60多年以來，現(xiàn)今其單位能耗指標的先逬值已經相當接近其理論值了，再改進提高的空間有限，難度大。

　　例如，熟料熱耗理論值450kcal/kg，加上PC窯系統(tǒng)的各項熱損失約150 kcal/kg，合計實際所需熱耗至少為600kcal/kg左右。而現(xiàn)今PC窯的熟料單位熱耗已經下降到700 kcal/kg以下，滿打滿算最多還有10%左右的改進余地。的確已經相當接近其“頂點”了。又如分解爐、預熱器、回轉窯、窯傳動、窯密封、耐火磚、澆注料、篦冷機、三次風管、拉鏈機、燃燒器、計量喂料(煤)機、主排風機;、收塵器、脫硫脫硝裝置等一系列裝備也都更新了三~五代之多。與其還要花費大量人力、物力、財力、時間等各方面的代價來進行“沖頂”攻關，還不如將這些資源轉移到水泥生產工藝顛覆性的創(chuàng)新研發(fā)方面，擺脫PC窯工藝的羈絆，加強對例如，熟料懸浮流態(tài)化煅燒、管道化反應煅燒、電磁震蕩煅燒、太陽能聚焦煅燒或分子沖擊直接煅燒等嶄新工藝的研發(fā)。因為這些新工藝的研究實驗，目前已稍顯不同程度的“曙光”，如果我們及時的轉移戰(zhàn)略目標，這對促進水泥工業(yè)的顛覆性更新?lián)Q代新發(fā)展，可能是一項事半功倍的上策。

　　在這一新思維新動態(tài)的影響之下，最近兩年，歐洲一些著名的水泥研究機構在非PC窯水泥生產工藝研究領域方面的科研投入加大，研發(fā)進展加快。有人預言，2030年到2040年間，世界第1套非PC窯水泥熟料生產工藝系統(tǒng)或將誕生，從而宣告歷時近百年的水泥工業(yè)PC窯工藝時代的結束。當然，這只是一個國際上最新的動態(tài)，最終結果如何尚難以確定。我國水泥界了解并關注這一動向，對科學正確的規(guī)劃我國水泥工業(yè)的發(fā)展方向是有借鑒價值的。

　　三．．關于水泥品種和混凝土的性能

　　長期以來，準確的說2009年以前，國際水泥界普遍認為，OPC水泥是性能適宜，廉價實用的最大宗膠凝材料。由OPC制備的混凝土，則是最經濟實用的大宗建筑材料，其消費（需求）量是僅次于水的世界排名第2位的必須材料。在人們可以預見的將來，至少30年甚至50年內，不大可能出現(xiàn)OPC 水泥被其他膠凝材料大量取代的情況。

　　在我國則更是，一般人都以為，水泥的性能和質量完全取決于熟料，水泥中熟料含量越多，熟料標號越高，水泥的性能和質量就越高，用高標號水泥制備的混凝土才會是高性能混凝土；等等。

　　事實上，隨著近10多年國際科技進步的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，影響水泥性能的主要因素，除了熟料以外，混合材的深加工程度及其品種多元化，對水泥性能同樣具有較大的影響。挖掘混合材的潛在膠凝活性，可以發(fā)揮其部分替代熟料的作用。等量的熟料含量較少的低標號32.5水泥，同樣可以制備出C30以上的混凝土。傳統(tǒng)的高標號52.5水泥，因其單位能耗高，生產中的單位碳排放量高；雖然早期強度較高，但其抗裂性、耐久性和后期、長期強度都較差，利少弊多。面對現(xiàn)在低標號32.5復合水泥的推廣應用趨勢下，高標號OPC水泥已顯頹勢。32.5復合水泥的占比正在逐步提高，所謂水泥品種要向OPC高標號化發(fā)展的觀點已經不合時宜了。

　　與我國不久前實施的全部取消PC 32.5復合水泥的做法相反，德國和歐盟經過多年的試驗研究后，2016年決定修訂其水泥標準 EN 197-1，增添了兩個新的32.5復合水泥的品種 CEM II/C-M和CEM VI，熟料系數(shù)可分別減少到0.50和0.35。反思檢討我國和德國兩種截然不同思維和決策方式的全過程，足以告誡訓導我們，首先應該認真做好必要的實際市場需求調研工作，以及科學試驗研究論證工作，之后再集思廣益三思而行，以免冒失地犯下方向性的錯誤。所幸我國水泥標準中仍保留有PS、PF和PP 32.5水泥。最近市場上出現(xiàn)了用M 32.5水泥部分替代PC 32.5水泥之勢，說明科學發(fā)展規(guī)律和市場供需法則是不會隨著某些權利的意志而轉移的。我國現(xiàn)在改正補救，亡羊補牢猶未晚矣。

　　此外人們還注意到，影響混凝土性能的因素，除了水泥和骨料沙石以外，各種外加劑的選擇和摻用技術也具有一定的作用。因而加強外加劑的研發(fā)，同樣是改善提升混凝土性能的一個重要環(huán)節(jié)。過去那種單純依靠高標號水泥制備高性能混凝土的教條也應修正，須要改進提升科學認知水平。

　　根據(jù)目前已經達到的技術水平，可以預測，在今后15-20年之內，水泥品種科技進步提升發(fā)展的趨勢，將會從根本上扭轉OPC一家獨大的局面，逐漸形成以1）貝利特水泥、2）硫鋁（鐵）酸鹽水泥、3）熟料系數(shù)0.35~0.55的低標號32.5復合水泥，以及4）熟料系數(shù)0.75~0.9的中、高標號（42.5+少量52.5）OPC水泥為主的四分天下的局面?；蛘哌€有少量的熟料系數(shù)0~0.20的地礦水泥(Geopolymers)，即所謂的無熟料或少熟料水泥。因為前三者，在基礎理論與實際應用方面已經完全成熟可靠，今后只是在消費總量中它們三者的占比逐步提升，傳統(tǒng)OPC的逐漸下降而已。屆時，它們三者雖然還不能完全取代傳統(tǒng)OPC水泥，但是至少已經取代了一半以上。延續(xù)到2050年，OPC高標號水泥基本上被取代或許就是大概率事件了。這與人們2009年以前的認知和預測相比就發(fā)生了重大的變化，這種可能發(fā)生的變化同樣也值得我國關注研判借鑒。

　　四．關于替代燃料。

　　由于各國水泥工業(yè)發(fā)展歷史、進程和現(xiàn)實生產水平的差異，不同國家水泥工業(yè)采用各種可燃廢棄物用作替代燃料的程度——對熟料生產所須熱能的替代率TSR（Thermal Substitution Rate）相差十分懸殊。例如，挪威TSR已達90%以上，德國近70%。歐盟50%，美國和日本約20-25%。許多發(fā)展中國家都剛起步，或尚未啟動。我國則很低，僅2%還不到。

　　顯然，采用替代燃料這項環(huán)保低碳措施，對于德國和歐盟來說，其減碳功效已經享用了不少，所剩也不多了。但是對中國來說，卻是潛力很大，其環(huán)保低碳功效尚有待大大發(fā)揮。筆者估算，按2019年初，我國水泥工業(yè)協(xié)同燃燒廢料的實際生產數(shù)據(jù)為基準，如果我國TSR達100%，則水泥窯每年協(xié)同處置的可燃廢棄物數(shù)量為，生活垃圾0.8~1.0億噸，污泥4000萬噸，危廢3000萬噸，其他廢物3000萬噸。采用協(xié)同處置的水泥窯總臺數(shù)為1600臺。也就是象德國一樣，每一臺水泥回轉窯都是協(xié)同處置釆用替代燃料的。這樣，總計1年將可節(jié)省近1.6億噸標煤，減排二氧化碳約2億噸.。這是一項功效不小的環(huán)保減碳措施。

　　當然更實在更重要的是，今后我國真正能做到怎樣的程度？什么時候TSR才能達到100%？這就主要有賴于政府的政策和水泥行業(yè)自身的努力了。對各方面的情況綜合研究分析后，筆者預測2050年，我國水泥工業(yè)TSR將達70%，全世界的總平均值為30%。

　　五, 關于二氧化碳回收儲存利用技術CCSU

　　對水泥工業(yè)來說，這是一項全新的技術。按照上述三大國際機構《路線圖》的預計，以及歐洲水泥統(tǒng)計局Cembureau《水泥工業(yè)中性碳排放（二氧化碳排放為0）報告2019版》的測算，對全球水泥工業(yè)來說。2050年CCSU在整個削減碳排放量中將承擔32~%45%的份額，因不同國家而異。總之CCSU將成水泥工業(yè)減碳的主力軍。

　　約1~2年前，丹麥FLSmidth和德囩THYSSENKRUPP-Polysuis、KHD等公司均制定了2030-2050年的減碳計劃，宣稱2050年以前將全面實現(xiàn)二氧化碳零排放，即碳中性排放。瑞士Lafarge-Holcim和德國Heidelberg等水泥集團已聯(lián)合歐洲多家著名科研機構制定了《中性碳排放計劃》，各項試驗研究已進行了多年。其中值得一提的是，正在比利時Lixhe水泥廠進行的LEILAC (Low Emission Intensity Lime and Cement)工藝生產試驗，采用非接觸式煅燒熱交換塔替代分解爐和旋風預熱器。從水泥生料中先將其中的碳酸鈣分解，獲取高純度的二氧化碳，進一步加工成食品級的液態(tài)或固態(tài)二氧化碳供應市場銷售。分解后的生料進入回轉窯，煆燒成熟料。這樣可以削減水泥窯二氧化碳排放量65%。這種非PC窯的工藝技術值得關注。

　　海螺白馬山水泥廠2019年5月投產了我國水泥工業(yè)第1條CCSU生產線，所采用的是比較傳統(tǒng)的CCSU技術，單位電耗和成本較高。最近我國天津威澤節(jié)能環(huán)保公司公布了“外燃式旋窯煅燒碳酸鹽礦物生產工藝報告”，和LEILAC工藝的構思有些相似，也是采用非接觸煅燒碳酸鹽分解方式，獲取高純度二氧化碳，兩者似為不謀而合。

　　水泥工業(yè)的CCSU技術，我國雖然比歐洲稍晚了兩三年，鑒于我國現(xiàn)有的各種優(yōu)勢，欲在該領域后來居上，還是很有可能的。筆者預測，2050年，我國水泥工業(yè)CCSU的二氧化碳捕集量將達到總排放量的43%，全球的平均數(shù)則為30%。

　　六. 結語

　　本文旨在給我國水泥界廣大同仁通報國際上的最新重大變化動態(tài)，例如，基本理念的修正提升，水泥生產工藝與水泥品種技術進步的發(fā)展方向，各項更新?lián)Q代技術科研開發(fā)的進展概況，以及對2050年世界水泥工業(yè)發(fā)展水平的補充預測等。謹供我國水泥界參考借鑒。這是一個扼要的總體概括，詳細的依據(jù)，請參見文末的參考文獻，茲不贅述。

　　參考文獻

　　1.IEA, CSI ,WBCSD：《Technology Roadmap for Low-Carbon Transition in the Cement     Industry》.       March 2018

　　2.高長明：2050年世界及中國水泥工業(yè)發(fā)展預測與展望 新世紀水泥導報 2019 NO.2       p.1~3

　　3.Calix,Australia:  Testing Innovation.  ICR Feb.2019 p.35~39

　　4.高長明: 我國對混合材的研發(fā)工作須要全盤部署和推進 新世紀水泥導報2019 NO.3 p.1-2

　　5.Joachim Harder:  Development of clinker substitutes.  ZKG April 2019 p,40-49

　　6.高長明: 世界兩大水泥(混凝土)協(xié)會WCA和GCCA須要合作交流共同應對全球氣侯變,化  中國水泥 2019 NO.10(預)

　　7.VDZ Conference on Cement Chemistry 2019:  CO2  reduction is top of the agenda in the industry.  ZKG June 2019 p.22-23

　　8.ICR Research:  Creating a new vision.  ICR Sep.2019 p.19-22

　　9.高長明: 我國水泥工業(yè)低碳轉型的技術途徑分析——兼評聯(lián)合國新發(fā)布的《水泥工業(yè)低碳轉型技術路線圖》 2019.01.14

　　10.IEA, CSI ,WBCSD：《2050 Technology Roadmap for Sustainable Development of Cement Industry》March 2009

　　11.高長明：對《2050世界水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展技術路線圖》的分析評議 中國建材報 2010.03.31 第3版

　　12.CSI/ECRA: State-of-Art 52 Papers of Low-Carbon Cement Projects.  Jan.2017

　　歐洲水泥研究院精選:: 有關低碳水泥項目優(yōu)秀論文52篇詳摘  2017.01.

　　13.高長明: 我國水泥窯協(xié)同處置廢棄物(生活垃圾)工程實踐的回顧反思與展望 水泥技術2018 NO.1 p.17-21

　　14.于 海等: 利用”外燃式高溫煅燒碳酸鹽礦物質旋窯”實現(xiàn)窯尾廢氣CO2減排及脫硫的技術

　　水泥技術2019 NO.4 p.8-14

　　15.高長明: 關于水泥混凝土產業(yè)科技發(fā)展方向的若干思考 水泥2017年增刊 p.1-3

　　16.高長明: 水泥混凝土工業(yè)是全社會循環(huán)經濟的重要樞紐 中國建材報。2017.06.14 第3版

　　17.Bernard Mathieu: The global cement industry says yes to climate protection.

　　ZKG Jan./Feb.2019 p.22-25

　　18.ICR Research: Stepping up to climate change.  ICR Jan. 2019 p.28-29

　　19.HeidelbergCement: Strong builder of carbon neutrality.  ICR July 2019 p.54-57

　　20.Taiheiyo Cement: CO2 capture trialled and tested.  ICR July p.58-61

　　21.Arthur Harrisson: Belite in Portland clinker.  ICR July p.48-51

　　22.王燕謀; 當代中國水泥工業(yè)的重要使命（硫鋁酸鹽水泥） 中國建材報 2019.08.26 第1版。

　　23.Joachim Harder: Carbon capture, utilization and storage in the cement industry. ZKG Dec.2018 p.36-43

　　24.LOESCHE GMBH: An integrated approach to alternative fuel use in cement making.

　　ZKG Jan./Feb.2018 p.48-53

　　25.高長明：論水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略  水泥技術 1997 NO.1 p.1-5

　　26.高長明：水泥工業(yè)”四零一負”理念及展望 水泥技術 2016 NO.1 p.17-19

　　27. ICR Research: Driving sustainable change.  ICR May 2019 p.40-42

　　28. THYSSENKRUPP;: Polysius fuel substitution -improving the climate footprint of cement production.  ZKG July/Aug. 2019 p.52-55

　　29. 高長明：水泥與混凝土環(huán)境友好特性概論 中國建材報2003.02.24 第1版

　　30. KIT, GEFAK MBH: Towards a low-carbon post OPC ear---external framing condition. ZKG Sep.2019 p,46-60

　　31 .Cembureau: Cembureau Low Carbon Roadmap, Progress towards the 20C target.  8th of Oct.,2018  European Parliament

　　32. Achternbosch, M. et al: Why it is so hard to develop new binder system for mass application?  ZKG Sep..2018 p.68-79

　　33. IPCC; Special Report, Global Warming 1.50C. 2018 Geneva, Switzerland

　　34. WMO Statement on the State of the Global Climate in 2017.

　　35. IEA: IEA global energy and CO2 status report 2017.  March 2018  Paris, France

　　36. IEA.: 20 years of Carbon Capture and Storage, Accelerating Future Development. 2016

　　Paris,  France

　　37. Andrew, R. M.: Global CO2 emissions from cement production. Earth Syst. Sci. Date

　　Oct.2018 p.198-217

　　38. Rau, G. H. et al: The global potential for converting renewable electricity to negative-CO2-emissions hydrogen  Nature Climate Change.  Aug.2019 p.621-626

　　39. Davis, St. J.: Net-zero emissions energy systems.  Science 360,  1419(2018) p.1-9

　　40. Lehne, J. et .al.: Making Concrete Change -Innovation in Low-Carbon Cement and Concrete. Chatham House Report. The Royal Institute of International Affairs, 2018, London