[獨(dú)家]高長(zhǎng)明：關(guān)于水泥混凝土產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展方向的若干思考

  水泥混凝土產(chǎn)業(yè)是在世界科技轉(zhuǎn)向工業(yè)化發(fā)展階段的初期因運(yùn)而生的傳統(tǒng)重化工產(chǎn)業(yè)之一，在其近200年（1820年至今）的從誕生到不斷技術(shù)革命和創(chuàng)新歷程中，雖然經(jīng)歷了從原始蛋窯、立窯到大型預(yù)分解窯，單線熟料日產(chǎn)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(shù)萬克（煙塵彌漫）削減到最低15克（8mg/Nm³），企業(yè)全員人均年產(chǎn)水泥從50噸、100噸提高到最高約10000噸，水泥標(biāo)號(hào)從低于12.5提高到最高52.5，混凝土標(biāo)號(hào)從低于C10提高到最高C60，全世界水泥年消費(fèi)量從少量發(fā)展到42億噸、混凝土從很少量發(fā)展到40億立方米，其中結(jié)構(gòu)性高性能混凝土和非結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)步十分巨大，甚至可以說，當(dāng)今世界水泥混凝土科技已達(dá)到接近現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（或頂點(diǎn)），正在醞釀著一場(chǎng)顛覆性新技術(shù)革命的到來。綜合研判各有關(guān)方面的前瞻性科研開發(fā)工作的進(jìn)展現(xiàn)狀，水泥混凝土作為最大量、最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的大宗建筑材料在可預(yù)見的半個(gè)世紀(jì)或更長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，其在全部建筑材料總體供需領(lǐng)域中仍將占有最主要的地位。本文擬對(duì)當(dāng)今我國(guó)水泥混凝土產(chǎn)業(yè)的研發(fā)方向提出若干思考，不求面面俱到，只是有感而發(fā)，拋磚引玉，謹(jǐn)與業(yè)界同好共同探討，歡迎指教。

  近20年來，經(jīng)過世界第一流專家學(xué)者、企業(yè)家、科研機(jī)構(gòu)、著名裝備制造和水泥生產(chǎn)廠商等多次共同商討研究確定的水泥混凝土產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展方向的有兩個(gè)重要的文件。

  1.2008年7月，聯(lián)合國(guó)所屬的三家組織一一國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA），世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)（WBCSD）和水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)會(huì)（CSI）聯(lián)合向全球?qū)＜艺髟兞藢?duì)其組織草擬的《2050世界水泥工業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖》的意見，幾經(jīng)修改補(bǔ)充于2009年12月向全球正式發(fā)布。該《路線圖》提出至2050年期間世界水泥技術(shù)發(fā)展的方向主要有5個(gè)領(lǐng)域^1）。

  1.1由生產(chǎn)普通波特蘭水泥（OPC）轉(zhuǎn)向生產(chǎn)混合水泥（Blended Cement 即BC）。OPC和BC分別相當(dāng)于我國(guó)的普通硅酸鹽水泥（PO）和復(fù)合硅酸鹽水泥（PC）、礦渣、粉煤灰硅酸鹽水泥（PS、PF）等。

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

  因?yàn)樵诨炷两M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(fèi)。

  1.2全面推廣采用各種含有可燃物質(zhì)的工、農(nóng)、服務(wù)業(yè)廢棄物和城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活廢棄物等，經(jīng)適當(dāng)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(chǎn)業(yè)的化石燃料替代率爭(zhēng)取達(dá)到60%~90%。

  1.3加緊生物質(zhì)燃料研發(fā)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。

  因?yàn)樵孱愒诠夂献饔孟挛振詈隙趸季湍墚a(chǎn)生生物質(zhì)（乙醇）柴油，水泥窯卻能提供含高濃度（23%）CO₂的廢氣，兩者結(jié)合強(qiáng)勢(shì)互補(bǔ)，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(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。（筆者注：中國(guó)臺(tái)灣利用這項(xiàng)技術(shù)還獲得了生產(chǎn)保健品和化妝品的原料一一蝦紅素）。有關(guān)的各項(xiàng)科研試驗(yàn)工作已獲得可喜進(jìn)展，是一個(gè)頗具發(fā)展?jié)摿Φ姆较颉?

  1.4全面采用水泥窯系統(tǒng)廢氣余熱發(fā)電，回收電能。

  這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)已廣泛應(yīng)用并獲得較好效益，噸熟料發(fā)電量達(dá)36度左右，可供廣大發(fā)展中國(guó)家借鑒。然而對(duì)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家來說，這樣的余熱發(fā)電效率尚有待提到噸熟料50度以上，才能與其外購(gòu)電成本大致持平?？磥磉M(jìn)一步提升完善正在進(jìn)行中的大型工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)的Kalina余熱發(fā)電系統(tǒng)將是一個(gè)有望獲得突破的途徑。同時(shí)對(duì)各種可再生新能源的研發(fā)應(yīng)用也應(yīng)予以密切關(guān)注。

  1.5大力降低水泥的單位能耗，并且將水泥工業(yè)各種污染物的單位排放量盡力削減到最低，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的零污染。

  初擬2050年目標(biāo)為：熟料熱耗2299~2508kJ/kg，熟料電耗35~40kWh/t，熟料系數(shù)50%以下，水泥綜合電耗50~60kWh/t，噸熟料產(chǎn)出CO₂少于500kg（2030年）其中大部分將被循環(huán)利用和儲(chǔ)存而不排放于大氣中，其他近40種污染物（現(xiàn)今德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定27種）的排放都要盡可能地減少到天然生態(tài)環(huán)境足以消納自凈的程度。

  2.2014年全球應(yīng)對(duì)氣候變化的《巴黎協(xié)定》（COP21）簽訂后，2016年10月世界箸名水泥集團(tuán)和裝備集團(tuán)的首席執(zhí)行官簽署了一個(gè)聯(lián)合激勵(lì)計(jì)劃《宣言》^2），號(hào)召并歡迎全球的同業(yè)者積極參與，共同努力付諸于具體行動(dòng)。計(jì)劃包含以下7個(gè)方面。

  2.1世界各國(guó)水泥工業(yè)公開披露各自的年度二氧化碳排放總量及其實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，特別希望中國(guó)參與。目前各大洲所屬國(guó)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(qū)41%、獨(dú)聯(lián)體國(guó)家18%、中東地區(qū)15%； 全球總計(jì)21%，其中有些國(guó)家雖然參與但尚未認(rèn)真履行，自覺性亟待提高。

  2.2公開披露各國(guó)水泥生產(chǎn)的能源利用效率，即熟料單位熱耗、水泥綜合電耗等實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，更要不斷地降低單位能耗，提高能源利用效率。

  2.3大規(guī)模地開發(fā)利用全社會(huì)的各種廢棄物，經(jīng)適當(dāng)處理后用作水泥工業(yè)的替代燃料和替代原料。

  2.4在確保水泥質(zhì)量（標(biāo)號(hào)）的前提下，進(jìn)一步降低水泥中熟料的占比，盡量多用深加工混合材發(fā)揮其替代部分熟料的功能。

  2.5大量使用OPC,特別是高標(biāo)號(hào)的52.5 OPC，對(duì)環(huán)保和社會(huì)的總體效益弊多利少。因此，在水泥原料上要研發(fā)采用粘土質(zhì)（硅、鎂、硫鋁酸鹽）的替代石灰質(zhì)（碳酸鈣）的。同時(shí)研發(fā)更低碳足跡的各種較有潛質(zhì)的新品種水泥，例如高貝利特水泥、鋁酸鹽水泥、低阿利特復(fù)合水泥、礦物聚合材料（Geopolymers）、化學(xué)激發(fā)膠凝材料（Chemically-activated Cementing Materials）等。

  2.6各國(guó)在本土市場(chǎng)健全建筑物和基建工程全生命周期價(jià)值鏈評(píng)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(fèi)比例的最佳平衡。

  2.7開展跨行業(yè)聯(lián)合協(xié)作研發(fā)，例如現(xiàn)用礦山水土保持與植綠、廢礦山復(fù)墾與園林再造、危險(xiǎn)廢棄物處置利用、生物質(zhì)燃料制造、碳捕集儲(chǔ)存利用；等等。

  3.《四零一負(fù)》一一水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略^3）

  這個(gè)觀點(diǎn)是筆者1997年初正式發(fā)表的，所謂“四零一負(fù)”即：第一是水泥工業(yè)和生態(tài)環(huán)境和諧共存，水泥企業(yè)對(duì)其周圍生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)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(tài)環(huán)境中得以消納自凈。第二是不斷創(chuàng)新水泥工藝和余熱發(fā)電技術(shù)，降低水泥和熟料的單位電耗，提高單位熟料余熱發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)水泥企業(yè)對(duì)外界電能的零消耗。第三是水泥企業(yè)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fā)利用各種替代燃料，實(shí)現(xiàn)熟料生產(chǎn)對(duì)天然礦物化石燃料（煤、石油、天然氣）的零消耗。最后是要發(fā)揮水泥產(chǎn)業(yè)的循環(huán)利用各種廢棄物的特有優(yōu)勢(shì)和潛能，擴(kuò)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(huán)境負(fù)荷，為全社會(huì)廢棄物的負(fù)增長(zhǎng)做出貢獻(xiàn)。

  不難看出，雖然相隔十幾、廿年，《四零一負(fù)》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(fā)達(dá)國(guó)家水泥工業(yè)為例，事實(shí)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(shí)地朝著這個(gè)理念的大方向拓展了一系列的技術(shù)革新和創(chuàng)新研發(fā)，現(xiàn)已凸顯諸多不俗的成效，令人鼓舞，繼續(xù)奮進(jìn)的信心倍增^4）。十分明顯，世界水泥混凝土產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展的大方向及其技術(shù)途徑幾經(jīng)一流專家和企業(yè)家的慎審研討，又經(jīng)歷了長(zhǎng)期大量實(shí)踐的檢驗(yàn)，國(guó)際上現(xiàn)已形成十分廣泛的高度共識(shí)，目標(biāo)明確，意志堅(jiān)定，侭管在前進(jìn)的道路上還有不少科技難關(guān)須要攻克，但是可以充滿信心地說，這個(gè)大方向是科學(xué)的、正確的、現(xiàn)實(shí)可行的，成功實(shí)現(xiàn)這些理念及其目標(biāo)是大概率事件！

  我國(guó)水泥混凝土產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展方向問題，上述理念和途徑值得進(jìn)一步深入研判和參考借鑒。近來業(yè)界有不少專家教授學(xué)者和企業(yè)家，以及政府和民間主管部門與機(jī)構(gòu)的規(guī)劃分別提出，有關(guān)我國(guó)水泥工業(yè)科研發(fā)展方向的意見，匯總起來主要有：綠色化、高端化、高標(biāo)號(hào)化、高附加值化、節(jié)能減排化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)化、智能化、機(jī)器人與無人機(jī)化、低碳化、環(huán)?；?、循環(huán)經(jīng)濟(jì)化、生態(tài)化、可持續(xù)發(fā)展化；等等。這里除了一個(gè)“高標(biāo)號(hào)化”以外，其他的這些“化”大方向正確，也是對(duì)本文內(nèi)容的有益補(bǔ)充，值得學(xué)習(xí)。至于我國(guó)水泥“高標(biāo)號(hào)化”的提法，本人認(rèn)為，我們必須先明確定義并徹底搞清楚這個(gè)提法的原旨，意在解決什么問題？譬如，要水泥“高標(biāo)號(hào)化”到多么高為宜？是我國(guó)通用水泥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)指標(biāo)制訂得太低？或欠周全？還是我國(guó)實(shí)物水泥的質(zhì)量不夠達(dá)標(biāo)？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(guó)有足夠的智慧找出抓準(zhǔn)其“病根”，采取相應(yīng)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(gè)“老大難”問題的。

  參考文獻(xiàn)

  1.IEA, WBCSD, CSI: Routs Map of Cement Sustainability Development in 2050 Worldwide.Dec.2009.

  2. John Kline and Charles Kline: COP21 and cement’s CO2 challenge.  ICR March 2017 p.33~36.

  3. 高長(zhǎng)明：論水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.《水泥技術(shù)》1997年第1期：1~5頁.

  4. 高長(zhǎng)明：水泥工業(yè)“四零一負(fù)”理念及展望.《水泥技術(shù)》2016年第1期：17~19頁.