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2050年世界水泥可持续发展技术路线图
 点击数:1659次 添加时间:2010-2-7 [打印] [关闭] [收藏]

    2009年6月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2050:科技革命与中国的未来》,涵盖18个科技领域,科学出版社已出版了15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、纳米等7个领域。

    2009年9月在德国召开的第6届VDZ国际水泥大会上国际能源机构(IEA),世界可持续发展工商理事会(WBCSD)和水泥工业可持续发展促进委员会(CSI)向一些专家征询了对草拟中的《2050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。

    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;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。

    2050年水泥工业发展技术路线图

    国际能源机构(IEA),世界可持续发展工商理事会(WBCSD)和水泥工业可持续发展促进委员会(CSI)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2050年期间,世界水泥技术发展的路线图包含下列6个同时进行的方向、途径和目标。

    1.由生产普通波特兰水泥(OPC)转向生产混合水泥

    该领域的内容主要有3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(2000年)以来,国际水泥界在以上3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。例如2008年美国已达8%、日本13%、德国15%、法国17%,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。2002年成立的欧洲水泥基础研究合作组织(Nanocem)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OPC向混合水泥转变,多掺混合材替代熟料,必须遵守确保水泥性能不降低或受损害的前提条件。我国水泥中混合材掺入量平均为30%,其中新干水泥中平均约20%,而落后的“小水泥”中则平均高达40%或更多。这是有一部分“小水泥”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及,而且应予制裁取缔。

    2.全面推广采用各种可燃工业废料和生活废弃物替代化石燃料来生产水泥熟料,替代率达到90%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、二噁英、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CO2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,为环境保护做出贡献。

    在过去的20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。2008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58%、荷兰81%、法国34%、比利时50%、瑞典29%、捷克45%、美国24%、日本12%。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(BAT)。许多发达国家很可能在2020年左右,其对化石燃料的替代率达到90%以上。而对全球水泥工业来说,2050年其替代率达到90%虽是一项较艰巨的任务,但是有望力争完成。

    3.研发应用CO2捕集技术(CCS)大幅消减温室气体排放

    关于CO2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)CO2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CO2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CO2捕集方法有从传统熟料煅烧后的废气中分离捕集CO2的,还有就是采用富氧(或纯氧)煅烧熟料,将高浓度CO2的废气直接捕集储存。前者须要事后从废气中分离CO2,后者则须要事前制备好O2。就目前的技术装备水平而言,采用CO2捕集每吨水泥所增加的成本,传统煅烧(前者)方法为35欧元~60欧元,富氧煅烧(后者)方法为10欧元~20欧元。

    根据欧洲水泥研究科学院(E鄄CRA)的预计,CO2捕集技术在世界水泥工业的实际应用大致会开始于2015年,到2030年可能推广到50%以上的水泥企业。届时CCS的投资约为1亿欧元~3亿欧元(与年产200万吨熟料线配套),单位熟料增加生产成本10欧元~50欧元。到2050年时CCS可能应用于90%以上的水泥企业,CCS的投资将降到0.8亿欧元~2.5亿欧元,吨熟料成本增加10欧元~40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。

    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(2000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CO2,从而促发了水泥工业对这项新能源的积极响应。

    2005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。

    根据生长速率、产油率、对阳光的需求、土地占用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。

    藻类在光合作用中具有吸碳固碳功能,与水泥窑废气中的CO2形成互补,而且水泥窑废气中CO2的含量为23%左右,比火电厂(约12%)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CO2还得排放或设法处置,不过吨熟料CO2排放量比纯粹烧煤将削减近一半。

    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Bioking公司、AlgaeLink公司和美国GreenShift公司等的报价资料,与一台2500t/d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20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2009年5月在澳大利亚将有一台600t/d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2010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LED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2050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。

    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可持续发展工商理事会和水泥工业可持续发展促进委员会最初的2050年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荼,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35%,远低于美国的55%,西欧和北欧的56%,发达国家现今普遍应用超超临界发电技术,而我国还有25%左右的落后电厂,电价很贵。以美国为例,其电价约为4美分/kWh,水泥售价约为90美元/t;而我国电价超过0.6元/kWh,水泥不到300元/t。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55kWh~60kWh以上的话,水泥厂就不会采用,否则还不如买电更经济。

    相反地,我国水泥厂只要利用窑余热发电能够达到吨熟料25kWh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40kWh,但要实现50kWh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Kalina循环进行探索试验或许是在不增加熟料热耗(≤750×4.18kJ/kg)的前提下将吨熟料发电量提升到50kWh(或60kWh)的途径之一。笔者支持赞同这项试验并希望成功。

    6.最后一项,实际上也是最经常最重要的一项发展目标就是节能减排

    因为在生产水泥的整体过程中,从原料矿山采掘开始,经过生料粉磨,熟料烧成、冷却,水泥粉磨等等一系列的工序,一直到水泥装运出厂,每一个环节都需要不断地科技进步,研发创新。即便是现今最先进的预分解窑水泥技术将来总会被更先进的装备技术所取代。例如,或许是熟料流态化煅烧,管道式熟料浓相烧成,物料自磨粉碎等等。所有这些科技创新都会给水泥工业甚至水泥本身带来革命性的演变和进步。然而,对于这种“颠覆性”的创新是否可能在2050年之前发生,目前多数专家学者的看法都倾向于“尚未见曙光”.

    这里暂且在现有预分解窑水泥技术的基础上,对2050年水泥路线图的节能减排研发最佳实用技术(BAT)的目标,笔者提出的全球平均先进指标主要如下:熟料热耗550kcal/kg~600kcal/kg;熟料电耗35kWh/t~40kWh/t;水泥粉磨电耗15kWh/t~20kWh/t;水泥综合电耗50kWh/t~60kWh/t(当熟料水泥比为65:100时)。2030年吨水泥产出的CO2小于500kg(CSI初拟),其中有相当一部分将被储存起来而不排放于大气中。

    据悉,关于这些指标的意见目前尚比较分散。然而节能减排却是推行绿色经济、低碳经济不可或缺的重要措施。关键在于如何商讨研究确定科学可行的目标。2009年底出台的2050年世界水泥发展路线图,由于诸多原因,确有某些待再议之处,但它给我国的启示是有益的。

    结束语

    1997年笔者论述水泥工业可持续发展战略时,提出了“四零一负”的理念——环境零污染、电能零消耗、三废零排放、天然化石燃料零消耗及废料废渣负增长。

    不难看出,“四零一负”与2050年技术路线图的基本观念是相符的。现今,发达国家和我国许多新型干法窑水泥企业集团均已实现了环境零污染和三废零排放。水泥工业的利废功能(废料废渣负增长)也获得社会公众的认可与好评。天然化石燃料零消耗在发达国家已平均实现了1/3,我国正在起步阶段。电能零消耗我国平均大致达到了1/5,关于电耗这一点,发达国家的技术路线是更倾向于继续提高火电厂整体的发电效率,而对改进水泥窑余热发电效率研发的投入较少。从全社会的节能减排来看,这样总体效益更好,所以它们并没有着力去追求水泥工业的电能零消耗。目前我国电厂效率虽然总平均值很低,但是在电力行业大力改革调整下,其必将会快速发展大幅提高的。所以水泥工业电能零消耗应该是我国在中长期规划阶段的奋斗目标,而不一定是一个长期的可持续发展的技术路线。修正后的概念应该是,无论如何水泥窑余热必须充分地多渠道地综合利用,例如发电、取暖、供热、制冷等。总之,不能空排而浪费掉。

    2050年技术路线图所指明的五大发展方向——节能减排、混合水泥、协同焚烧可燃废物、CO2捕集储存、生物质燃料联产,这与绿色低碳经济的大趋势是一致的。

    然而这些领域中各个课题技术发展的成熟度、深度、广度及研发应用的难度是有差别的,有的可能还在初级阶段,有的可能已经比较成熟,具有相当把握。但是鉴于距离2050年还有40年时间跨度,世界政治经济社会科技等诸多因素的不确定性或某些偶然事件的影响,该路线图的进程和内容或将有所变化,在所难免。但是总的来说,这是在人们现有智慧和世界局势较平稳发展条件下较现实的预期目标。

    国际能源结构(IEA)、世界可持续发展工商理事会(WBCSD)和水泥工业可持续促进委员会(CSI)对2050年前世界水泥工业CO2减排所需投资的估算,即用于水泥工业CO2减排的投资介于3540亿美元~8340亿美元之间。

    笔者认为,可能是对CCS的期望太高了。相反地,对其他措施的减排作用估计不足,尤其是对替代熟料生产混合水泥的投入更偏少。看来预测投资的分配尚须根据各项技术措施(路线)的研发进展情况适时作出相应的调整。

    我们应针对我国的具体情况,考虑到国际市场的变化,参考该2050年技术路线图的思路,对我国水泥工业可持续发展制定相应的路线图。分重点、分课题、分阶段地筹措财政保障,综合组织各有关行业的科技研发资源,协作攻关,把我国又好又快地建成为一个绿色水泥强国。