低碳时代水泥混凝土发展方向

日前,哥本哈根会议的召开使低碳经济再次成为全球瞩目的焦点。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济是应对全球气候变暖的全新经济模式,最早见诸于政府文件是在2003年的英国能源白皮书《我们能源的未来:创建低碳经济》;2006年,前世界银行首席经济学家斯特恩带头呼吁全球向低碳经济转型;20077月,美国参议院提出了《低碳经济法案》。低碳经济实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色GDP的问题,所谓低碳经济是指在可持续发展理念指导下,通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段,尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗,减少温室气体排放,达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态,其核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新及人类生存发展观念的根本性转变。

  我国是一个经济高速增长的发展中国家,气候变化是我们面临和必须应对的问题,也是落实科学发展观,走可持续发展道路的必然要求。党中央和国务院高度重视应对气候变化问题,20079月,胡锦涛主席在APEC会议上指出:“应该建立适应可持续发展要求的生产方式和消费方式,优化能源结构,推进产业升级,发展低碳经济,努力建设资源节约型、环境友好型社会,从根本上应对气候变化的挑战。”国务院专门成立了国家应对气候变化及节能减排工作领导小组,根据国家可持续发展战略的总体要求,为减缓和适应气候变化,制定了一系列应对气候变化的相关政策和措施。

  20091126日,中国政府向世界发出碳减排声音:到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。中央经济工作会议上明确提出要“开展低碳经济试点,努力控制温室气体排放”,“严格控制对高耗能、高排放行业和产能过剩行业的贷款”,这直接斩断了高能耗工业企业的资金来源。今年国务院出台了对包括水泥工业等在内的“抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展若干意见的通知”的38号文件,对水泥工业等开始产业调整。刚刚闭幕的全国人大十一届三次会议上,如何迎接低碳经济时代也是重要内容之一。从国家的一系列方针、政策可以看出,气候变化已经成为当前国家高度关注的重大问题,发展低碳经济成为顺应时代的大趋势。

  一、水泥混凝土行业发展低碳经济势在必行

  水泥是我国国民经济重要的基础原材料,不仅为建筑业及基础设施建设提供支撑,而且为改善城乡居住条件、提高人民生活水平提供物质保障。水泥产业在国民经济发展中具有重要的地位和作用。

  改革开放以来,我国水泥产业经历了较长时间的高增长期,自1985年以来水泥产量一直居世界第一。特别是经过“九五”和“十五”的发展,水泥产业已成为面向国内、国际两个市场,并具有一定国际竞争力的重要产业,为国民经济持续快速健康发展做出了重要贡献。2007年、2008年、2009年水泥产量分别为13.2亿吨、13.88亿吨、16.3亿吨。可以看出,目前我国仍处在快速发展时期。在这一阶段,消费结构不断升级,城市化进程进一步加快,基础设施建设、房地产开发及大规模的经济建设都将继续拉动水泥产业的快速发展,水泥产业仍然是一个极具发展潜力的产业。

  然而水泥产业是以矿产资源为基本原料,以化石能源为主要燃料,以高温窑炉这种高耗能、高排放作业方式为主体的产业。但在进入21世纪后的短短几年时间内,我国水泥工业发展以新型干法生产技术为主导,在预分解窑节能煅烧工艺、大型原料均化、节能粉磨技术、自动控制技术和环境保护技术等方面,从设计到装备制造都迅速赶上了世界先进水平。随着新型干法生产线单位生产能力的投资额大幅降低,新型干法生产线建设的势头发展迅猛。由于新型干法生产技术迅速发展,节能减排工作也取得明显成效,反映出科技进步对建材工业节能降耗的巨大推动作用,但水泥产业的碳排放量和能源消耗量在国民经济各行业中仍居于前列。据统计,2009年我国原煤产量为29.6亿吨,燃烧所排放的CO277.5亿吨,其中水泥生产能耗约1.8亿吨煤,占当年全国总能耗消耗6.6%CO2排放总量约13.8亿吨(包括生产水泥用碳酸钙分解排放的CO2),占当年全国CO2总排放量的26.1%

  因此,淘汰落后水泥产能和深入开展节能减排工作,不仅关系到产业升级和结构调整,也关系到能否顺利完成我国政府在哥本哈根会议上向国际社会作出的减排承诺指标的落实。降低二氧化碳排放强度一旦成为产业量化标准和强制目标,将给我国水泥工业结构转型和增长方式的转变带来一场“革命”。

  混凝土是目前用量最大的建筑材料之一。混凝土搅拌站、混凝土制品和构件及混凝土现场施工等方式将每年近30亿立方米的混凝土用于基本设施建设和国家重点工程。混凝土年产量和相关企业数量不断增加。

  行业发展的同时也造成了大量有限资源的浪费。目前很多地方已经出现混凝土原材料资源紧缺的现象,砂石、粉煤灰、矿渣粉等用量较大的材料运输半径越来越大,在一些经济发达的城市,甚至出现材料运费高于材料本身价格的现象。同时出现的另外一个让人担忧的现象是一些混凝土结构的耐久性变差,建筑寿命缩短。这些都不利于国民经济的发展。低碳经济的提出,低碳排放技术的应用,不仅对我国混凝土原材料资源浪费是一种整合,对材料和结构性能的提高是一种促进,还可能为混凝土企业创造出一个优胜劣汰的局势,而这个局势将通过以技术带动经济发展来达到。

  中国的基础工程建设量处于世界的前列,在金融危机席卷全球的今天,我国为了应对这场巨大的危机,投巨资拉动经济,以便使经济能得到平稳增长。4万亿元人民币的投资,将有很大比例用于基础设施建设,铁路、公路、机场等将以更高速度向前发展。

  据了解,我国重大工程中,铁路建设:2010年投资7000亿元,比2009年增加1000亿元,重点包括南北、东西大通道,既有客运,也有货运,还有一些城际铁路,到2010年年底总里程达到9万公里。高速公路建设:总里程将在2~3年内超过美国,截至目前公路总里程达到370万公里,其中高速公路6.5万公里,居世界第二。城市轨道交通建设:已建成运营地铁的城市有北京、天津、上海、广州、南京、深圳,筹建轨道交通的城市有近40个。预计到2015年,我国运营轨道交通线路将达到60多条,线路总长1700公里,建设投资规模将达到6000亿元。民航机场建设:我国到“十二五”末新建35个,迁建12个,改扩建37个,维护完善59个。核电站建设:《核电中长期发展规划(2005~2020年)》中指出,到2020年,核电运行装机容量4000万千瓦;核电年发电量2600亿~2800亿千瓦时。15年内核电项目建设资金总量约为4500亿元人民币。中国核电建设高峰将至。

  以上如此众多的重大工程都需要大量使用水泥混凝土,这对水泥混凝土的节能减排和提高质量提出了新的紧迫要求。如果在水泥及混凝土材料生产和应用上研发低碳排放技术,将会对我国建筑业和建材行业低碳经济的发展起到积极的作用。

  二、水泥混凝土行业实施的低碳经济相关工作

  水泥混凝土行业近年来利用自身的产业特点,为推动我国节能减排的发展做出了努力,在以下几方面开展了科技创新工作:

  第一,减少产品生产过程中化石能源的消耗

  “十五”和“十一五”期间,在国家“863”计划、国家“973”计划、国家自然基金项目和支撑计划的支持下,目前国内在已有基础上研究开发了六级旋风预热器、二支承回转窑、新型高效低污染水泥工业用燃烧器等节能新技术和装备,技术指标达到国际先进水平;而更新一代的预烧成窑炉工艺结合短窑燃烧技术正准备开展应用基础研究。目前国内研发的以辊压机系统和立磨为代表的节能粉磨技术也已实现规模化和产业化,技术指标已接近国际先进水平,与目前的球磨系统相比可降低粉磨能耗20%;突破现有粉碎理论的高效节能粉磨技术也正开展应用基础研究。

  我国对利用粉煤灰、钢渣、煤矸石等大宗工业废渣非常重视,粉煤灰、矿渣已广泛应用于水泥和混凝土中,这是水泥生产过程中节能减排的重要技术途径。近年来通过物理和热态的化学活化等技术途径提升了钢渣的活性,磨细钢渣在水泥和混凝土中的应用得以实现;但目前我国许多种类的工业废渣、危险废弃物、城市污泥、城市生活垃圾等没有得到很好的处置,如果解决了一些关键技术,建材窑炉是具备协同处理这些废弃物的能力的。

  第二,减少产品应用过程中的化石能源的消耗

  要减少混凝土应用中的碳排放,降低混凝土中水泥的用量具有最直接的效果。因此,对混凝土应用过程中原材料的综合利用、对废弃材料的再生利用,提高混凝土及结构的耐久性是混凝土实现低碳排放的重要途径。

  国内外对建筑垃圾骨料进行了大量的研究。科技部在“十五”科技计划和“十一五”科技计划中都对建筑垃圾利用技术给予了支持。对再生骨料品质控制指标和再生骨料配制混凝土技术和再生骨料配制砂浆的应用技术,以及建筑垃圾资源化利用的生产工艺和装备都进行了大量研究,并在四川大地震后建设了建筑垃圾资源化利用生产线。以建筑垃圾为原料的各种产品,包括粗细骨料、再生骨料混凝土、再生骨料砂浆,在一些建筑中也得到了应用。《混凝土和砂浆用再生细骨料》、《混凝土用再生粗骨料》国家标准已经上报即将实施。

  延长混凝土工程使用寿命是最大的节约途径(低碳经济)。从“九五”开始,我国从科技部、建设部和国家自然基金委等国家层面上针对混凝土耐久性问题,组织开展了大量的基础和应用研究。针对钢筋锈蚀、碱-集料反应、冻融循环、盐溶液侵蚀等常见耐久性破环因素,阐明了其破坏机理、影响因素和控制措施;研究了多种混凝土耐久性加速实验新方法、新设备;特别是在全国范围内,近年来高性能混凝土的概念得到宣贯,重大工程的混凝土的配制不只是考虑强度因素,而是考虑耐久性等因素。国家大量重点工程都是以百年寿命来设计的,这样大大减少了水泥的使用量,也达到了低碳效果。如青藏铁路、杭州湾跨海大桥、三峡大坝等一批国家重大工程都把耐久性设计放在首位,保证长寿命的新技术和新材料得到大量应用。

三、水泥混凝土行业实现低碳经济的发展方向

水泥混凝土行业发展低碳经济,必须进一步贯彻落实科学发展观,坚持资源开发与节约并重,大力推进节能减排,实现经济增长的根本性转变,促使水泥混凝土行业成为与经济、社会、环境协调发展的资源节约型和生态友好型产业。

水泥混凝土行业在目前水平上,研究推广节能减排技术和装备,将使我国可减少若干亿吨水泥产量。可通过提高水泥性能减少10%的水泥熟料生产量,通过优化混凝土配比减少10%的水泥使用量,通过使用高性能混凝土提高混凝土使用寿命减少10%以上的混凝土使用量,在粉磨烧成中采用新型节能设备和技术,可再节能约20%。因此水泥混凝土行业为实现我国对世界节能减排、发展低碳经济的承诺能够做出应有的贡献。

发展低碳经济,水泥混凝土工业必将孕育和产生许多新的技术和装备。水泥混凝土工业节能减排的途径正在拓展,在低碳经济时期我们将有新的机遇。

1.水泥生产领域

1)开发应用替代原、燃料技术

采用低化石燃料替代传统燃料、用非碳酸盐钙质原料替代石灰石,如在水泥制造领域,利用粉煤灰、煤矸石、赤泥、电石渣、各类尾矿渣等替代部分石灰石原料,以及利用经过适当处理的工业废渣替代水泥熟料,减少水泥制备过程中熟料用量,减少生产中CO2直接排放;利用废轮胎、废油、废塑料等可燃废弃物替代燃料,这个方面与发达国家差距大,我国还具有很大的发展潜力。

2)研究开发高强度、高性能水泥熟料

水泥熟料的烧成量是水泥制造中减排的关键,高效利用水泥熟料、减少熟料的烧成量是最有效的减排。与发达国家相比,我们还有差距。研究和推广高标号熟料、高活性熟料,可以使水泥混凝土在保证性能的同时加大工业废弃物的掺量,减少熟料用量,达到减排的目的。

3)继续开展水泥生产节能减排技术

继续在水泥窑炉设计、建材制造工艺技术、高效燃烧技术、耐高温材料研究与制备、余热高效利用、高效粉磨技术和装备等方面开展创新性研究,取得具有自主知识产权、赶超国际先进水平的技术创新成果,提升我国在水泥制造业领域自主和持续创新能力。

在废气的高效分离、捕获及转化方面,主要是研究开发和应用NOx、粉尘和温室气体CO2高效分离、捕获及转化技术。目前水泥产业没有系统开展脱硝等减排技术的研究,排放指标与国外先进水平差距很大。

4)发展综合利用和协同处理技术

通过研究水泥窑炉综合利用和协同处置废弃物关键技术和装备,一方面可充分利用废弃物的残余热值,另一方面可协同处置大宗、难以处置、环境危害较大的工农业和生活废弃物,体现出建材在社会大循环中的作用和价值,可实现建材行业的可持续发展。尤其是靠近大中城市的水泥企业,可以利用水泥窑协同处理城市垃圾、污泥,进入城市发展的循环经济中。

5)研究开发低碳排放的胶凝材料

通过调整熟料矿物组分,对传统的熟料矿物进行改性,发展生产能耗低、低碳排放的水泥新品种,研究大掺量辅助胶凝材料利用技术,发展满足配制高性能混凝土和绿色高性能混凝土要求的水泥。

在研究开发新型胶凝材料方面,可浇筑、高耐久高强石膏是目前国际上建筑材料研究的热点和方向。水泥生产需要消耗大量的石灰质原料和能源,水泥混凝土作为建筑材料在废弃后难以回收利用。而可浇筑、高耐久高强石膏的生产,基本不排放CO2,废弃的石膏经简单加工后还可重复使用。目前,国际上研究的高强石膏其强度已超过60MPa,并具有抗侵蚀、耐气候等良好的耐久性能。采用可浇筑、高耐久高强石膏替代水泥混凝土,还具有原料来源广、价格低廉、建筑的住房更为舒适等优点。

绝大部分工业废渣通过适当组合能在高压下发生聚合,获得非常高的强度,可以用于生产墙体材料和其他建筑材料制品,可有效地降低水泥的用量。目前压蒸工艺压力通常达到10个大气压,但低于理论所需压力,仍需在生产过程中加入水泥或石灰等活性组分。研究更高压力下各种废渣有效组合制备高强度制品,不仅为工业废渣利用提供途径,也是建筑材料行业最为有效的一种低碳技术,并将大幅度降低硅酸盐水泥或石灰的用量。

2.混凝土生产及应用领域

1)研究减少混凝土中水泥用量的应用技术

采用系统论研究方法,深入开展新材料研究,以新材料带动新工艺、新装备,系统解决混凝土中减排节材的关键问题。开展低掺量水泥熟料混凝土在不同环境下的结构稳定性研究,大量使用各类工业废弃物,在混凝土生产和应用中安全、有效地降低水泥熟料用量,实现节能减排、发展低碳经济的目标。

2)开发建筑垃圾减量化控制技术、建筑垃圾再生材料在建筑工程中应用的成套技术

发展再生骨料,特别是利用工业固体废弃物粉煤灰、煤矸石生产制造细骨料;积极利用城市固体废弃物,特别是拆除的旧建筑物和构筑物的废弃物混凝土、砖、瓦及废物,以其代替天然砂石料,形成城市废弃物在建筑材料工业中资源化利用的成套技术和系列产品。

3)水泥混凝土长寿命、高耐久的研究和应用

我国每年有近30亿立方米混凝土用于基础设施和重大工程建设,延长工程的使用寿命,就是最好的低碳经济的措施。以具有重大工程应用背景的建筑材料为重点,采用现代科技手段,致力于延长材料的使用寿命,通过研究耐久性机理和试验方法的创新,研究材料组成、结构与耐久性之间的变化规律,促进绿色建材的学科进步,并开发新型材料和制品,解决长寿命、高耐久性等关键技术问题。如在提高水泥基材料耐久性方面研究多因素协同作用下混凝土的破坏过程和失效机制,以及在评估混凝土寿命的基础上进行混凝土耐久性设计。

C40高性能混凝土和普通混凝土为例,比较高性能混凝土与传统混凝土的节能效果为:单方混凝土节约水泥159kg,使用工业废渣132kg2006年,我国水泥工业的统计数字显示,吨水泥的综合能耗降低为120千克标准煤,煤耗降低136千克,电耗降低92千瓦时。按照中国混凝土产量,如有1/4数量的混凝土采用高性能混凝土技术,每立方混凝土节约水泥100kg来估算,仅此一项我国每年可以节约水泥0.5亿吨,折合为节约综合能耗、煤耗和电耗,数量相当客观。

分析延长混凝土工程寿命情况可以看出,使用传统的混凝土,由于各种原因,混凝土寿命一般只有30年,即在100年的时间里,至少需要大修或重建2次。而高性能混凝土的寿命可以达到100年,即在100年的时间里,不需要大修。这样,高性能混凝土通过大幅度提高混凝土耐久性,延长结构物的使用寿命,进一步节约维修和重建费用。另外,普通混凝土要用约12%水泥、8%拌合水和80%的集料,这意味着全国的混凝土除了每年要用16亿吨水泥以外,还要消耗近100亿吨的砂石和10亿吨水,即每年消耗126亿吨原材料。即除了每年用于生产水泥的原材料以外,还有巨大数量的混凝土集料的开采、加工和运输消耗,这些都消耗相当可观的能源,并对地球的生态产生负面影响。在100年里不大修的混凝土工程将对减少地球的环境负荷做出显著的贡献。由此可见,混凝土节能减排的根本在于提高混凝土的耐久性。

应对气候变化问题是全人类必须共同面对的严峻挑战,只有认识到才能更好地应对挑战,并把挑战转化为发展的机遇。面对国家经济建设的重大需求,水泥混凝土产业走低碳经济发展之路,是解决资源、能源、环境和污染物排放问题,提高整体竞争力的必然选择,而加快科技创新则是推动低碳经济发展的关键。因此针对水泥混凝土产业自身特点,建材行业应明确科技创新的方向、目标和重点,依靠科技创新,支撑水泥混凝土产业从高碳走向低碳,实现可持续发展,为国民经济建设和低碳经济的发展做出应有的贡献。