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2050年世界水泥可持續發展技術路線圖
 點擊數:2758次 添加時間:2010-2-7 [打印] [關閉] [收藏]

    2009年6月中國科學院發布了我國科技戰略研究發展路線圖系列報告《創新2050:科技革命與中國的未來》,涵蓋18個科技領域,科學出版社已出版了15卷。其中與水泥工業直接有關的主要有能源、礦產資源、生態與環境、生物質資源、先進制造、先進材料、納米等7個領域。

    2009年9月在德國召開的第6屆VDZ國際水泥大會上國際能源機構(IEA),世界可持續發展工商理事會(WBCSD)和水泥工業可持續發展促進委員會(CSI)向一些專家征詢了對草擬中的《2050世界水泥工業發展技術路線圖》(討論稿)的意見。

    茲將有關動態及國內外最新的信息一并述評如下,供我國水泥界參考研究。

    科技發展路線圖的特征與功能

    科技發展路線圖最重要的特征首先是高度的概括性和高度的綜合性,其次就是相對科學準確的前瞻性。

    科技發展路線圖是用簡潔清晰的圖形、表格、文字等描述技術進步的發展方向和步驟,其主要功能包含:預測未來市場所需的新產品、新工藝、新技術、新裝備;瞄準目標,確定須要重點研究的關鍵科學與技術;指明科技研發的方向和途徑,組織行業協作,配置研發資源,作出科學決策;尋求知識共享技術協作的新伙伴,減少科技創新的風險,提高創新能力和核心競爭力,把握未來的市場機遇與發展空間。

    此外,對傳統產業而言,產業技術發展路線圖又是一個系統診斷工具,可以幫助人們找出產業鏈中的薄弱環節,而這些薄弱環節則往往正是其“利潤池”之所在。

    2050年水泥工業發展技術路線圖

    國際能源機構(IEA),世界可持續發展工商理事會(WBCSD)和水泥工業可持續發展促進委員會(CSI)組織全球著名的水泥公司和水泥裝備公司,以及各國專家學者共同研究初步商討得出的從現今至2050年期間,世界水泥技術發展的路線圖包含下列6個同時進行的方向、途徑和目標。

    1.由生產普通波特蘭水泥(OPC)轉向生產混合水泥

    該領域的內容主要有3個方面:其一是廣泛研究采用具有水硬性或膠凝性潛質的各種工業廢料,例如礦渣、粉煤灰、冶煉渣、化工渣、矸石等,進行深度加工用以替代部分水泥熟料,生產少熟料水泥(混合水泥),甚至是無熟料水泥。這也可以理解為往水泥中多摻混合材,用混合材替代部分熟料。其二是研發各種水泥和混凝土的外加劑與改性劑,用以彌補提高水泥混凝土的性能,滿足多樣性的需求。其三是開拓納米技術在水泥基建材中的研究應用。

    自從進入本世紀(2000年)以來,國際水泥界在以上3方面已有一定的進展,水泥中混合材的平均摻入量各國均有所提高。例如2008年美國已達8%、日本13%、德國15%、法國17%,逐漸多摻混合材的趨勢正在不斷研發之中。各種水泥混凝土外加劑和改性劑的應用也在向著縱深發展。2002年成立的歐洲水泥基礎研究合作組織(Nanocem)在熟料和混合材的微米、納米級性能研究與混凝土外加劑研究方面已發現若干重大突破的苗頭,前景令人期待。

    應該強調指出,所謂OPC向混合水泥轉變,多摻混合材替代熟料,必須遵守確保水泥性能不降低或受損害的前提條件。我國水泥中混合材摻入量平均為30%,其中新干水泥中平均約20%,而落后的“小水泥”中則平均高達40%或更多。這是有一部分“小水泥”因逐利而無視水泥性能和國家標準,超標多摻、濫摻所謂的混合材而造成的。顯然,這種現象非但與上述的混合材深度加工,多生產混合水泥的理念風馬牛不相及,而且應予制裁取締。

    2.全面推廣采用各種可燃工業廢料和生活廢棄物替代化石燃料來生產水泥熟料,替代率達到90%以上

    該領域的主要任務有兩方面:首先是在確保環境安全和各種有害物(呋喃、二噁英、重金屬等)的排放必須符合嚴格的環保標準;不允許產生二次污染;不能影響熟料品質和水泥窯系統的運轉率。其次是與全社會的其他行業一起建立各種廢棄物回收利用的物流產業鏈,盡量減少廢物產生,完善回收再利用體制,實現循環經濟,充分發揮水泥工業的利廢功能。

    這樣水泥工業就可以節省大量不可再生的天然化石燃料資源,減少噸熟料的CO2排放,降低熟料生產成本。同時又為社會妥善地消納了一部分廢棄物,為環境保護做出貢獻。

    在過去的20多年間,世界水泥工業采用廢料替代燃料,從少量的試驗起步開始,一直發展到現今在許多發達國家已較廣泛地工業規模應用,成效顯著。2008年德國水泥工業按全國熟料熱耗計的替代燃料對化石燃料的替代率已達58%、荷蘭81%、法國34%、比利時50%、瑞典29%、捷克45%、美國24%、日本12%。許多發展中的新興國家,包括我國,近年也正在啟動推廣之中。

    從環境安全和技術經濟層面上看,水泥工業協同燃燒可燃廢棄物,現今已經是一項環境安全、經濟合理、工藝成熟的實用技術(BAT)。許多發達國家很可能在2020年左右,其對化石燃料的替代率達到90%以上。而對全球水泥工業來說,2050年其替代率達到90%雖是一項較艱巨的任務,但是有望力爭完成。

    3.研發應用CO2捕集技術(CCS)大幅消減溫室氣體排放

    關于CO2的捕集與儲存技術現今在技術層面已獲基本解決。問題在于成本太高,同時儲存地的選建費用也受各國的情況不同而有較大差異。因為水泥工業單位產品(熟料)CO2排放量特別大,加之作為經濟實用的大宗建筑材料,在今后半個世紀內人們預計水泥還難以被其他的新型材料所取代。所以水泥工業開發應用CO2捕集儲存技術是具有現實意義的,是符合水泥工業的發展需要的。

    在已有的技術基礎上,現今水泥工業可以繼續研發的CO2捕集方法有從傳統熟料煅燒后的廢氣中分離捕集CO2的,還有就是采用富氧(或純氧)煅燒熟料,將高濃度CO2的廢氣直接捕集儲存。前者須要事后從廢氣中分離CO2,后者則須要事前制備好O2。就目前的技術裝備水平而言,采用CO2捕集每噸水泥所增加的成本,傳統煅燒(前者)方法為35歐元~60歐元,富氧煅燒(后者)方法為10歐元~20歐元。

    根據歐洲水泥研究科學院(E鄄CRA)的預計,CO2捕集技術在世界水泥工業的實際應用大致會開始于2015年,到2030年可能推廣到50%以上的水泥企業。屆時CCS的投資約為1億歐元~3億歐元(與年產200萬噸熟料線配套),單位熟料增加生產成本10歐元~50歐元。到2050年時CCS可能應用于90%以上的水泥企業,CCS的投資將降到0.8億歐元~2.5億歐元,噸熟料成本增加10歐元~40歐元。筆者曾問詢過這些數字是如何估算的,看來只是一個大框框的范圍,僅供參考。

    4.加緊生物質燃料研發,實現工業規模應用

    生物質燃料是可再生能源,是近年來國際上開拓研究的一種新能源。最初(2000年前后)是旨在生產生物柴油用以替代石油,因為在生物柴油的生產過程中除了生物質以外還需要CO2,從而促發了水泥工業對這項新能源的積極響應。

    2005年,生物質燃料與水泥工業開始結緣進行科技合作,研發創新。這方面目前較先進的國家有荷蘭、澳大利亞、美國、德國、以色列和印度,我國與荷蘭已有科技合作項目,中試基地正在籌建。

    根據生長速率、產油率、對陽光的需求、土地占用及生產成本等因素的考量,現在比較看好的生物質原料是藻類。綜合諸多已公布的研究試驗的初步成果,理想情況下,未來水泥工業與生物燃料的聯合生產粗線條的組成。

    藻類在光合作用中具有吸碳固碳功能,與水泥窯廢氣中的CO2形成互補,而且水泥窯廢氣中CO2的含量為23%左右,比火電廠(約12%)的高。這樣生成的生物燃料主要是中低級生物柴油及殘渣,其數量足以全部替代水泥窯所需的燃料,實現熟料燒成對天然化石燃料的零消耗。在生產熟料的同時還有少量高級生物柴油和氧氣產出。當然有一部分剩余的CO2還得排放或設法處置,不過噸熟料CO2排放量比純粹燒煤將削減近一半。

    這個美好的前景,欲付諸于工業規模的實施,實際上還須要克服不少障礙,尚待時日。首先是陽光(或替代光源);第二是藻類的培育和供應;第三是光合過程的占地等等。在現有科技與裝備水平的條件下,按照荷蘭Bioking公司、AlgaeLink公司和美國GreenShift公司等的報價資料,與一臺2500t/d水泥窯相配套的藻類生物燃料聯合生產裝置,其投資估計為4.8億元,占地近20公頃。顯然如此高昂的代價,說明它還有許多必須大幅改進之處,否則就難以推廣應用。

    原定2009年5月在澳大利亞將有一臺600t/d水泥窯與一套藻類生物燃料生產裝置實現聯產試驗的,后因世界經濟危機而暫停了,最近據悉,該項試驗有望2010年重啟。此外各種各樣的創新和改進也在不斷地涌現,例如立式光合反應塔、新型LED替代光源等。總之,這項技術尚屬初期階級,發展空間和變數也較大,有待不斷完善和創新。

    但是,把實現水泥和生物燃料工業規模聯產的目標設定在2050年以前完成比較可行,是有一定把握的。

    應該說明,因為采用玉米生產乙醇汽(柴)油的方法已顯露若干重大缺陷,所以有些水泥專家學者對藻類光合作用的技術路線持有某些保留意見。以上主要反映了另一種“不要放棄,應該繼續研發”的觀點和動態。

    5.水泥窯廢氣余熱發電

    對于水泥窯廢氣余熱發電這一措施在世界可持續發展工商理事會和水泥工業可持續發展促進委員會最初的2050年水泥路線圖草稿中只是提了幾句,并未與前四條路線并列。這里是筆者結合我國水泥工業的實際情況建議增補的,僅供參考而已。

    如今水泥窯余熱發電在我國如火如荼,現已作為我國水泥工業節能減排最成功的主力舉措,何以在歐美卻始終未受青睞?其根本原因在于我國火電廠的發電效率平均約35%,遠低于美國的55%,西歐和北歐的56%,發達國家現今普遍應用超超臨界發電技術,而我國還有25%左右的落后電廠,電價很貴。以美國為例,其電價約為4美分/kWh,水泥售價約為90美元/t;而我國電價超過0.6元/kWh,水泥不到300元/t。電價與水泥價之比值,我國是美國的5倍,歐盟的4.5倍。因而在歐美,水泥窯余熱發電如果不能達到噸熟料55kWh~60kWh以上的話,水泥廠就不會采用,否則還不如買電更經濟。

    相反地,我國水泥廠只要利用窯余熱發電能夠達到噸熟料25kWh以上就有利可圖了。這是在我國火電廠發電效率很低條件下的特殊情況,并非我國水泥工業余熱發電水平高的證明。只能說,這是在特定的市場條件下,水泥窯余熱發電正好滿足了這種需求。火電廠發電效率越低,電價越貴,水泥窯余熱發電的市場越大,反之亦然。

    無論如何,在我國火電廠整體大幅提高發電效率以前,水泥窯余熱發電依然是我國水泥工業發展路線圖的重要組成,而且余熱發電的效率仍有繼續提升的需求和可能。盡管目前我國最先進的水平已經達到噸熟料40kWh,但要實現50kWh或更高,我們尚需繼續努力。按照我國現有各方面的資源和水平,經過努力是有望達到這一目標的。對Kalina循環進行探索試驗或許是在不增加熟料熱耗(≤750×4.18kJ/kg)的前提下將噸熟料發電量提升到50kWh(或60kWh)的途徑之一。筆者支持贊同這項試驗并希望成功。

    6.最后一項,實際上也是最經常最重要的一項發展目標就是節能減排

    因為在生產水泥的整體過程中,從原料礦山采掘開始,經過生料粉磨,熟料燒成、冷卻,水泥粉磨等等一系列的工序,一直到水泥裝運出廠,每一個環節都需要不斷地科技進步,研發創新。即便是現今最先進的預分解窯水泥技術將來總會被更先進的裝備技術所取代。例如,或許是熟料流態化煅燒,管道式熟料濃相燒成,物料自磨粉碎等等。所有這些科技創新都會給水泥工業甚至水泥本身帶來革命性的演變和進步。然而,對于這種“顛覆性”的創新是否可能在2050年之前發生,目前多數專家學者的看法都傾向于“尚未見曙光”.

    這里暫且在現有預分解窯水泥技術的基礎上,對2050年水泥路線圖的節能減排研發最佳實用技術(BAT)的目標,筆者提出的全球平均先進指標主要如下:熟料熱耗550kcal/kg~600kcal/kg;熟料電耗35kWh/t~40kWh/t;水泥粉磨電耗15kWh/t~20kWh/t;水泥綜合電耗50kWh/t~60kWh/t(當熟料水泥比為65:100時)。2030年噸水泥產出的CO2小于500kg(CSI初擬),其中有相當一部分將被儲存起來而不排放于大氣中。

    據悉,關于這些指標的意見目前尚比較分散。然而節能減排卻是推行綠色經濟、低碳經濟不可或缺的重要措施。關鍵在于如何商討研究確定科學可行的目標。2009年底出臺的2050年世界水泥發展路線圖,由于諸多原因,確有某些待再議之處,但它給我國的啟示是有益的。

    結束語

    1997年筆者論述水泥工業可持續發展戰略時,提出了“四零一負”的理念——環境零污染、電能零消耗、三廢零排放、天然化石燃料零消耗及廢料廢渣負增長。

    不難看出,“四零一負”與2050年技術路線圖的基本觀念是相符的。現今,發達國家和我國許多新型干法窯水泥企業集團均已實現了環境零污染和三廢零排放。水泥工業的利廢功能(廢料廢渣負增長)也獲得社會公眾的認可與好評。天然化石燃料零消耗在發達國家已平均實現了1/3,我國正在起步階段。電能零消耗我國平均大致達到了1/5,關于電耗這一點,發達國家的技術路線是更傾向于繼續提高火電廠整體的發電效率,而對改進水泥窯余熱發電效率研發的投入較少。從全社會的節能減排來看,這樣總體效益更好,所以它們并沒有著力去追求水泥工業的電能零消耗。目前我國電廠效率雖然總平均值很低,但是在電力行業大力改革調整下,其必將會快速發展大幅提高的。所以水泥工業電能零消耗應該是我國在中長期規劃階段的奮斗目標,而不一定是一個長期的可持續發展的技術路線。修正后的概念應該是,無論如何水泥窯余熱必須充分地多渠道地綜合利用,例如發電、取暖、供熱、制冷等。總之,不能空排而浪費掉。

    2050年技術路線圖所指明的五大發展方向——節能減排、混合水泥、協同焚燒可燃廢物、CO2捕集儲存、生物質燃料聯產,這與綠色低碳經濟的大趨勢是一致的。

    然而這些領域中各個課題技術發展的成熟度、深度、廣度及研發應用的難度是有差別的,有的可能還在初級階段,有的可能已經比較成熟,具有相當把握。但是鑒于距離2050年還有40年時間跨度,世界政治經濟社會科技等諸多因素的不確定性或某些偶然事件的影響,該路線圖的進程和內容或將有所變化,在所難免。但是總的來說,這是在人們現有智慧和世界局勢較平穩發展條件下較現實的預期目標。

    國際能源結構(IEA)、世界可持續發展工商理事會(WBCSD)和水泥工業可持續促進委員會(CSI)對2050年前世界水泥工業CO2減排所需投資的估算,即用于水泥工業CO2減排的投資介于3540億美元~8340億美元之間。

    筆者認為,可能是對CCS的期望太高了。相反地,對其他措施的減排作用估計不足,尤其是對替代熟料生產混合水泥的投入更偏少。看來預測投資的分配尚須根據各項技術措施(路線)的研發進展情況適時作出相應的調整。

    我們應針對我國的具體情況,考慮到國際市場的變化,參考該2050年技術路線圖的思路,對我國水泥工業可持續發展制定相應的路線圖。分重點、分課題、分階段地籌措財政保障,綜合組織各有關行業的科技研發資源,協作攻關,把我國又好又快地建成為一個綠色水泥強國。

 

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