一．前言

　　聯(lián)合國(guó)所屬的國(guó)際能源署IEA、國(guó)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(huì)WBCSD，三家國(guó)際咨詢研究機(jī)構(gòu)，2018年3月發(fā)布了《國(guó)際水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型路線圖》。這是IEA、CSI、WBCSD邀請(qǐng)9位世界級(jí)水泥專家及其團(tuán)隊(duì)(約60人)，歷時(shí)近兩年，采訪調(diào)研了世界60多個(gè)國(guó)，80多家知名水泥研究設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、水泥生產(chǎn)集團(tuán)和水泥機(jī)械裝備制造廠商，近300位各國(guó)水泥專家、教授、學(xué)者、科研、工程技術(shù)人員和企業(yè)家，經(jīng)過(guò)科學(xué)的綜合研究分析后，撰寫而成的。該《路線圖》對(duì)全球水泥工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和節(jié)能減排，提出了4項(xiàng)重大的技術(shù)途徑和相應(yīng)的技術(shù)措施，主要為：

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

　　2.在保持OPC（我國(guó)普通硅酸鹽水泥與之相當(dāng)）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(chǔ)存與利用二氧化碳的技術(shù)CCSU，大幅降低水泥生產(chǎn)中的碳排放，回收的二氧化碳還可用于其他工業(yè)領(lǐng)域。

　　其實(shí)，以上4大技術(shù)措施，該三家國(guó)際機(jī)構(gòu)，在2009年首次發(fā)布的《2050年水泥可持續(xù)發(fā)展技術(shù)路線圖》中已有詳實(shí)論述，因?yàn)轭A(yù)計(jì)這些技術(shù)措施的有效期，至少還有30年。所以這次修訂補(bǔ)充后再次重新發(fā)布。

　　然而近年來(lái)，因全球氣候變暖的趨勢(shì)日益嚴(yán)峻，歐洲全社會(huì)積極推行環(huán)保低碳的進(jìn)程中，對(duì)水泥工業(yè)的壓力較大。在歐盟各國(guó)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(dòng)下，傳統(tǒng)的水泥工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新理念、新嘗試、新創(chuàng)造和新動(dòng)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(guān)于熟料生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

　　最近一兩年，許多國(guó)際水泥專家和科研機(jī)構(gòu)相繼對(duì)已經(jīng)沿用了近70年的 PC窯水泥熟料生產(chǎn)系統(tǒng)，提出了若干新的認(rèn)知和觀點(diǎn)。其主要內(nèi)容是，過(guò)去10年的實(shí)踐證明，按國(guó)際先進(jìn)水平的水泥單位能耗（熱耗+電耗）測(cè)算，實(shí)際上其進(jìn)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?yàn)镻C窯水泥熟料工藝應(yīng)用發(fā)展60多年以來(lái)，現(xiàn)今其單位能耗指標(biāo)的先逬值已經(jīng)相當(dāng)接近其理論值了，再改進(jìn)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(xiàng)熱損失約150 kcal/kg，合計(jì)實(shí)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(jīng)下降到700 kcal/kg以下，滿打滿算最多還有10%左右的改進(jìn)余地。的確已經(jīng)相當(dāng)接近其“頂點(diǎn)”了。又如分解爐、預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、窯傳動(dòng)、窯密封、耐火磚、澆注料、篦冷機(jī)、三次風(fēng)管、拉鏈機(jī)、燃燒器、計(jì)量喂料(煤)機(jī)、主排風(fēng)機(jī);、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(fèi)大量人力、物力、財(cái)力、時(shí)間等各方面的代價(jià)來(lái)進(jìn)行“沖頂”攻關(guān)，還不如將這些資源轉(zhuǎn)移到水泥生產(chǎn)工藝顛覆性的創(chuàng)新研發(fā)方面，擺脫P(yáng)C窯工藝的羈絆，加強(qiáng)對(duì)例如，熟料懸浮流態(tài)化煅燒、管道化反應(yīng)煅燒、電磁震蕩?kù)褵?、太?yáng)能聚焦煅燒或分子沖擊直接煅燒等嶄新工藝的研發(fā)。因?yàn)檫@些新工藝的研究實(shí)驗(yàn)，目前已稍顯不同程度的“曙光”，如果我們及時(shí)的轉(zhuǎn)移戰(zhàn)略目標(biāo)，這對(duì)促進(jìn)水泥工業(yè)的顛覆性更新?lián)Q代新發(fā)展，可能是一項(xiàng)事半功倍的上策。

　　在這一新思維新動(dòng)態(tài)的影響之下，最近兩年，歐洲一些著名的水泥研究機(jī)構(gòu)在非PC窯水泥生產(chǎn)工藝研究領(lǐng)域方面的科研投入加大，研發(fā)進(jìn)展加快。有人預(yù)言，2030年到2040年間，世界第1套非PC窯水泥熟料生產(chǎn)工藝系統(tǒng)或?qū)⒄Q生，從而宣告歷時(shí)近百年的水泥工業(yè)PC窯工藝時(shí)代的結(jié)束。當(dāng)然，這只是一個(gè)國(guó)際上最新的動(dòng)態(tài)，最終結(jié)果如何尚難以確定。我國(guó)水泥界了解并關(guān)注這一動(dòng)向，對(duì)科學(xué)正確的規(guī)劃我國(guó)水泥工業(yè)的發(fā)展方向是有借鑒價(jià)值的。

　　三．．關(guān)于水泥品種和混凝土的性能

　　長(zhǎng)期以來(lái)，準(zhǔn)確的說(shuō)2009年以前，國(guó)際水泥界普遍認(rèn)為，OPC水泥是性能適宜，廉價(jià)實(shí)用的最大宗膠凝材料。由OPC制備的混凝土，則是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的大宗建筑材料，其消費(fèi)（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(yù)見的將來(lái)，至少30年甚至50年內(nèi)，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(guó)則更是，一般人都以為，水泥的性能和質(zhì)量完全取決于熟料，水泥中熟料含量越多，熟料標(biāo)號(hào)越高，水泥的性能和質(zhì)量就越高，用高標(biāo)號(hào)水泥制備的混凝土才會(huì)是高性能混凝土；等等。

　　事實(shí)上，隨著近10多年國(guó)際科技進(jìn)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(duì)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(biāo)號(hào)32.5水泥，同樣可以制備出C30以上的混凝土。傳統(tǒng)的高標(biāo)號(hào)52.5水泥，因其單位能耗高，生產(chǎn)中的單位碳排放量高；雖然早期強(qiáng)度較高，但其抗裂性、耐久性和后期、長(zhǎng)期強(qiáng)度都較差，利少弊多。面對(duì)現(xiàn)在低標(biāo)號(hào)32.5復(fù)合水泥的推廣應(yīng)用趨勢(shì)下，高標(biāo)號(hào)OPC水泥已顯頹勢(shì)。32.5復(fù)合水泥的占比正在逐步提高，所謂水泥品種要向OPC高標(biāo)號(hào)化發(fā)展的觀點(diǎn)已經(jīng)不合時(shí)宜了。

　　與我國(guó)不久前實(shí)施的全部取消PC 32.5復(fù)合水泥的做法相反，德國(guó)和歐盟經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)研究后，2016年決定修訂其水泥標(biāo)準(zhǔn) EN 197-1，增添了兩個(gè)新的32.5復(fù)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(guó)和德國(guó)兩種截然不同思維和決策方式的全過(guò)程，足以告誡訓(xùn)導(dǎo)我們，首先應(yīng)該認(rèn)真做好必要的實(shí)際市場(chǎng)需求調(diào)研工作，以及科學(xué)試驗(yàn)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(cuò)誤。所幸我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)中仍保留有PS、PF和PP 32.5水泥。最近市場(chǎng)上出現(xiàn)了用M 32.5水泥部分替代PC 32.5水泥之勢(shì)，說(shuō)明科學(xué)發(fā)展規(guī)律和市場(chǎng)供需法則是不會(huì)隨著某些權(quán)利的意志而轉(zhuǎn)移的。我國(guó)現(xiàn)在改正補(bǔ)救，亡羊補(bǔ)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(shù)也具有一定的作用。因而加強(qiáng)外加劑的研發(fā)，同樣是改善提升混凝土性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。過(guò)去那種單純依靠高標(biāo)號(hào)水泥制備高性能混凝土的教條也應(yīng)修正，須要改進(jìn)提升科學(xué)認(rèn)知水平。

　　根據(jù)目前已經(jīng)達(dá)到的技術(shù)水平，可以預(yù)測(cè)，在今后15-20年之內(nèi)，水泥品種科技進(jìn)步提升發(fā)展的趨勢(shì)，將會(huì)從根本上扭轉(zhuǎn)OPC一家獨(dú)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(biāo)號(hào)32.5復(fù)合水泥，以及4）熟料系數(shù)0.75~0.9的中、高標(biāo)號(hào)（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(wú)熟料或少熟料水泥。因?yàn)榍叭?，在基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用方面已經(jīng)完全成熟可靠，今后只是在消費(fèi)總量中它們?nèi)叩恼急戎鸩教嵘?，傳統(tǒng)OPC的逐漸下降而已。屆時(shí)，它們?nèi)唠m然還不能完全取代傳統(tǒng)OPC水泥，但是至少已經(jīng)取代了一半以上。延續(xù)到2050年，OPC高標(biāo)號(hào)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(rèn)知和預(yù)測(cè)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(guó)關(guān)注研判借鑒。

　　四．關(guān)于替代燃料。

　　由于各國(guó)水泥工業(yè)發(fā)展歷史、進(jìn)程和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)水平的差異，不同國(guó)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(duì)熟料生產(chǎn)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(dá)90%以上，德國(guó)近70%。歐盟50%，美國(guó)和日本約20-25%。許多發(fā)展中國(guó)家都剛起步，或尚未啟動(dòng)。我國(guó)則很低，僅2%還不到。

　　顯然，采用替代燃料這項(xiàng)環(huán)保低碳措施，對(duì)于德國(guó)和歐盟來(lái)說(shuō)，其減碳功效已經(jīng)享用了不少，所剩也不多了。但是對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，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(guó)水泥工業(yè)協(xié)同燃燒廢料的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，如果我國(guó)TSR達(dá)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(wàn)噸，危廢3000萬(wàn)噸，其他廢物3000萬(wàn)噸。采用協(xié)同處置的水泥窯總臺(tái)數(shù)為1600臺(tái)。也就是象德國(guó)一樣，每一臺(tái)水泥回轉(zhuǎn)窯都是協(xié)同處置釆用替代燃料的。這樣，總計(jì)1年將可節(jié)省近1.6億噸標(biāo)煤，減排二氧化碳約2億噸.。這是一項(xiàng)功效不小的環(huán)保減碳措施。

　　當(dāng)然更實(shí)在更重要的是，今后我國(guó)真正能做到怎樣的程度？什么時(shí)候TSR才能達(dá)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(duì)各方面的情況綜合研究分析后，筆者預(yù)測(cè)2050年，我國(guó)水泥工業(yè)TSR將達(dá)70%，全世界的總平均值為30%。

　　五, 關(guān)于二氧化碳回收儲(chǔ)存利用技術(shù)CCSU

　　對(duì)水泥工業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)全新的技術(shù)。按照上述三大國(guó)際機(jī)構(gòu)《路線圖》的預(yù)計(jì)，以及歐洲水泥統(tǒng)計(jì)局Cembureau《水泥工業(yè)中性碳排放（二氧化碳排放為0）報(bào)告2019版》的測(cè)算，對(duì)全球水泥工業(yè)來(lái)說(shuō)。2050年CCSU在整個(gè)削減碳排放量中將承擔(dān)32~%45%的份額，因不同國(guó)家而異?？傊瓹CSU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(jì)劃，宣稱2050年以前將全面實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，即碳中性排放。瑞士Lafarge-Holcim和德國(guó)Heidelberg等水泥集團(tuán)已聯(lián)合歐洲多家著名科研機(jī)構(gòu)制定了《中性碳排放計(jì)劃》，各項(xiàng)試驗(yàn)研究已進(jìn)行了多年。其中值得一提的是，正在比利時(shí)Lixhe水泥廠進(jìn)行的LEILAC (Low Emission Intensity Lime and Cement)工藝生產(chǎn)試驗(yàn)，采用非接觸式煅燒熱交換塔替代分解爐和旋風(fēng)預(yù)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(jìn)一步加工成食品級(jí)的液態(tài)或固態(tài)二氧化碳供應(yīng)市場(chǎng)銷售。分解后的生料進(jìn)入回轉(zhuǎn)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(shù)值得關(guān)注。

　　海螺白馬山水泥廠2019年5月投產(chǎn)了我國(guó)水泥工業(yè)第1條CCSU生產(chǎn)線，所采用的是比較傳統(tǒng)的CCSU技術(shù)，單位電耗和成本較高。最近我國(guó)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(chǎn)工藝報(bào)告”，和LEILAC工藝的構(gòu)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(shù)，我國(guó)雖然比歐洲稍晚了兩三年，鑒于我國(guó)現(xiàn)有的各種優(yōu)勢(shì)，欲在該領(lǐng)域后來(lái)居上，還是很有可能的。筆者預(yù)測(cè)，2050年，我國(guó)水泥工業(yè)CCSU的二氧化碳捕集量將達(dá)到總排放量的43%，全球的平均數(shù)則為30%。

　　六. 結(jié)語(yǔ)

　　本文旨在給我國(guó)水泥界廣大同仁通報(bào)國(guó)際上的最新重大變化動(dòng)態(tài)，例如，基本理念的修正提升，水泥生產(chǎn)工藝與水泥品種技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展方向，各項(xiàng)更新?lián)Q代技術(shù)科研開發(fā)的進(jìn)展概況，以及對(duì)2050年世界水泥工業(yè)發(fā)展水平的補(bǔ)充預(yù)測(cè)等。謹(jǐn)供我國(guó)水泥界參考借鑒。這是一個(gè)扼要的總體概括，詳細(xì)的依據(jù)，請(qǐng)參見文末的參考文獻(xiàn)，茲不贅述。

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