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2040年世界水泥工業CO2零排放路線圖

來源:本站  點擊:520  時間:2017-11-09
核心提示:水泥工業是全球工業CO2排放的大戶之一,約占總量的5%,負有義不容辭的責任和義務。近10多年來,在聯合國環境規劃署(UNEP)、世界企業可持續發展理事會(WBCSD)、世界水泥可持續發展倡議(CSI)、國際能源署(IEA)、歐洲水泥科學研究院(ECRA)等,以及各國的許多研究機構和大型跨國水泥集團諸多投入的科技研發工作之下,逐步取得了一些水泥工業CO2減排的階段性成果,并且研發了若干或有突破性前景的新技術。筆者經歷近10年的跟蹤搜查各方面大量有關信息和文獻資料,綜合水泥工業科技發展趨勢,潛心分析研究,慎審

1994年《聯合國氣候變化框架公約》正式生效,標志著世界各國對控制和減少CO2排放的議題達成了一項劃時代的共識,并愿意共同努力付諸于行動。2005和2015年《京都協定書》和《巴黎協定》又先后正式生效,表明人類面對日益嚴峻的氣候變化趨勢和風險,加緊了全球CO2減排的目標和進度。世界各國各行各業都要行動起來,團結協作,維護好人類的共同家園——地球可持續發展的生態環境。

 

水泥工業是全球工業CO2排放的大戶之一,約占總量的5%,負有義不容辭的責任和義務。近10多年來,在聯合國環境規劃署(UNEP)、世界企業可持續發展理事會(WBCSD)、世界水泥可持續發展倡議(CSI)、國際能源署(IEA)、歐洲水泥科學研究院(ECRA)等,以及各國的許多研究機構和大型跨國水泥集團諸多投入的科技研發工作之下,逐步取得了一些水泥工業CO2減排的階段性成果,并且研發了若干或有突破性前景的新技術。筆者經歷近10年的跟蹤搜查各方面大量有關信息和文獻資料,綜合水泥工業科技發展趨勢,潛心分析研究,慎審甄別和預測,撰寫成此文,以饗業界同仁和讀者諸君。

 

可以預計,按本文路線圖逐步推進,2040年世界水泥工業有望基本實現CO2零排放目標。當然各國之間因其經濟發達程度和政治理念的差異懸殊,其水泥工業CO2減排的程度也會相應地大有區別。但總體而言,屆時發達國家、水泥強國(包含中國)大都可以基本達到CO2零排放,即CO2減排接近100%,廣大新興國家大都將減排40~70%,一些經濟發展和水泥工業較后進的國家大都將減排10~30%。

 

茲將該路線圖的技術措施、實施途徑和研發課題等闡述之,歡迎研討指正。

 

1.研發推廣低碳低鈣新品種水泥,逐步減少傳統波特蘭水泥(OPC)的用量占比

 

現今世界各國水泥工業生產和使用的絕大多數都是OPC,約占水泥總量的90%以上。眾所周知,ISO國際水泥標準、美國水泥ASTMC150標準、德國和歐盟水泥EU(DIN)EN197標準、英國水泥BSEN197標準、日本水泥JISR5210標準、中國水泥GB175標準等等,全部屬于OPC范疇。傳統OPC是高碳高鈣的水泥,目前世界OPC總平均熟料熱耗3510MJ/t.cl.(噸熟料,下同)、生料耗1.56t/t.cl.、石灰飽和系數LSF98時,其碳足跡為842kgCO2/t.cl.,其中石灰石原料中碳酸鈣分解釋放的CO2為536kgCO2/t.cl.,占全窯廢氣中CO2總排量的63.7%,全窯燃煤產生的CO2為306kg/t.cl.,占總量的36,3%。

 

OPC熟料的鈣含量高,其煆燒溫度須1450~15000C,單位熟料耗煤較多,燃煤產生的CO2也較多。更主要的是高鈣原料中的碳酸鈣含量高,其分解排放的CO2比燃煤的高出一倍。為此,研發推廣應用低碳低鈣的,但又與OPC具有相同品質性能的另外一些類型的水泥,是水泥工業CO2減排的一個有效途徑。況且兩者在工藝過程和技術裝備方面的變更也不多,比較經濟可行。

 

現今已經研發成功正在推廣完善的新類型水泥主要有以下5種:

 

1.1貝利特Belite水泥

 

貝利特水泥的生產技術已很成熟可靠,可以工業生產。OPC熟料的石灰飽和系數LSF為94-102,C3S含量60-70%,、熟料煆燒溫度須1450~15000C;而貝利特熟料的LSF為80-85,C3S含量很少,C2S含量可達90%,熟料煅燒溫度僅為13500C。每生產一噸貝利特熟料和OPC熟料相比總體將減排CO2約40Kg.。但貝利特熟料的易磨性差,粉磨水泥的單位電耗較高,扣除這一間接增排CO2的負面影響后,噸貝利特水泥大致可以比OPC的少排CO220kg左右。另外貝利特水泥的早期強度發展較慢,尚待改進。我國Sinoma對貝利特水泥的研制和推廣工作已獲國際關注與認可。

 

最近德國創新了一種謂之Sol-gel方法,即液化熱力工藝(HydrothermalProcesses),在600-9000C條件下生產高活性貝利特熟料,有望大幅削減碳足跡。該方法尚處于實驗室研制階段,正在繼續探索之中。

 

1.2硫鋁酸鹽水泥CSA

 

上世紀七十年代開始,中國就研制了多種硫鋁酸鹽水泥,其熟料的礦物成分主要是C4A3S、C2S、C4AF、C12A7、C3A和C8AF2。CSA的煆燒溫度比OPC的降低150-200OC,CO2排放減少20-30%,水泥粉磨電耗減少20-30%。但CSA熟料需要較長的急冷時間才能保持和穩定貝利特硫鋁酸鈣Ternesite礦物的活性。又因C4A3S礦物的不穩定性和硫在窯系統中的循環富集等因素,水泥窯系統可能比較容易發生結圈、結皮等故障。CSA采用礬土和硫化物為原料,將會增加生產成本。我國在綜合利用工業廢渣制造CSA方面進行了不少研究,有關成果獲得國際首肯。2016年全球生產硫鋁酸鹽水泥約600萬噸,其中80%產于中國。

 

1.3Solidia水泥(暫譯為索利底亞水泥)

 

采用硅灰石CaO-SiO2和/或矽鈣石3CaO-2SiO2為原料,在1200oC下解析出游離態Ca++離子,注入高壓CO2氣體,在20~600C養護24小時,可生成具有100MPa耐壓強度耐腐蝕的碳酸鈣,謂之Solidia水泥,特別適用于生產預制水泥制品和構件等。該項技術在歐洲已獲成功可以工業規模生產。

 

Solidia水泥生產過程中排放CO2很少,而且在制成預制構件時,每噸Solidia水泥還可吸收固化200~300kgCO2,,其總計碳足跡比OPC的減少70%以上。用作原料的CO2主要來自火電廠的燃煤廢氣碳捕集(CCS)工序,亦屬碳捕集利用(CCSU)項目。唯其預制件的強度和耐腐蝕能力尚須長期驗證。另外,CO2的壓縮、儲存、運輸、安全與成本等將影響Solidia水泥的推廣應用。

 

1.4水化鋁酸鈣材料,現稱之謂Celitement(暫譯為西利特水泥)

 

西利特水泥是德國Karlsruhe理工學院研發的,其原料與OPC的大同小異,但石灰石可采用低品位低鈣的,其他粘土質原料則基本相同。其生產過程主要有三個步驟:(1)石灰石分解生成CaO(2)鈣、硅、鋁和水在2000C、120bar條件下生成具有強度和耐腐蝕性的阿爾法C2SH膠凝材料(3)阿爾法C2SH烘干后與50%石英質填充料一起在高壓振動磨機中粉磨成微粉,即制成Celitement。

 

西利特水泥半工業化中試已獲成功,2012年獲“德國氣候環境IKU創新獎”,其第一套工業規模裝置將于2018年投入試生產。預計其熟料單位熱耗約3150kJ/kg.cl.,與OPC的相同,但其碳足跡約為483kgCO2/t.cl.,僅為OPC的57%。唯其產能偏小,有待改進提高,特別是水泥粉磨這個環節還有很多難關須克服。

 

1.5礦物聚合膠凝材料Geopolymers

 

1970年法國材料化學家JosephDavidovito發明了礦物聚合膠凝材料,在中國又稱其為堿激發或地聚膠凝材料。40多年來,世界各國對它的研究一直“細水長流”地進行著。上世紀90年代中國學者開始介入,較大地推進了對礦物聚合膠凝材料的研究與應用。因而在中國泥界,人們對它并不太陌生。

 

然而令人遺憾的是,礦物聚合膠凝材料至今仍未有較滿意的進展,其產量和用量一直處于很低位,而且多用于非結構性工程,例如舖設普通路面、制造一般管材和建筑物表面澆注噴塗等。近年西方有些研究人員相繼發表了若干不再看好礦物聚合膠凝材料的文章。但中國學者似乎并不認同這種近于否定的觀點,畢竟這類材料的生產能耗僅及OPC的40~60%,碳足跡也很低,還可以大量消納利用一些工業廢渣廢料,值得繼續堅持研究探索。如果現在就排除掉它或有突破性進展的可能性,顯然為時過早。這也是筆者之所以仍將其收列于此的主要理由。

 

1.6Aether低碳水泥

 

Aether水泥的礦物組成主要貝利特(55%)、硫鋁酸鈣(25%)和鐵鋁酸鈣(20%),熟料煆燒溫度13000C,其早期強度比貝利特水泥的高,易磨性卻較貝利特的好,兼有上述三種礦物的優勢互補的作用,其總計碳足跡比OPC減少30%左右。

 

2009年法國Lafarge公司與英國BRE混凝土研究院、波蘭建陶研究院合作,通過小型中試后,2012~2013年又分別在法國萊泰伊和勃艮第兩家水泥廠成功地完成了生產試驗。生產了約10萬噸Aether低碳水泥,進而試用于各種工程實踐中并進行了一系列全面的混凝土性能檢測與試驗,獲得較滿意效果,正擬逐步推廣中。

 

1.7在維持水泥品質性能不變的前提下,研發推廣多用32.5低標號水泥,少用52.5高標號水泥

 

32.5水泥中的熟料耗用量少,加之其粉磨電耗也較低,故其碳足跡比52.5水泥的少。據德國VDZ2015年統計,其32.5、42.5和52.5水泥的合計(熱耗+電耗)單位碳足跡依次為790、841和892kgCO2/t,即32.5水泥的合計單位碳排放比52.5水泥的低102kgCO2/t,減少11.4%。水泥的品質性能主要是以能夠滿足各種工程的實際需求為準則,而不在于其標號的高低。未來混凝土技術發展的趨勢是盡量采用低標號水泥配制高性能混凝土。

 

另外為了科學地利用各種工業廢渣廢料,要大力開展對其進行深加工的研發工作,挖掘廢渣的膠凝活性,使其能發揮部分替代熟料的功能,兼用作混合材。這樣在水泥標號相同的情況下,可摻用更多的混合材,降低熟料系數,削減水泥的碳足跡。

 

所以應該擴大、提升、完善32.5水泥的品種及其標準,使之逐漸增加32.5水泥的占比,相應減少52.5水泥的占比。歐洲和南美諸國較早意識到這一點,美日兩國雖然“覺悟”稍晚,但是現在都已扭轉了那些陳舊過時的概念,認識到了水泥標號并非越高越好,并已經付諸了實際行動。所以現今世界各國(除中國的特殊歷史遺留原因外)32.5水泥占比大都正在逐年上升,發展趨勢明顯。

 

2016年德國和歐盟新修訂了EUEN197水泥標準,其中特地新增設了4個品種的32.5水泥。在大力研發推廣32.5水泥替代52.5水泥方面,德國走在世界前列,發揮了引領作用.。

 

2.從水泥窯廢氣中捕集CO2

 

現今世界各國正在進行實驗室試驗、小規模中間試驗、工業性生產試驗的水泥窯廢氣碳捕集(CCS)研發項目多達20余項。茲將各種碳捕集方法分述之。

 

2.1化學吸收法

 

該法采用的化學吸收劑是鏈烷醇胺或單乙醇胺,也有用氨和碳酸鉀的,該法在火電廠和化工廠用以解吸燃煤廢氣中的CO2,技術較成熟,已在歐美逐漸應用。

 

目前采用化學吸收法捕集碳正在進行中試的水泥廠主要有:(1)2013年開始,AkerSolution公司與Norcem公司合作在挪威Brevik水泥廠的一臺3200tpd窯上持續地進行著生產試驗,窯廢氣中CO2含量18%(容積),其碳捕集能力已達40萬t/a。(2)美國SanAntonio的Capitol水泥廠也正在進行工業規模的生產試驗,是SkyMine碳捕集大項目中一個子項。(3)加拿大Sask電廠與附近水泥廠的聯合捕碳中試工程項目即將建成,預計2017年底試生產。(4)歐洲某水泥廠擬采用氨和/或碳酸鉀為吸收劑的捕碳項目正在籌建中。

 

前期試驗已揭示的難關是解吸CO2的能耗很高,將使水泥熟料的總能耗倍增,希望在這些中試過程中探求改進解決之策。

 

2.2物理吸附法

 

在一定的溫度和壓力條件下,利用蛇紋石、橄欖石、硅灰石等為吸附劑,對水泥窯廢氣中的CO2進行選擇性吸附,之后再調節改變條件將其所吸附的CO2解吸出來,達到從窯廢氣中分離CO2的目的。因為這類礦物吸附劑的吸附效率不太高,一般每噸CO2須耗用2~3噸礦物原料,并產生不少的廢渣,大量原料的破碎和粉磨電耗較大。加之其解吸CO2的熱耗達3000MJ/t,相當于2550MJ/t.cl.,即增加單位熟料熱耗80%。

 

吸附法捕碳的成本高,而且礦物原料的開采量也很大,總體經濟效益不盡如人意是其推廣應用的主要障礙。

 

2.3膜分離技術捕集CO2

 

用以分離廢氣中CO2的膜材料有兩種,一種是無機陶瓷材料,利用不同氣體分子通過膜速度的差異將CO2分離出來,謂之氣/氣分離。另一種膜是高分子聚合體材料,利用不同氣體分子在液體中擴散速率的差異將CO2分離出來,謂之氣/液分離。

 

膜分離技術具有投資少,能耗低,無廢渣產生,捕碳效率較高,維護方便,占地少等優點,在捕碳領域頗受關注。2017年初,在歐洲一水泥廠采用聚乙烯膜捕集CO2的中試已進行了10個月,運行了近6000小時,捕碳率達60~70%,部分廢氣循環作業時可達80%。因整套捕碳裝置電耗較高,其捕碳成本為50~60歐元每噸CO2,尚須改進。

 

我國大連化學物理研究所在膜分離CO2技術領域已獲較大進展和成果,引起國內不少熱電廠和化工廠的關注。

 

2.4鈣循環法捕集CO2

 

在水泥窯下游設置一臺碳酸化反應器,喂入石灰CaO使之與由水泥窯來的富含CO2的廢氣發生放熱反應生成碳酸鈣CaCO3,再將該碳酸鈣喂入另一臺熱力反應器中,使其加熱分解還原成CaO和較純凈的CO2。然后將兩者進行固氣分離,獲得較純凈的CO2。CaO則返回到碳酸化反應器循環使用。熱力反應器猶如分解爐,唯其燃燒廢氣的溫度比水泥窯系統的高4000C左右,故其余熱發電量也多得多。

 

采用此法時往往因各水泥廠的具體情況或需求的不同,其選用的流程和裝備可能不盡相同,但其基本原理是一致的。

 

現今采用鈣循環捕集CO2主要有:(1)進行不間斷中試的有兩家,一是丹麥哥本哈根理工學院與FLSmidth公司在其Dania中試廠的合作項目,始于2011年。另一家是英國皇家科學院的項目,始于2012年。(2)中試已結束并提交了研究試驗報告的有一家,即德國VDZ與IKF水泥廠的合作項目(2010~2013)。(3)仍在進行工業生產的也有兩家,一是西班牙的TUDarmstadt水泥廠,始于2008年。另一家是中國臺灣臺泥ITRI的花蓮水泥廠,始于2009年,該項目曾獲國際能源署頒發的2014年“世界100大科技研發獎”。

 

鈣循環法捕集CO2,,,在工藝和裝備等全套技術方面進行了較長期大量的研發工作,相對于其他方法較為成熟。經濟方面,雖然其耗用熱能很高,單位熟料熱耗高達原來的2~2.5倍,但其余熱發電量卻可足以彌補熟料生產的全部電耗還有余,最主要的是其捕碳率可達90%或更高,因而該法比較吸引眼球。

 

以上所述從水泥窯廢氣中捕碳的各種方法均屬于燃料燃燒后捕集。另外還有一種是燃料燃燒前捕集,這在火電廠和化工廠有正在研發試驗的項目。因水泥窯有約2/3的CO2是在燃料燃燒后才釋放出來的,故燃燒前捕碳對水泥廠不適用,不贅述。

 

3.水泥窯富氧煆燒捕集CO2

 

利用空氣分離器先將空氣中的氮氣N2和氧氣O2分離,獲取較高濃度的氧氣,將其通入窯頭助燃,謂之水泥窯局部富氧煆燒;如果將其同時通入窯頭和分解爐替代全部空氣則謂之全部富氧煆燒。這樣水泥窯廢氣中的CO2濃度就可能提高到80%。然后采用上述燃燒后捕碳方法可以獲得更純凈的CO2。

 

富氧煆燒的操作要點是,尋求和維持窯系統中的化學反應和礦物反應所須的總能量與窯廢氣和熟料帶出的總熱焓之間的平衡和優化,為此可以將一部分窯廢氣組成循環回路,用以準確調控窯內火熖溫度和熟料煆燒溫度,確保窯系統各項操作參數的平衡。

 

在堵絕漏風的前提下,全部富氧煆燒可捕集到水泥窯廢氣中90~99%的CO2,局部富氧煆燒的則可達55~75%,視替代空氣用的富氧氣體中的O2濃度之不同而異。

 

2006年以來,(1)世界已經完成水泥窯富氧煆燒捕碳研發并申請了專利的有KHD、Polysius、FivesFCB、Lafarge、AirLiquide五家公司;(2)已提交研發報告的有TUHH、IEAGHG、ECRACCS“第1~3階段”等三家研究機構;(3)仍在繼續研發的有哥倫比亞國立大學、ECRACCS“第4階段”等兩家。我國有些水泥廠近年也開展了若干局部富氧煆燒方面的試驗。

 

水泥窯富氧煆燒捕碳研發工作,目前的進展情況是,雖然其可以捕集到幾乎全部水泥窯系統廢氣中的CO2,唯單位熟料的電耗將倍增。但因其捕集的CO2純凈,加之其整套系統還有較大的改進提升的空間,故值得繼續研發。ECRA正籌建一套中等規模的中試裝置,將在2020年前投入試生產,希望2025年可以推向市場投入工業應用。

 

4.碳捕集和利用CCSU

 

水泥、火電、化工等行業從各自廢氣中所捕集的CO2,因其濃度和純凈度的差異,或因經過不同的再加工程序,獲得不同品質的商品CO2,可分別適用于不同領域之需。

 

值得一提的是,臺泥花蓮水泥廠通過小型中試已成功利用藻類在光合作用中吸取CO2制成高附加值的化妝品原料蝦紅素。現正籌建一20公頃(400x500m2)的藻類光合池,吸取CO24800t/a,相當于單位CO2所須光合池面積為41.7m2/t.a,可以產出相當數量的蝦紅素,經濟效益可期。

 

其他例如,利用海藻光合作用吸取CO2制造生物汽油;CO2加高壓H2制造甲烷或甲醇;CO2與氨NH3合成尿素、甲酸或高分子聚合材料;純凈CO2用于啤酒和食品生產;高壓CO2注入石油廢井,既可提高油井開采率又能將CO2安全儲存在廢油井中,以備后用;諸此等等,研發項目繁多,不勝枚舉。然而,目前這些研發項目與水泥工業尚無直接關系,僅此一表。

 

今年(2017)中國海螺團集投資RMB5000萬,正在安徽白馬山水泥廠新建一套每年捕集純化CO25萬噸的中試裝置,首開了中國水泥工業CCS的先河。估算到2030年該項投資空間的需求將達RMB3200億,減排CO2約4億t/a。

 

總之,世界水泥工業CO2的零排放,筆者是懷著充分的信心憧憬著這一愿景的早日實現。這也是世界水泥工業的一項任重道遠的艱巨任務。現今已經曙光初顯,只要我們堅持不懈地努力研發,相信在2040~2050年間實現這一夙愿,達到水泥工業CO2零排放的目標是可行的,是可以實現的!

 

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