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散装水泥全生命周期的绿色产业与碳中和

2021-02-19 11:25 作者:18新利体育 点击:

  散装水泥是最主要的胶凝材料,与粉煤灰、矿渣粉、烧粘土(煤矸石)、火山灰、硅灰或超细石灰石粉等辅助性胶凝材料一起,将现代文明社会赖以生存的建筑和交通基础设施等粘接起来。以散装水泥为核心的胶凝材料,加之砂石骨料等辅助性材料构成的混凝土材料,是世界上仅次于水的最大的人类消耗的材料。初步估算,我国目前每年生产的23亿吨水泥,制成混凝土后的重量要接近200亿吨,应该是最大的物流产业和资源型产业。

  这样巨大的物质资源量,一旦建成的建筑和基础设施废弃,将形成同样海量的建筑固废。如何在散装水泥的全生命周期,打造绿色循环型产业,实现低碳发展和可持续发展,尽快实现碳中和,是本文要进行探讨的一个核心问题。也是中国散协的一项历史使命。

  全球瞩目的大事件是落实巴黎气候协定,依据该协定,争取在2050年前,全球气候变暖的温度不超过2℃,最好是不超过1.5℃。为达此目的,发达国家纷纷制定节能减排计划,力争到2050年实现绝对减排目标,二氧化碳排放达到碳中和的阶段。

  中国属于发展中国家,没有绝对减排义务,实施自主相对减排。绝对排放量的目标是到2030年实现排放峰值,力争2025年前达峰;到2060年实现碳中和,比发达国家大幅度放宽。

  在应对全球气候变化和节能减排领域,我国虽然赢得了较大的排放权空间,但是如果不注重低碳发展和能源转换技术的进步,很有可能会在新的一轮科技进步过程中丧失知识更新的机遇,错失新的历史发展进程。就和世界上所有的事物发展一样,有一利必有一弊。我们务必提高警惕,意识到新的一轮节能减排科技竞赛,绝不仅仅是一个排放和发展权博弈的问题,同样存在科技实力竞争的提升和优化的问题。

  如果仅注重争取排放权,重复走别人走过的老路,轻视节能减排和发展新能源,最终竞争的结果,很有可能是获得了排放权,但是丧失了知识更新、能源转换、环境提升和技术进步的机遇。

  我们先不管全球变暖的威胁是否是一个伪命题,仅从知识更新、能源安全、环境保护和科技进步的角度来衡量,就可以看出节能减排、低碳发展是一项急迫而且具有重要现实和深远历史意义的大课题。

  从世界水泥工业的发展现状和未来发展趋势来看,我国的水泥产业都存在着诸多的不确定性和发展隐忧。

  这些问题包括:(1)产能严重过剩;(2)碳排放量居高不下;(3)应用环节的深加工产品质量参差不齐;(4)建筑和基础设施寿命短、耗能高;(5)再生环节循环率低、环境负荷巨大等问题。

  为了更清晰地了解我们的产业所处的国内外环境,我们来比较一下国内外的碳排放形势。

  全球的碳排放、中国的碳排放,以及全球水泥工业的碳排放和中国水泥工业的碳排放分别见图1、表1和表2。

  在全球碳项目(Global Carbon Project)中,研究人员发布了一份全球二氧化碳排放总量的估计值。据该项目估计,2018年二氧化碳的排放量比2017年增加了2.1%。2019年的初步数据来自截至11月中旬的可用数据,增幅较小,预计为0.6%。

  该研究包括2019年各种燃料的全球趋势,其中煤炭使用量下降了约0.9%,石油上升了0.9%,天然气上升了2.6%,水泥生产的直接排放量上升了约3.7%。数据还显示,初步估计2019年中国的排放量增加了2.6%,比2018年的4.7%有所下降。在中国,煤炭的使用基本保持不变,但石油增长了6.9%,天然气增长了9.1%。

  为估算我国水泥工业的碳排放形势,本文的单位熟料碳排放系数采用每吨熟料约排放0.86 t 二氧化碳来测算。近3年全国水泥的熟料产量和相应的碳排放量计算结果,如表1所示。

  注:✱碳交易网2019年4月28日报道,据研究机构推算,2018年中国二氧化碳排放总量100亿吨,同比增长2.3%;按此推算,得到2017年二氧化碳排放量。

  ✱独立研究机构荣鼎咨询(Rhodium Group)研究报告,中国2019年温室气体上升2.6%;相当于139.2亿吨二氧化碳,比2010-2019年间每年上升的大约3%有所下降。

  从表1中的初步计算数据可以看出,中国水泥工业直接排放的二氧化碳绝对排放量这几年还在增长。按照有些官方的排放数据比较,全国的CO2绝对排放总量在100亿吨左右,如果按照非官方的估算数据,要高达139.2亿吨。水泥工业的CO2排放在全国排放的总量中所占的比例都在10%以上,国际上一般是5%左右,这从另一个侧面说明了中国的水泥产量仍处于高位状态。中国的总排放和全世界的总排放比较,占比高达33%以上,也是一个不寻常的状态。

  中国的总排放和相对排放都处于非常高的状态,但是为什么还可以持续一段时间?从表2我们可以看出,尽管中国已经成为最大的排放国家,但是我们的人均排放仍然比较低,累积排放也必然是比较低的。因此,和印度等人口大国一样,还可以争得继续排放一些年权利,一直到2030年达到高峰,希望2025年达到高峰,而2060年必须实现碳中和。

  表2 全球主要国家CO2排放情况(资料来源:网络检索,2015年公布)

  图2 1990年以来全球发达国家和发展中国家二氧化碳排放比较(来源:世纪新能源网)

  图3近两年欧盟、美国、日本和发展中国家二氧化碳排放(来源:世纪新能源网)

  对于发达国家实施绝对减排,发展中国家实施相对减排的利和弊,我们应该给以辩证的分析。一方面,实施不同的减排政策,体现了排放权的公平原则,成为现实选择。但是,另一方面,毕竟时代已经不一样,发展中国家在获得排放权的同时,也同样面临着环境污染加重,人均寿命增长缓慢;能源安全受到挑战,新能源技术发展缓慢;我们是否应该重复或故意犯发达国家在相对落后时代犯的老错误?如果不能够正确地认识到这一问题,过分坚持走老路,或许也会犯一个十分愚蠢的错误!

  我们在保留争取排放权的同时,也要注意减少或避免重复发达国家已经被历史证明的错误路线(假如是这样)。如果能采取新技术或新的文明方式,我们没有必要抱残守缺,非要因循守旧。用别人犯的错误惩罚自己,那不一定是很好的办法!如果充分利用后发优势,实现弯道超车,或许是聪明的选择。

  有鉴于此,我们有必要参考发达国家的理论、经验和做法,来考虑一下我们的散装水泥全生命周期绿色产业链的低碳发展和可持续发展的战略选择问题。

  散装水泥从矿山原料或二次资源制备的原料开始,算作第一个阶段;将原料输送到水泥厂,再进行各种原料配比、制备生料、煅烧熟料、粉磨水泥和发送产品,就完成了散装水泥的全部生产过程,这是第二个阶段;进入第三个阶段,发送散装水泥,即散装水泥产品的子流通过程(相对于散装水泥的全生命周期大流通过程而言)。经过一段子流通过程,散装水泥开始进入第四个阶段,也就是散装水泥不同应用的前期加工阶段或深加工阶段(包括生产砂浆、混凝土、预制构件、混凝土制品、墙体材料、路桥材料、地下管廊、市政工程材料、隧道工程材料、道路材料、机场和海港等基础设施的材料领域)。在第四阶段,还不能说是散装水泥的终产品阶段,说是半成品或深加工产品阶段,或许更确切些。因此,在第四个阶段形成了一些中间产业,这些产业到底归属于哪些行政部门管理,一直是众说纷纭、八仙过海,各显神通。从这些中间深加工产业,又过渡到下一个阶段,也就是第五个阶段,散装水泥经过深加工做成各种建材产品后,提供给建筑行业或基础设施行业来使用,变成最终的产品:建筑或基础设施。这时,才能明确能看出是属于建筑还是属于交通部门的业务管辖范围了。当然,交通范围也比较广泛,诸如公路、铁路、隧道、桥梁、机场或码头,也是分属于不同的行政管辖范围,而只有散装水泥的原料、生产、流通和使用才是从头到尾的一条主线。当这些散装水泥在应用行业用过之后,散装水泥制品就到了废弃的阶段,也就是变成建筑垃圾或工程拆除的固废阶段,也是再次变成再生建材或水泥原料的开始阶段了,这是散装水泥绿色产业发展的第六个阶段,同时也是散装水泥再生原料的开始阶段,又回到了散装水泥绿色产业的第一阶段了。

  由此看来,散装水泥从原料或出生开始,到最终废弃或再次新生,整个全生命周期,至少要经历五个阶段或六个阶段。这五或六个阶段,就是我们所要讨论的散装水泥全生命周期绿色产业低碳发展和可持续发展的核心内容。

  只有这六个阶段的每个阶段排放的二氧化碳降到最低,整个散装水泥全生命周期、全产业链的温室气体的加和才会最小化或趋于碳中和,这才是真正的绿色产品或绿色发展最重要的评价指标之一。

  图4 散装水泥全生命周期绿色产业循环发展大流通示意图(资料来源:田桂萍,2020)

  在讨论之前,我们参考一下欧盟水泥工业2050年实现碳中和的技术路线年碳中和路线图(资料来源:欧阳心桐,2020)

  参照欧洲水泥工业的低碳发展路线图,结合中国散装水泥绿色产业发展的实际,我们首先来定性或半定量地分析和研讨一下全产业链、全生命周期的碳中和与发展路线。有关的定量分析,限于时间和篇幅,放在另外的专题研究中详细讨论。

  从图5可以看到,散装水泥在生产阶段,欧盟2019年每吨水泥的二氧化碳排放量是670 kg;而我们初步估算一下,我国的吨水泥排放近3年大约是567-606 kg之间;数量比欧洲少60多kg。分析原因可能和我国的熟料系数比较低有关,该项减排潜力在欧洲还有70 kg的数额。也可能是和选取的排放因子估算有关;由于统计数据缺乏,形成差异的原因可能是多方面的。也有比较口径不一样的原因,还不好进行简单的判断和比较。此处只作为定性分析比较,不涉及到技术先进与否的判断问题(注:本文采用汪澜教授提供的每吨熟料的排放因子为0.86,来推算吨水泥的二氧化碳排放量;在电力排放因子的选择方面,采用了国家有关部门提供的综合数据:592g-CO2/kWh;在水泥综合电耗数据计算时,采用了国内比较先进厂家的电耗数据)。

  不管怎么说,无论是欧洲发达国家,还是我国的水泥工业,从现在(2020年)开始,到今后2050年或2060年,都要通过全生命周期的每个环节的节能减排,把水泥工业生产过程排放的二氧化碳,不管是670kg也好,还是606 kg, 都将通过各种措施,最终全部实现零排放或碳中和。

  从欧盟的路线图上可以看到,除了水泥生产过程的碳减排,还要通过在混凝土的运输和应用阶段的再碳化中和掉114 kg。在水泥生产阶段中和不掉的280 kg,可能还需要碳储存和碳利用把它们中和掉。可见挑战性也是不小的,因为碳存储不是太容易,成本太高。作为替代方案,在散装水泥随后的建筑应用中,我们采用被动式零能耗或产能房的补充措施,或许是碳中和更加给力的一项举措。

  下面,我们沿着散装水泥的全产业链、全生命周期,以定性为主,定量和半定量为辅,讨论一下每个环节的碳中和技术和绿色发展可能对节能减排的潜在影响及发展方向。

  在散装水泥原料的选择方面,尽可能利用各种废弃物,诸如工业尾矿、建筑垃圾、市政垃圾、工业副产物和化工或冶金渣等固废,千方百计减少天然资源的耗费量,这是国内外一直崇尚的绿色发展理念。

  矿山资源的高效利用、综合利用、搭配开采、吃干榨尽等,都是绿色矿山的最新发展态势。建筑垃圾经过分级和超细粉磨,已经可以用于水泥的混合材,掺加量可以高达30%。市政垃圾如下水道污泥,可以作为水泥厂的原料和燃料(AFR),在发达国家已经是成熟技术,国内也在先进工厂运行。工业副产品如脱硫石膏,早已成为水泥工业的缓凝剂。化工渣如电石渣,作为水泥原料,在国内已经建设了不少水泥厂。冶金渣如矿渣和钢渣,也在水泥行业有多年的应用历史了。钢渣还有很大的潜力可以挖掘。煤矸石作为水泥或特种水泥的原料,正在酝酿更大的技术突破。

  从节能减排的角度看,原料多用废弃物,包括替代原料和替代燃料,可以大幅度减少主要原料石灰石中的二氧化碳排放,包括水泥熟料量的减少,也可以减少化石能源的排放。

  由于替代原料和替代燃料的减排潜力最大,在国内或许会等量、也可能会有超过欧盟减排数量(70+72 kg)的潜力;鉴于国内的熟料系数已经比较低了(约0.6),减排空间有限;但是替代燃料的比例还不高(5%至10%),提升后,减排空间很大。欧盟先进的国家,比如德国,替代燃料的比率已经接近70%!因此,替代燃料和原料一项,国内的节能减排潜力空间较大。如果不走这条路线,生活垃圾都送到垃圾电厂去,弊病太大,恐怕已是一条无法挽回的错误路线散装水泥绿色产业的生产过程

  散装水泥的生产过程,工艺上简单说就是“两磨一烧”:原料制备成生料需要磨一次,生料煅烧成熟料,再加点石膏和混合材粉磨一次就成为了水泥。我国水泥工业正处于高峰期后的缓慢下行期间,自2014年水泥产量达到24.9亿吨的顶峰后,到今后2030年的一段时间里,是一个逐渐下行的阶段。2020年之前是一个在缓慢下行前的一个高位波动运行期间。2020年之后,下行的速度会加快一些。

  我国生产了全世界50%以上的水泥,目前已经出现了严重的产能过剩。今后行业的总体发展趋势是提质增效、减量发展,价格和质量齐升,数量逐步减少是大势所趋。

  (1)超细粉磨和分别粉磨技术的革命,近期目标是优质水泥,终极目标是纳米水泥;

  (3)利废原料或混合材的革命,终极目标是50%或在某些特种水泥领域100%取代天然原料;

  每个方向,都从不同的角度发力,最终都意味着大幅度的节能减排。如果上述几个领域的技术都能够突破,每吨水泥至少能减少一半以上的碳排放(譬如300-500 kg,都有可能)!

  水泥出厂,进入流通流域;从袋装改成散装,节能减排效果显著,绿色度增加;据测算,每吨散装水泥要比每吨袋装水泥减排45kg二氧化碳(蒋尔忠,2020)。从水泥厂到砂浆厂、预拌混凝土厂、预制构件厂、制品厂等,再从这些工厂流通到建筑工地或修路造桥的施工现场,继续流通,做成最终的成品,包括建筑和交通基础设施。等到这些建筑或交通基础设施废弃后,形成建筑垃圾,再作为原料,做成再生建材,进入新的一轮循环。在从散装水泥的生产、流通、深加工、建筑部品和部件,到最终的建筑和交通基础设施的终产品,乃至废弃后的再生原料的全生命周期大循环过程中,每个环节都需要绿色发展和低碳发展。仅有包装是散装的单一环节绿色发展理念是不够的,还要在生产、应用和废弃的全生命过程中都要形成低碳发展和绿色发展的理念和产业形态。也就是水泥全生命周期的每个环节都要绿色,都不能中断绿色发展理念,否则一个环节断裂,整个系统就毁掉了。这就是我们强调的全生命周期绿色发展理念,进而采用全生命周期评价(LCA)散装水泥绿色产业科学性发展的重要性。散装水泥在流通领域,过去几十年来,我们散装水泥工作者做了大量工作;散装率从20世纪80年代初的百分之十几,发展到今天的67.5%(孙岩,2019)左右;目前仍以每年约一个百分点的速度向上提升,预计再有20年,我们全国的水泥平均散装率就可以达到90%以上,与发达国家水平持平。

  散装水泥即便达到了发达国家的散装率水平,也不意味着散装水泥事业的结束;在散装水泥的全生命周期绿色产业发展领域,我们还有更多的事情要做。

  在散装水泥的流通领域,我们在绿色发展和低碳发展方面,还需要做的事情包括散装车辆的低碳化,比如采用新能源的电动运输车,混凝土或预制件的绿色输送等,都要给予充分重视,应及时提升到议事议程。

  其次是智能化和大数据等问题,也是低碳发展,提升运输和流通效率的关键环节之一。

  还有就是和散装水泥绿色产业密切相关的辅助性胶凝材料、砂石骨料等混凝土制造用的辅助原料,三者加起来的物流量,要接近200亿吨,其交通运输和市场流通物质量十分巨大;如何做到低碳发展和绿色发展,都是不可以疏忽大意的、关系到重大的技术、经济、环境和社会问题。

  在流通和运输环节,散装比袋装节能减排显著;电动汽车替代传统车辆,比烧汽油或柴油的车辆更加节能减排。这些绿色发展理念,都将逐步成为人们自觉遵守的绿色发展常识。

  欧盟在低碳路线图里,计划在混凝土输送过程,减少60kg二氧化碳;国内业界目前还没有这样的概念。

  散装水泥在形成最终的建筑或交通基础设施等最终产品之前,历经了砂浆、预拌混凝土、预制构件、地下管廊、路桥材料和建筑部品、部件等诸多中间产品阶段。这些材料,每隔几年都面临着升级换代、形式改进和质量提升的问题。从目前已经出现的最新技术发展趋势,可以看出砂浆领域已经出现从普通砂浆向隔热、保温、防水、防腐、装饰艺术和修补等多功能砂浆方向发展;品种也从普通的水泥砂浆,向石膏、石灰和混合砂浆等方向发展。

  预拌混凝土,随着装配式建筑和被动式建筑的出现,目前正在向预制建筑和被动式装配建筑需要的专用混凝土性能要求方向发展,包括高性能混凝土、高质量混凝土、自密实混凝土、结构自防水和结构自保温等功能性混凝土。

  对于地下管廊、路桥材料和海洋工程材料等领域,特种混凝土的需求量也与日俱增。还有其他各个种类的混凝土材料,都在向提高质量和提高性能等方向发展。最终的结果,都是要在提高性能的同时,延长寿命,减少单位性能(功能)的能耗、物耗,提高效率、降低成本,使单位产品的性价比最高化。

  提高质量和效率,意味着资源效率的提升,经济发展质量的提升,技术、管理、装备和产品的升级换代。

  每个产品通过技术进步,比如延长产品的功能或使用寿命,都会带来巨大的节能减排。在其他条件相同的情况下,产品寿命延长一倍、两倍或三倍,就意味着节能减排一倍、两倍或三倍;产品性能或功能提升一倍、两倍或三倍,也意味着节能减排提升一倍、两倍或三倍。

  从碳减排的角度来衡量,我们需要发展石灰砂浆或水硬性石灰砂浆;石灰属于气硬性胶凝材料,是散装水泥的另类辅助性胶凝材料。发展石灰砂浆或石膏砂浆的道理在于,一是石灰砂浆在使用中被认为是碳吸收的,全生命周期更趋于碳中和。二是石灰砂浆或水硬性石灰砂浆的长寿命,使得在全生命周期内平均每年的碳排放减少到最低程度。三是石灰或石膏的生产都是在较低温度下形成,与水泥比较,可以节省更多的能量,因此减排量也比较多。可惜,我们在国内对前两种绿色材料的开发还没有深入的进展。

  高质量、高效率、高性能或高功能和长寿命,是对这些散装水泥全产业链中间产品绿色低碳发展的共同要求。

  在深加工阶段,所需能源都将不断增加可再生能源的分量,并提高能源效率,节能减排主要是减少中间产品间接排放的比重。

  在散装水泥后续绿色产业深加工各个环节,一般没有工艺过程的直接排放,但是存在间接能源的使用,间接排放还是要控制的,倡导使用绿色能源,节能减排,通过提高质量、延长寿命、增加功能和提高效率等手段,实现间接减排、相对减排,也是潜力巨大的市场,大有文章可做。比如把质量提高一倍、寿命提高一倍或效率提高一倍,在其他排放条件都相同的前提下,通过单位GDP或工业增加值的成倍提升,就可以减少碳排放50%以上。我们现在做的自主相对减排,就是在这样的排放前提下计算出来的结果,尽管绝对排放量还是在逐年增长。2030年后,就要改变这种情况了;届时将要实行真正的绝对减排,和发达国家一样。

  散装水泥经过生产、运输和深加工成半成品或部品部件,最后再输送到建筑工地或交通基础设施的施工现场,最后变成建筑房屋和交通基础设施终产品。对于原料,我们希望尽可能少用天然矿物,尽可能利用二次资源(特别是各种活性固废资源);生产过程,我们希望通过绿色工厂,以最低的能量和资源消耗,生产出高质量的水泥产品;然后通过绿色交通,绿色深加工产品,将散装水泥再次输送到建筑和交通基础设施建设工地,制造出零能耗绿色生态的被动式装配建筑或长寿命的基础设施。在最终建筑产品的使用过程中,我们根据全产业链和全生命周期的绿色发展理念,强调被动式零能耗或产能房概念,使得散装水泥最大的制成品建筑不但不消耗能量,还会生产绿色能源,将每个房子都变成为一个发电机,会极大地减轻散装水泥全生命周期的环境负荷或减排压力,即碳排放的足迹。有可能减轻碳捕获或碳利用的压力,这项发现是被动式超低能耗建筑在中国的发展过程中,由中国散协被动式装配建筑委员会和中国被动式集成建筑材料产业联盟首先提出的创新型发展路径。只有利用全生命周期的评价方法和发展理念,才能够拓宽视野,有利于解决中国水泥工业在2060年之前实现碳中和的问题;也为世界水泥工业在2050年前实现碳中和与绿色发展贡献中国的力量和智慧。

  在交通基础设施领域,我们将注重发展高性能(高功能)和长寿命基础设施。同样,可以和交通工具的绿色发展一样,为实现碳中和及低碳发展和可持续发展做出积极贡献。

  长寿命建筑和基础设施,零能耗或产能房(第三代被动房或第四代被动式生态建筑),将会对散装水泥全生命周期的节能减排和碳中和做出更大的贡献;不但会对我国提出的到2030年继续相对减排65%提供保障,也很有可能是碳储存(CCS)或碳利用(CCU)的另外一种替代方式。这一部分份额,在欧盟水泥工业的碳中和路线 kg;这是很大的一个比重,目前还是一个有待破解的难题。

  散装水泥做成建筑和基础设施,我们希望千秋万代,永远不坏。实际上,我们前几十年的建筑或基础设施,一般只有几十年的寿命。现在提出来要搞百年建筑,甚至是千年建筑,就像古罗马建筑一样,至今已经有2300多年了。如果还像过去那样,搞几十年寿命的建筑或基础设施,如今都陆续变成建筑垃圾了,不可持续。因此,如何搞好这些建筑废弃物的再生和循环利用,就是散装水泥全生命周期里最后的一个大问题了。对于低质量的建筑和基础设施产生的海量垃圾,好在由于过去的混凝土配方和工艺原因,旧混凝土里面含有大量未水化的水泥和烧结红砖,只要破碎和超细粉磨到一定的程度,比如50微米以下,或px2/g(国际水泥杂志,2020),就可以替代部分水泥,作为搅拌站的掺合料或送到水泥厂里,当作水泥混合材,替代水泥或熟料可以高达30%以上。

  建筑垃圾里面的骨料也可以作为再生骨料,砂子可以作为砂浆用砂,在许多地方已经普遍利用多年了。5mm以下的细粉,也可以制作铺路砖或筑路材料。总之,都可以循环再生和重复利用。如果掺入部分纳米材料,性能甚至可以超过天然材料制造的产品。

  这些再生材料的加工用能,都将逐步使用绿色能源,减少碳排放。使用可再生能源,将二次资源高效利用,既节约天然资源、保护环境,也大幅度减少了温室气体的排放。

  资源循环利用,属于提高资源利用效率的范畴,同时保护天然资源;加之微纳米改性,提高质量,延长产品寿命,减少单位生命周期内的碳排放强度;同样是节能减排的技术路线,减少的比例或数量,可以是若干个百分点,也可以是数倍不止;这里不做具体分析了。

  散装水泥作为主要的胶凝材料,再加上辅助性胶凝材料,如粉煤灰、矿渣粉、烧粘土、火山灰材料、活化煤矸石、改性钢渣和超细石灰石粉等,还有气硬性胶凝材料石膏和石灰等,以及特种胶凝材料,如地聚物水泥和超级硫酸盐水泥等绿色建材,组成了庞大的胶凝材料家族。这些材料,将发挥各自特长,优势互补,共同构成节能减排、绿色发展、低碳发展和可持续发展的科学发展理念和实践。各种具备活性的工业固废,虽然称作辅助性胶凝材料,但是从体量上看,非常巨大,几乎是水泥数量的两倍,每年产生量差不多有40多亿吨。历年积存量就更多了,没有人统计或准确估算过。仅以煤矸石为例,每个开采几十年的老煤矿,据说都有十几亿吨的煤矸石在那里堆存着;等待我们开发利用。

  开发和充分利用好这些二次资源,也是今后几十年里,乃至上百年里,都是我国建材行业及其下游建筑和交通基础设施领域发展循环经济、绿色发展、低碳发展和可持续发展的一大历史性使命。任重而道远!

  这些辅助性胶凝材料,多数都经过了高温加工,具有潜在活性,可以充分利用;没有高温加工的,也可以利用新技术和新装备,进行低能耗高效率加工,使之具备足够的活性,制造出较低成本和有竞争力的新的低碳产品。既节能,又环保,还减排,也低碳;一举多得!

  混凝土的辅助性材料不同于辅助性胶凝材料,诸如砂石集料等,这些材料一般没有胶凝性或活性,只是作为混凝土的填充骨料而已。从数量上看,更加庞大,估计每年都要消耗100多亿吨,是辅助性胶凝材料的两倍以上。随着建筑和交通基础设施行业的逐步饱和,以及环保法规的逐步收紧,自然资源的消耗将逐步减少。散装水泥的辅助材料将逐步从消耗自然资源向消纳各种二次资源转移。因此,二次资源的开发和利用,将是今后我国绿色建材资源的主要来源。

  比如说巨量固废煤矸石或粉煤灰,做成陶粒混凝土后,不但可以大大减轻预制构件的重量,还可以增加预制建筑的结构自保温性能,使得装配式建筑和被动式建筑的有效结合有了功能互补的物质资源和技术契合的双重基础,也和节能减排、低碳发展结合起来了。坚定不移地发展以固废资源为基础的绿色建材、绿色建筑和绿色基础设施,应是我们散装水泥全产业链绿色发展坚定不移的正确方向。

  利用二次资源,采用绿色能源,发展散装水泥绿色建材,建造零能耗被动式生态建筑,发展长寿命绿色交通基础设施,等等;散装水泥绿色全产业链、全生命周期的低碳发展,是我们整个产业可持续发展的一个完整系统,环环相扣,缺一不可,最终走向碳中和,零排放;天然资源零消耗、环境零污染!

  简要说之,实现上述低碳发展和最终实现碳中和的目标,关键技术有许多,这里只是讨论一条重要的主线,就是纳米材料科学技术。我们过去和目前,对于传统的散装水泥,材料的尺度还只是局限在微米的材料范围,下一个阶段要开始进入纳米世界。一开始不会很快进入,要从微米世界进入微纳米世界,也可以称作是准纳米世界,然后逐步深入到纳米材料科学的世界里。下面简要讨论一下开发纳米水泥、纳米优化混凝土和纳米再生建材的意义和技术进展。

  以瑞士理工凯伦教授为首的欧洲纳米水泥研发团队(Nanocem)成立于2004年,经过16年的探索,现已发展成为一个由23个学术机构和10个工业伙伴组成的联合体。团队中约有120名学术研究人员,他们正在管理相关领域约60个博士和博士后研究项目。该团队的研发工作前10年主要是侧重基础理论研究;2015年后,逐步从理论转向应用开发,预计2021年将有重大的研发成果问世。据我们所知,纳米水泥的实验室产品已经出来,有些公司已经将其转化为商业产品。

  纳米水泥一旦大规模产业化,将对传统水泥工业产生巨大的震撼。以其仅是传统水泥1/10到1/20等效使用量,足可以将我们每年生产23亿吨水泥的巨大产量缩减到只有1-2亿吨纳米水泥等效量就够了。如果纳米水泥从实验室转入工业化生产,应该是颠覆性的技术。节能减排的效果也是不言而喻的,都是十倍和二十倍的绝对减排。对于到2050年全世界的碳中和目标,或控制全球气候变暖温度在2℃以下的目标,就会很容易地实现了。

  从行业发展和技术进步的节奏方面看,纳米水泥不会一下子普及到千家万户。就如同微纳米级别的硅灰材料一样,起初也是在混凝土里添加十几个百分点到几个百分点来提高性能。纳米水泥混凝土的改性,从国内外目前的发展看,一开始也将是从微纳米起步,逐步向准纳米和纳米尺度靠近。水泥行业或许从超细粉磨与分别粉磨的优质水泥开始,然后再逐步依次向微观尺度深入;比如水泥混凝土中微纳米水泥的添加量从10%,5%起步,再进一步向添加3%,1%,0.6%...的方向深入发展。这样,传统水泥的用量大大减少,而混凝土在提高性能的同时,其骨料的普遍颗粒级配也会同步缩小,水胶比也会变小,这是非常大的变化。

  加入纳米水泥改性之后,混凝土的性能会发生巨大改变;从普通混凝土,变成高性能混凝土。诸如抗压、抗折、抗渗、抗腐蚀、抗冻、抗碳化和耐久性等,都会发生革命性的变化。

  纳米改性的混凝土对节能减排的意义重大,比如将百年混凝土改性成千年混凝土。在一千年里,相较于百年的混凝土,节能减排的效果都是10倍因子;其颠覆性和革命性不言而喻。

  前面讨论过我国每年带有活性或潜在活性的固废产生量高达40多亿吨,如果充分利用,可以节省海量的矿产资源,也可以改善环境,减少因使用天然资源而过度释放的有毒有害气体和温室气体,节能减排就更不用说了;因为这些固废多数都经过了高温加工,该释放的二氧化碳也释放得差不多了。将其变废为宝,有非常好的基础。然而,固废毕竟是固废,和天然原料比较,也有它不确定的一些方面,因此,为了保障质量起见,还是要有额外的措施,才能确保万无一失。

  因此,纳米水泥,还可以对这些废弃物的衍生材料,起到提升质量的作用。这些方面的成功案例,已经在国内外的研发和生产实践中得到了广泛的验证。

  隶属于中国散协固废综合利用专业委员会的国际固废工程技术研究院,开发出来的固废系列产品,无论是在成本,还是在技术指标上,都远远超过了使用天然资源制造的产品。

  散装水泥全生命周期的绿色发展与碳中和,关系到全球气候变暖对人类的威胁,也是一个和散装水泥全产业链自身可持续发展密切相关的大问题。首先,散装水泥利用各种固废原料,减少天然资源的消耗,充分利用二次资源带来的好处,化解资源枯竭形成的危机;不但解决环境污染问题,还可以节能减排、降低绿建成本和发展循环经济。其次是利用固废资源,生产低碳水泥。在整个生产过程采用绿色技术,加之采用可再生的绿色能源,在今后40年里(2020-2060),将目前每吨水泥的碳排放从大约610 kg(估算)二氧化碳,通过各种节能减排手段,逐步实现零排放、碳中和。再者,除了水泥原料及生产过程的节能减排、绿色生产和低碳生产外,在水泥出厂流通环节,包括深加工成混凝土及各种预制件或部品、部件后,再输送到建筑和交通基础设施的施工工地等流通环节,以及建筑和基础设施废弃后,形成建筑固废,再作为再生建材的原料,回送到水泥或混凝土厂的各个流通环节和过程中,都需要采用可再生能源输送工具和加工设备。倡导绿色流通和低碳流通的物流模式,贯穿散装水泥全生命周期、全产业链的大流通。第四是混凝土和制品的制造环节,包括建筑预制构件和部品、部件的预制。全过程逐步使用绿色能源,采用节能减排技术;生产出高质量、多功能和长寿命的高性能混凝土、预制件和部品部件。第五是建筑和基础设施最终的使用环节,通过发展生态、零能耗、被动式装配建筑和长寿命基础设施等路径和手段,实现在原料和生产阶段还无法完成的碳中和目标。

  最后,是建筑和交通基础设施的废弃和拆除,形成建筑固废或建筑垃圾,为再生建材的循环利用提供二次原料。

  总之,通过绿色原料、绿色制造、发展散装水泥、借助新能源输送散装水泥、再将散装水泥深加工成各种混凝土中间产品、最终形成装配式零能耗被动式建筑和高质量长寿命的交通基础设施,散装水泥绿色产业发展的全产业链、全过程、全生命周期,都借助绿色技术实现节能减排和低碳发展,最终全部实现散装水泥绿色产业全生命周期和全产业链的碳中和。(作者单位:中国散装水泥推广发展协会理事长)

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