水泥无处不在, 我们被水泥所包围。由于如火如荼的房地产建设, 作为建筑基础用料的水泥的需求以每年超过6%的速度增长, 据报道, 2010年世界各国共生产了36亿吨的水泥, 若将其全部倾注于美国纽约州曼哈顿岛上, 将堆积成一个高达14米的巨型石柱;并且在2050年这个数据将会再提高10亿吨, 那时全球水泥产量所堆积的巨石柱将会更高。可以说, 水泥是世界上人类使用的仅次于水的物质。
水泥, 在行业内有个代名词叫“高能耗行业”。英国《卫报》2010年公布的数据显示, 每生产1吨普通水泥, 就释放出近1吨二氧化碳。水泥的生产占据了世界二氧化碳排放量的5%, 全球航空业二氧化碳排放量的3~4倍。
面对水泥引发的环保问题一筹莫展的时候, 科学家们另辟蹊径, 研发出不同的材料, 以替代传统的普通水泥的原料。于是, 绿色水泥诞生了!
水泥的身世
早在2000多年前, 古罗马人把石灰、火山灰以及石块掺在一起形成混凝土, 用于建造海港、纪念碑、万神殿和罗马圆形大剧场等建筑物。这种混凝土是粉状无机凝胶材料, 加水搅拌后成浆体, 它能在空气或水中硬化, 并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。
到了1824年的一天, 英国石匠约瑟夫·阿斯普丁在厨房里加热一种经研磨的石灰岩和黏土混合物, 当加入水后, 这种混合物便板结硬化, 于是就用来作建造的基础性材料。由于这种材料从表面上看上去与产自波特兰岛上建筑流行石料相似, 阿斯普丁便将这种材料命名为“波特兰水泥”, 当年, 他以“人造新式石头工艺的改进”注册了这项发明专利。这就是目前人类最广泛使用的建筑材料——硅酸盐水泥。
制造硅酸盐水泥一般可分为生料制备、熟料煅烧和水泥制成三个工序, 也就是以石灰石和黏土为主要原料, 经破碎、配料、磨细制成生料, 然后喂入水泥窑中煅烧成熟料, 再将熟料加适量石膏 (或添加剂等) 磨细而成。
生产水泥的第一步是将石灰石和铝硅酸盐黏土这两种配料混合在一起。这两种物质分别都有各自的化学成分和一些杂质。将混合物喂入窑中煅烧, 温度达到约1500摄氏度时将发生各种反应, 最后形成略带灰色的、体积如大理石般的厚块——水泥熟料, 它含有硅、铁、氧化铝 (大多数来自于黏土) 和氧化钙 (即生石灰) 。在生石灰的形成过程中, 石灰石中的碳酸钙向大气中排放二氧化碳。这个过程中的二氧化碳排放是水泥生产工艺中温室气体排放的主要来源。二氧化碳排放的另一个来源, 就是生产水泥的时候煅烧过程中需要高温加热, 因此需要耗费大量能量来对水泥窑里面的加工原料进行加热, 比如像石灰石, 它在分解的过程中还会进一步释放出二氧化碳。
把这笔“账”加起来, 采用这种生产工艺, 每生产1吨水泥就要向大气中排放1吨二氧化碳。所以, 世界各国水泥制造业所排放的二氧化碳, 约占全球温室气体排放总量的5%;而在美国, 水泥制造业的二氧化碳排放量居第三位, 仅次于油燃料消费 (用于交通、电力、化工制造等) 和钢铁工业。
低碳的绿色水泥
那么, 什么是绿色水泥?
所谓绿色水泥, 应是比传统水泥能更多的利用废弃材料, 而降低熟料在水泥中的比重, 从而大幅度降低二氧化碳排放和利用一切能减少水泥单位能耗的技术来降低水泥生产的能耗的水泥。
因此, 要打造绿色水泥, 实现减排目标, 就需要设法减少水泥生产过程中的两个主要排放源:一是要选择煅烧过程中二氧化碳排放量少的替代性配料, 甚至是无需煅烧的材料直接作为熟料;二是要选择煅烧温度较低的配料, 以减少燃料消耗量。
目前比较有代表性的有英国、巴西、美国和澳大利亚的三家公司分别发明的三种不同的“绿色”水泥。
英国科学家发明出一种新型环保水泥, 它的“特长”是可有效吸收二氧化碳。
英国诺瓦西姆公司的科学家发明的新型水泥以镁硅酸盐为基础原料, 生产过程是在大约650℃的低温运行。这样不仅在制造过程中比标准水泥需要的热量少, 使每吨水泥生产过程中只排放0.5吨的二氧化碳, 而且水泥在硬化的时候还能够有效吸收空气中大量的二氧化碳, 每吨水泥能吸收0.6吨的二氧化碳, 这样, 这种新型水泥就不会产生碳足迹。
英国科学家还指出, 全球有丰富的镁硅酸盐资源, 储量高达10万亿吨, 而新水泥的生产工艺是属于化学性质的, 这意味着它也可以利用各种含镁成分的工业副产品作为原料, 生产这种绿色水泥有着丰厚的原料基础。
巴西卡莱拉公司则是从水泥的生产技术着手, 以二氧化碳作为水泥生产的能源消耗来源, 采用催化技术而不是加热处理。具体来说, 采用甘蔗渣和稻壳等农业废料作为原料生产环保且价廉的“绿色”水泥。这是巴西科研机构近来成功研发一项新技术。利用甘蔗渣和稻壳等农业废弃物生产“绿色”水泥不仅有利于减少传统原材料生产水泥时造成的环境污染, 还能实现废物循环利用, 增加农业产品附加值, 节省水泥生产成本。
由于加工甘蔗渣的过程相对简易、快捷, 耗能量低, 这种“绿色”水泥的生产成本只有传统水泥的十分之一, 其使用寿命比传统水泥长, 质地也更细密。这样就不仅可以大大减少能量消耗, 而且还可以缓解温室气体排放问题。因此每生产1吨卡莱拉绿色水泥能吸收半吨二氧化碳, 从而可以大幅减少温室气体排放量。
巴西盛产甘蔗, 其年产量和出口量均居世界首位。巴西现有甘蔗耕地约650万公顷, 2007年其甘蔗产量达5.5亿余吨。
巴西目前水泥年均产量为4500万吨。如果按甘蔗渣残留物在水泥混合物中的比例为15%计算, 巴西每年可减少排放约300万吨二氧化碳。
美国弗吉尼亚州亚历山大市的一家水泥公司Ceratech则另辟蹊径——致力于寻求替代传统水泥熟料的解决方案。该公司从古罗马工程师们2000年前使用的水泥中获得灵感——采用火山灰作为天然水泥熟料, 在火山灰中掺水使其发生反应生产水泥。
Ceratech公司正在利用粉煤灰 (从煤电厂排放的燃烧气体中滤出的微粒) 作为水泥熟料。全美的煤电厂每年大约产生7000万吨粉煤灰, 其中绝大部分被存储或由废弃物填埋场处理。Ceratech公司在粉煤灰掺入若干种添加剂, 然后将其用作水泥粉。这种工艺不需要加热过程, 因此公司认为粉煤灰水泥没有碳污染。
虽然某些水泥生产商数年前就已采用含有粉煤灰的混合物生产水泥, 但其粉煤灰的比例只有15%。Ceratech公司行政副总裁马克·瓦西库指出, 按照公司开发的新配方, 粉煤灰比例高达95%, 其余5%为液态添加剂。此外, 由粉煤灰水泥制成的混凝土其强度高于各类传统水泥, 因而可以减少建筑物的水泥使用量。以一座面积为4600平方米、典型的三层建筑物为例, 使用该公司生产的粉煤灰水泥可以大大减少混凝土和加强型钢筋的使用量——能分别减少183立方米和34吨。同时也能使废弃物填埋场减少粉煤灰处理量374吨, 二氧化碳减排效益可达320吨。
澳大利亚生态技术公司所开发的新生态水泥以废料、粉煤灰、普通水泥和氧化镁为主要原料, 充分利用氧化镁具有可回收、低能耗、释放二氧化碳少的特点。该公司经实验证明, 新开发出的水泥更耐硫酸盐、氯化物和其他腐蚀性化学元素的侵蚀, 在强度上完全可以与传统水泥媲美。
垃圾变绿色水泥
石化厂的脱硫石膏、电厂的粉煤渣、造船厂的除锈铜渣、电镀厂含重金属的污泥……这些难以处理、对环境有害的工业垃圾, 如今可以被吃进水泥窑里, 吐出高品质的绿色水泥。
这是我国科技人员创造的奇迹。
还在2000年1月, 中国混凝土学科的一代宗师、著名无机非金属材料科学家吴中伟院士病危时, 把中国水泥技术研究领域的领头人徐德龙叫到病榻前, 听完徐德龙如何完善工艺系统, 利用高新技术, 使高炉矿渣、钢渣、粉煤灰和城市垃圾变废为宝的研究状况后, 消瘦的脸庞上绽开了久违的微笑。“这我就放心了, 有你牵头搞, 一定能成功, 拜托了!”
2011年年底, 这位中国工程院院士、西安建筑科技大学校长领衔完成的“高固气比悬浮预热分解理论与技术 (XDL水泥熟料煅烧新工艺) ”被评上2011年度“中国高等学校十大科技进展”项目。同时, 该项成果获准列入科技部支撑计划以及国家发改委重点节能减排技术推广项目。
如今, 在宁波科环新型建材有限公司的水泥窑里, “镇海炼化”每年产生10万吨脱硫石膏, 都能“变废为宝”;北仑电厂和镇海电厂的粗粒煤渣也被作为替代原料每年能消化5万吨。还有, 宁波地区200多家电镀和不锈钢生产企业, 在生产过程中每年产生约5万吨含铬、镍、铜、锌等重金属的污泥, 而通常的处置方法是以填埋为主, 既消耗大量的土地资源, 又存在对周边环境特别是水源和土壤产生二次污染的风险。“科环”新型建材有限公司在环保主管部门的支持下, 与清华大学合作, 对“无害化处理含重金属污泥”项目进行研究, 在研究可行的前提下, 进行了为期一年的试验, 已达到了每天消化97吨含重金属污泥的试验目标。
在台州海螺水泥有限公司, 2008年开始消化粉煤灰、湿粉煤灰、脱硫石膏分别达到243556.75吨、11220.18吨、5784.28吨, 年消化“三废”量达到26万多吨, 由传统的“资源—产品—废弃物”的单向式直线过程, 转变为“资源—产品—废弃物—再生资源”的循环过程, 变废为宝, 积极打造“绿色水泥”。
徐德龙和他的同事们经过多年研究, 他和他的团队掌握了高炉矿渣超细粉大比例替代水泥熟料制备高性能混凝土的配比和方法, 成功开发出了高炉矿渣水泥的加工工艺, 将那些昔日一文不值、祸害不小的废弃物变成了发展循环经济、促进节能减排的新资源, 其研究水平跃居国际领先地位。
徐德龙和他领导的粉体工程研究所, 先后为全国数十家钢铁企业建成了各项技术指标居世界领先水平的矿渣水泥生产线, 年处理矿渣1200万吨, 为企业年新增经济效益12亿元。与此同时还创造了年减排二氧化碳1200万吨、节煤1100万吨等喜人的环保效益和社会效益。
目前, 我国水泥单位产品能耗比国际先进水平仍高43%, 水泥生产能耗约占全国能源消耗量的7%左右。以2012年22亿吨的产量为例来计算, 水泥单耗每下降1个百分点, 每年就可以节约标准煤220万吨。由此可见, 水泥节能具有巨大的潜力。
专家估计, 大约到2014年绿色水泥就能投入批量生产。它必将在未来的世界“搅动一池春水”, 有望让我们的生活更加健康和美好。