加强固废资源利用 推动水泥减碳发展
发布时间：
2023-11-14 16:52
水泥行业节能减碳压力巨大。尽管目前针对水泥工业的能效提升技术、燃原料替代技术以及降低水泥熟料因子等措施，能够在一定程度上降低水泥生产的碳排放强度，但离实现碳中和目标还有相当长的距离。因此，研发和应用具有极低二氧化碳排放的新型低碳胶凝材料，是行业发展的方向。
水泥混凝土材料是迄今为止人类使用量最大的人造材料。全球每年水泥产量超过44亿吨、每年消耗的混凝土超过140亿立方米。以水泥工业为基础的水泥混凝土材料，作为最主要的土木工程材料，几乎覆盖了地球上所有的现代人类活动场所，包括住房、都市化与城市建设、道路和基础设施——公路、铁路、机场、大坝、核电站、海洋工程等，水泥工业的发展和成熟奠定了现代人类文明、发展和繁荣的物质基础。
然而，如此巨量的水泥需求和工业生产也造成了能源和资源的巨大消耗，尤其是硅酸盐水泥“两磨一烧”的制备工艺，单位产品能耗接近4000MJ/t，生料煅烧过程中石灰石原料的分解以及化石燃料（主要是煤）的燃烧，产生大量的CO2排放，每生产1t水泥熟料排放CO2约0.95t，水泥行业已成为继电力、钢铁行业后的第三大碳排放大户。
我国作为工业大国，在原材料的开采和冶炼等加工过程中会产出大量的固体废弃物，每年新增的尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、炉渣、赤泥和脱硫石膏等大宗工业固体废弃物等接近40亿吨，累计堆存量超过600亿吨。固废的长期堆放不仅侵占土地资源，并且易造成扬尘、土壤及地下水污染等环境问题。尽管近年来固废的综合利用水平稳步提升，但目前我国大宗工业固体废弃物的综合利用率仍不到45%，与《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中提出的到2025年大宗固废综合利用率达到60%，还存在较大差距，尤其赤泥和煤气化渣等，利用率不足10%。
目前，大宗工业固废的应用主要涉及以下几类。一是尾矿，二次选矿、制备建材、采空区充填、制作肥料、尾矿复垦等；二是冶金渣，用作水泥复合材、混凝土掺和料、道路材料、回填材料、建材制品等；三是煤矸石，用于电力、建材、回填、化工材料等；四是粉煤灰，用于建材、有价金属提取、土壤改良剂和环保产品等；五是工业副产石膏，石膏板、石膏砌块、石膏基砂浆以及高强石膏产品等。
可见，大宗工业固废的综合利用途径较为传统单一，无法形成规模化高值产业，潜在的铝硅酸盐资源还未被很好的开发和利用。一是因为大宗工业固废资源价值没有得到应有的重视，大宗工业固废既有污染属性，又有极强的资源替代属性；二是部分关键性技术还未得到有效的突破，如赤泥由于成分复杂、碱性高、水分大等因素导致预处理成本高，缺乏高效低成本处置利用技术；煤气化渣因含水率高、过燃碳和芳烃物质多等问题而始终缺乏大规模利用手段。大宗固废的处置利用模式还需进一步创新和提升，如制备碱激发胶凝材料等固废基低碳胶凝材料。
碱激发胶凝材料最早提出是为了补充硅酸盐水泥产量的不足，但如今碱激发胶凝材料已然成为了低碳胶凝材料的重要方向之一。
首先，其不同于目前以硅酸盐熟料矿物为主要组成的胶凝体系，直接利用矿渣、粉煤灰等工业固体废弃物中的有用成分，无需消耗一次资源；其次，无需煅烧，仅需经过简单的粉磨加工处理，所需的能耗和碳排放极低；再次，碱激发技术的使用范围广，能够实现大多数铝硅酸盐原料的活化，是一种适用于有高温热历史的铝硅酸盐固废转化为胶凝材料的通用技术，具有普适性和可推广性。
随着近年来国内外的广泛研究和产业化实践，碱激发胶凝材料的标准体系开始逐步建立和完善、产业技术开始实践和成熟，碱激发胶凝材料的产业化推广开始提上日程，以工业固废等铝硅酸盐为基础的低碳胶凝材料或将成为人类社会面向未来100年的新型胶凝材料。
针对目前的水泥生产技术，水泥产业的碳减排路径任重道远，目前的能效提升技术将单位熟料综合能耗降到100kgce/tcl已是接近极限，而目前国内水泥窑燃料替代程度还十分有限，不足2%。
原料替代技术受固废原料差异的影响，以及高硅酸三钙熟料体系组成的限制，取代程度有限，只有电石渣取得了良好的成效，但电石渣每年产量只有约3000万吨，钢渣、镁渣、磷渣等也被用于生料配料，代替石灰石和一部分铁质校正原料。一方面，几种废渣受原矿资源所限、地域分布不均；另一方面，废渣中氧化镁含量以及重金属含量需要严格控制，因此生料中的取代比例较低，仅可减少1%~2%的石灰石和4%~5%的煤耗。
据测算，目前的能效提升技术、燃料替代技术、原料替代技术、低碳水泥技术也只能将水泥熟料的单位生产能耗降低至约0.44tCO2/t的水平。因此，水泥行业要实现碳中和的目标，还必须借助CCUS技术（碳捕集、利用和封存技术），这势必进一步增加水泥的生产成本和消耗更多的能源资源。
因此，水泥行业要实现深度减碳和节能减排，必须从根本上作出变革。尽管目前还没有非常成熟的胶凝材料体系能够取代硅酸盐水泥所占据的主导地位，但进一步深化免煅烧胶凝材料的研究和产业发展已经势在必行，这不仅关乎水泥及建材行业自身的长远发展，更关乎全球未来的可持续发展。
水泥行业不同于钢铁、电力等行业中的材料具有不可替代性，目前以固废为主的低碳胶凝材料能够满足大部分的建材产品的制备要求。因此，以碱激发胶凝材料等固废基胶凝材料取代硅酸盐水泥完全具有可行性。
从大宗固废的发展格局看，利用粉煤灰、脱硫石膏、冶金渣、尾矿等大宗工业固体废弃物制备固废基胶凝材料、碱激发材料以及地聚物等，在工程混凝土及制品方面都有了很好的示范应用，技术从工艺设备、产品和标准方面不断完善，将在道路工程材料、水利工程材料、生态修复工程、地下管廊工程、海绵城市建设工程、园区和企业基础设施建设工程等领域率先得以广泛应用。随着技术成熟度的不断加深，以固废利用为主的低碳的胶凝材料及产品将成为市场主流，推动水泥及建材行业达成深度节能减碳目标。
目前，针对利废产品的应用还缺乏有力政策支持，如产废企业的以渣定产等政策尚未得到国家、地方管理部门和跨行业应用部门的有效充分支持。技术所处的发展阶段、水平和适用性存在较大差别，技术与资源和区域市场适配性差、对从业人员的专业技术要求较高，系统的低碳水泥专业技术人员、产品销售人员、工程设计人员较少等问题，固废基低碳胶凝材料技术还未能打开市场。
重大技术突破和重要产业的紧密联动是推动行业节能降耗的重要方式。碱激发胶凝材料等固废低碳胶凝材料的突破，不仅将带动上游固废排放产业实现绿色转型，缓解资源环境对经济社会发展约束，还可带动下游建材产品的低碳化创新和变革。
政府可以通过制定相关政策和法规，提供资金支持和优惠政策，推动技术研发和产业创新；企业可以积极投入研发，探索新的商业模式和市场机会；学术界可以进行前沿技术研究，为产业发展提供新的思路和方向。多方携手共同推动固废基胶凝材料在水泥行业节能减碳中发挥突出作用。
〔作者系中国矿业大学（北京）教授〕
本文原载于《中国建材报》11月6日3版《加强固废资源利用 推动水泥减碳发展》