2050年世界水泥可持續(xù)發(fā)展技術(shù)路線圖

　　2009年6月中國科學(xué)院發(fā)布了我國科技戰(zhàn)略研究發(fā)展路線圖系列報告《創(chuàng)新2050：科技革命與中國的未來》，涵蓋18個科技領(lǐng)域，科學(xué)出版社已出版了15卷。其中與水泥工業(yè)直接有關(guān)的主要有能源、礦產(chǎn)資源、生態(tài)與環(huán)境、生物質(zhì)資源、先進(jìn)制造、先進(jìn)材料、納米等7個領(lǐng)域。

　　2009年9月在德國召開的第6屆VDZ國際水泥大會上國際能源機(jī)構(gòu)（IEA），世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會（WBCSD）和水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)委員會（CSI）向一些專家征詢了對草擬中的《2050世界水泥工業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖》（討論稿）的意見。

　　茲將有關(guān)動態(tài)及國內(nèi)外最新的信息一并述評如下，供我國水泥界參考研究。

　　科技發(fā)展路線圖的特征與功能

　　科技發(fā)展路線圖最重要的特征首先是高度的概括性和高度的綜合性，其次就是相對科學(xué)準(zhǔn)確的前瞻性。

　　科技發(fā)展路線圖是用簡潔清晰的圖形、表格、文字等描述技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展方向和步驟，其主要功能包含：預(yù)測未來市場所需的新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)、新裝備；瞄準(zhǔn)目標(biāo)，確定須要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)；指明科技研發(fā)的方向和途徑，組織行業(yè)協(xié)作，配置研發(fā)資源，作出科學(xué)決策；尋求知識共享技術(shù)協(xié)作的新伙伴，減少科技創(chuàng)新的風(fēng)險，提高創(chuàng)新能力和核心競爭力，把握未來的市場機(jī)遇與發(fā)展空間。

　　此外，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)而言，產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖又是一個系統(tǒng)診斷工具，可以幫助人們找出產(chǎn)業(yè)鏈中的薄弱環(huán)節(jié)，而這些薄弱環(huán)節(jié)則往往正是其“利潤池”之所在。

　　2050年水泥工業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖

　　國際能源機(jī)構(gòu)（IEA），世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會（WBCSD）和水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)委員會（CSI）組織全球著名的水泥公司和水泥裝備公司，以及各國專家學(xué)者共同研究初步商討得出的從現(xiàn)今至2050年期間，世界水泥技術(shù)發(fā)展的路線圖包含下列6個同時進(jìn)行的方向、途徑和目標(biāo)。

　　1.由生產(chǎn)普通波特蘭水泥（OPC）轉(zhuǎn)向生產(chǎn)混合水泥

　　該領(lǐng)域的內(nèi)容主要有3個方面：其一是廣泛研究采用具有水硬性或膠凝性潛質(zhì)的各種工業(yè)廢料，例如礦渣、粉煤灰、冶煉渣、化工渣、矸石等，進(jìn)行深度加工用以替代部分水泥熟料，生產(chǎn)少熟料水泥（混合水泥），甚至是無熟料水泥。這也可以理解為往水泥中多摻混合材，用混合材替代部分熟料。其二是研發(fā)各種水泥和混凝土的外加劑與改性劑，用以彌補(bǔ)提高水泥混凝土的性能，滿足多樣性的需求。其三是開拓納米技術(shù)在水泥基建材中的研究應(yīng)用。

　　自從進(jìn)入本世紀(jì)（2000年）以來，國際水泥界在以上3方面已有一定的進(jìn)展，水泥中混合材的平均摻入量各國均有所提高。例如2008年美國已達(dá)8%、日本13%、德國15%、法國17%，逐漸多摻混合材的趨勢正在不斷研發(fā)之中。各種水泥混凝土外加劑和改性劑的應(yīng)用也在向著縱深發(fā)展。2002年成立的歐洲水泥基礎(chǔ)研究合作組織（Nanocem）在熟料和混合材的微米、納米級性能研究與混凝土外加劑研究方面已發(fā)現(xiàn)若干重大突破的苗頭，前景令人期待。

　　應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，所謂OPC向混合水泥轉(zhuǎn)變，多摻混合材替代熟料，必須遵守確保水泥性能不降低或受損害的前提條件。我國水泥中混合材摻入量平均為30%，其中新干水泥中平均約20%，而落后的“小水泥”中則平均高達(dá)40%或更多。這是有一部分“小水泥”因逐利而無視水泥性能和國家標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)多摻、濫摻所謂的混合材而造成的。顯然，這種現(xiàn)象非但與上述的混合材深度加工，多生產(chǎn)混合水泥的理念風(fēng)馬牛不相及，而且應(yīng)予制裁取締。[Page]

　　2.全面推廣采用各種可燃工業(yè)廢料和生活廢棄物替代化石燃料來生產(chǎn)水泥熟料，替代率達(dá)到90%以上

　　該領(lǐng)域的主要任務(wù)有兩方面：首先是在確保環(huán)境安全和各種有害物（呋喃、二惡英、重金屬等）的排放必須符合嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；不允許產(chǎn)生二次污染；不能影響熟料品質(zhì)和水泥窯系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率。其次是與全社會的其他行業(yè)一起建立各種廢棄物回收利用的物流產(chǎn)業(yè)鏈，盡量減少廢物產(chǎn)生，完善回收再利用體制，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，充分發(fā)揮水泥工業(yè)的利廢功能。

　　這樣水泥工業(yè)就可以節(jié)省大量不可再生的天然化石燃料資源，減少噸熟料的CO₂排放，降低熟料生產(chǎn)成本。同時又為社會妥善地消納了一部分廢棄物，為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

　　在過去的20多年間，世界水泥工業(yè)采用廢料替代燃料，從少量的試驗(yàn)起步開始，一直發(fā)展到現(xiàn)今在許多發(fā)達(dá)國家已較廣泛地工業(yè)規(guī)模應(yīng)用，成效顯著。2008年德國水泥工業(yè)按全國熟料熱耗計(jì)的替代燃料對化石燃料的替代率已達(dá)58%、荷蘭81%、法國34%、比利時50%、瑞典29%、捷克45%、美國24%、日本12%。許多發(fā)展中的新興國家，包括我國，近年也正在啟動推廣之中。

　　從環(huán)境安全和技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面上看，水泥工業(yè)協(xié)同燃燒可燃廢棄物，現(xiàn)今已經(jīng)是一項(xiàng)環(huán)境安全、經(jīng)⒐?jié)侠?、工藝成熟的?shí)用技術(shù)（BAT）。許多發(fā)達(dá)國家很可能在2020年左右，其對化石燃料的替代率達(dá)到90%以上。而對全球水泥工業(yè)來說，2050年其替代率達(dá)到90%雖是一項(xiàng)較艱巨的任務(wù)，但是有望力爭完成。

　　3.研發(fā)應(yīng)用CO₂捕集技術(shù)（CCS）大幅消減溫室氣體排放

　　關(guān)于CO₂的捕集與儲存技術(shù)現(xiàn)今在技術(shù)層面已獲基本解決。問題在于成本太高，同時儲存地的選建費(fèi)用也受各國的情況不同而有較大差異。因?yàn)樗喙I(yè)單位產(chǎn)品（熟料）CO₂排放量特別大，加之作為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的大宗建筑材料，在今后半個世紀(jì)內(nèi)人們預(yù)計(jì)水泥還難以被其他的新型材料所取代。所以水泥工業(yè)開發(fā)應(yīng)用CO₂捕集儲存技術(shù)是具有現(xiàn)實(shí)意義的，是符合水泥工業(yè)的發(fā)展需要的。

　　在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，現(xiàn)今水泥工業(yè)可以繼續(xù)研發(fā)的CO₂捕集方法有從傳統(tǒng)熟料煅燒后的廢氣中分離捕集CO2的，還有就是采用富氧（或純氧）煅燒熟料，將高濃度CO₂的廢氣直接捕集儲存。前者須要事后從廢氣中分離CO₂，后者則須要事前制備好O2。就目前的技術(shù)裝備水平而言，采用CO₂捕集每噸水泥所增加的成本，傳統(tǒng)煅燒（前者）方法為35歐元~60歐元，富氧煅燒（后者）方法為10歐元~20歐元。

　　根據(jù)歐洲水泥研究科學(xué)院（E鄄CRA）的預(yù)計(jì)，CO₂捕集技術(shù)在世界水泥工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用大致會開始于2015年，到2030年可能推廣到50%以上的水泥企業(yè)。屆時CCS的投資約為1億歐元~3億歐元（與年產(chǎn)200萬噸熟料線配套），單位熟料增加生產(chǎn)成本10歐元~50歐元。到2050年時CCS可能應(yīng)用于90%以上的水泥企業(yè)，CCS的投資將降到0.8億歐元~2.5億歐元，噸熟料成本增加10歐元~40歐元。筆者曾問詢過這些數(shù)字是如何估算的，看來只是一個大框框的范圍，僅供參考。[Page]

　　4.加緊生物質(zhì)燃料研發(fā)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模應(yīng)用

　　生物質(zhì)燃料是可再生能源，是近年來國際上開拓研究的一種新能源。最初（2000年前后）是旨在生產(chǎn)生物柴油用以替代石油，因?yàn)樵谏锊裼偷纳a(chǎn)過程中除了生物質(zhì)以外還需要CO₂，從而促發(fā)了水泥工業(yè)對這項(xiàng)新能源的積極響應(yīng)。

　　2005年，生物質(zhì)燃料與水泥工業(yè)開始結(jié)緣進(jìn)行科技合作，研發(fā)創(chuàng)新。這方面目前較先進(jìn)的國家有荷蘭、澳大利亞、美國、德國、以色列和印度，我國與荷蘭已有科技合作項(xiàng)目，中試基地正在籌建。

　　根據(jù)生長速率、產(chǎn)油率、對陽光的需求、土地占用及生產(chǎn)成本等因素的考量，現(xiàn)在比較看好的生物質(zhì)原料是藻類。綜合諸多已公布的研究試驗(yàn)的初步成果，理想情況下，未來水泥工業(yè)與生物燃料的聯(lián)合生產(chǎn)粗線條的組成。

　　藻類在光合作用中具有吸碳固碳功能，與水泥窯廢氣中的CO₂形成互補(bǔ)，而且水泥窯廢氣中CO₂的含量為23%左右，比火電廠（約12%）的高。這樣生成的生物燃料主要是中低級生物柴油及殘?jiān)?，其?shù)量足以全部替代水泥窯所需的燃料，實(shí)現(xiàn)熟料燒成對天然化石燃料的零消耗。在生產(chǎn)熟料的同時還有少量高級生物柴油和氧氣產(chǎn)出。當(dāng)然有一部分剩余的CO₂還得排放或設(shè)法處置，不過噸熟料CO₂排放量比純粹燒煤將削減近一半。

　　這個美好的前景，欲付諸于工業(yè)規(guī)模的實(shí)施，實(shí)際上還須要克服不少障礙，尚待時日。首先是陽光（或替代光源）；第二是藻類的培育和供應(yīng)；第三是光合過程的占地等等。在現(xiàn)有科技與裝備水平的條件下，按照荷蘭Bioking公司、AlgaeLink公司和美國GreenShift公司等的報價資料，與一臺2500t/d水泥窯相配套的藻類生物燃料聯(lián)合生產(chǎn)裝置，其投資估計(jì)為4.8億元，占地近20公頃。顯然如此高昂的代價，說明它還有許多必須大幅改進(jìn)之處，否則就難以推廣應(yīng)用。

　　原定2009年5月在澳大利亞將有一臺600t/d水泥窯與一套藻類生物燃料生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)試驗(yàn)的，后因世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)而暫停了，最近據(jù)悉，該項(xiàng)試驗(yàn)有望2010年重啟。此外各種各樣的創(chuàng)新和改進(jìn)也在不斷地涌現(xiàn)，例如立式光合反應(yīng)塔、新型LED替代光源等?？傊?，這項(xiàng)技術(shù)尚屬初期階級，發(fā)展空間和變數(shù)也較大，有待不斷完善和創(chuàng)新。

　　但是，把實(shí)現(xiàn)水泥和生物燃料工業(yè)規(guī)模聯(lián)產(chǎn)的目標(biāo)設(shè)定在2050年以前完成比較可行，是有一定把握的。

　　應(yīng)該說明，因?yàn)椴捎糜衩咨a(chǎn)乙醇汽（柴）油的方法已顯露若干重大缺陷，所以有些水泥專家學(xué)者對藻類光合作用的技術(shù)路線持有某些保留意見。以上主要反映了另一種“不要放棄，應(yīng)該繼續(xù)研發(fā)”的觀點(diǎn)和動態(tài)。

　　5.水泥窯廢氣余熱發(fā)電

　　對于水泥窯廢氣余熱發(fā)電這一措施在世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會和水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)委員會最初的2050年水泥路線圖草稿中只是提了幾句，并未與前四條路線并列。這里是筆者結(jié)合我國水泥工業(yè)的實(shí)際情況建議增補(bǔ)的，僅供參考而已。

　　如今水泥窯余熱發(fā)電在我國如火如荼，現(xiàn)已作為我國水泥工業(yè)節(jié)能減排最成功的主力舉措，何以在歐美卻始終未受青睞？其根本原因在于我國火電廠的發(fā)電效率平均約35%，遠(yuǎn)低于美國的55%，西歐和北歐的56%，發(fā)達(dá)國家現(xiàn)今普遍應(yīng)用超超臨界發(fā)電技術(shù)，而我國還有25%左右的落后電廠，電價很貴。以美國為例，其電價約為4美分/kWh，水泥售價約為90美元/t；而我國電價超過0.6元/kWh，水泥不到300元/t。電價與水泥價之比值，我國是美國的5倍，歐盟的4.5倍。因而在歐美，水泥窯余熱發(fā)電如果不能達(dá)到噸熟料55kWh~60kWh以上的話，水泥廠就不會采用，否則還不如買電更經(jīng)濟(jì)。

　　相反地，我國水泥廠只要利用窯余熱發(fā)電能夠達(dá)到噸熟料25kWh以上就有利可圖了。這是在我國火電廠發(fā)電效率很低條件下的特殊情況，并非我國水泥工業(yè)余熱發(fā)電水平高的證明。只能說，這是在特定的市場條件下，水泥窯余熱發(fā)電正好滿足了這種需求?；痣姀S發(fā)電效率越低，電價越貴，水泥窯余熱發(fā)電的市場越大，反之亦然。

　　無論如何，在我國火電廠整體大幅提高發(fā)電效率以前，水泥窯余熱發(fā)電依然是我國水泥工業(yè)發(fā)展路線圖的重要組成，而且余熱發(fā)電的效率仍有繼續(xù)提升的需求和可能。盡管目前我國最先進(jìn)的水平已經(jīng)達(dá)到噸熟料40kWh，但要實(shí)現(xiàn)50kWh或更高，我們尚需繼續(xù)努力。按照我國現(xiàn)有各方面的資源和水平，經(jīng)過努力是有望達(dá)到這一目標(biāo)的。對Kalina循環(huán)進(jìn)行探索試驗(yàn)或許是在不增加熟料熱耗（≤750×4.18kJ/kg）的前提下將噸熟料發(fā)電量提升到50kWh（或60kWh）的途徑之一。筆者支持贊同這項(xiàng)試驗(yàn)并希望成功。[Page]

　　6.最后一項(xiàng)，實(shí)際上也是最經(jīng)常最重要的一項(xiàng)發(fā)展目標(biāo)就是節(jié)能減排

　　因?yàn)樵谏a(chǎn)水泥的整體過程中，從原料礦山采掘開始，經(jīng)過生料粉磨，熟料燒成、冷卻，水泥粉磨等等一系列的工序，一直到水泥裝運(yùn)出廠，每一個環(huán)節(jié)都需要不斷地科技進(jìn)步，研發(fā)創(chuàng)新。即便是現(xiàn)今最先進(jìn)的預(yù)分解窯水泥技術(shù)將來總會被更先進(jìn)的裝備技術(shù)所取代。例如，或許是熟料流態(tài)化煅燒，管道式熟料濃相燒成，物料自磨粉碎等等。所有這些科技創(chuàng)新都會給水泥工業(yè)甚至水泥本身帶來革命性的演變和進(jìn)步。然而，對于這種“顛覆性”的創(chuàng)新是否可能在2050年之前發(fā)生，目前多數(shù)專家學(xué)者的看法都傾向于“尚未見曙光”.

　　這里暫且在現(xiàn)有預(yù)分解窯水泥技術(shù)的基礎(chǔ)上，對2050年水泥路線圖的節(jié)能減排研發(fā)最佳實(shí)用技術(shù)（BAT）的目標(biāo)，筆者提出的全球平均先進(jìn)指標(biāo)主要如下：熟料熱耗550kcal/kg~600kcal/kg；熟料電耗35kWh/t~40kWh/t;水泥粉磨電耗15kWh/t~20kWh/t;水泥綜合電耗50kWh/t~60kWh/t（當(dāng)熟料水泥比為65:100時）。2030年噸水泥產(chǎn)出的CO2小于500kg（CSI初擬），其中有相當(dāng)一部分將被儲存起來而不排放于大氣中。

　　據(jù)悉，關(guān)于這些指標(biāo)的意見目前尚比較分散。然而節(jié)能減排卻是推行綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)不可或缺的重要措施。關(guān)鍵在于如何商討研究確定科學(xué)可行的目標(biāo)。2009年底出臺的2050年世界水泥發(fā)展路線圖，由于諸多原因，確有某些待再議之處，但它給我國的啟示是有益的。

　　結(jié)束語

　　1997年筆者論述水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略時，提出了“四零一負(fù)”的理念——環(huán)境零污染、電能零消耗、三廢零排放、天然化石燃料零消耗及廢料廢渣負(fù)增長。

　　不難看出，“四零一負(fù)”與2050年技術(shù)路線圖的基本觀念是相符的?，F(xiàn)今，發(fā)達(dá)國家和我國許多新型干法窯水泥企業(yè)集團(tuán)均已實(shí)現(xiàn)了環(huán)境零污染和三廢零排放。水泥工業(yè)的利廢功能（廢料廢渣負(fù)增長）也獲得社會公眾的認(rèn)可與好評。天然化石燃料零消耗在發(fā)達(dá)國家已平均實(shí)現(xiàn)了1/3，我國正在起步階段。電能零消耗我國平均大致達(dá)到了1/5，關(guān)于電耗這一點(diǎn)，發(fā)達(dá)國家的技術(shù)路線是更傾向于繼續(xù)提高火電廠整體的發(fā)電效率，而對改進(jìn)水泥窯余熱發(fā)電效率研發(fā)的投入較少。從全社會的節(jié)能減排來看，這樣總體效益更好，所以它們并沒有著力去追求水泥工業(yè)的電能零消耗。目前我國電廠效率雖然總平均值很低，但是在電力行業(yè)大力改革調(diào)整下，其必將會快速發(fā)展大幅提高的。所以水泥工業(yè)電能零消耗應(yīng)該是我國在中長期規(guī)劃階段的奮斗目標(biāo)，而不一定是一個長期的可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線。修正后的概念應(yīng)該是，無論如何水泥窯余熱必須充分地多渠道地綜合利用，例如發(fā)電、取暖、供熱、制冷等。總之，不能空排而浪費(fèi)掉。

　　2050年技術(shù)路線圖所指明的五大發(fā)展方向——節(jié)能減排、混合水泥、協(xié)同焚燒可燃廢物、CO₂捕集儲存、生物質(zhì)燃料聯(lián)產(chǎn)，這與綠色低碳經(jīng)濟(jì)的大趨勢是一致的。

　　然而這些領(lǐng)域中各個課題技術(shù)發(fā)展的成熟度、深度、廣度及研發(fā)應(yīng)用的難度是有差別的，有的可能還在初級階段，有的可能已經(jīng)比較成熟，具有相當(dāng)把握。但是鑒于距離2050年還有40年時間跨度，世界政治經(jīng)濟(jì)社會科技等諸多因素的不確定性或某些偶然事件的影響，該路線圖的進(jìn)程和內(nèi)容或?qū)⒂兴兓谒y免。但是總的來說，這是在人們現(xiàn)有智慧和世界局勢較平穩(wěn)發(fā)展條件下較現(xiàn)實(shí)的預(yù)期目標(biāo)。

　　國際能源結(jié)構(gòu)（IEA）、世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會（WBCSD）和水泥工業(yè)可持續(xù)促進(jìn)委員會（CSI）對2050年前世界水泥工業(yè)CO2減排所需投資的估算如表2所列，即用于水泥工業(yè)CO₂減排的投資介于3540億美元~8340億美元之間。

　　筆者認(rèn)為，可能是對CCS的期望太高了。相反地，對其他措施的減排作用估計(jì)不足，尤其是對替代熟料生產(chǎn)混合水泥的投入更偏少?？磥眍A(yù)測投資的分配尚須根據(jù)各項(xiàng)技術(shù)措施（路線）的研發(fā)進(jìn)展情況適時作出相應(yīng)的調(diào)整。

　　我們應(yīng)針對我國的具體情況，考慮到國際市場的變化，參考該2050年技術(shù)路線圖的思路，對我國水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展制定相應(yīng)的路線圖。分重點(diǎn)、分課題、分階段地籌措財政保障，綜合組織各有關(guān)行業(yè)的科技研發(fā)資源，協(xié)作攻關(guān)，把我國又好又快地建成為一個綠色水泥強(qiáng)國。