[原創(chuàng)]胡道和：淺談水泥工業(yè)未來發(fā)展之路

胡道和教授　

　　“古之學(xué)者必有師。師者，所以傳道授業(yè)解惑也?！?

　　胡道和，新中國培養(yǎng)出的第一代大學(xué)教師，很早就從事水泥專業(yè)的教學(xué)與科研工作，是水泥教育界的老前輩，是治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，銳意創(chuàng)新的全國優(yōu)秀教師。她將畢生精力都奉獻(xiàn)給了教育和水泥事業(yè)。

　　胡道和教授主要從事水泥工業(yè)技術(shù)開發(fā)、研究和教學(xué)工作，籌建了“硅酸鹽工程”新專業(yè)，先后承擔(dān)“六五”、“七五”、“八五”國家科技攻關(guān)任務(wù)，開展了一系列有關(guān)窯外分解、磷石膏聯(lián)產(chǎn)水泥和硫酸新技術(shù)的基礎(chǔ)研究和開發(fā)創(chuàng)新性研究，并多次榮獲國家級獎項。

　　近日，中國水泥網(wǎng)記者專程采訪了胡道和教授，深入交流了關(guān)于水泥工業(yè)的發(fā)展方向、節(jié)能捕碳、沸騰爐煅燒等諸多水泥行業(yè)前沿問題。通過采訪，我們也深深感受到了胡道和教授雖然已經(jīng)是滿頭白發(fā)，但依舊沒有停止對水泥行業(yè)發(fā)展的思考和探索，還在為水泥行業(yè)的發(fā)展四處奔忙。

胡道和教授

　　根據(jù)生產(chǎn)特點  思考水泥工業(yè)發(fā)展方向

　　在談到水泥工業(yè)的未來發(fā)展方向時，胡道和教授表示，首先要正確看待水泥工業(yè)的正負(fù)兩方面的特點，才能明確其發(fā)展方向。水泥工業(yè)是高溫重化工行業(yè)，能耗排放都特別大。曾有人形容水泥行業(yè)是“用能大戶，排放巨人”。據(jù)粗略估算，生產(chǎn)一噸水泥熟料要耗標(biāo)煤100kg，排放CO₂800kg，這也是水泥行業(yè)目前最大的困擾。但同時我們也應(yīng)看到其優(yōu)勢所在，例如：回轉(zhuǎn)窯燒成系統(tǒng)具有連續(xù)溫度分布區(qū)，且其高溫環(huán)境可達(dá)1650℃，高溫位穩(wěn)定，容積大，處理固體物料能力強(qiáng)，本身產(chǎn)能大，熱容量大，抗干擾能力強(qiáng)。綜上所述特點，水泥工業(yè)應(yīng)以綠色經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)思想，朝著資源利用（變廢為寶）、節(jié)能減排（環(huán)境保護(hù)）和技術(shù)創(chuàng)新（工藝、裝備）的方向發(fā)展。

　　鑒于此，她提出了幾點寶貴建議：

　　首先是“外聯(lián)”，即充分利用本身特點與其它行業(yè)聯(lián)手，開辟水泥生產(chǎn)的新局面。

　　一、與環(huán)保工業(yè)聯(lián)手：將大量生活生產(chǎn)中的各類廢棄物作為資源加以利用。當(dāng)前城市垃圾處理問題，正在引起各方重視，且技術(shù)上多有進(jìn)展。但各種處理方法中，以利用回轉(zhuǎn)窯處置城市垃圾的技術(shù)方案最為理想。首先是因為回轉(zhuǎn)窯可吸納固體物質(zhì)范圍廣，有機(jī)物可做燃料，無機(jī)物可做原料。其次因回轉(zhuǎn)窯本身容量大，處理垃圾量大，且不會影響窯本身的熱穩(wěn)定性，對熟料產(chǎn)量、質(zhì)量均無影響。同時垃圾具有一定的熱值，可代替一部分燃料，達(dá)到節(jié)能的目的，其排放量也比煤稍小，且不易產(chǎn)生二次污染。水泥窯協(xié)同處置城市垃圾，如技術(shù)過關(guān)并大力推廣后，可以解決全國市政工作中的一大難題，具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，市場前景廣闊，理應(yīng)作為水泥行業(yè)的發(fā)展方向之一。[Page]

　　二、與化學(xué)工業(yè)聯(lián)手：對化工廠各類廢渣，以及有毒有害廢棄物的處理，使資源得以充分利用，如：磷石膏聯(lián)產(chǎn)水泥和硫酸；電石渣經(jīng)處理生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣CaCO₃等等。

　　三、與冶金工業(yè)聯(lián)手：如用于貴金屬的富集。有些貴金屬如鍺、鎵、銦等資源很稀缺，大部分為貧礦，開采成本很高。但這些貴金屬有在高溫下氣化的特點。如伴生礦成分合適，則可將貧礦粉送人回轉(zhuǎn)窯經(jīng)高溫處理后，氣化了的貴金屬會粘附在窯內(nèi)飛灰上，收集后使其成份得到富集，可供冶金工業(yè)做原料。

　　四、與能源工業(yè)聯(lián)手：當(dāng)前能源工業(yè)正在大力開展“微藻制油”技術(shù)的開發(fā)。　微藻是一種低等單細(xì)胞植物，種類有數(shù)萬種。微藻在一定條件下，生長速度非?？?，為普通植物的數(shù)百倍。其中有一種微藻以CO₂為原料，以陽光照射為生長條件，通過光合作用，再經(jīng)誘導(dǎo)反應(yīng)可以轉(zhuǎn)化為脂類，這種藻被稱為油藻。油藻在成長過程中可捕捉大量的CO₂，據(jù)估計每噸油藻可吸納CO₂1.8～2噸，其油脂含量可達(dá)50～70%（干基），熱值在4500～6500kcal/kg藻。成熟油藻經(jīng)過采收、提取，干燥等預(yù)處理后，可制得各類油品。

　　面對資源的日益減少，本世紀(jì)初油藻煉油技術(shù)的開發(fā)引起美國、日本、加拿大、以色列、荷蘭包括我國在內(nèi)的極大關(guān)注，開展了有效的研究工作。目前已取得相當(dāng)成果，這些油品已成功用于汽車、航空等工業(yè)。預(yù)計2012-2015年將有工業(yè)化規(guī)模投入使用。

　　“目前存在的主要問題是，高效光生物反應(yīng)器的設(shè)計與應(yīng)用尚待完善，且反應(yīng)器占地面積大，總成本還偏高。但恩格斯很早就指出‘社會需要是科學(xué)研究最大的推動力’。我相信在目前化石燃料資源即將枯竭，油價猛漲的形勢下，這一創(chuàng)新技術(shù)的完善與應(yīng)用將指日可待”，胡教授說。

　　對水泥行業(yè)來說， 微藻制油技術(shù)成熟后，不僅可以全部吸納CO₂，解決工廠排放的難題，而且可以產(chǎn)能節(jié)能。對行業(yè)發(fā)展將是極大的推動。因此當(dāng)前應(yīng)積極主動爭取與能源工業(yè)合作開發(fā)。

　　至于“內(nèi)功”方面，是對水泥工業(yè)本身而言，要求在生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)計理念方面“苦練內(nèi)功”。要努力實現(xiàn)全系統(tǒng)的最優(yōu)化（目標(biāo)函數(shù)可以是產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、成本等）；資源利用率的最大化（根據(jù)資源條件設(shè)計新流程，開發(fā)新設(shè)備）以及水泥品種的多樣化（如低鈣水泥、混合組成水泥等）。

　　具體的說，應(yīng)該開發(fā)全系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計程序與數(shù)學(xué)模型；開發(fā)聯(lián)產(chǎn)新工藝和專用設(shè)備；完善個性化設(shè)計；強(qiáng)化新品種水泥的開發(fā)研究。此外，調(diào)查、考核與再評估某些既定限制指標(biāo)，如：粉塵排放指標(biāo)、NOx排放標(biāo)準(zhǔn)等，評議建立區(qū)域性的限制指標(biāo)的可能性，以節(jié)省目前為此付出過多的代價。[Page]

　　微藻燒熟料 水泥工業(yè)明日的新篇章

　　今年，“十二五”節(jié)能環(huán)保規(guī)劃正式公布，對以燒成工藝為主的企業(yè)來說，節(jié)能減排的壓力有增無減。而就水泥行業(yè)目前技術(shù)水平分析，要在水泥窯上進(jìn)一步節(jié)能減排的空間比較有限，即使再降低10%，也是比較困難的。胡教授表示，要取得更好的節(jié)能減排效果，必須另辟蹊徑?？梢栽O(shè)想如果有一種方法，既能對生產(chǎn)過程中排放的氣體進(jìn)行回收利用，又能為工業(yè)生產(chǎn)尋找到替代燃料，那無疑是最理想最先進(jìn)的。胡教授認(rèn)為，微藻制油新技術(shù)的出現(xiàn)，給了我們啟發(fā)，也為水泥窯捕碳節(jié)煤找到了新途徑。

　　鑒于當(dāng)前微藻制油工藝尚待完善優(yōu)化，或有些水泥廠還不具備超大規(guī)模養(yǎng)殖藻類的條件下，可考慮利用微藻養(yǎng)殖的研究成果，將部分CO₂先供藻種制成一定數(shù)量的干油藻作為水泥回轉(zhuǎn)窯新燃料。這一聯(lián)合還將涉及農(nóng)業(yè)技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域。對水泥廠來說難度很大。但它能達(dá)到使當(dāng)前水泥行業(yè)有效節(jié)能減排的目的?？沙蔀樗喙I(yè)生產(chǎn)技術(shù)新的生長點。

　　為此，胡道和教授提出的的設(shè)想流程如下圖：

 用微藻燒成水泥熟料設(shè)想流程（胡道和教授手稿）

　　實施此方案：

　　1、可能性：回轉(zhuǎn)窯窯尾廢氣中CO₂含量豐富，狀態(tài)穩(wěn)定，可滿足油藻養(yǎng)殖要求；油藻熱值高，符合回轉(zhuǎn)窯燒成熟料的要求；油藻燃燒后剩余物很少，不影響熟料質(zhì)量；水泥廠通常有大面積場地（如開采后礦山平臺、堆場頂部或近廠坡地等）可供安放光反應(yīng)器；嫁接制油工藝中油藻養(yǎng)殖技術(shù)，省去干藻制油工序、技術(shù)難度降低，成本也會相應(yīng)下降。含水固體予處理技術(shù)是水泥行業(yè)的長項，可期得到創(chuàng)新成果。

　　2、優(yōu)越性：充分利用微藻養(yǎng)殖的研究成果，降低開發(fā)成本；可以用油藻全部取代煤，達(dá)到節(jié)約天然資源目的；可以使CO₂在制藻--燒熟料工藝內(nèi)部循環(huán)，燃料燃燒排放可降至零，使窯系統(tǒng)排放量至少降低30%；若有條件增大油藻產(chǎn)能，還可用于鍋爐發(fā)電，達(dá)到產(chǎn)能效果；光生物反應(yīng)器還有一些副產(chǎn)品可以利用，如油藻生成過程中釋放的O₂，收集后可供窯富氧燃燒，進(jìn)一步節(jié)能。 或出售其他副產(chǎn)品以提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　3、存在的困難：主要是成本問題和養(yǎng)殖技術(shù)的掌握。成本問題需要通過核算和深入分析，找出降低成本的各種途徑，通過攻關(guān)解決。[Page]

　　4、本行業(yè)需要開展的工作：在微藻養(yǎng)殖技術(shù)成功的基礎(chǔ)上，水泥行業(yè)需要解決嫁接技術(shù)的有關(guān)細(xì)節(jié)問題。主要有：篩選適合窯氣環(huán)境的最優(yōu)藻種；開發(fā)微藻預(yù)處理的新方法，如：采收、提取、干燥等（這方面水泥行業(yè)有可借鑒的經(jīng)驗）；開發(fā)專用設(shè)備；研究干藻燃燒特性；進(jìn)行物料與能量平衡核算；選擇中試工廠（要求光照條件好，場地大，氣候合適等）。培養(yǎng)養(yǎng)殖專業(yè)人才。

　　總之，希望水泥行業(yè)盡快組織起來與相關(guān)單位進(jìn)行合作，開展微藻粉生產(chǎn)和有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的學(xué)習(xí)與嫁接系統(tǒng)的完善。以此作為水泥行業(yè)今后發(fā)展的技術(shù)儲備，意義是十分重大的。希望有條件的水泥廠積極準(zhǔn)備成為該項目的先行實踐者，為行業(yè)創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)。

　　沸騰爐燒熟料，還有很長的路要走

　　流化床技術(shù)具有氣固接觸面積大，氣固間傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)速度快，均勻性好，效率高等特點，曾經(jīng)被化工和動力行業(yè)成功推廣應(yīng)用。如煅燒鐵硫礦、低質(zhì)煤的燃燒及固體烘干技術(shù)等等。至于用流化床代替回轉(zhuǎn)窯燒熟料的想法，也是由來已久。據(jù)論證該技術(shù)具有節(jié)能減排、容積產(chǎn)量高、熱效率高等優(yōu)點。該項技術(shù)若能成功，對水泥燒成技術(shù)而言，將是革命性的變化。因此它是半個多世紀(jì)以來的熱門研究課題。早在四十年代，法國即提出pyzel法，到五十年代，前蘇聯(lián)提出過多種方案，并設(shè)計出水平式沸騰煅燒爐（沸騰爐是密相流化床的一種）。七十年代，我國開始進(jìn)行探索，南京化工學(xué)院進(jìn)行旋風(fēng)爐的研究，南京化工研究院的實驗室小試；八十年代，武漢工業(yè)大學(xué)的全系統(tǒng)小試，黃石的全系統(tǒng)中試；新世紀(jì)，西安建筑科技大學(xué)研究試驗，日本在山東生產(chǎn)規(guī)模試驗等等。雖經(jīng)過長期探索，取得了一定的進(jìn)展，在小型熱態(tài)試驗裝置及中等規(guī)模生產(chǎn)過程中均獲得合格的水泥熟料。但至今尚未能投入大規(guī)模連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)。這是因為流化技術(shù)還有另一方面特點，即操作敏感性高，狀態(tài)控制要求高，對化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，操作條件要求苛刻的工藝，應(yīng)用起來難度較大。

　　對此，胡教授表示了她的看法：該項技術(shù)“思路合理、優(yōu)點明顯、意義重大、實施困難”。主要問題不是生產(chǎn)不出熟料，而是沸騰爐狀態(tài)難于穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)率低的問題，難以突破。由于燒成反應(yīng)過程復(fù)雜，除固相反應(yīng)外，還有相當(dāng)數(shù)量的液相生成。而其熔點和液相量往往受許多不確定因素的影響，因此難于掌握。表現(xiàn)在沸騰爐的操作時，容易形成粘結(jié)、堵塞，破壞沸騰狀態(tài)，這也是其無法長期運轉(zhuǎn)的主要原因，而且規(guī)模越大，問題越嚴(yán)重。胡道和教授認(rèn)為解決問題的前提是：充分掌握熟料燒成反應(yīng)的機(jī)理及各種因素對液相生成過程的影響，如生料組成、粒度、微量元素的存在、床層溫度、氣體流速等。與此同時，還要具有高度自動化控制手段。而這些前提，短期內(nèi)是難以實現(xiàn)的。因此利用沸騰爐代替回轉(zhuǎn)窯燒熟料，可能還有很長的路要走。

　　最后，胡道和教授強(qiáng)調(diào)，以上看法，只是一家之言，僅供參考。

　　結(jié)束語：胡道和教授，一位受人尊敬的中國水泥工業(yè)技術(shù)的開拓者與傳承人。淵博的學(xué)識，深厚的專業(yè)知識，先進(jìn)的技術(shù)理念，使這位學(xué)術(shù)泰斗在世界水泥工程領(lǐng)域聲名遠(yuǎn)播，桃李滿天下。走過春華秋實，如今已經(jīng)到了耄耋之年，她依舊精神矍鑠，神采奕奕，依然堅持思考著、關(guān)注著、期盼著水泥工業(yè)的未來發(fā)展……