新型低CO2排放熟料

新型低CO2排放熟料

水泥制造減少CO2排放有三種方式：即減少熟料生產能耗、減少水泥中熟料比例、使用生物或二次燃料?，F就歐洲幾家水泥公司在保持或提高現有水泥和混凝土質量的前提下，改變熟料成分來減少熟料生產能耗和CO2排放作一簡單介紹。

表1 普通硅酸鹽水泥熟料礦物生成時原料排放的CO2和耗熱量

圖1 熟料顯微鏡照片

1 普通水泥熟料

普通水泥熟料由石灰（CaO）與SiO2、Al2O3和Fe2O3結合生成不同性能的礦物所組成，主要為C3S（3CaO、SiO2）、C2S（2CaO、SiO2）、C3A（3CaO、Al2O3）和C4AF（4CaO、Al2O3、Fe2O3）。熟料煅燒過程中所排放的CO2有兩種，一種是生料中石灰石分解產生的CO2（CaCO3+熱→CaO+CO2），稱之為工藝排放；另一種是燃料燃燒產生的CO2（C+O2→CO2），稱之為燃燒排放。表1為四種主要礦物的單位CO2排放量和礦物生成的耗熱量。

普通熟料礦物主要成分為C3S和C2S。熟料的顯微鏡下照片見圖1，C3S晶體呈藍色，銳角直邊六角形。C2S晶體呈棕色，圓形。在C3S、C2S周邊為C3A和C4AF等中間相?；炷羶菴3S晶體與水反應快，1d～3d早期強度高，C2S反應慢，28d后期強度高。

熟料礦物中，C3S含量高達約65%，生成的煅燒溫度高，達到±1450℃，燃料耗用量大，CO2排放量也高。C2S含量約15%，煅燒溫度約1200℃，燃料耗用量少，CO2排放量低。

水泥窯生產熟料和水泥的CO2排放量大致平均數據為：石灰石分解產生的CO2約為535kg/t熟料，燃料燃燒約為330kg/t熟料，二者合計約為865kg/t熟料。2006年世界水泥平均熟料摻加量約為～78%，則每噸水泥排放的CO2約為～680kg/t水泥（表2）。

2 熟料成分的重新設計

為降低單位熟料生產所產生的CO2排放量，普通水泥熟料成分必須重新設計。也就是在盡量保持現有熟料和水泥性能的基礎上，減少CaO和C3S的含量，相應減少CaCO3分解產生的CO2以及燃料燃燒產生的CO2。此外重新設計的熟料成分中C2S和其他組分除考慮混凝土所需的早期強度外，其他使用性能如耐久性、泵送性、和易性等均需與普通水泥熟料所配置的混凝土性能相當或改進。

3 新型熟料

新型熟料除需減少CO2排放和保持或改善水泥和混凝土基本性能外，還需做到原料來源廣泛，生產費用較低。為使產品在市場上有競爭力，應盡可能利用現有的水泥熟料生產線工藝裝備進行生產。

混凝土是世界上應用最為廣泛的建筑材料，估計年使用量超過150億噸，需要的水泥年產量超過36億噸。新型水泥熟料必須使用豐富的礦物原料才能保持生產，降低生產費用。地球上主要元素見表3。另一點更重要的是新型熟料礦物形成時，CO2的排放量要低，見表4。

此外，應盡量在現有普通水泥熟料工藝裝備生產線上進行或稍作改造進行生產以降低基建投資。所生產的新型熟料和普通水泥性能相比，還需保持或提高早期、后期強度以及耐久性、抗冰融、抗鹽蝕等性能。只有這樣，才能在水泥市場上，得以推廣應用。

表2 現代水泥廠CO2排放量*（平均值）

表3 地殼內主要元素百分比，%

表4 各種膠凝化合物的CO2減排量

表5 各水泥公司開發的新型水泥熟料成分*，%

按上述要求，歐洲幾家知名的水泥生產公司開發出了CO2排放量低的新型水泥熟料，見表5。

4 普通熟料生產線生產新型水泥熟料的影響

采用普通熟料生產線生產新型水泥熟料的影響如下：新型熟料較普通熟料煅燒溫度低約200℃，熱耗低。燒成帶耐火材料成分和性能相應改變，以滿足生產需求。出窯熟料溫度降低，且結粒改善，冷卻機使用材質及熱回收效率有所改變。此外，入窯入爐的二次、三次風溫均降低，窯內熱工制度有所變化。

生料磨系統中，生料所需的石灰石用量減少。硅鋁質和含硫原料有所增加，生料喂料裝置要作相應調整。水泥粉磨系統將設置新型熟料的儲存庫和喂料裝置等，還需滿足既供應普通水泥又供應新型熟料水泥的市場需求，對輸送和儲庫（倉）作相應改造。

5 結束語

水泥熟料生產面臨減少CO2排放的壓力，為此歐洲一些水泥公司開發出與普通水泥熟料成分不同的熟料，CO2排放量減少約20%～30%。

新型水泥熟料在試驗室開發一般需要數年時間，才能滿足水泥和混凝土對性能的要求。但是市場應用難度較大，主要是人們對這些新型熟料水泥有一個認識過程，在推廣應用過程中，還須制定有關新型水泥熟料所生產的水泥和混凝土的性能規范和建筑結構法規等，此外耐久性等性能還需長時間才能得到證實，估計需要更長的時間才能在市場上廣泛應用。

陳友德編譯自

No.3/2014

International Cement Review