新一代“綠色水泥”

文/陳禮英 陳福民

水泥無處不在，我們被水泥所包圍。由于如火如荼的房地產建設，作為建筑基礎用料的水泥的需求以每年超過6%的速度增長，據報道，2010年世界各國共生產了36億噸的水泥，若將其全部傾注于美國紐約州曼哈頓島上，將堆積成一個高達14米的巨型石柱；并且在2050年這個數據將會再提高10億噸，那時全球水泥產量所堆積的巨石柱將會更高。可以說，水泥是世界上人類使用的僅次于水的物質。

水泥，在行業內有個代名詞叫“高能耗行業”。英國《衛報》2010年公布的數據顯示，每生產1噸普通水泥，就釋放出近1噸二氧化碳。水泥的生產占據了世界二氧化碳排放量的5%，全球航空業二氧化碳排放量的3～4倍。

面對水泥引發的環保問題一籌莫展的時候，科學家們另辟蹊徑，研發出不同的材料，以替代傳統的普通水泥的原料。于是，綠色水泥誕生了！

水泥的身世

傳統水泥企業的碳排放

早在2000多年前，古羅馬人把石灰、火山灰以及石塊摻在一起形成混凝土，用于建造海港、紀念碑、萬神殿和羅馬圓形大劇場等建筑物。這種混凝土是粉狀無機凝膠材料，加水攪拌后成漿體，它能在空氣或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結在一起。

到了1824年的一天，英國石匠約瑟夫·阿斯普丁在廚房里加熱一種經研磨的石灰巖和黏土混合物，當加入水后，這種混合物便板結硬化，于是就用來作建造的基礎性材料。由于這種材料從表面上看上去與產自波特蘭島上建筑流行石料相似，阿斯普丁便將這種材料命名為“波特蘭水泥”，當年，他以“人造新式石頭工藝的改進”注冊了這項發明專利。這就是目前人類最廣泛使用的建筑材料——硅酸鹽水泥。

制造硅酸鹽水泥一般可分為生料制備、熟料煅燒和水泥制成三個工序，也就是以石灰石和黏土為主要原料，經破碎、配料、磨細制成生料，然后喂入水泥窯中煅燒成熟料，再將熟料加適量石膏（或添加劑等）磨細而成。

生產水泥的第一步是將石灰石和鋁硅酸鹽黏土這兩種配料混合在一起。這兩種物質分別都有各自的化學成分和一些雜質。將混合物喂入窯中煅燒，溫度達到約1500攝氏度時將發生各種反應，最后形成略帶灰色的、體積如大理石般的厚塊——水泥熟料，它含有硅、鐵、氧化鋁（大多數來自于黏土）和氧化鈣（即生石灰）。在生石灰的形成過程中，石灰石中的碳酸鈣向大氣中排放二氧化碳。這個過程中的二氧化碳排放是水泥生產工藝中溫室氣體排放的主要來源。二氧化碳排放的另一個來源，就是生產水泥的時候煅燒過程中需要高溫加熱，因此需要耗費大量能量來對水泥窯里面的加工原料進行加熱，比如像石灰石，它在分解的過程中還會進一步釋放出二氧化碳。

把這筆“賬”加起來，采用這種生產工藝，每生產1噸水泥就要向大氣中排放1噸二氧化碳。所以，世界各國水泥制造業所排放的二氧化碳，約占全球溫室氣體排放總量的5%；而在美國，水泥制造業的二氧化碳排放量居第三位，僅次于油燃料消費（用于交通、電力、化工制造等）和鋼鐵工業。

低碳的綠色水泥

巴西卡萊拉綠色水泥廠

那么，什么是綠色水泥？

所謂綠色水泥，應是比傳統水泥能更多的利用廢棄材料，而降低熟料在水泥中的比重，從而大幅度降低二氧化碳排放和利用一切能減少水泥單位能耗的技術來降低水泥生產的能耗的水泥。

因此，要打造綠色水泥，實現減排目標，就需要設法減少水泥生產過程中的兩個主要排放源：一是要選擇煅燒過程中二氧化碳排放量少的替代性配料，甚至是無需煅燒的材料直接作為熟料；二是要選擇煅燒溫度較低的配料，以減少燃料消耗量。

目前比較有代表性的有英國、巴西、美國和澳大利亞的三家公司分別發明的三種不同的“綠色”水泥。

英國科學家發明出一種新型環保水泥，它的“特長”是可有效吸收二氧化碳。

英國諾瓦西姆公司的科學家發明的新型水泥以鎂硅酸鹽為基礎原料，生產過程是在大約650℃的低溫運行。這樣不僅在制造過程中比標準水泥需要的熱量少，使每噸水泥生產過程中只排放0.5噸的二氧化碳，而且水泥在硬化的時候還能夠有效吸收空氣中大量的二氧化碳，每噸水泥能吸收0.6噸的二氧化碳，這樣，這種新型水泥就不會產生碳足跡。

英國科學家還指出，全球有豐富的鎂硅酸鹽資源，儲量高達10萬億噸，而新水泥的生產工藝是屬于化學性質的，這意味著它也可以利用各種含鎂成分的工業副產品作為原料，生產這種綠色水泥有著豐厚的原料基礎。

巴西卡萊拉公司則是從水泥的生產技術著手，以二氧化碳作為水泥生產的能源消耗來源，采用催化技術而不是加熱處理。具體來說，采用甘蔗渣和稻殼等農業廢料作為原料生產環保且價廉的“綠色”水泥。這是巴西科研機構近來成功研發一項新技術。利用甘蔗渣和稻殼等農業廢棄物生產“綠色”水泥不僅有利于減少傳統原材料生產水泥時造成的環境污染，還能實現廢物循環利用，增加農業產品附加值，節省水泥生產成本。

由于加工甘蔗渣的過程相對簡易、快捷，耗能量低，這種“綠色”水泥的生產成本只有傳統水泥的十分之一，其使用壽命比傳統水泥長，質地也更細密。這樣就不僅可以大大減少能量消耗，而且還可以緩解溫室氣體排放問題。因此每生產1噸卡萊拉綠色水泥能吸收半噸二氧化碳，從而可以大幅減少溫室氣體排放量。

巴西盛產甘蔗，其年產量和出口量均居世界首位。巴西現有甘蔗耕地約650萬公頃，2007年其甘蔗產量達5.5億余噸。

巴西目前水泥年均產量為4500萬噸。如果按甘蔗渣殘留物在水泥混合物中的比例為15%計算，巴西每年可減少排放約300萬噸二氧化碳。

美國弗吉尼亞州亞歷山大市的一家水泥公司Ceratech則另辟蹊徑——致力于尋求替代傳統水泥熟料的解決方案。該公司從古羅馬工程師們2000年前使用的水泥中獲得靈感——采用火山灰作為天然水泥熟料，在火山灰中摻水使其發生反應生產水泥。

Ceratech公司正在利用粉煤灰（從煤電廠排放的燃燒氣體中濾出的微粒）作為水泥熟料。全美的煤電廠每年大約產生7000萬噸粉煤灰，其中絕大部分被存儲或由廢棄物填埋場處理。Ceratech公司在粉煤灰摻入若干種添加劑，然后將其用作水泥粉。這種工藝不需要加熱過程，因此公司認為粉煤灰水泥沒有碳污染。

雖然某些水泥生產商數年前就已采用含有粉煤灰的混合物生產水泥，但其粉煤灰的比例只有15%。Ceratech公司行政副總裁馬克·瓦西庫指出，按照公司開發的新配方，粉煤灰比例高達95%，其余5%為液態添加劑。此外，由粉煤灰水泥制成的混凝土其強度高于各類傳統水泥，因而可以減少建筑物的水泥使用量。以一座面積為4600平方米、典型的三層建筑物為例，使用該公司生產的粉煤灰水泥可以大大減少混凝土和加強型鋼筋的使用量——能分別減少183立方米和34噸。同時也能使廢棄物填埋場減少粉煤灰處理量374噸，二氧化碳減排效益可達320噸。

澳大利亞生態技術公司所開發的新生態水泥以廢料、粉煤灰、普通水泥和氧化鎂為主要原料，充分利用氧化鎂具有可回收、低能耗、釋放二氧化碳少的特點。該公司經實驗證明，新開發出的水泥更耐硫酸鹽、氯化物和其他腐蝕性化學元素的侵蝕，在強度上完全可以與傳統水泥媲美。

垃圾變綠色水泥

讓垃圾變綠色水泥

石化廠的脫硫石膏、電廠的粉煤渣、造船廠的除銹銅渣、電鍍廠含重金屬的污泥……這些難以處理、對環境有害的工業垃圾，如今可以被吃進水泥窯里，吐出高品質的綠色水泥。

這是我國科技人員創造的奇跡。

還在2000年1月，中國混凝土學科的一代宗師、著名無機非金屬材料科學家吳中偉院士病危時，把中國水泥技術研究領域的領頭人徐德龍叫到病榻前，聽完徐德龍如何完善工藝系統，利用高新技術，使高爐礦渣、鋼渣、粉煤灰和城市垃圾變廢為寶的研究狀況后，消瘦的臉龐上綻開了久違的微笑。“這我就放心了，有你牽頭搞，一定能成功，拜托了！”

2011年年底，這位中國工程院院士、西安建筑科技大學校長領銜完成的“高固氣比懸浮預熱分解理論與技術（XDL水泥熟料煅燒新工藝）”被評上2011年度“中國高等學校十大科技進展”項目。同時，該項成果獲準列入科技部支撐計劃以及國家發改委重點節能減排技術推廣項目。

如今，在寧波科環新型建材有限公司的水泥窯里，“鎮海煉化”每年產生10萬噸脫硫石膏，都能“變廢為寶”；北侖電廠和鎮海電廠的粗粒煤渣也被作為替代原料每年能消化5萬噸。還有，寧波地區200多家電鍍和不銹鋼生產企業，在生產過程中每年產生約5萬噸含鉻、鎳、銅、鋅等重金屬的污泥，而通常的處置方法是以填埋為主，既消耗大量的土地資源，又存在對周邊環境特別是水源和土壤產生二次污染的風險。“科環”新型建材有限公司在環保主管部門的支持下，與清華大學合作，對“無害化處理含重金屬污泥”項目進行研究，在研究可行的前提下，進行了為期一年的試驗，已達到了每天消化97噸含重金屬污泥的試驗目標。

在臺州海螺水泥有限公司，2008年開始消化粉煤灰、濕粉煤灰、脫硫石膏分別達到243556.75噸、11220.18噸、5784.28噸，年消化“三廢”量達到26萬多噸，由傳統的“資源—產品—廢棄物”的單向式直線過程，轉變為“資源—產品—廢棄物—再生資源”的循環過程，變廢為寶，積極打造“綠色水泥”。

徐德龍和他的同事們經過多年研究，他和他的團隊掌握了高爐礦渣超細粉大比例替代水泥熟料制備高性能混凝土的配比和方法，成功開發出了高爐礦渣水泥的加工工藝，將那些昔日一文不值、禍害不小的廢棄物變成了發展循環經濟、促進節能減排的新資源，其研究水平躍居國際領先地位。

徐德龍和他領導的粉體工程研究所，先后為全國數十家鋼鐵企業建成了各項技術指標居世界領先水平的礦渣水泥生產線，年處理礦渣1200萬噸，為企業年新增經濟效益12億元。與此同時還創造了年減排二氧化碳1200萬噸、節煤1100萬噸等喜人的環保效益和社會效益。

目前，我國水泥單位產品能耗比國際先進水平仍高43%，水泥生產能耗約占全國能源消耗量的7%左右。以2012年22億噸的產量為例來計算，水泥單耗每下降1個百分點，每年就可以節約標準煤220萬噸。由此可見，水泥節能具有巨大的潛力。

專家估計，大約到2014年綠色水泥就能投入批量生產。它必將在未來的世界“攪動一池春水”，有望讓我們的生活更加健康和美好。