助力碳中和商品混凝土行業(yè)清潔生產(chǎn)及其技術(shù)探討

方倩倩（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》強(qiáng)調(diào)“落實(shí) 2030 年應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)，錨定努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。 國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出“建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系，確保實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和”。要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”，大幅降低溫室氣體排放，不僅要加快實(shí)現(xiàn)能源利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能效提升，還要促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全面綠色轉(zhuǎn)型，全面提高資源利用效率。

我國(guó)于 2003 年正式頒布實(shí)施《清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》，旨在通過(guò)明確工作職責(zé)、獎(jiǎng)懲措施、法律責(zé)任等強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任的履行，推動(dòng)全社會(huì)從源頭控制污染，提高資源利用效率，減少或避免生產(chǎn)、服務(wù)和產(chǎn)品使用過(guò)程中污染物的產(chǎn)生和排放，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。建材業(yè)是我國(guó)建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“碳達(dá)峰” “碳中和”重點(diǎn)整治行業(yè)，是能源、資源消耗及碳排放大戶。每年約消耗礦產(chǎn)資源 50 億 t、能源標(biāo)煤 2 億 t，排放 CO2約 2.4 億 t。商品混凝土作為建材行業(yè)中經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大的產(chǎn)業(yè)，對(duì)整個(gè)建材業(yè)綠色生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn) “碳中和”“碳達(dá)峰”具有重要的意義。

1 商品混凝土發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 商品混凝土產(chǎn)量

目前，我國(guó)商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)約有 11 000 余家。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2018年，規(guī)模以上企業(yè)生產(chǎn)商品混凝土 17.96 億 m3，產(chǎn)值超 7 000 億元，同比增長(zhǎng) 12.41%[1]。2019 年全國(guó)規(guī)模以上進(jìn)入流通領(lǐng)域的商品混凝土產(chǎn)量 25.5 億m3，約占世界商品混凝土總量的 50% 以上，上海市 2017 年備案商品混凝土生產(chǎn)企業(yè) 140 余家，共完成 5 173.79 萬(wàn) m3，消耗水泥約 2 500 萬(wàn) t。巨大的產(chǎn)業(yè)體量為節(jié)約能源消耗和減少污染物排放帶來(lái)巨大空間潛力。

1.2 商品混凝土能源消耗情況

商品混凝土生產(chǎn)過(guò)程中各工序的耗能包括電力、汽（柴）油等。上海市商品混凝土行業(yè)單位產(chǎn)品能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，每立方米混凝土的生產(chǎn)電耗在 2～3 kWh，生產(chǎn)油耗為 0.15～0.20 L，生產(chǎn)水耗在0.16～0.19 m3。電耗占總能耗的比例為 60%～65%，是混凝土生產(chǎn)能耗的主要組成部分。攪拌機(jī)是混凝土生產(chǎn)的主要耗電源，其耗電量約占總耗電量的 50%，其他耗電量較大部位（設(shè)備）為砂石分離機(jī)、地坑和碼頭皮帶機(jī)[2]。此外，企業(yè)生產(chǎn)綜合能耗與企業(yè)設(shè)備、工藝技術(shù)、生產(chǎn)連續(xù)性等因素均有關(guān)。生產(chǎn)規(guī)模較小的企業(yè)其生產(chǎn)能耗水平明顯偏高。

表1 單位產(chǎn)品混凝土生產(chǎn)能耗分類(lèi)統(tǒng)計(jì)情況

1.3 商品混凝土污染物排放情況

從環(huán)境、質(zhì)量和能效角度來(lái)看，我國(guó)商品混凝土工業(yè)還處于粗放型、質(zhì)量效益型并存階段。2016 年全國(guó)混凝土產(chǎn)量 22.29 億 m3，混凝土工業(yè) PM 排放量占全國(guó)排放總量的比例為 15%～20%。商業(yè)混凝土站在運(yùn)行時(shí)，大量的粉料（水泥、工業(yè)廢渣如粉煤灰、礦渣等）拌和產(chǎn)生大量粉塵，造成環(huán)境污染，導(dǎo)致 PM 超標(biāo)。

商品混凝土攪拌站污染物排放情況如表2 所示。污染物主要包括粉塵顆粒、生產(chǎn)廢水、生活污水、噪聲以及固體廢棄物。粉塵顆粒排放主要包括砂石、粉料卸料、主機(jī)樓攪拌機(jī)生產(chǎn)和廠區(qū)內(nèi)車(chē)輛運(yùn)輸粉塵、廢氣。廢水的排放主要來(lái)自于攪拌機(jī)沖洗、運(yùn)輸車(chē)輛沖洗和生產(chǎn)區(qū)地面沖洗過(guò)程中產(chǎn)生的廢水。

表2 混凝土攪拌站污染物排放情況

1.4 資源綜合利用

商品混凝土生產(chǎn)需要消耗大量水泥，目前原材料配比中水泥用量為 230～460 kg/m3，天然砂用量為 510～780 kg/m3。我國(guó)水泥年產(chǎn)量居世界首位，而水泥建材是傳統(tǒng)高能耗行業(yè)。混凝土行業(yè)對(duì)固體廢棄物利用的整體水平尚不高，少量企業(yè)產(chǎn)品的固廢利用率在 30% 左右。通過(guò)大宗固廢替代部分水泥，可以減少水泥用量，節(jié)約能源消耗，降低混凝土水化熱的同時(shí)，提高施工耐久性，進(jìn)一步提高工程質(zhì)量。此外，我國(guó)對(duì)于高標(biāo)號(hào)、高性能混凝土的開(kāi)發(fā)應(yīng)用仍有較大發(fā)展空間。研究開(kāi)發(fā)超細(xì)復(fù)配技術(shù)，采用高性能減水劑進(jìn)一步提高混凝土活性，減少水泥用量，顯現(xiàn)較大的技術(shù)潛力。

2 商品混凝土清潔生產(chǎn)技術(shù)

清潔生產(chǎn)是控制環(huán)境污染、提高商品混凝土復(fù)配工業(yè)廢渣摻量的有效措施，徹底改變了過(guò)去被動(dòng)的、滯后的污染控制手段，強(qiáng)調(diào)在污染產(chǎn)生之前就進(jìn)行有效控制和削減。以下是項(xiàng)目組針對(duì)上海市混凝土攪拌站開(kāi)展清潔生產(chǎn)試點(diǎn)示范項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，供商品混凝土企業(yè)參考借鑒。

2.1 污染源削減技術(shù)

從工藝與操作中削減。

（1）粉料輸送，提升過(guò)程轉(zhuǎn)落處設(shè)法降低落差，或?qū)Ρ匾母呗洳罘帕咸幉捎谩败浿憽钡染纱蠓葴p降揚(yáng)塵產(chǎn)生量。

（2）加強(qiáng)工藝系統(tǒng)密封，杜絕“跑冒滴漏”，可明顯減降混凝土攪拌站的產(chǎn)沉點(diǎn)和揚(yáng)塵無(wú)組織排放。如某混凝土攪拌站清潔生產(chǎn)審核項(xiàng)目，在碼頭卸料段和攪拌機(jī)上料段的皮帶機(jī)外圍設(shè)置了塑料布進(jìn)行全封閉處理，避免風(fēng)力對(duì)集料粉塵所造成的污染。據(jù)測(cè)算年減少粉塵排放約 0.15 t，同時(shí)避免了風(fēng)雪對(duì)混凝土質(zhì)量的影響，延長(zhǎng)輸送帶的使用壽命。

2.2 環(huán)境負(fù)荷削減技術(shù)

以上海市某混凝土攪拌站清潔生產(chǎn)審核項(xiàng)目為例，通過(guò)研究設(shè)計(jì)粗集料全部由再生粗集料取代天然原材料；同時(shí)選擇活性指數(shù)較高、固廢（粉煤灰、鋼渣）比例較高的復(fù)合摻合料，按照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行大摻量固廢混凝土配合比設(shè)計(jì)與制備，使混凝土中的固廢摻量達(dá)到 70% 以上。C20～C40 大摻量固廢混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 C20～C40 大摻量固廢混凝土配比

C20～C30 大摻量固廢混凝土基本性能如表4 所示。由表4 和其他現(xiàn)場(chǎng)混凝土對(duì)比情況可得以下方面。① A3 混凝土集料包裹性較差，A1 和 A2 流動(dòng)性較好，且 A1、A2和 A3 的 28 d 抗壓強(qiáng)度均達(dá)到 C20 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。② B2、B3 混凝土流淌均勻，工作性能較好；B1 混凝土工作性能尚可；B1、B2 和 B3 的 28 d 抗壓強(qiáng)度均達(dá)到 C30 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。③ C1 混凝土拌合物工作性能較好；C2 混凝土拌合物集料離析較嚴(yán)重；C3 集料未混勻，粗顆粒多，導(dǎo)致集料包裹性不好。C1、C2 和 C3 的 28 d 抗壓強(qiáng)度均達(dá)到 C40 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。

表4 C20～C30 大摻量固廢混凝土基本性能

從 C20～C40 各強(qiáng)度等級(jí)的大摻量固廢混凝土中分別選取 2 組工作與力學(xué)性能較優(yōu)的配比，并對(duì)再生粗集料進(jìn)行強(qiáng)化后配制混凝土，對(duì)混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能、抗凍性、抗氯離子滲透、收縮及碳化性能等進(jìn)行測(cè)試分析。混凝土具體配合比及拌合物性能如表5 所示，混凝土耐久性能如表6 所示，混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能及耐久性能分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能

圖2 混凝土耐久性能

表5 混凝土配合比及拌合物性能

表6 混凝土耐久性能

通過(guò)性能測(cè)試可知：C20～C40各強(qiáng)度等級(jí)大摻量固廢混凝土的強(qiáng)度基本都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且在 90 d 內(nèi)強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展；經(jīng)過(guò)快凍 150 次后，C20～C40 質(zhì)量損失小或無(wú)損失，相對(duì)動(dòng)彈模量均達(dá)到 80% 以上，抗凍性良好；C20～C40 抗?jié)B等級(jí)均＞P6，抗?jié)B性能良好；C20 大摻量固廢混凝土抗碳化性能和抗氯離子滲透性較差，C30～C40混凝土抗碳化性和抗氯離子滲透性較好；C20～C40 各等級(jí)大摻量固廢混凝土的干縮基本低于同等級(jí)普通混凝土的干縮。總體而言，除 C20 大摻量固廢混凝土耐久性稍差外，C30～C40 混凝土具有良好的耐久性。

該方案實(shí)施以后，預(yù)拌混凝土產(chǎn)品的原材料中固廢原材料的應(yīng)用比例由原來(lái)的 10.9% 提高至 16.4% 左右，單位產(chǎn)品固廢原材料應(yīng)用量提高至 385 kg/m3（提高量約為130 g/m3）。方案的實(shí)施大量節(jié)約了混凝土對(duì)碎石、砂等不可再生礦產(chǎn)資源的消耗。2016 年公司共生產(chǎn)混凝土58.8 萬(wàn) m3，據(jù)統(tǒng)計(jì)，天然砂單位產(chǎn)品消耗減少 50 kg/m3，石子單位產(chǎn)品消耗減少 80 kg/m3，約合減少天然砂用量29 400 t，石子 47 440 t/a，相當(dāng)月節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 443 t，減少 CO2排放量 1 107.5 t。

2.3 提高資源效率技術(shù)

（1）廢水循環(huán)、回收利用。實(shí)施生產(chǎn)廢水、廢漿的回收利用。建立完備的污水回收和污水多級(jí)沉淀系統(tǒng)，攪拌機(jī)清洗、運(yùn)料車(chē)清洗、場(chǎng)地沖洗和攪拌車(chē)清洗等過(guò)程產(chǎn)生的污水經(jīng)過(guò)沉淀池多級(jí)沉淀后，分別再次用于生產(chǎn)用水（約占20%）和攪拌用水（約占 80%），可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程污水的全回收利用、零排放。

如某混凝土攪拌站審核項(xiàng)目，通過(guò)開(kāi)展清潔生產(chǎn)，建立全廠貫通的排水溝槽，將各種廢水統(tǒng)一引流至廢水沉淀池，沉淀池在對(duì)廢水進(jìn)行多級(jí)沉淀處理后，部分廢水經(jīng)水泵抽至攪拌機(jī)用于混凝土產(chǎn)品的生產(chǎn)，剩余廢水再次用于地面及車(chē)輛清洗。最終實(shí)現(xiàn)公司廢水零排放。

（2）廢棄混凝土回收利用。配備砂石分離機(jī)。對(duì)報(bào)廢的混凝土廢料和運(yùn)輸車(chē)中的殘余物通過(guò)砂石分離機(jī)進(jìn)行分離，分離得到的砂石可回收再次利用；水泥漿引流至污水處理池中。從而減少固體廢棄物的排放，并實(shí)現(xiàn)砂石的回收利用。

2.4 提高效能技術(shù)

（1）優(yōu)化攪拌站工藝技術(shù)和裝備水平。進(jìn)一步完善混凝土攪拌系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速技術(shù)。采用先進(jìn)的可編程控制技術(shù)（PLC）和變頻器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)斜皮帶機(jī)、平皮帶機(jī)、雙攪拌機(jī)根據(jù)工藝流程協(xié)調(diào)運(yùn)行，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速、軟啟動(dòng)、提高系統(tǒng)功率等來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。根據(jù)自動(dòng)生產(chǎn)流程中各生產(chǎn)工藝過(guò)程的空載和可減速運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速運(yùn)行[3]。

如上海某公司審核項(xiàng)目對(duì)攪拌機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻式改造，通過(guò)不同工況下的變頻調(diào)速和無(wú)功功率補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能。改造后的攪拌機(jī)節(jié)電效果可達(dá) 11%。目前企業(yè)一臺(tái)攪拌機(jī)年耗電約為 26.00 萬(wàn) kWh，實(shí)施變頻改造后，年節(jié)電約 2.86 萬(wàn) kWh，年節(jié)約標(biāo)煤 8.58 t，年減少 CO2排放減排約 21.39 t，節(jié)能減排效果明顯。企業(yè)每年可節(jié)電 3.12 萬(wàn)kWh，以平均電價(jià) 1 元/kWh 計(jì)算，則企業(yè)每年可節(jié)約電費(fèi)為 3.12 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（2）電子信息技術(shù)應(yīng)用。采用 ERP 企業(yè)服務(wù)軟件、GPS 車(chē)輛管理軟件、生產(chǎn)管理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)、自控信息系統(tǒng)[4]，針對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)輸和產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)管，嚴(yán)控混凝土質(zhì)量，提高建筑物的耐久性，實(shí)現(xiàn)生命周期的綠色化。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)今我國(guó)混凝土行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 9 000 億元，并且據(jù)預(yù)測(cè)這個(gè)規(guī)模到 2035 年還將增長(zhǎng) 1 倍。基于固廢摻合料復(fù)配技術(shù)開(kāi)發(fā)的再生混凝土，可實(shí)現(xiàn)和當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)混凝土產(chǎn)品對(duì)氣候影響大幅度降低的效果。如果大摻量固廢技術(shù)得以規(guī)模化推廣，到 2035 年能夠有效減少 CO2當(dāng)量排放。上海市每年排放粉煤灰約 300 萬(wàn) t、建筑垃圾 2 000 萬(wàn) t。按照上海市年產(chǎn) 5 000 萬(wàn) m3商品混凝土計(jì)算，固廢僅代替 5% 水泥，每年節(jié)約能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤約 95 000 t，相當(dāng)于每年減少碳排放CO269 萬(wàn) t。因此，研究開(kāi)發(fā)再生混凝土，擴(kuò)大大宗固廢規(guī)模化利用與高值利用，對(duì)加速助力行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)，大幅降低溫室氣體排放發(fā)揮關(guān)鍵作用。

通過(guò)開(kāi)展企業(yè)清潔生產(chǎn)，提高資源利用效率，能耗限額管理、強(qiáng)化過(guò)程控制等提升綠色化水平，把人們帶入低碳建筑時(shí)代，不僅是發(fā)展綠色建筑的必然要求，也是實(shí)現(xiàn)商品混凝土產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、綠色發(fā)展的重要舉措。