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低碳水泥助力“雙碳”目標

發布日期:2022-07-07 作者: 點擊:

水泥,別名“洋灰”,距今已有200余年歷史。1824年英國人約瑟夫·阿斯譜丁首次發明了硅酸鹽水泥,并取得了水泥的專利權,命名為波特蘭水泥,這在水泥史上擁有劃時代意義?!扒уN萬鑿出深山,烈火焚燒若等閑。粉骨碎身渾不怕,要留清白在人間?!边@是我國明代文學家于謙對石灰的稱贊,而石灰正是水泥的主要原料。

 

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圖1水泥(圖片來自網絡)


當水泥在西方大行其道時,我們還在使用木頭、磚坯和石頭建造建筑,雖然質量和美觀一流,但不是造價昂貴,就是防水防火性能差。1889年,水泥傳入中國,人們驚喜地發現這種像面粉一樣軟綿綿的“土”真能用來蓋房子,于是給它取了一個小名—“洋灰”。洋火、洋油、洋灰、洋布、洋釘、洋堿、洋匣子…當初這些“洋”是中國落后的見證,而如今中國已經是世界上Z大的水泥生產國。水泥的橫空出世,徹底改變了人類建筑歷史,水泥、砂、石子、鋼筋,哥兒四個組成硬邦邦的“鋼筋混凝土”戰隊,橫掃現代化社會,如今的大小城市已是鋼筋水泥的森林,水泥改變了人類的進程和地球的面貌。




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圖2 古代木質建筑VS現代鋼筋水泥城市森林(圖片來自網絡)


然而,與“洋灰”這么洋氣的名字相比,水泥本身生產過程卻實在與洋氣不沾邊。水泥粗放的生產模式一直受到大家詬病,在全球變暖、“雙碳”新形勢下尤為突出。石灰石(CaCO3)是生產波特蘭水泥的一種關鍵成分,但為此需要從地球上提取巖石,將其粉碎,然后與其他材料一起在極高的溫度下烘烤。CaCO3變成了有用的CaO和沒用的CO2,這個過程本身就產生了水泥生產中三分之二以上的碳排放。如果不這么做,這些二氧化碳原本會被安全地鎖住數億年,但隨著越來越多的石灰石被挖出并烘烤成水泥生產的原料,它們反而大量地進入了大氣。研究表明,生產水泥可產生大量二氧化碳廢氣,多達全球二氧化碳排放總量的8%,這還是個低估數值。曾有人說,如果將水泥生產行業當作一個國家,它將是繼中美之后的第三大碳排放國。那么,在新形勢下如何使水泥再度洋氣起來?秘訣就在于低碳二字。


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圖3 低碳水泥概念(圖片來自網絡)


2020年,我國水泥工業碳排放達到13.79億噸,占全國碳排放總量的13.5%,是減排的重點和難點,2030年前,水泥工業必須要實現減碳40%。水泥工業自身要實現低碳、高效生產,目前面臨Z緊迫的任務就是開發低碳、高效、潔凈的水泥生產工藝以及相關技術,提高能源利用效率,創新清潔生產模式。早在2020年,低碳水泥就已入選《科學美國人》評選的年度十大新興技術之一。


現有新型干法水泥生產工藝中,水泥生產的二氧化碳來源有兩個:一是源自煤炭等化石燃料的燃燒(排放占比32%),燃燒過程為水泥生產提供高溫環境;二是源自回轉窯中石灰石燒成熟料的化學過程(排放占比63%)。Z終將熟料磨細后與其他材料混合即可形成水泥。

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圖4 新型干法水泥窯生產工藝流程(圖片來自網絡)

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圖5 單位水泥熟料CO2排放占比


目前新型干法水泥生產工藝中水泥熟料主要燒自于不停轉動的龐然大物回轉窯中(圖6所示),其直徑約5米,長度更是達到70余米。如此的龐然大物不僅外部壯觀,內部也異常暴躁,在煤粉燃燒的加持下,窯內部煙氣溫度高達1700~1800℃,而目的僅僅是將進入到窯內的物料加熱到1400℃左右,煙氣-物料間高達300℃以上的溫差是現有回轉窯低傳熱效率的表現。目前回轉窯致命的弱點是堆積態煅燒導致傳熱傳質效率低、轉動功率大、體積龐大,導致熱耗、成本等指標難以顯著降低,一直是人們想要“革命”的對象。


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圖6 龐大的回轉窯(圖片來自網絡)


要想實現低碳水泥生產,則需要進行原料、燃料、工藝過程等各環節創新技術的突破。水泥工業碳減排路徑主要包括:


  • 燃料替代。使用垃圾、生物質等可燃廢棄物以及綠氫、光伏等新能源,減少煤炭等傳統化石燃料的燃燒。數據顯示,如果在水泥生產中使用40%的替代燃料,則每生產100萬噸熟料將少排放約10萬噸二氧化碳。目前,歐洲發達國家已有超過2/3的水泥廠使用替代燃料,可燃廢物在水泥工業中的替代比例平均達20%。但目前我國燃料替代仍處于研發和示范階段,整體替代率偏低,推廣應用仍有巨大的空間。

  • 原料替代。包括采用電石渣、鋼渣、礦渣等富鈣廢棄物,替代石灰石作為水泥生產用原料,能夠節約大量的天然礦產資源,因此采用工業固體廢棄物作為替代原料是水泥工業協同處置工業固廢、減少天然礦物消耗、降低二氧化碳排放的重要手段之一。我國水泥年產量約24億噸,每生產1噸水泥熟料需要消耗約1.3噸的石灰質原料。而原料替代面臨的問題是,富鈣廢棄物的可利用量難以滿足水泥生產需求。

  • 變革性水泥熟料生產工藝?;剞D窯是水泥熟料生產的主要設備,實現低碳水泥生產,就需要變革水泥熟料生產工藝。如果說未來誰Z可能替代回轉窯,那自然首推流態化水泥熟料煅燒。在流態化煅燒條件下,傳熱傳質效率高,可實現幾秒內將物料快速升溫至1400℃左右,是理想的水泥熟料生產裝備。與回轉窯相比,流態化條件下煅燒水泥熟料可實現煤耗降低20%以上,二氧化碳減排25%以上(若采用生物質等替代燃料,效果將更加明顯),氮氧化物排放降低40%以上,是下一代新型低碳水泥窯爐技術。


上世紀50年代以來,美國、日本、中國、俄羅斯、印度等國家都相繼對不帶回轉窯的沸騰燒成工藝進行了研究。由于當時的科技水平所限,采用沸騰爐(流化床)煅燒水泥熟料時,在高溫(1300-1400℃)有液相存在的條件下維持正常的流態化操作難度非常大,在20世紀90年代之前均未取得完全的成功,更達不到工業化的要求。


中科院工程熱物理研究所水泥窯爐研發團隊基于流態化燒成原理,并結合實驗室在循環流化床方面40余年的研究基礎,在中國科學院戰略性先導專項的支持下,在現有新型干法水泥生產工藝基礎上,創新性地提出了低碳水泥預煅燒-燒成工藝,實現水泥熟料生產過程中的生料分解、硅酸二鈣煅燒、硅酸三鈣燒成分區域進行,在節能和二氧化碳減排等方面的諸多優勢,目前已經完成機理、小試研究,正在開展10t/d中試技術開發。


在雙碳背景下,水泥行業碳減排勢在必行、大有可為,在國家的大力支持下,大家八仙過海、各顯神通,相信在不久的將來會有一批低碳水泥、零碳水泥新技術實現突破性進展,并得以推廣應用,進一步加快我國水泥行業碳中和進程。


來源:中國科學院工程熱物理研究所

本文網址:http://www.samariah.com/news/707.html

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