钻研水泥技术 用智慧点亮“绿色未来”

  提起“绿色未来”，大家往往想到的是治理污水、汽车尾气、塑料袋……却很难与水泥技术联系在一起，水泥技术与绿色未来有着怎么样的关联？北京工业大学材料学院材料环境协调性评价中心有着这样一支团队，致力于材料全生命周期分析系统的研究，为水泥这类低附加值的传统耗能行业向高效生态型发展提供技术引领和支撑。

  普通水泥中的大学问

  对于水泥，我们并不陌生，然而水泥生产过程却鲜为人知：大小不一的石灰石经过破碎，加入砂岩等磨细制成生料，喂入水泥窑中煅烧成熟料，再将熟料与适量石膏磨细而成。看似简单的过程，控制不好很容易给环境带来一定程度的危害，首先是水泥从原材料采集到生产完成对资源能源的依赖度高，其次是生产过程会产生大量粉尘和烟气。而在城市建设中，水泥是不可或缺的建筑材料，如何破解它与环境这一矛盾？

  钻研水泥技术 用智慧点亮

  北京工业大学材料学院材料环境协调性评价中心自主研发了材料全生命周期分析系统，并应用于指导水泥等传统材料的节能减排。材料全生命周期分析系统是什么？它是怎样指导水泥企业节能减排，以最低的能耗、最少的污染，生产出最大效能的产品，实现绿色转型的呢？

  材料生命周期分析系统就是基于LCA开发的分析材料流程资源/能源消耗和环境排放等综合环境负荷的技术工具，目标是以最少的资源能源消耗、最低的污染生产出最大效能的产品。不仅能够通过清单分析给出原材料消耗、电耗、热耗、CO2排放等单项环境负荷指标，而且通过特定的计算方法给出包括资源/能源消耗和环境排放的综合环境负荷指标，避免单指标片面性和多指标不确定性，更方便地评价与比较不同工艺、同一流程中的不同工序、以及流程和工序在不同时间段的环境负荷变化情况，更科学更精细地挖掘节能减排潜力。

  水泥环境负荷评价与节能减排仅是材料生命周期分析系统的一个典型应用，核心是通过建立标准化流程对照法，实现了LCA方法与水泥材料工业流程的对接。实际流程与标准化流程对比可以计算出改进潜力指数，提出并优选改进方案。基于这种方法，提出了水泥清洁生产的综合评价法，形成了水泥清洁生产评价指标体系等国家和行业标准。根据行业管理和企业分项管理的需要，经过工序参数建模与流程模型集成，开发出水泥生命周期能耗分析、碳排放等单项指标分析软件，集成清单分析、影响评估等功能。对北京水泥企业生产流程进行了环境负荷分析，辨识出环境负荷重点工序和主要影响类别，提出了节能改造方案，改造后单位功能产品不可再生资源消耗降低2.2%，温室效应降低53.6%，获得中国建筑材料科技进步奖。根据北京市环境保护及水泥企业绿色转型的需求，比较研究了废物替代水泥原燃料、水泥窑协同处置废物、以及不同处置工艺的综合环境负荷，重点对不同的城市污泥处置方式进行了综合环境负荷分析，指导并与企业合作开发了利用水泥窑焚烧处理危险废物、城市污泥等系列技术，建成了利用水泥窑焚烧处理危险废弃物的试验线、示范线，年处理危险废弃物1万吨，城市污泥16万吨，获得北京市科技进步奖。

  平凡科研中的大成就

  说起材料全生命周期分析系统率先在量大面广的水泥工业实现应用，这与崔素萍教授不凡的科研经历分不开。她毕业后有幸师从我国着名水泥专家陈全德教授，读博士期间就参与到了材料全生命周期分析系统课题组，与中国工程院院士、着名的材料专家左铁镛院士和该课题组现任“掌门人”聂祚仁教授一起涉足LCA在水泥等传统建材中的应用研究。她现已成为团队的核心成员，博士生导师，材料学院副院长。提起刚开始做研究时的艰辛，崔素萍教授说“难是难，收获还是很大”。最初给崔素萍留下的印象是，国内在这个方向做研究的人较少，可参考的依据不多，只能靠自己摸索。水泥厂一般地理位置偏僻。为得到可靠的现场数据，长途跋涉，坐“黑摩的”到达工厂，不论男女都要爬到表面温度50-60度、高度70-80米的预热器塔架待上大半天是课题组的家常便饭。

  崔素萍教授说：“我们研究团队的贡献不仅在于科研，更体现在培养了一流的人才，我们的学生都是‘职业’培养出来的，很多都已经是这个领域的骨干。”

  刘宇是“土生土长”的工大材料人，本科、硕士到博士，团队伴随着他的成长。他说，6年半的研究生经历，依然对材料全生命周期分析系统研究方向兴趣十足，对团队也有了依赖，决定留校，成为一名教师，继续相关的研究。团队中的前辈定义刘宇是“集材料、环境、软件工程于一身的复合型人才。”

  团队骨干成员高峰有着类似的经历，研究生到博士直到毕业留校到现在一直从事着LCA研究，36岁的他已经成长为一名副教授。他看重团队多年来扎实的积累，也在担当重任的过程中发展了自己，在对外交流与合作的工作中树立了自信。

  团队有着共同的目标，崔素萍教授说：“这么多年来大家愿意在一起为材料环境友好事业做点事，这对我来说是难能可贵的。我们的研究方向要形成拳头，还要把这个拳头举得更高。”目标激励着每个人的成长，也促使团队取得了一项又一项的科研成果。崔素萍教授作为牵头人完成“面向材料生产流程的环境负荷定量评价技术及应用”获得了2012年度国家科技进步奖二等奖，这是国内基于生命周期评价(LCA)技术在材料领域应用成果的首次获奖；近五年团队获得国家科技奖励、中国产学研创新成果奖、中国建筑材料科技奖、北京市科技奖、山东省科技奖等10多项环境友好材料技术方面的科技奖励，2014年获得北京市学术创新团队提升计划支持。

  秉承师者使命的大责任

  作为材料学院的教学副院长,崔素萍教授对教学和科研有着同样的责任。她坚信“科技创新，人才是关键，作为教师对社会最大的贡献还是培养人才!”在左铁镛院士的指导带领下，她和团队成员具体落实组织建设资源循环科学与工程专业，为资源节约与环境友好型材料的研发与应用培养了一批又一批的人才，已有多人成为中国建材集团、中材集团和北京金隅集团等国内主要建材企业的技术骨干。

  作为科技工作者，她基本没有假期，实验室和水泥厂是她待最多的地方。她对水泥流程各类参数变化有着深入全面的认识，早在2007年就开展采用LCA方法对水泥窑炉NOx环境问题定量化研究，用数据清晰地诠释水泥工业NOx减排的重要性和可行性，并向科技部和建材行业提交了尽快推进水泥窑炉氮氧化物减排技术研发和应用的建议，得到国家和行业主管部门的重视和支持，将水泥窑炉NOx减排列入国家节能减排计划。也是从2007年开始，崔素萍教授受行业委托，作为水泥窑炉粉尘和氮氧化物减排关键技术与应用示范项目技术负责人，组织行业优势单位，申报并获得“十二五”科技支撑计划项目支持。崔素萍教授主持第二课题“水泥窑炉NOx中低温催化还原减排材料与技术示范应用”研究工作，研制出适用于水泥窑炉的低温NOx减排催化材料，申请专利20多项。通过与金隅水泥企业的合作，率先在国内建设水泥窑炉低温脱硝示范工程，助力水泥厂实现绿色清洁生产。

  北工大材料环境协调性评价中心关于材料LCA的研究在国内不能说是唯一的,但可以说是唯一“职业”做该项研究的，投入最大,应用最广泛,产出成果最多,也是在北京唯一能落地生根的；目前，材料全生命周期分析系统的应用已经由开始的被动变为企业主动需求，同时也为政府决策和倡导绿色消费提供科学依据。相信团队未来发展及成果更加值得期待。