[独家]高长明：关于水泥混凝土产业科技发展方向的若干思考

  水泥混凝土产业是在世界科技转向工业化发展阶段的初期因运而生的传统重化工产业之一，在其近200年（1820年至今）的从诞生到不断技术革命和创新历程中，虽然经历了从原始蛋窑、立窑到大型预分解窑，单线熟料日产从20吨、100吨上升到最高13600吨，吨熟料热耗从一万多大卡、8000大卡降低到最低700大卡，吨水泥综合电耗从200度、160度减少到最低80度，吨水泥粉尘排放从数万克（烟尘弥漫）削减到最低15克（8mg/Nm³），企业全员人均年产水泥从50吨、100吨提高到最高约10000吨，水泥标号从低于12.5提高到最高52.5，混凝土标号从低于C10提高到最高C60，全世界水泥年消费量从少量发展到42亿吨、混凝土从很少量发展到40亿立方米，其中结构性高性能混凝土和非结构性普通混凝土分别为30和10亿立方米。由此可见，在这期间的技术进步十分巨大，甚至可以说，当今世界水泥混凝土科技已达到接近现代工业技术水平的转折点（或顶点），正在酝酿着一场颠覆性新技术革命的到来。综合研判各有关方面的前瞻性科研开发工作的进展现状，水泥混凝土作为最大量、最经济、最实用的大宗建筑材料在可预见的半个世纪或更长的时期内，其在全部建筑材料总体供需领域中仍将占有最主要的地位。本文拟对当今我国水泥混凝土产业的研发方向提出若干思考，不求面面俱到，只是有感而发，抛砖引玉，谨与业界同好共同探讨，欢迎指教。

  近20年来，经过世界第一流专家学者、企业家、科研机构、着名装备制造和水泥生产厂商等多次共同商讨研究确定的水泥混凝土产业科技发展方向的有两个重要的文件。

  1.2008年7月，联合国所属的三家组织一一国际能源机构（IEA），世界可持续发展工商理事会（WBCSD）和水泥工业可持续发展促进会（CSI）联合向全球专家征询了对其组织草拟的《2050世界水泥工业发展技术路线图》的意见，几经修改补充于2009年12月向全球正式发布。该《路线图》提出至2050年期间世界水泥技术发展的方向主要有5个领域^1）。

  1.1由生产普通波特兰水泥（OPC）转向生产混合水泥（Blended Cement 即BC）。OPC和BC分别相当于我国的普通硅酸盐水泥（PO）和复合硅酸盐水泥（PC）、矿渣、粉煤灰硅酸盐水泥（PS、PF）等。

  该领域的主要重点有三：第一是扩大研究采用各种具有胶凝性潜质的废弃物，经深加工后用以替代部分水泥熟料，生产相同标号（性能）的少熟料水泥（BC），甚至是无熟料水泥。第二是研发各种外加剂和改性剂，采取各种技术措施，在保证混凝土相同强度和性能的条件下，尽可能减少相同标号水泥的单位需用量。第三是开拓纳米技术在水泥基建材中的研究与应用。

  因为在混凝土组成中熟料的单位碳足迹与能耗是最大的，故其主旨就是首先要降低熟料在混凝土中的单位用量，减少熟料消费。

  1.2全面推广采用各种含有可燃物质的工、农、服务业废弃物和城镇、农村生活废弃物等，经适当处理后用作水泥窑燃料，替代部分或全部天然化石燃料。2050年全世界水泥产业的化石燃料替代率争取达到60%~90%。

  1.3加紧生物质燃料研发，实现工业规模应用。

  因为藻类在光合作用下吸收耦合二氧化碳就能产生生物质（乙醇）柴油，水泥窑却能提供含高浓度（23%）CO₂的废气，两者结合强势互补，既减少（利用）水泥窑的碳排放，还能给水泥窑提供生物柴油用作替代燃料，实现循环利用。（笔者注：中国台湾利用这项技术还获得了生产保健品和化妆品的原料一一虾红素）。有关的各项科研试验工作已获得可喜进展，是一个颇具发展潜力的方向。

  1.4全面采用水泥窑系统废气余热发电，回收电能。

  这项技术在中国已广泛应用并获得较好效益，吨熟料发电量达36度左右，可供广大发展中国家借鉴。然而对欧美发达国家来说，这样的余热发电效率尚有待提到吨熟料50度以上，才能与其外购电成本大致持平。看来进一步提升完善正在进行中的大型工业生产试验的Kalina余热发电系统将是一个有望获得突破的途径。同时对各种可再生新能源的研发应用也应予以密切关注。

  1.5大力降低水泥的单位能耗，并且将水泥工业各种污染物的单位排放量尽力削减到最低，实现对生态环境的零污染。

  初拟2050年目标为：熟料热耗2299~2508kJ/kg，熟料电耗35~40kWh/t，熟料系数50%以下，水泥综合电耗50~60kWh/t，吨熟料产出CO₂少于500kg（2030年）其中大部分将被循环利用和储存而不排放于大气中，其他近40种污染物（现今德国标准规定27种）的排放都要尽可能地减少到天然生态环境足以消纳自净的程度。

  2.2014年全球应对气候变化的《巴黎协定》（COP21）签订后，2016年10月世界箸名水泥集团和装备集团的首席执行官签署了一个联合激励计划《宣言》^2），号召并欢迎全球的同业者积极参与，共同努力付诸于具体行动。计划包含以下7个方面。

  2.1世界各国水泥工业公开披露各自的年度二氧化碳排放总量及其实际能耗数据，特别希望中国参与。目前各大洲所属国家的参与率是，欧洲92%、北美洲72%、中美洲63%、南美洲（除巴西外）59%、非洲49%、大洋洲和一部分亚洲地区41%、独联体国家18%、中东地区15%； 全球总计21%，其中有些国家虽然参与但尚未认真履行，自觉性亟待提高。

  2.2公开披露各国水泥生产的能源利用效率，即熟料单位热耗、水泥综合电耗等实际生产数据，更要不断地降低单位能耗，提高能源利用效率。

  2.3大规模地开发利用全社会的各种废弃物，经适当处理后用作水泥工业的替代燃料和替代原料。

  2.4在确保水泥质量（标号）的前提下，进一步降低水泥中熟料的占比，尽量多用深加工混合材发挥其替代部分熟料的功能。

  2.5大量使用OPC,特别是高标号的52.5 OPC，对环保和社会的总体效益弊多利少。因此，在水泥原料上要研发采用粘土质（硅、镁、硫铝酸盐）的替代石灰质（碳酸钙）的。同时研发更低碳足迹的各种较有潜质的新品种水泥，例如高贝利特水泥、铝酸盐水泥、低阿利特复合水泥、矿物聚合材料（Geopolymers）、化学激发胶凝材料（Chemically-activated Cementing Materials）等。

  2.6各国在本土市场健全建筑物和基建工程全生命周期价值链评估体系，探索水泥混凝土与其他大宗建材（钢铁、木材、塑料、玻纤、……）消费比例的最佳平衡。

  2.7开展跨行业联合协作研发，例如现用矿山水土保持与植绿、废矿山复垦与园林再造、危险废弃物处置利用、生物质燃料制造、碳捕集储存利用；等等。

  3.《四零一负》一一水泥工业可持续发展战略^3）

  这个观点是笔者1997年初正式发表的，所谓“四零一负”即：第一是水泥工业和生态环境和谐共存，水泥企业对其周围生态环境实现零污染，各种有害污染物的排放都必须降到最低，使其在天然生态环境中得以消纳自净。第二是不断创新水泥工艺和余热发电技术，降低水泥和熟料的单位电耗，提高单位熟料余热发电量，实现水泥企业对外界电能的零消耗。第三是水泥企业必须实现对外界废渣、废料、废水的零排放。第四是降低单位熟料热耗，开发利用各种替代燃料，实现熟料生产对天然矿物化石燃料（煤、石油、天然气）的零消耗。最后是要发挥水泥产业的循环利用各种废弃物的特有优势和潜能，扩大消纳各种废料、废渣用作混合材并替代部分熟料的功能，减轻环境负荷，为全社会废弃物的负增长做出贡献。

  不难看出，虽然相隔十几、廿年，《四零一负》与上述《路线图》、《宣言》的理念和宗旨竟然如此这般相似，可谓“英雄所见略同”，颇有不谋而合，异曲同工之“巧合”，令人欣慰。以欧美发达国家水泥工业为例，事实上自从1985年至今的30多年里，他们最初是不太有意地，后来却变成了下意识地朝着这个理念的大方向拓展了一系列的技术革新和创新研发，现已凸显诸多不俗的成效，令人鼓舞，继续奋进的信心倍增^4）。十分明显，世界水泥混凝土产业科技发展的大方向及其技术途径几经一流专家和企业家的慎审研讨，又经历了长期大量实践的检验，国际上现已形成十分广泛的高度共识，目标明确，意志坚定，侭管在前进的道路上还有不少科技难关须要攻克，但是可以充满信心地说，这个大方向是科学的、正确的、现实可行的，成功实现这些理念及其目标是大概率事件！

  我国水泥混凝土产业科技发展方向问题，上述理念和途径值得进一步深入研判和参考借鉴。近来业界有不少专家教授学者和企业家，以及政府和民间主管部门与机构的规划分别提出，有关我国水泥工业科研发展方向的意见，汇总起来主要有：绿色化、高端化、高标号化、高附加值化、节能减排化、信息化、互联网化、智能化、机器人与无人机化、低碳化、环保化、循环经济化、生态化、可持续发展化；等等。这里除了一个“高标号化”以外，其他的这些“化”大方向正确，也是对本文内容的有益补充，值得学习。至于我国水泥“高标号化”的提法，本人认为，我们必须先明确定义并彻底搞清楚这个提法的原旨，意在解决什么问题？譬如，要水泥“高标号化”到多么高为宜？是我国通用水泥的国家标准中的各项指标制订得太低？或欠周全？还是我国实物水泥的质量不够达标？合格率低？或是32.5水泥占比太高？假冒伪劣水泥不绝？……相信集思广益，我国有足够的智慧找出抓准其“病根”，采取相应的配套政策与措施，分清轻重缓急，是可以有序地妥善解决这个“老大难”问题的。

  参考文献

  1.IEA, WBCSD, CSI: Routs Map of Cement Sustainability Development in 2050 Worldwide.Dec.2009.

  2. John Kline and Charles Kline: COP21 and cement’s CO2 challenge.  ICR March 2017 p.33~36.

  3. 高长明：论水泥工业可持续发展战略.《水泥技术》1997年第1期：1~5页.

  4. 高长明：水泥工业“四零一负”理念及展望.《水泥技术》2016年第1期：17~19页.