水泥混凝土产业,力求突破 永安市瑞辉水泥制品有限公司

水泥混凝土产业,力求突破

[2018-03-31]

我们所面临最为艰巨的气候挑战涉及到那些未有合适替代品的全球性产业,而我们脚下的混凝土就是其中之一。每年,美国人均混凝土使用量为1/3吨,经济快速增长的发展中国家用量则更多。全世界每年波特兰水泥产量超过了40亿公吨,这是混凝土的主要原料,也是其二氧化碳产生的主要来源,占全球人类排放二氧化碳总量的5%以上。落基山研究所 (Rocky Mountain Institute, RMI) 对该产业的研究表明,要想大幅降低产业碳足迹并实现巴黎协议目标,我们必须对思考模式和行为方式进行重大变革,打造一个水泥混凝土产业的特斯拉。传统的产业管理办法并不适用,并且新的水泥价格必须非常便宜。我们发现了3个可能奏效的重要机遇。

  水泥混凝土产业为何如此庞大

  寻找一种全新的、广泛适用的解决方案并不容易,因为我们对混凝土的需求量太大了。这是全球最灵活、便宜和普遍使用的建筑材料,是全球用量仅次于水的材料。波特兰水泥 (占混凝土重量的20%,其它主要的原料还有沙子、骨料和水) 的总产量在过去的20年间增长了两倍以上 (年增长率近6%),其中大部分的增长发生在中国。而随着中国经济放缓,印度、土耳其和印度尼西亚等国家取而代之成为了新的经济增长点。如果美国当前急需的基础设施重建计划开始实施,也将成为另一个消耗大国。全球水泥生产的增幅将在很长一段时间内保持2-4%的水平。

  在发展中国家,正在兴建的新型水泥厂比其它地方的老厂高效得多,远远高于美国平均水平 (印度国家水泥行业的平均二氧化碳排放率比美国低25%)。然而,即便是全球顶尖的公司所进行的科技改进 (过去数年仅为约0.5%) 也远远无法抵消用量上的快速增长,并且也不是所有企业都在努力减排。

  标准波特兰水泥的生产必然会通过两种形式释放大量二氧化碳:燃烧燃料而产生所需的超高炉温,以及加热石灰岩时发生的煅烧化学反应。在最高效的水泥厂中,60%甚至更多的二氧化碳排放都来自于这种无法规避的化学反应。虽然,其它天然或废弃材料,如稻壳、石灰岩、高炉矿渣,和一些种类的粉煤灰可以部分代替波特兰水泥,但使用波特兰水泥制作特殊优质全球化产品的标准化方法使其获得了其统治性的地位。这种行业标准是推广任何特定替代物所面临的一大障碍。

  当今产业现状

  和其它长期存在的产业一样,水泥混凝土产业也存在一些已广泛运用的方法,能够提高效率、降低排放。但问题是,这些方法是自愿性质的,由水泥可持续发展倡议组织 (CSI) 进行协调,且远不足以放慢该产业碳排放增长的脚步。水泥可持续发展倡议组织对其会员和全球水泥产业的建议包括:

  工厂和原材料、产品的运输在热力上和电力上都应提高效率,效率最差的工厂应关闭。

  工厂可以燃烧有机废物或生物质来加热窑炉 (如巴西,这可以降低全球水泥生产相关的二氧化碳排放量)。

  可以使用辅助胶凝材料 (SCMs),如粉煤灰等替代部分 (有时会是大量的) 波特兰水泥。

  使用低碳化学品作为替代,如氧化镁水泥,使用特殊添加剂,或仅仅是更明智地选择特殊的能够降低水泥用量的配比,制造具备特殊性质的混凝土。

  所有这些方法都在世界上的一些水泥市场积极地发挥着作用,但不是所有市场。顶尖水泥企业已经设定了排放强度目标,并使用了各种方法。然而,这些变化发生的速度还不够,且似乎永远不够。这其中部分原因是由于建筑行业首先关注的仍是可靠性和产品质量,因此任何变化过程都是颇具挑战性,缓慢且成本高昂的。任何新技术的推广都必须能够证明其效果。此外,这个产业的资本相当密集,相对于收入和利润,大量的资本被用于工厂的建设和设备的购买。因此改造工厂的成本巨大,现金流不足以在快速完成这些转变的同时满足投资者或政府业主对资本成本回报的要求。改变缓慢的另一个原因是大部分新建工厂都在发展中国家——由于缺乏现场经验来确保新技术或不同的技术能够成功,这并不是一个适合尝试创新技术的地方。最后,产业动态有时也会影响新技术的发展。例如,如果可以从其它国家进口更廉价、更“脏”的水泥而不被禁止或征税,几乎没有企业会愿意投资更高效、更“绿色”的新型水泥。这种“碳泄漏”问题在欧洲尤其严重,因为这里距离北非和中东地区更近,而那些地方并没有严格的排放法规,并能够将产品低价运送到地中海的对岸。

  加速水泥产业清洁化

  通过水泥可持续发展倡议组织,该产业相信控制排放问题的答案是在经济可行时运用成熟的科技,而在目前排放持续较高时,就使用二氧化碳捕捉和封存技术。水泥可持续发展倡议组织成员正在资助碳捕捉和封存技术的研究,但当前的技术仍然存在成本和风险过高的问题。此外,其他产业也在努力,一些新晋研究型企业如Blue Planet,Skyonic和Solidia等正在研究使混凝土本身来吸收二氧化碳的技术,并在预成型混凝土产品方面取得了一些积极进展。理想情况下,一些碳捕捉技术能够很快具备良好的经济效益,并得到快速推广。但与此同时,我们需要更多好的、经济可行的技术来大量降低产业碳排放。我们相信这些技术会产生于以下三个不同方向。

  1. 提高终端使用效率

  要降低混凝土的二氧化碳排放,关键问题是水泥。开发水泥用量更少的混凝土配比,设计钢铁和混凝土用量更少的建筑物都能够提高波特兰水泥的使用效率。混凝土并不一定要含有大量波特兰水泥,其具体成分配比需要根据全球各地不同的沙土和骨料特点而定。此外,坚固性测试并不一定可靠,因此建筑商们将使用更多波特兰水泥作为“保险”的做法。研究混凝土的材料科学家并不多,而他们的工作又常常依靠着水泥企业的资助,因此他们也许并不会积极研究大幅降低水泥用量的技术。

  然而,大家齐心协力提高对混凝土的了解,开发能够根据混凝土成分准确预测其性能的工具,能够识别降低水泥用量的方法并将其标准化。研究如何改变建筑和基础设施的结构设计,从而降低混凝土用量,也能够提高效率。通过信息共享,这些方法都有望快速地产生显著的影响。

  2. 扩大辅助胶凝材料的使用

  辅助胶凝材料是产业中已经在使用的绝佳减排手段,在开发更天然或经过最低程度加工的材料上仍然具备巨大潜力。如今,辅助胶凝材料显然还无法满足市场需求,有时它们的价格甚至比水泥更高。但新型辅助胶凝材料即将出现。目前已经出现的技术甚至可以将硅土 (沙子) 或火山岩加工成与高效水泥一样的建筑材料。

  可惜的是,这些并不需要高温加热或排放二氧化碳的技术似乎“陷入了困境”,这些技术并没有在产业内得到有效利用。如果快速大规模推广这些技术,将会严重影响现存水泥企业的利益,因此,那些有能力测试并运用这些技术的人物选择了规避,特别是在向非洲部分地区这样的水泥高价市场或纯进口市场。与之类似,一种称为机械活化的技术已被测试和开发了20年以上,却仍未在业内得到有效的应用。但随着全球对减排科技需求的日益高涨,这种技术应用有望很快迎来曙光。

  3. 联合处置水泥和其它产品

  理想情况下,水泥制造业可以与其它工业生产过程分享热量,如发电或炼钢。在低碳世界中,我们必须谨慎地运用任何高温加热技术。一些国家已经开始将水泥制造业与有害物质焚烧相结合,这种趋势很可能得到继续发展。这种方式能够得到推广吗?理论上,是的。其中高贝利特水泥可能是最令人激动的新技术。这种技术已经在中国三峡大坝和其它大型高强度工程中,以及肯塔基大学和麻省理工学院得到检验。由于其特殊的固化方式,使用这种水泥制作的混凝土特别适合闷热潮湿的气候和缺水的环境。这种水泥的原料可能来自燃煤流化床废料、褐煤厂废料和其它工业废料。许多人希望有技术能够同时制造这两种产品。此类协同生产技术会极大提高能源效率并降低二氧化碳排放量。

  这些方法中有些在目前看来还不成熟,但整个产业对节能减排的需求却越发迫切。由于全世界有大约一半的混凝土都被政府购买,在巴黎气候协议推动下,这种需求就显得更加真切。公共部门和其它用户应当要求企业更快速地尝试新技术,并表示愿意提供支持。目标明确的研究,再加上应用更广泛的测量和信息技术,能够改变这个相对滞后的产业,从一个明显的气候行动落后者变为强大的气候行动带头人。



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