发布机构: 发布日期: 2022-07-19 07:37:49

李冬生:CFB灰渣制备生态水泥,助推绿色低碳循环发展

建筑材料作为建设领域的上游行业,其碳排放情况将直接影响下游领域的碳中和进程。水泥作为现代最常见的一种建筑材料,其产量长年来居高不下,行业整体碳排放也在逐年上升。2019年,水泥行业碳排放约占全国总量的13%,是仅次于电力、钢铁行业的二氧化碳“排气筒”,2020年更是达到历史最高值13.84亿吨,成为了建材行业中碳排放量最大的子行业,因此控制水泥行业的碳排放成为了我国实现“双碳”目标的重点工作。在此背景下,2021年10月24日,国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》,明确指出鼓励建材企业使用粉煤灰、工业废渣、尾矿渣等作为原料或水泥混合材。2022年2月11日,为进一步推动各有关方面科学做好重点领域节能降碳改造升级,国家发展和改革委员会发布了《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》,针对水泥行业提出要合理降低单位水泥熟料用量,提高水泥粉磨过程中固废资源替代熟料比重,降低水泥产品中熟料系数,减少水泥熟料消耗量,提升固废利用水平。

一、CFB灰渣制备生态水泥技术

循环流化床(Circulating Fluidized Bed,缩写CFB)燃烧技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染燃烧技术,由于其高效的固硫效率已成为当今燃煤锅炉的主流。然而,CFB燃烧技术为了减少大气污染排放,锅炉内会加入大量的脱硫剂(一般是石灰石),从而形成脱硫灰渣(也称固硫灰渣),其中从烟道收集得到的是脱硫灰,从炉底排出的是脱硫渣。据相关数据统计,全国循环流化床锅炉发电厂每年排出CFB飞灰、炉渣(以下简称CFB灰渣)约1.2亿吨,山西省每年排放CFB灰渣约3000万吨。当前,CFB灰渣主要采用填埋、堆存等方式处置,CFB灰渣大量堆存,不仅占用大量土地,而且会对环境造成污染,导致生态破坏、影响人体健康。相关研究表明脱硫灰渣化学成分中含有大量的硅铝氧化物、游离氧化钙和三氧化硫,具有良好的火山灰活性、一定的自硬性和膨胀性,具备作为水泥混合材料或混凝土掺合料使用的物质基础。如果能利用CFB灰渣制备生态水泥用于公路工程建设中,不仅能解决CFB灰渣不易处置的难题,而且符合国家推广新型胶凝材料、低碳混凝土等低碳建材产品的发展理念。基于此,本文围绕CFB灰渣制备生态水泥技术,就其制备流程、优点以及经济、社会和生态环保效益阐述如下。

图1 CFB灰渣制备生态水泥流程图

CFB灰渣生态水泥与常规水泥相比,制备过程中使用了大量不易使用的CFB灰渣工业固废,可达到水泥企业实现降低单位水泥熟料用量,提高水泥粉磨过程中固废资源替代熟料比重,降低水泥产品中熟料系数,减少水泥熟料消耗量,提升固废利用水平的目的,是工程建设行业实现国家“双碳”战略目标和节约土地资源的有效途径。而且CFB灰渣生态水泥具备微膨胀性和可碾压性等优点,既提高了路面基层的抗裂性且凝结时间,也满足路面基层施工要求,被广泛作为公路路面水泥稳定材料应用于路面基层(底基层)、采空区注浆及路基改良土等领域(如图2所示)。

  

(1)用于高速公路路面基层                (2) 用于国道路面底基层

  

(3)用于国道采空区注浆                  (4)用于高速公路改良土

图2 生态水泥的应用

二、利用CFB灰渣制备生态水泥的效益

2018年3月,山西路桥集团将CFB灰渣作为公路路面基层、底基层的结合料,成功应用于在建公路工程项目。2020年4月,以CFB灰渣(以煤矸石燃料为例)作为水泥混合材,利用如图1所示的流程,通过采用“CFB飞灰、炉底渣+水泥熟料+其它混合材+脱硫石膏+适量助磨剂”的方法,将CFB灰渣制备成了生态水泥,所得产品性能指标满足《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》(GB/T 35162-2017)、《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)等标准要求。

利用CFB灰渣制备生态水泥具有重要的经济效益、社会效益和生态环保效益。具体价值有:

(一)经济效益:

与同类产品相比,CFB灰渣水泥充分发挥了CFB灰渣的技术特性,具有一定的技术优势;与普通水泥稳定碎石路面基层相比,采用CFB灰渣水泥稳定碎石铺筑路面基层,在满足强度要求的同时,能够充分发挥CFB灰渣凝结硬化较慢的特性,更有利于基层摊铺、碾压,保证施工质量;能够充分发挥CFB灰渣的膨胀性,避免开裂。

CFB灰渣水泥生产成本低,且性能好,可以产生良好的经济效益。以生产100万吨CFB灰渣水泥产品计,可消耗脱硫灰渣约30万吨、脱硫石膏约5万吨,为固废排放企业节约环保税约900万元;可节约水泥熟料约30万吨,节约成本约1.2亿元。

(二)社会效益

目前我国固废利用率普遍不高,特别是CFB灰渣的利用率很低,不足10%。若将CFB灰渣大量堆存不及时处理,则会对大气环境、地表水、地下水等产生污染,影响人体健康,而将其制备成生态水泥则可拓展脱硫灰渣等工业固废资源化、规模化的利用途径,有效促进固废资源化利用、提高利用率。

(三)生态环保效益(减碳效应)

根据相关资料,水泥熟料中CaO含量的波动范围为62%-67%,取CaO含量为64%计算可得,生产1吨水泥熟料需要1.14吨CaCO3,同时释放0.5吨CO2。每吨水泥熟料生产总能耗按108公斤标煤计算,每吨标煤燃烧按排放2620公斤CO2计算,则生产1吨水泥熟料所燃烧的标煤排放的CO2量为0.28吨。因此,每生产1吨水泥熟料,排放CO2约0.78吨。按照水泥熟料80%比例掺配,生产1吨水泥排放CO2约0.624吨。以用煤矸石作为燃料为例,1吨煤矸石经循环流化床锅炉燃烧后产生约0.5吨CFB灰渣,用CFB灰渣作为水泥混合材,按照50%代替水泥熟料,生产1吨水泥排放CO2约0.234吨。用CFB灰渣作为水泥混合材制备1吨水泥,可减少0.39吨CO2排放。以路面基层施工中每年使用生态水泥100万吨计算,可利用约200万吨煤矸石,减少约40万吨CO2排放,节约耕地约5万平方米。如果在全国推广,可减少约上千万吨CO2排放量,节约上千亩土地。


供稿人:李冬生  山西路桥再生资源开发有限公司 正高级工程师/副总经理


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