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碳交易背景下未来的低碳胶凝材料可能有哪些?

来源:徐荣 日期:2024-07-30 访问量:2414 次
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7月19日台泥集团在喀麦隆启用了全球第一个创新水泥制程、没有水泥窑的水泥厂。该水泥厂利用台泥100%持有的葡萄牙CIMPOR公司拥有的锻烧黏土生产技术deOHClay,大量使用低碳锻烧黏土替代传统水泥厂使用的高碳排熟料,利用非洲当地的可可果壳、腰果壳作为生物质燃料,取代传统水泥厂使用的煤炭,生产水泥过程不需要高温减少了能源使用,因此台泥喀麦隆厂生产的低碳水泥,比传统水泥减碳达40%。

1824年10月21日,英国利兹城的泥水匠阿斯谱丁获得英国第5022号的“波特兰水泥”专利证书。今年恰逢波特兰水泥发明200周年,水泥行业发展到今天,在即将进入碳交易市场的背景下,行业都在思考未来的低碳发展之路。未来可能出现的低碳胶凝材料有哪些?

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台泥总经理程耀辉展示了低碳锻烧黏土和可作为生质燃料的可可果壳

固废基胶凝材料

    我国每年产生约50亿吨固废,大体包括:1)建筑垃圾20-30 亿吨;2)煤矸石约8 亿吨;3)粉煤灰约6 亿吨;4)矿渣约2 亿吨;5)钢渣约1.5 亿吨;6)工业副产石膏约2 亿吨,包括电厂、钢厂脱硫石膏,磷肥厂磷石膏等;7)赤泥约 1 亿吨;8)电石渣约 0.5 亿吨;9)各种尾矿:约计 10.59 亿吨;主要包括铁尾矿 5.88 亿吨,铜尾矿 2.24 亿吨,有色金属尾矿0.97 亿吨,黄金尾矿1.5 亿吨;10)下水道淤泥约2 亿吨;11)农林废弃物约10 亿吨;12)生活垃圾约3.2 亿吨。这些固废的无害化、资源化利用需求非常迫切,需要寻找一个需求量大、无害化及资源化处置利用彻底的应用场景。

固废基胶凝材料采用粉煤灰、矿渣、煤矸石、磷渣、赤泥、电石渣、含铝硅酸盐废渣、建筑垃圾等制备低碳胶凝材料。

通过1)机械激发或机械活化;譬如超细粉磨;2)碱/酸激发或碱性化或碱活化;3)热激发或热活化;4)电磁激发或电磁活化,包括微波或超声波激发或活化;5)温压联合激发、活化、增强;6)生物激发或活化;7)高分子化学激发;8)盐激发等方法激发、活化制备固废基胶凝材料。可以联合运用,即多元激发或多元活化;根据技术先进、经济合理原则,采用上述激发或活化技术的两种或多种并用获得性能不低于硅酸盐水泥的胶凝材料。

这其中比较有代表性的是碱激发地质聚合物胶凝材料。此类胶凝材料的生产无需高温,碳排放大幅降低,还是解决经济社会可持续发展面临的固废问题的重要途径。

铁铝酸盐水泥

    铁铝酸盐水泥是我国于1987年发明的水泥新品种,并于当年获得国家发明二等奖。之后随着技术的不断发展进步而不断优化完善。铁铝酸盐水泥具有极其优异的低碳、耐海水腐蚀、抗开裂、抗渗、低温施工、快硬早强性能。该水泥原料中石灰石需求量较硅酸盐水泥减少40%,煅烧温度比硅酸盐水泥低100-200℃,能耗较硅酸盐水泥低30%,碳排放约低40%。

铁铝酸盐水泥的熟料矿物主要为硫铝酸四钙、铁铝酸六钙、硅酸二钙,与硅酸盐水泥明显不同。性能上,其抗海水腐蚀性能是海工硅酸盐水泥的3倍左右,抗开裂性能较普通水泥提升约25%,抗渗性能是普通水泥的2倍以上,水化迅速放热集中低温施工性能优异,12小时抗压强度可达到20兆帕快硬早强。

未来通过各种高铝、高铁固废的利用,可进一步降低铁铝酸盐水泥的原料成本。而国家海洋战略的实施也需要优异性能的海工水泥配套。该水泥的发展前景广阔。

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矿井充填胶凝材料

    随着经济的快速发展与人口的快速增长,人类对矿产资源的需求与日俱增,矿产资源的开采产生了大量的衍生废弃物和采空区,给生态环境和地质安全带来了严重威胁。我国现有 23个省、151个县分布有采煤沉陷区,面积超过20000 平方公里,对人民群众的生产和生活及社会的发展和稳定产生了不利影响。

各类矿产的地下矿井需要大量的充填材料,据估算每开采1吨矿产需要1.2吨的充填材料。而大量的充填材料需要相应的胶凝材料。而矿井充填材料所用胶凝材料对性能、组分的要求与建筑用水泥完全不同。例如,矿井充填材料28天抗压强度仅需5兆帕左右即可,凝结时间要长便于长距离地下输送,氯离子的含量无特殊要求等。

未来水泥企业可否根据矿井充填需求开发针对性的胶凝材料?例如增大固废处置量及替代原燃料用量,生产一种氯离子不限、性能合理、凝结时间适用的胶凝材料。这对企业降低生产成本及碳排放,开拓新应用场景,提升效益有较大意义。

石灰石煅烧黏土水泥

    石灰石煅烧黏土水泥(Limestone Calcined Clay Cement,LC3)来源于瑞士联邦理工学院(洛桑)的研究,是一种由石灰石、煅烧黏土、石膏和熟料组成的水泥。LC3中石灰石与煅烧黏土会发生反应生成碳铝酸盐水合物,促进水泥水化,水化产物随着煅烧黏土掺量的增加而增加。因此LC3在较高水泥熟料替代率时,水泥仍具有较高的力学性能,替代熟料比例可超过50%。这对于粉煤灰等活性混合材缺乏的地区是个不错的选择,可显著降低碳排放。

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电化学水泥

    2023年美国 Sublime Systems公司开创了一种全新的电化学水泥生产法,实现了真正的零碳排放。这项技术的出现,或将改变我们对水泥生产的传统认知。

美国麻省理工的蒋业明教授与博士后 Leah Ellis 及其团队,共同开发出了一种革命性的水泥生产方法,这种方法利用电解槽在常温下进行化学反应,彻底摆脱了高温煅烧和化石燃料的依赖,实现了零碳排放。

新技术的核心在于电解槽的使用。电池在水池内将两个电极连接,通过分解水生成氢气和氧气,同时形成酸性和碱性环境。在阳极区,含钙矿物在酸性环境下溶解,生成钙离子。这些钙离子随后会通过电解槽中的阳离子交换膜移动到阴极区。在阴极区,这些钙离子与电解水产生的氢氧离子(OH-)反应,生成氢氧化钙(Ca(OH)2),也称为熟石灰,以进一步用于制备水泥。

整个过程在常温下进行,不需要粉碎原料,也不需要高温煅烧,彻底避免了传统工艺中的二氧化碳排放。实验中产生的二氧化碳、氢气和氧气都会被收集和再利用。这不仅实现了零碳排放,还大大降低了能耗。

此外,所需的材料不局限于传统水泥制备中的原材料,可以使用多种钙源材料,包括低品位石灰石和工业废料,进一步提高了资源利用效率。

Sublime Systems 公司已经建立了一条年产约100吨的试点生产线,他们计划在未来几年内进一步扩大生产规模,目标是在全球范围内推广这一低碳环保的水泥生产技术。

如果未来通过验证可实现大规模工业化生产,将对水泥行业带来巨大的影响。

石灰

    水泥是水硬性胶凝材料,而石灰是气硬性胶凝材料。相较于水泥,石灰的气硬性特性在过去受到很多应用场景和产品性能需求的限制,在日常生活中的建材化应用已不常见。

我国石灰年生产量约3亿吨,其中2.5亿吨被用于工业生产及尾气治理,0.5亿吨被用于建筑行业。高品质的石灰目前售价远高于水泥,还未见有较大规模的生产线及集团企业。

很多水泥人会问,小编你提石灰干嘛?又不是什么新鲜玩意!但是,小编觉得事物都是螺旋式上升的,世界第一大建材集团拉法基就是靠给苏伊士运河建设供应11万吨石灰起的家。

石灰具有天然的碳减排属性,硬化过程中可吸收碳酸钙分解释放的二氧化碳,不考虑燃料的消耗是一种零碳排放建材。

过去城市化大发展时期,人们无暇他顾,只需要一种量大管饱、标准统一的水泥产品即可。但是现在则不同了,胶凝材料需要根据应用场景及产品性能要求进行品种细化了。石灰也可能是未来碳减排的重要途径。

我们水泥人需要思考:石灰在砌筑、抹灰领域是否可取代水泥?水泥窑能否生产石灰?石灰现在价格如何?生产石灰是否工艺更简单,碳排放更低,效益更好?

“第二十四届中国水泥技术年会暨全国水泥新技术交流大会和展览会”将于12月6-8日在京召开,将围绕未来水泥排相关议题进行深入交流。

会议以“六零工厂、未来水泥”为主题。由建筑材料工业技术情报研究所、中国硅酸盐学会工程技术分会、中国硅酸盐学会科普工作委员会、中国散协水泥工程技术专委会主办,北京工业大学承办。

此次会议除综合议题外,大会将开设“六零工厂管理与技术论坛”、“水泥窑协同处置与替代原燃料技术论坛”、“烧成优化与超低排放技术论坛”、“粉磨新技术论坛”、“未来水泥与混凝土论坛”、“水泥与混凝土助剂技术论坛”等分论坛。将联合多所著名院校和科研院所,汇聚相关领域的知名专家及前沿技术。

诚挚邀请大家届时参会交流!

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