新型低CO2排放熟料

新型低CO2排放熟料

水泥制造减少CO2排放有三种方式：即减少熟料生产能耗、减少水泥中熟料比例、使用生物或二次燃料。现就欧洲几家水泥公司在保持或提高现有水泥和混凝土质量的前提下，改变熟料成分来减少熟料生产能耗和CO2排放作一简单介绍。

表1 普通硅酸盐水泥熟料矿物生成时原料排放的CO2和耗热量

图1 熟料显微镜照片

1 普通水泥熟料

普通水泥熟料由石灰（CaO）与SiO2、Al2O3和Fe2O3结合生成不同性能的矿物所组成，主要为C3S（3CaO、SiO2）、C2S（2CaO、SiO2）、C3A（3CaO、Al2O3）和C4AF（4CaO、Al2O3、Fe2O3）。熟料煅烧过程中所排放的CO2有两种，一种是生料中石灰石分解产生的CO2（CaCO3+热→CaO+CO2），称之为工艺排放；另一种是燃料燃烧产生的CO2（C+O2→CO2），称之为燃烧排放。表1为四种主要矿物的单位CO2排放量和矿物生成的耗热量。

普通熟料矿物主要成分为C3S和C2S。熟料的显微镜下照片见图1，C3S晶体呈蓝色，锐角直边六角形。C2S晶体呈棕色，圆形。在C3S、C2S周边为C3A和C4AF等中间相。混凝土内C3S晶体与水反应快，1d～3d早期强度高，C2S反应慢，28d后期强度高。

熟料矿物中，C3S含量高达约65%，生成的煅烧温度高，达到±1450℃，燃料耗用量大，CO2排放量也高。C2S含量约15%，煅烧温度约1200℃，燃料耗用量少，CO2排放量低。

水泥窑生产熟料和水泥的CO2排放量大致平均数据为：石灰石分解产生的CO2约为535kg/t熟料，燃料燃烧约为330kg/t熟料，二者合计约为865kg/t熟料。2006年世界水泥平均熟料掺加量约为～78%，则每吨水泥排放的CO2约为～680kg/t水泥（表2）。

2 熟料成分的重新设计

为降低单位熟料生产所产生的CO2排放量，普通水泥熟料成分必须重新设计。也就是在尽量保持现有熟料和水泥性能的基础上，减少CaO和C3S的含量，相应减少CaCO3分解产生的CO2以及燃料燃烧产生的CO2。此外重新设计的熟料成分中C2S和其他组分除考虑混凝土所需的早期强度外，其他使用性能如耐久性、泵送性、和易性等均需与普通水泥熟料所配置的混凝土性能相当或改进。

3 新型熟料

新型熟料除需减少CO2排放和保持或改善水泥和混凝土基本性能外，还需做到原料来源广泛，生产费用较低。为使产品在市场上有竞争力，应尽可能利用现有的水泥熟料生产线工艺装备进行生产。

混凝土是世界上应用最为广泛的建筑材料，估计年使用量超过150亿吨，需要的水泥年产量超过36亿吨。新型水泥熟料必须使用丰富的矿物原料才能保持生产，降低生产费用。地球上主要元素见表3。另一点更重要的是新型熟料矿物形成时，CO2的排放量要低，见表4。

此外，应尽量在现有普通水泥熟料工艺装备生产线上进行或稍作改造进行生产以降低基建投资。所生产的新型熟料和普通水泥性能相比，还需保持或提高早期、后期强度以及耐久性、抗冰融、抗盐蚀等性能。只有这样，才能在水泥市场上，得以推广应用。

表2 现代水泥厂CO2排放量*（平均值）

表3 地壳内主要元素百分比，%

表4 各种胶凝化合物的CO2减排量

表5 各水泥公司开发的新型水泥熟料成分*，%

按上述要求，欧洲几家知名的水泥生产公司开发出了CO2排放量低的新型水泥熟料，见表5。

4 普通熟料生产线生产新型水泥熟料的影响

采用普通熟料生产线生产新型水泥熟料的影响如下：新型熟料较普通熟料煅烧温度低约200℃，热耗低。烧成带耐火材料成分和性能相应改变，以满足生产需求。出窑熟料温度降低，且结粒改善，冷却机使用材质及热回收效率有所改变。此外，入窑入炉的二次、三次风温均降低，窑内热工制度有所变化。

生料磨系统中，生料所需的石灰石用量减少。硅铝质和含硫原料有所增加，生料喂料装置要作相应调整。水泥粉磨系统将设置新型熟料的储存库和喂料装置等，还需满足既供应普通水泥又供应新型熟料水泥的市场需求，对输送和储库（仓）作相应改造。

5 结束语

水泥熟料生产面临减少CO2排放的压力，为此欧洲一些水泥公司开发出与普通水泥熟料成分不同的熟料，CO2排放量减少约20%～30%。

新型水泥熟料在试验室开发一般需要数年时间，才能满足水泥和混凝土对性能的要求。但是市场应用难度较大，主要是人们对这些新型熟料水泥有一个认识过程，在推广应用过程中，还须制定有关新型水泥熟料所生产的水泥和混凝土的性能规范和建筑结构法规等，此外耐久性等性能还需长时间才能得到证实，估计需要更长的时间才能在市场上广泛应用。

陈友德编译自

No.3/2014

International Cement Review