摘自:石膏材料與低碳經濟(寧夏石膏設計研究院,銀川 750001)段慶奎
前言
最近我國政府公布,到2020年在2005年的基礎上,減排CO240-45%,即減少排放CO220.4-27.45億噸(2005年中國CO2排放量為61億噸)。這一承諾震驚世界,為全世界CO2減排做出了榜樣。但中國同樣承受了巨大的壓力,實現這一目標絕非易事,要付出沉重的代價,尤其我國經濟還處于上升發展時期。一方面要大力發展經濟,一方面要減排,二者如何處理好,是我國今后經濟發展面臨的困難之一。本文就石膏材料領域,如何做好減排工作,提出自己的一點看法,僅供參考。
三種膠凝材料的能耗比較
眾所周知,石膏是中國傳統的五大膠凝材料之一,有非常優良特殊的性能,廣泛應用于水泥,石膏建材制品,陶瓷模具、精密鑄造、工藝美術、醫療衛生等行業。截止2008年 我國天然石膏產量已達到4000多萬噸,工業副產石膏產量也已達到4000余萬噸。2008年中國水泥產量達到12億噸。
石膏與水泥石灰同屬膠凝材料,在生產過程中它們排放的CO2量和能耗相差很大,從理論上講,石膏、石灰、水泥三種膠凝材料都是吸熱反應,在生產過程中都會消耗大量煤、電等能源,同時不同程度排放出CO2,在大力推進節能減排的今天,將三種膠凝材料進行一番對比,很有意義。
1.1水泥膠凝材料
水泥的物理化學反應比較復雜,原料是由3種以上配比組成,產品不是單一礦物組成,有些礦物(例如粘土的結晶放熱,冷卻放熱等)在高溫鍛煉狀態下會放熱,根據“膠凝物質工學”一書介紹,生產1公斤水泥熟料,共需熱量為1030千卡,減去礦物結晶等放熱量610千卡,1030—610=420千卡/公斤熟料,即生成一公斤熟料,理論熱耗為420千卡,不同成分熟料煅燒時理論熱耗也有所不同,但一般波動于400—430千卡/公斤熟料之間,換算成標煤為60公斤/每噸熟料。
以上是水泥的理論熱耗,但在實際生產中,水泥熟料的燒成溫度高達 1400 0C還有其他的一些熱損失,據中國水泥協會提供的數據表明,中國的新型干法窯(日產2500噸以上)煤耗為115kg噸熟料。綜合電耗為105度/噸熟料,由此看來,水泥的確是一種高耗能產品。
1.2石灰膠凝材料
石灰膠凝材料也是一種用途很廣泛的材料,它的原料單一,產品也單一,煅燒時的化學反應式如下:
石灰石(CaCO3)在高溫分解時,每100分重量的CaCO3可得到56份的CaO和釋放出44份的CO2,即用1噸的CaCO3煅燒,只能得到560公斤的CaO,其余440公斤的CO2被排到大氣中去了。CaCO3的分解作用完全是吸熱反應,分解1公斤的CaCO3需要理論熱量425.2千卡。但實際上石灰的煅燒溫度高達800-1000℃,熱耗在840-1050千卡。標準煤耗在120-150kg表煤,耗能也是相當高的。
1.3石膏膠凝材料
石膏,化學成分為二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)還有半水石膏和無水石膏,我國石膏儲量為660億噸,為世界第一,天然石膏年產量為4000多億噸,隨著我國工業化進程,我國還有大量的工業副產石膏產生,如脫硫石膏、磷石膏、氟石膏等??偖a量約6000萬噸/年,隨著經濟的加速發展,這個數字會逐步上升,再加上歷年的堆積,數字更巨大。
二水石膏經過煅燒脫去1.5個分子結晶水,變成半水石膏(CaSO4·?H2O)后,才具有利用價值,脫水時也需要能量,其反應式如下:
它的脫水溫度在60 0C時就已經開始,到140-180 0C時劇烈脫水形成半水石膏,它的理論熱耗僅為27千卡/每公斤,但在實際生產過程中,為提高石膏的脫水速度,往往將爐溫提高到300-600 0C,根據不同窯型直按實際煤耗在45-70公斤標煤/每噸半水石膏粉。據統計 ,年產10萬噸規模的石膏粉生產線,噸電耗只有25度左右。
CO2的排出
以上三種膠凝材料。在CO2排放中各不相同,差距也是很大。
2.1 石灰膠凝材料
石灰石在煅燒過程中CO2排出量最為直接,每1噸石灰可排CO2440kg。根據國家能源部提供的數據,每1000g標煤完全碳燒可產生CO2為2.59kg,每噸標煤排放CO2為2.66-2.72噸。石灰的煤耗130公斤,即產生CO2為2.66×0.13=0.35噸。
石灰電耗為30度/噸,根據中國電力聯合會環境資源部提供的數據,2008年度,我國每發一度電煤耗為345克/kwh,以此計算并折成CO2排放量應為:0.345kg×2.66=27.5kg,三者合計為440+350+27.5=817.5kg,而每生產一噸石灰排出790公斤CO2,即每生產一噸石灰排出817.5公斤CO2。
2.2 水泥
按三組份原料來計算,生產一噸熟料需80.81%的石灰石,粘土12-15鐵粉5-6,每生產一噸熟料的生料料耗為1.55.即生產一噸水泥熟料需80.81%×1.55=1.25噸石灰石。某廠的石灰石化學成分如下(%)
每生產一噸水泥熟料即需的煤耗產生的CO2量為:上表中燒失量即為石灰石中的CO2含量,那么每生產1噸水泥熟料就要生產1.25×42.78%×1000=534.75公斤CO2。
110kg標煤×2.66=292.6公斤。
電耗折標煤產生CO2:105×0.345×2.66=96.35kg。
三項合計:292.6+534.75+96.35=923.75公斤。
2.3 石膏膠凝材料
眾所周知,生產一噸半水石膏粉(熟石膏粉)不會產生CO2,只有所需燃煤燃燒時才產生CO2,生產一噸半水石膏粉的煤耗為40-70公斤,按最先進的年產10-15萬噸石膏混燒窯煤耗40公斤標煤計算,每生產一噸半水石膏粉CO2產生量為:
40公斤標煤×2.66=106.4公斤
電耗折標煤產生CO2為:25×0.345×2.66=22.94kg,
兩項合計為:106.4+22.94=129.34kg。
通過以上分析計算,3種不同的膠凝材料的煤耗和CO2排放量匯總如下:
從上表匯總中可以看出,煤耗和電耗最大的是石灰和水泥,石灰煤耗最高,但全國總產量很少,最大煤耗和電耗產品仍是水泥。在電耗上,石膏材料是水泥熟料的?,石灰大部分不粉磨,生產工藝簡單,故電耗也較低,因此可以斷定石膏膠凝材料是最節能的一種材料。
CO2的排放量方面,石膏材料是最低,只有燃煤排放的一半CO2氣體,是水泥的12.8%,是石灰的13.46%。
小結
通過對石灰、石膏、水泥三種膠凝材料能耗,CO2排放的分析石膏是能耗和CO2排放最低的,石膏是一種綠色環保的膠凝材料,是一種低碳經濟的產品。
在今后我國的經濟活動中,在節能減排40-45%的壓力下,減排任務非常艱巨,低碳經濟產品將會很有發展的前景和競爭力。國內外已經盯上水泥產業;2009年預計水泥產量達到13億噸,而且全國各地水泥項目還在大規模擴展,產能還將進一步提高,到2015年全國產量可能達到15億噸,排放CO2量可能達到10億噸,將成為節能減排的首要目標。
水泥在基本建設中是非常重要的,是不可替代的,但又是一種高耗能,高排放的產品,在這樣的狀態下,更好的發揮石膏膠凝材料的優勢和特點,在建筑過程中,能用石膏膠凝材料替代的地方,盡量不用水泥材料,大力發展石膏建筑材料,如石膏砌塊,石膏條板等,替代摻有水泥的GRC板,和其他水泥膠結材料等。
提出以下幾條建議:
(1)大力發展粉刷材料,內墻粉刷最好全部使用粉刷石膏或干混砂漿,石膏膩子,粘貼石膏;
(2)大力發展自流平石膏,替代水泥砂漿找平層面層等;
(3)大力推廣砌筑粘結石膏,用于非承重墻體材料之間的粘接等;
(4)在石膏生產企業中,大力推行節電、節煤措施,進一步降低能耗,擴大產量規模,選用低煤耗、低電耗的工藝設備。
國家實施低碳經濟,符合國際節能減排保護環境的大趨勢,同時也給石膏材料工業帶來發展的機會和商機,希望從事石膏研究開發生產的單位和企業重視低碳經濟進展,關注國家實行低碳經濟政策,研究開發低碳的石膏產品,做好應對措施,抓住機遇,推動石膏產業的更大更快發展。
文章來源:2010中國建筑材料聯合會石膏建材分會第五屆年會暨第九屆全國石膏技術交流大會及展覽會