程崢明¹   郭俊祥²  王同賓¹   石江山¹  

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 石景山 100043)

摘要：在全球溫室效應(yīng)加劇和氣候變?nèi)遮厫毫拥漠?dāng)下，鋼鐵行業(yè)作為碳排放的大戶，如何降低碳排放、實現(xiàn)碳中和是擺在廣大鋼鐵行業(yè)從業(yè)者面前必須要解決的問題。針對于此首鋼京唐開發(fā)了一種全固廢膠凝材料，其活性指數(shù)和流動度比均達到了1級標(biāo)準(zhǔn)，更為重要的是全固廢膠凝材料的生產(chǎn)碳排放強度僅為0.16t/t，相比于礦渣硅酸鹽水泥生產(chǎn)降低超70%的碳排放。全固廢膠凝材料作為水泥行業(yè)有效補充，可以大幅度降低碳排放，為推進碳減排、碳中和提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：全固廢；膠凝材料；碳減排；水泥；碳達峰；碳中和

1  引言

據(jù)《中國建筑材料工業(yè)碳排放報告(2020年度)》統(tǒng)計，中國建筑材料工業(yè)2020年二氧化碳排放14.8億噸，比上年上升2.7％，建材工業(yè)萬元工業(yè)增加值二氧化碳排放比上年上升0.2％。其中，燃料燃燒過程排放二氧化碳同比上升0.7%，工業(yè)生產(chǎn)過程排放（工業(yè)生產(chǎn)過程中碳酸鹽原料分解）二氧化碳同比上升4.1%。水泥、石灰行業(yè)的二氧化碳排放量分別位居建材行業(yè)前兩位^[1]。

水泥行業(yè)貢獻了全球碳排放總量的7%，如果將全球水泥行業(yè)看作一個國家，那么它將是僅次于中國和美國的第三大碳排放國^{[2, 3]}。我國生產(chǎn)全球近六成水泥，水泥行業(yè)碳排放量也逾全球水泥產(chǎn)業(yè)碳排放總量的一半。水泥生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放主要源于熟料生產(chǎn)過程，其中石灰石煅燒產(chǎn)生生石灰的過程所排放的二氧化碳，約占全生產(chǎn)過程碳排放總量的55-70%；高溫煅燒過程需要燃燒燃料，因此產(chǎn)生的二氧化碳，約占全生產(chǎn)過程碳排放總量的25~40%^[4-6]。

目前，中國水泥行業(yè)碳排放量占全國碳排放總量約9%，是制造業(yè)中主要的二氧化碳排放源。中國是全球水泥制造第一大國，2019年全球水泥產(chǎn)能為37億噸，中國約占其中60%。根據(jù)麥肯錫測算，要實現(xiàn)全球升溫不超過1.5°C情境，到2050年中國水泥行業(yè)碳減排需達70％以上^{[7, 8]}。另一方面，鋼鐵工業(yè)也是能源消耗和碳排放大戶，中國鋼鐵工業(yè)碳排放量占全球鋼鐵工業(yè)碳排放超過50%，占中國總碳排放量15%左右，在國內(nèi)所有工業(yè)行業(yè)中位居首位^{[9, 10]}。

在全球溫室氣體濃度升高的背景下，如何減少鋼鐵和水泥行業(yè)的碳排放、增加碳吸收是當(dāng)前應(yīng)對氣候變化主要研究方向。鋼鐵和水泥作為資源和能源密集型行業(yè)，生產(chǎn)每噸鋼鐵產(chǎn)生1.5t的CO₂^[11]，生產(chǎn)一噸水泥產(chǎn)生約1t的CO₂^[12]，如何降低行業(yè)碳排放總量是現(xiàn)如今必須要解決的難題。

由于冶金渣和水泥在化學(xué)組成上相似性，若通過合適活化激發(fā)，將其代替水泥熟料使用，用于全固廢膠凝材料制備，既解決冶金渣堆存問題，又可給建材行業(yè)提供一種新型膠凝材料制品，有利于建材行業(yè)綠色化可持續(xù)發(fā)展^[13]。

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司作為臨?？扛郏哂袊H先進水平的千萬噸級大型鋼鐵企業(yè)，全力降低碳排放也是應(yīng)盡的責(zé)任。

2  冶金渣利用現(xiàn)狀

首鋼京唐公司每年產(chǎn)生固廢可達數(shù)百萬噸，包括高爐水渣和轉(zhuǎn)爐鋼渣。其中，水渣具有潛在的水硬膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發(fā)劑作用下，可以作為優(yōu)質(zhì)的水泥原料，可制成礦渣硅酸鹽水泥、石膏礦渣水泥、石灰礦渣水泥、礦渣磚、礦渣混凝土等，也可作為生產(chǎn)環(huán)保水泥磚的一種原材料。

另外，鋼渣的礦物組成和水泥非常相似，但鋼渣中的鐵鋁酸鈣以及鎂鐵相固溶體幾乎無水硬性，硅酸二鈣（C₂S）的水化活性極低，導(dǎo)致其膠凝性遠低于水泥（如圖1）。

圖1 鋼渣粉XRD分析

同時也應(yīng)該看到鋼渣組成成分中含有大量的SiO₂、CaO和Al₂O₃（表1），這些物質(zhì)都是進行火山灰反應(yīng)所必須成分。在機械激發(fā)和復(fù)合激發(fā)等作用下，加入適量脫硫灰、高爐礦渣等具有膠凝性能物質(zhì)，也可制備成綠色膠凝材料。

表1 鋼渣粉化學(xué)組分分析 （%）

整體來看鋼渣的利用難于水渣，為進一步提高鋼渣利用率，需要將鋼渣磨細粉，通過機械激活方法將鋼渣的活性激發(fā)；另外也可在鋼渣磨細粉產(chǎn)品中加入一些化學(xué)試劑（硫鋁酸鹽、硫酸鈣等）進行化學(xué)激活，也可激發(fā)鋼渣活性，如此可實現(xiàn)鋼渣資源化利用，獲得大宗消納。

3  冶金渣利用路徑

目前關(guān)于固廢基膠凝材料已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)包括，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《固廢基膠凝材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程T/CECS 689-2020》、河北省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《全固廢高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)DB13(J)/T 8385-20》20；已批準(zhǔn)立項標(biāo)準(zhǔn)有建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《道路用固廢基膠凝材料》、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《冶金固廢預(yù)拌砂漿》、《固廢基纖維混凝土盾構(gòu)管片》、《全固廢海工高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等。

針對水渣易于處理，而鋼渣難處理的問題，首鋼京唐公司綜合鋼渣和水渣的優(yōu)點，采用濕法脫硫石膏作為活性激發(fā)劑，按照一定比例混磨后生成全固廢膠凝材料，供混凝土攪拌站及裝配式建筑生產(chǎn)基地使用，是替代熟料的新型環(huán)保材料。

全固廢膠凝材料生產(chǎn)過程如圖2所示，從鋼廠來水渣和鋼渣和燃煤電廠來的脫硫石膏經(jīng)過立磨粉磨后，符合要求的全固廢膠凝材料的細粉被收集存儲。

圖2  全固廢膠凝材料生產(chǎn)溫室氣體核算邊界示意圖

全固廢膠凝材料的化學(xué)組分如表2所示，從表2分析結(jié)果看出，水泥和鋼渣基膠凝材料的主要化學(xué)成分是CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO。

表2 全固廢膠凝材料化學(xué)成分分析 （%）

全固廢膠凝材料性能指標(biāo)如表3所示，鋼渣基全固廢膠凝材料的流動度比、7d和28d活性指數(shù)、膠砂抗壓強度增長比、含水量、氯離子含量、三氧化硫含量和安定性煮沸法都符合JG/T 486-2015《混凝土用復(fù)合摻合料》相關(guān)要求；細度也符合GB/T1345-2005 水泥細度檢驗方法篩析法的要求。

表3 全固廢膠凝材料性能指標(biāo)

全固廢膠凝材料比表面積可達500m²/kg以上，其粒度分析如圖3所示，由圖可知，細粉顆粒組成特征值為：d₁₅=2.36 μm、d₃₀=7.79 μm、d₆₀=21.71 μm、中值粒徑d₅₀=16.24 μm。

圖3 全固廢膠凝材料細粉的粒度分布曲線

4  碳減排量

水泥生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中，其溫室氣體排放主要包括燃料燃燒排放、過程排放、購入和輸出的電力及熱力產(chǎn)生的排放，水泥生產(chǎn)溫室氣體核算邊界如圖4所示。

圖4 水泥生產(chǎn)溫室氣體核算邊界示意圖

根據(jù)溫室氣體排放核算與報告要求（GB/T 32151.8-2015）水泥生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放總量等于企業(yè)邊界內(nèi)所有燃料燃燒排放量、過程排放量、企業(yè)購入電力和熱力產(chǎn)生的排放量之和，扣除輸出電力和熱力對應(yīng)排放量，按式（1）計算：

E = E_燃燒 + E_過程 + E_購入電 + E_購入熱 - E_輸出電 - E_輸出熱        (1)

式中：

E——二氧化碳排放總量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）；

E_燃燒——燃料燃燒二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）；

E_過程——在生產(chǎn)過程中原料碳酸鹽分解產(chǎn)生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）；

E_購入電——購入的電力所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）；

E_購入熱——購入的熱力所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）；

E_輸出電——輸出的電力所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）；

E_輸出熱——輸出的熱力所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）。

根據(jù)水泥生產(chǎn)溫室氣體核算邊界示意圖以及式（1）的計算公式，各品種水泥生命周期的碳排放量如表4所示，從表中可知，碳排放強度最低的是P·S·B礦渣硅酸鹽水泥（318.8~531.2 kgCO₂/1t水泥），碳排放強度最高的是P·I硅酸鹽水泥（1062.5 kgCO₂/1t水泥），建筑工程中常用的P·O普通硅酸鹽水泥碳排放強度為850~1009.4 kgCO₂/1t水泥。

表4 各品種水泥生命周期碳排放量^[12]

根據(jù)圖2全固廢膠凝材料生產(chǎn)溫室氣體核算邊界示意圖以及表5能源消耗情況可知，全固廢膠凝材料生產(chǎn)的碳排放主要來自電力、高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的消耗，沒有碳酸鹽分解過程碳排放，即碳排放主要來自E_燃燒和E_購入電。電耗主要來自鋼渣和水渣運輸、粉磨和維持相關(guān)設(shè)備運行所消耗、高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣消耗主要是為了烘干粉磨好膠凝材料。

燃料產(chǎn)生的二氧化碳排放，按式（2）~（4）計算：

                  （2）

式中：

AD_i——消耗的第i種燃料的活動水平，單位為吉焦（GJ）；

EF_i——第i種燃料的二氧化碳排放因子，單位為噸二氧化碳每吉焦（tCO₂/GJ）;

i ——燃料類型代號。

消耗的第i種燃料的活動水平AD_i按式（3）計算：

                   （3）

式中：

NCV_i——第i種燃料的平均低位發(fā)熱量。對固體或液體燃料，單位為吉焦每噸（GJ/t）；對氣體燃料，單位為吉焦每萬標(biāo)立方米（GJ/10⁴Nm³）；

FC_i——第i種燃料的凈消耗量，對固體或液體燃料，單位為噸（t）；對氣體燃料，單位為萬標(biāo)立方米（10⁴Nm³）。

燃料的二氧化碳排放因子EF_i按式（4）計算：

                （4）

式中：

CC_i——第i種燃料的單位熱值含碳量，單位為噸碳每吉焦（tC/GJ）；

OF_i——第i種燃料的碳氧化率，以%表示。

根據(jù)表5的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣的耗量和相關(guān)熱值參數(shù)結(jié)合公式（2）~（4），生產(chǎn)每噸膠凝材料燃料燃燒排放的0.12tCO₂計算過程如下：

購入電力產(chǎn)生的二氧化碳排放量按式（5）計算：

                   （5）

E_購入電——購入電力所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳（tCO₂）；

AD_購入電——購入的電量，單位為兆瓦時（MWh）；

EF_電——電力二氧化碳排放因子，單位為噸二氧化碳每兆瓦時（tCO₂/MWh）。

根據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部《2019年度減排項目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》可知，華北區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子為0.9419 kgCO₂/(KW·h)，同時根據(jù)表5的電單耗則生產(chǎn)每噸膠凝材料購入電力排放40.1kg CO₂計算過程如下：

全固廢膠凝材料生產(chǎn)過程中燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳和購入電力產(chǎn)生的二氧化碳之和即為生產(chǎn)每噸全固廢膠凝材料需排放的二氧化碳。所以全固廢膠凝材料生產(chǎn)的全過程碳排放強度為160.1kgCO₂/t全固廢膠凝材料。

表5 全固廢膠凝材料的生產(chǎn)燃料消耗量及熱值參數(shù)

對比每噸礦渣硅酸鹽水泥531.2~850 kg的CO₂排放量，每噸全固廢膠凝材料可減少碳排放約371.1~689.9kg，在生產(chǎn)階段碳減排幅度約70%左右。

5  總結(jié)

1）生產(chǎn)全固廢膠凝材料所產(chǎn)生的碳減排幅度，相比生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥，每噸的碳減排幅度可達到70%左右，為行業(yè)碳減排提供有利支撐。

2）首鋼京唐公司生產(chǎn)全固廢膠凝材料過程中的二氧化碳排放量低，同時所生產(chǎn)的全固廢膠凝材料質(zhì)量指標(biāo)均符合要求。

3）首鋼京唐公司生產(chǎn)全固廢膠凝材料在碳減排方面具有明顯優(yōu)勢，在推廣應(yīng)用和拓展產(chǎn)品應(yīng)用市場方面，還需建立健全相關(guān)評價機制作為保障。

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