粒化高炉矿渣粉的生态环保功效

[4] [3]
（GB1344-1999） 或95%（BS EN197-1： 2000） 。 在硅酸盐水泥生 产中， 每生产1吨硅酸盐水泥需要消耗1.6吨石灰石和黏土等不可 中国2010年水泥生产量为18.8亿吨 [6]， 接近世界水 再生原料 [5]。 泥总产量的一半， 消耗不可再生原料在30亿吨以上， “大大透支
[7] 。 毫无疑问， 使用矿渣粉替代水泥， 可以节省对石灰 中国资源”
石、 黏土等不可再生自然资源的消耗。 此外， 使用矿渣粉替代水泥， 同时也减少了在开采、 运输不 可再生自然资源过程中产生的噪声、 粉尘等环境污染。 毫无疑问， 高炉矿渣的高质化利用已成为冶金和水泥行业 发展循环经济的有效和可行的途径， 其技术经济与社会效益日 益彰显。
活性达S95级及其以上的矿渣粉） 的生 细度介于420~450m 2/kg， 产规模接近7900万吨/年， 生产线140条以上 （详见图1、 2） ， 位列 世界前茅。 矿渣粉生产的主要设备为具有世界先进水平的立式 磨机， 主要从日本和德国进口， 国产磨机（产能以45~60万吨/年 为主）也逐渐开始应用， 装备水平世界先进。 据预测， 到2015年， 国内矿渣粉生产产能将超过1.4亿吨/ 年， 生产线将超过260条， 整体生产规模世界第一。 纵观全球， 优质矿渣粉产品市场和应用价值的演变及发 展， 经历了如下三个阶段： （1） 成本功效； （2）性能功效； （3）性 能+生态环保功效。 目前国内的矿渣粉市场已全面进入第二阶 段， 即使用矿渣粉是为充分利用其能够显著改善混凝土结构强
矿渣粉生产线总数/条 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 立磨生产线的数量 发展趋势 141 107 84 16 27 36 60
263
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'97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 '15
2 优质矿渣粉的生态环保功效
1. 冶金行业发展循环经济的新亮点
高炉矿渣是冶炼生铁过程中从高炉里排出的一种副产品。 在引进大型现代化立磨生产优质矿渣粉之前， 国内高炉矿渣主 要有以下三种利用方式： （1） 直接或经过简单处理后， 用作细骨料和路材。 这是一 种对高炉矿渣简单粗放的利用。 （2）经烘干后与熟料（和石膏）共同粉磨制备矿渣水泥。 由 于高炉矿渣的易磨性比熟料差， 两者共同粉磨时， 高炉矿渣比熟 料的颗粒粗得多， 高炉矿渣的活性和其他改善混凝土耐久性的 功能未得到充分发挥。 （3）采用球磨工艺将高炉矿渣磨细后， 再与磨细的熟料 （含石膏）混合均匀后制成普通或矿渣水泥。 目前仍有部分厂商 使用传统或改进的球磨系统粉磨高炉矿渣， 但其生产出的矿渣 粉质量波动很大， 难以长期和稳定的达到S95级之细度和活性 的要求， 同时耗能和磨损也较高。 以上三种利用方式都属于对高炉矿渣的低质化利用， 并未实 现高质化。 在引进大型立磨后， 中国高炉矿渣的利用才逐步走上了 高质化的道路， 并且发展迅速， 尤其是中国各大型钢铁企业直接 参与的矿渣粉生产线在2003年后如雨后春笋般迅速增加。 下表1是 截至2010年末中国冶金行业参与矿渣粉生产的相关统计情况。 表1显示， 截至2010年末， 中国钢铁企业直接参与的立磨矿 渣粉生产线条数占全国的72%， 产能比例达到77%。 中国钢铁企 业已全面进入矿渣粉产业， 利用高炉矿渣生产优质矿渣粉已经 成为中国冶金行业发展循环经济的新亮点， 也是国内各大型钢 铁集团近年来发展非钢产业的重点领域。 优质矿渣粉可以按质量以1:1替代水泥熟料， 生产出优质的 矿渣水泥。 根据不同国家的规范规定， 矿渣粉掺入量可高达70%
粉磨 烘干
矿粉库 CO2-III 出口码头 海外用户 本地用户 CO2-IV
图4
CO2-V
夏季午后城市热岛效应示意图[15]
城市热岛效应对城市生态环境和城市居民的健康有很大的
图3 典型立磨矿渣粉生产过程中的碳足迹评测（示意）
危害， 是世界上众多大城市所面临的重大城市问题之一： （1） 直接危害人的健康， 高温使人产生不舒适感， 增加心 脏、 脑血管和呼吸系统疾病的发病率， 甚至增加死亡率。 1979年 至2003年美国有8015人因酷热（Extreme Heat） 而死亡， 比同时 期内死于飓风、 闪电、 洪水、 龙卷风和地震的总和还多[16]； 的分解， （2） 加快易挥发有机物 （VOC） 和氮氧化合物 （NOX）
2. 低二氧化碳排放
众所周知， 二氧化碳等温室气体的超量排放， 引发温室效 应， 严重影响了人类的生存与发展。 如何实现碳减排已成为本世 纪人类面临的最主要的挑战之一。 水泥行业和混凝土行业被认 为是高碳排放行业， 面临着巨大的节能减排压力。 在水泥的生产过 据悉， 全球5%的碳排放来自水泥行业 [8]。 程中， 50%的碳排放来自原料化学分解过程， 40%的碳排放来 国际能源署 自燃料消耗， 10%的碳排放来自电耗及运输环节[9]。 （International Energy Agency, IEA）2007年的相关报告显示， 在 世界范围内， 各国水泥生产的工艺和设备存在不同， 生产1吨硅 酸盐水泥平均产生二氧化碳650~920千克[10]。 新加坡昂国集团于2009年对旗下中国区某矿渣粉合资企业 的优质矿渣粉产品生产进行了 “碳足迹评测（Carbon Footprint Assessment）” ， 由独立咨询机构提交的《碳足迹报告（Carbon Footprint Report） 》显示， 该企业生产每吨优质矿渣粉的二氧化 碳排放量仅为30~60千克[11]。 对于优质矿渣粉碳排放的测量， 我们根据生命周期分析 （Life Cycle Assessment, LCA） 方法， 考察矿渣粉 “摇篮到大门” （也称为 “商业到商业” ） 。 即， 从原材料获取到产品提供给用户 （水泥、 混凝土等商家）全过程中的碳足迹 （Carbon Footprint） ， 作为矿渣粉生产过程中二氧化碳的排放量。 根据大型立式磨机矿渣粉生产工艺流程的特点， 其碳排放 主要来自图3所示的5个过程： （1） 高炉矿渣从钢厂出渣口或堆场运输至矿渣粉工厂水渣 ； 堆场过程（图中CO2-I） ； （2） 水渣从厂区水渣堆场到水渣进料口过程 （图中CO2-II） （3）水渣加工， 即为粉磨和干燥过程， 包括原材料上料和 ； 产品入成品库过程（图中CO2-III） （4）通过陆路运输到本地用户， 或将产品运输至港口码头 ； （集港） 的过程（图中CO2-IV）
[17] ， 污染空气， 危害人类健康； 形成低空臭氧 （Ground-level Ozone）
比较可知， 优质矿渣粉的二氧化碳排放量（30~60kg/吨）仅 为硅酸盐水泥二氧化碳排放量（650~920kg/吨）的3%~9%， 平 均降低95%， 减排效果非常明显。 正是根据优质矿渣粉在碳减排方面的显著功效， 水泥和混 凝土厂商已开发出多种绿色低碳水泥或混凝土， 并在低碳混凝 土的基础上， 通过购买碳信用额的方法， 向业界推出碳中和 （或 零碳）混凝土。 这在欧美等发达国家的绿色环保建筑中拥有逐 渐广泛的应用 。 优质矿渣粉生产过程中的低能耗， 也是其生态环保性能之 一。 传统水泥行业一直都被认为是耗能 “大户” ， 水泥 “二磨一 烧” （即， 生料制备、 熟料煅烧和水泥粉磨）的生产过程需要消 耗大量的能量。 在熟料煅烧时， 需要加热至1450℃高温， 生产1 吨熟料消耗热能3690MJ； 在生料制备和水泥粉磨过程中， 需要 即399.6MJ。 因此 消耗大量电能， 生产1吨水泥的电耗111kWh ， 生产1吨水泥的总耗能约为4000MJ。 而生产1吨优质矿渣粉的能耗则要少得多， 矿渣粉生产过 程中的能耗主要集中在粉磨和干燥过程。 以生产能力为90t/h 粉磨过程的耗电量为 （产品细度420~450m /kg）生产线为例， 40~45kWh/吨； 干燥过程中消耗的高炉煤气 （Blast Furnace Gas） 为 所以， 生产1吨优质矿渣粉约耗能530~680MJ， 仅 110~125m3/吨。 为水泥的13~17%， 节能效果明显。 因此， 使用优质矿渣粉替代普通水泥是实现建筑行业节能 减排的有效解决方案。
140 矿渣粉产能/百万吨 120 100 80 60 40 20 0 8.9 0.4 0.4 0.4 1.1 1.6 1.9 4.9 141.6 立磨矿渣粉产能 发展趋势 78.9 61.3 47.7 35.2 20.6 15.2
现， 并逐渐被水泥和混凝土业者所重视， 成为发展绿色低碳水泥 或混凝土的重要原材料和技术途径。 优质矿渣粉的生态环保功效 在一些发达国家如德国、 英国、 爱尔兰、 美国以及亚洲的阿联酋和 新加坡等， 拥有许多成功的应用案例。 因此， 优质矿渣粉也被各国 相关业者公认为是一种可持续发展的绿色低碳环保建材产品。
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优质粒化高炉矿渣粉的生态环保功效
新加坡昂国集团 陈恩义 李体祯
前言
粒化高炉矿 渣粉， 简 称 矿 渣粉（即Gr ou nd Gr a nu l a te d Blastfurnace Slag或GGBS） 。 根据中国国家标准《用于水泥和混 凝土中的粒化高炉矿渣粉》 （GB/T 18046-2008） 中的定义， 矿渣 粉是以粒化高炉矿渣为主要原料， 通过粉磨（可掺加少量石膏） 加工至一定细度的粉体材料。 本文所述的优质矿渣粉是指采用 现代化大型立式辊压粉磨设备（即立式磨机） 加工生产得到的， 具有S95级及其以上级别的粒化高炉矿渣粉。 众所周知， 优质矿渣粉是水泥生产的优质混合材同时也是使 混凝土高性能化的重要功能性掺和料。 随着优质矿渣粉产品和应 用技术的普及， 在当今低碳和可持续发展背景下的经济活动中， 优 质矿渣粉所具备的生态环保功效 （Eco-friendly Properties） 日益显
总23期
2011.05 混凝土世界
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（5） 从港口码头通过海运到海外用户 （图中CO2-V） 。
高炉煤气/煤 高炉水渣进场 CO2-I 水渣堆场及上料 热风炉 水渣库 热风 CO2-II
低， 而城区则是一个高温区， 就像是一个岛屿突出在海面上， 所以 被形象地称为 “城市热岛” 。 在夏季， 城市局部地区的气温甚至会 图4是夏季午后城市热岛效应示意图。 比郊区高出6℃以上[14]。
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1 优质矿渣粉在国内的发展
图1 1997～2015年中国立磨矿渣粉产能发展及预测
时间
欧洲国家（如德国、 荷兰、 英国等）关于矿渣粉的研究、 生 美国对于矿渣粉的生产 产和应用的起步比较早， 发展成熟 [1][2]。 和应用相对晚些， 但发展迅速， 尤其是自20世纪90年代中期以 来， 矿渣粉的应用非常广泛。 中国真正意义上的优质矿渣粉生 产始于1997年， 2000年后随着国家产品标准的颁布和执行， 市 场开始接受。 起步虽然很晚， 但由于采用最先进的装备技术， 行业起点高， 发展速度非常快。 据笔者的跟踪和统计， 到2010年 末， 中国优质矿渣粉（采用现代先进大型立式辊压磨机生产的
表1 国内钢铁企业参与立磨矿渣粉生产线运营统计情况
立磨矿渣粉生产线统计情况（截至2010年末） 统计项目 钢铁企业参与运营的生产线 非钢铁企业运营的生产线 总计 数量 /条 102 39 141 所占比例 /% 72 28 100 产能 /万吨 6050 1840 7890 所占比例 /% 77 23 100
注： 已投产的矿渣粉生产线主要有年产60、 90和120万吨 三种， 而其中以年产60万吨最为普遍， 数量也最多。
时间
收稿日期：2011-03-07
图2
NO.23
1997~2015年中国立磨矿渣粉生产线数发展及预测
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CHINA CONCRETE 2011.05
Байду номын сангаас
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度和耐久性等工程性能， 而诸多的重大工程都无一例外的规定 其中最为典型 使用矿渣粉并作为混凝土高性能化的必备材料 ， 的是目前正方兴未艾的高铁客运项目建设中的高性能混凝土 。 尽管如此， 与欧美等发达国家相比， 国内对矿渣粉环保功效的开 发与利用尤显不足， 矿渣粉产品市场和应用价值与第三阶段还有 一定距离， 矿渣粉真正价值也因此没有完全体现出来。