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看建材行业绿色化进程


姚 燕 中国建筑材料科学研究总院院长。历任中国建筑材料科学研究总院房建所所长、院长助理、水泥与新型材料研究所所长、院长,中国建材集团副总经理,中国建材集团董事、总经理、党委副书记。
  2011年11月,工业和信息化部出台了《建材工业“十二五”发展规划》(简称“《规划》”),《规划》要求,要降低单位工业增加值的能耗,降低二氧化碳(CO2)的排放,减少主要排放物,提高综合利用固体废弃物,其目标是:单位工业增加值能耗和CO2排放降低18%~20%;主要污染物排放总量减少8%~10%;综合利用固体废弃物总量提高20%。针对以上目标,建材行业不断加大了自身节能减排力度,也取得了相应的成果。对此,本文将对绿色建材在我国的发展现状和趋势进行探讨。

绿色建材行业发展的必要性
  建材行业消耗各种矿产资源巨大。墙体材料和水泥行业资源消耗量分别占总量的52%和39%。2011年,建材行业终端能源消费量为31443.53万吨标准煤,比2010年增长了9.7%。同时排放了大量的有害气体及粉尘,2010年烟气粉尘的排放量达380万t,在全国工业系统占第1位。

  近些年,建材行业利用了大量的工业废渣,例如钢铁、电力行业排出的大量废渣、粉煤灰,经过处理作为基础原料被利用到其他领域。培养绿色产业,已经成为了我国发展建材行业的一个重要任务。所谓绿色建材、环保建材或生态建材,都要基本符合节能减排、安全便利和可循环的原则,要尽量少的对原材料资源的开采、加工和使用,产出废渣要可循环利用,提高资源利用率。

  国外绿色建材的发展有很多的经验。他们提倡节能环保,提倡可持续发展的理念,以水泥工业为例,如日本1991年的新型干法水泥产量占比就达到了97.4%,而中国至今尚未达到这个数值。因此,日本成为世界上水泥生产单位原材料消耗和CO2排放最低的国家。而我国水泥工业能源结构以煤炭为主,占总能耗86.18%,电力比重为11.03%。近10年,水泥能耗总量不断攀升,2009年能源消耗总量1.5 亿t标准煤,占建材工业能耗总量72.4%,万元工业增加值综合能耗为9.2t标准煤,是建材工业平均水平的2.6 倍,全国工业平均水平的4.5 倍。燃料替代率很低,实际单位煤耗高出全球水泥行业5大公司6.18kg,全球水泥行业5大公司与中国燃料替代率对比见表1。

  水泥生产各主要污染物排放指标均高出国际水平,资源综合利用的数量与质量与德日美仍有差距。平板玻璃平均热耗比国外平均水平高20%,比国际先进水平高32%,建筑卫生陶瓷综合热耗是国际先进水平的2倍,全员劳动生产率仅为国际先进水平的10%~20%,水泥生产各主要污染物排放指标见表2。因此,加快培育绿色建材产业成为我国未来建材工业结构调整的紧要任务。

绿色建材定义及内涵
  绿色建材定义。绿色建材是指在全生命周期(见图1)内可减少对天然资源消耗和减轻对生态环境影响,本质更安全、使用更便利,具有“节能、减排、安全、便利和可循环”特征的建材产品。广义是指采用清洁生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业或城市固态废物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料。在国外,绿色建材早已在建筑、各种建设工程、装饰施工中广泛应用,而在国内它还仅仅作为一个概念刚开始为大众所认识。
  绿色建材内涵。绿色建材的发展战略,应从原料采集、产品的制造、应用过程和使用后的再生循环利用等全生命周期的各个方面进行全面系统的考察,方能界定是否称得上绿色建材。众所周知,环境问题已成为人类发展必须面对的严峻课题。人类不断开采地球上的资源后,地球上的资源必然越来越少,为了人类文明的延续,也为了地球生物的生存,人类必须改变观念,改变对待自然的态度,由一味向自然索取转变为珍惜资源、爱护环境,与自然和谐相处。人类在积极地寻找新资源的同时,目前最紧迫的应是考虑合理配置地球上的现有资源和再生循环利用问题,走既能满足当代社会发展的需求又不致危害未来社会的发展,做到发展与环境的统一,眼前与长远的结合。
我国绿色建材发展的技术途径
  建材全生命周期的绿色化生产及应用技术,重点在建材生产阶段的绿色化和应用阶段的绿色化。具体包括以下几个方面的内容:

  资源高效利用技术。发展绿色建材行业,应采用优质原料的高效采选分离技术和尾矿综合利用技术;工业废弃物替代原、熟料技术;水泥窑协同处置危险废弃物及城市垃圾生产技术;工业污泥、焚烧垃圾灰、废弃复合材料等替代燃料技术和大规模应用困难的工业废弃物(如赤泥)在建材中利用技术;高镁、高硅、高碱等劣石灰石烧制水泥熟料和低质原料和工业废弃物等生产陶瓷产品;削减单位产品资源用量:薄型化陶瓷砖制造和应用技术。具体包括替代水泥原、熟料技术和可燃废弃物替代燃料技术。

  节能低碳生产技术。低碳经济成为全球焦点。哥本哈根会议更是低碳经济全球瞩目的焦点。低碳经济的基础是低能耗、低污染、低排放。低碳经济的实质是能源高效利用、清洁能源,开发、追求绿色GDP。中国应开展低碳经济试点,努力控制温室气体排放,严格控制对高耗能、高排放行业和产能过剩行业的贷款。在我国,要研究推广低碳装备和技术,如新型节能生产工艺和装备,新型燃烧技术,低碳(钙)型产品的生产制造工艺,窑炉余压余热梯级利用,水泥窑纯氧燃烧及CO2捕集利用技术、窑炉短流程制备工艺,玻璃熔窑全氧燃烧技术,新型低碳(钙)水泥基新材料,水泥、玻璃等行业低温余热发电技术。

  污染物排放控制技术。2011年全国水泥生产排放出的氮氧化物(NOx)在200万t以上,约占全国工业NOx排放总量的10%,成为仅次于电力、汽车排放的第3大NOx排放行业。

  水泥窑炉NOx减排的技术措施主要有三个方面,第一,源头控制。采用全氧燃烧、富氧燃烧、分级燃烧、采用新型燃烧器。第二,末端处理。采用选择性非催化还原技术(SNCR)和催化还原技术(SCR)。第三,联合路线。采取燃烧控制结合SNCR、SCR。

  燃烧优化控制NOx排放技术,是目前使用最广泛且经济有效的措施,但减排效率较低,约为30%左右。目前世界上90%以上的水泥工业采用SNCR工艺。SCR的优点是效率高,便于维护。SCR技术由于巨大的削减潜力、其减排性能不会像SNCR那样受到水泥窑规格大型化的影响,没有副产物生成,不形成二次污染,装置结构相对简单,运行可靠,便于维护,一次投资相对较低等优点,被认为是最彻底的NOx减排技术。但SCR需要使用和消耗价格昂贵的贵金属催化剂,而且由于水泥企业废气的粉尘浓度很大,碱金属含量较高,易使催化剂中毒和堵塞。随着环保要求的提高,世界各国逐步趋向于采用燃烧优化控制、SNCR 、SCR中两种或以上技术组合,达到彻底治理NOx的目标。

  绿色建材产品制造及应用技术。目前我国绿色建材产品制造及应用技术不完善、不成熟也是制约绿色建材产品发展的重要问题。比如混凝土耐久性方面的快速法评价耐久性的可靠性、结构工程关键部位混凝土耐久性控制技术和措施的落实、提高混凝土耐久性新材料应用等;与建筑节能的效果联系非常紧密的节能玻璃的制造及应用问题,如真空玻璃的安全性、真空玻璃服役可靠性现场评价及无害化低温封接技术,Low-e玻璃的在线和离线生产工艺的改进等问题;薄型陶瓷砖在建筑中应用技术体系的建立和完善、烧结保温空心砌块及其制造技术与装备与不同地区建筑的适应性等等,必须彻底解决绿色建材产品在应用和生产方面存在的问题,使绿色建材产品无障碍的应用在工程中,才能是绿色建材行业发展及完善。

发展建材新兴产业,促进行业转型升级
  重点发展建材新材料。建材新材料产业是指新出现的或正在发展中的,具有建材传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料;或采用新技术(工艺、装备),使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料。目前已列入国家战略性新兴产业中新材料产业的材料包括新型功能材料、先进结构材料和复合材料。

  新型功能材料包括稀土永磁、发光、催化、储氢等高性能稀土功能材料;高纯稀有金属及靶材、原子能级 锆材、高端钨钼材料及制品等;高纯硅材料、新型半导体材料、高性能膜材料等;特种橡胶及专用助剂。先进结构材料包括高强轻型合金、高品质特殊钢、高温合金材料以及特种环氧树脂等。高性能复合材料以树脂基复合材料和碳碳复合材料为重点,推进高性能复合材料低成本化、高端品种产业化和应用技术装备自主化。加快发展高性能纤维并提高规模化制备水平,积极开展高强、高模等系列碳纤维。这些新材料应该归于上述定义中的“具有建材传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料”。这些新材料中有一些已经形成规模产业,而很多尚在发展中,在目前或未来一段时间内还不能形成具有一定规模的产业。而定义中“采用新技术(工艺、装备),使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料”则在建材行业普遍已经形成非常大的市场规模并已经对国家重大工程建设、节能环保及民生改善起到了较为显著的促进作用。如特种水泥、节能玻璃、新型高效保温材料等等。与传统材料相比,这些提升传统材料性能的新材料具有技术高度密集,研究与开发投入高,产品的附加值高,生产与市场的国际性强,以及应用范围广,发展前景好等特点。

  建材战略性新兴产业定义中“对产业结构有重大影响的新工艺、新装备及共性关键技术所形成的产业”主要指资源高效利用技术,包括资源开采、产品生产、循环利用等;节能低碳生产技术,包括具有明显节能减排效果的新型生产工艺和装备、低碳型产品的生产制造工艺、新型燃烧技术、窑炉余压余热梯级利用,并形成与之匹配的能量计量与管理系统。如水泥新型干法窑的高效烧成工艺(二支点窑、高固气比技术、预烧成技术等);硫铝酸盐、高贝利特水泥等低碳排放水泥的生产及应用技术;玻璃窑全氧燃烧技术;玻璃熔窑新型熔化与澄清技术;陶瓷墙地砖新型干法短流程工艺等。污染物排放控制技术,主要包括有效控制SO2、NOx和粉尘排放的环保技术、装备和材料。这些行业重大工艺、装备及配套材料的发展带动了整个行业的转型升级,显著加快我国建材流程制造业“转方式,调结构”进程,推动了全行业的可持续发展。

建材新材料产业发展方主要包括无机非金属新材料、高性能复合材料和新型建筑材料
  无机非金属新材料。其一,特种玻璃。以满足建筑节能、平板显示和太阳能利用等领域需求为目标,加快特种玻璃产业化,增强产品自给能力。重点发展平板显示玻璃(TFT/PDP/OLED),光伏电池透明导电氧化物镀膜(TCO)超白玻璃。加快发展高纯石英粉、石英玻璃及制品,促进高纯石英管、光纤预制棒产业化。积极发展长波红外玻璃、无铅低温封接玻璃、激光玻璃等新型玻璃品种。其二,特种陶瓷。积极发展氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、石英陶瓷以及陶瓷分离膜等新型陶瓷功能材料。

  高性能复合材料。加快发展低成本碳纤维、特种玻璃纤维(高强、低介电、高硅氧、耐碱等)和碳化硅纤维等高性能增强纤维及制品。开发新型超大规格、特殊结构材料的一体化制备工艺,发展风电叶片、高压容器、复合导线及杆塔等专用材料,加快在航空航天、新能源、高速列车、海洋工程、节能与新能源汽车和防灾减灾等领域的应用。大力发展连续玄武岩、氮化硼和岩棉等新型无机非金属纤维品种。

  新型建筑材料。结合重大工程建设、绿色建筑、建筑节能、旧城改造、安居工程、新农村建设、防灾减灾及灾后重建等专项工作,以重大工程用特种水泥基材料、节能门窗、节能墙体、节能屋面系统为重点,鼓励发展应用低辐射(Low-E)镀膜玻璃、涂膜玻璃、真空玻璃及等建筑节能玻璃;高效阻燃安全保温隔热材料、轻质节能墙体材料、超薄型陶瓷板(砖)以及具有改善室内环境的环境建材产品等绿色建筑材料及制品,以及新型抗震节能集成房屋。

  除此之外,一些前沿新材料如薄膜材料、智能材料、纳米材料目前在建材行业已有研发,但还没有大规模应用带动相关产业的形成,应积极关注这些前沿新材料的研发并给予支持。

作者:姚燕
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