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参观英国最大的水泥厂

受某组织赞助,实验室同事组织了一次参观英国最大的水泥厂的活动。作为一个与水泥打交道近十年的人(我主要是使用水泥,并不研究水泥生产),这是我第一次参观水泥厂,实地了解水泥的生产过程。

HOPE水泥厂位于英格兰峰区(Peak District 国家森林公园)。年生产能力约150万吨,这个能力在中国排名前50名都排不到。但这里是没有什么建设工程的英国,国情不一样。工厂前身成立于1929年,在1952和1970年左右分别升级改造了两次,最近几年公司的架构和所有权频繁变动,最近又开始升级改造设备。目前拥有干法生产窑两条生产线,厂区员工数量为165人。

最开始是访客安全培训和每个人配发的相关安全装备,之后才是负责人先简单介绍了公司历史和目前的生产情况,接着带我们参观了水泥生产原料石灰石矿厂。吃完三明治为主的午餐后,相关的技术人员介绍了公司的产品控制和优化体系,同时我们的代表也介绍了我们(谢菲尔德大学水泥研究组)的研究情况,然后由负责人带领参观厂区的水泥生产线以及产品质量控制实验室。

虽然我基本了解整个水泥生产流程、原理和工艺,但实地参观还是令我印象深刻。感觉一切都是那么巨大、宏观,毕竟用水泥生产的混凝土是全世界人类消耗量第二大的商品——消耗量第一的东西是水。同时,整个厂区看不到灰尘、烟尘的状况。防尘的细节做得很好,无论是原料破碎还是水泥熟料生产过程,没有看到尘土飞扬的样子,烟囱里面也没有看到浓烟滚滚,空气也没有奇怪的味道(生产过程中需要除硫和一氧化氮等污染气体)。

参观结束时,我问负责人:目前水泥厂面临最大的挑战是什么?他回答我:“是让水泥厂运行下去。”即使是英国最大最先进的水泥厂也面临如此挑战,这令我不禁思考:在节能减排方面,工艺技术的提高还有多少空间?人类社会的发展几乎不可能离开水泥混凝土,但水泥生产的未来是什么?

以下是本次参观过程中拍的一些照片。

HOPE水泥厂
清晨的英格兰峰区,一片雾濛濛,树枝还挂着雾淞一样的霜,很是好看。

HOPE水泥厂
HOPE水泥厂的整个鸟瞰图(这其实是一张照片翻拍)。

HOPE水泥厂
很正规的安全培训教育,每个参观者都提供了制服、安全鞋、保护眼镜、耳塞、手套和安全帽等。

HOPE水泥厂
负责人是全厂唯一的博士。

HOPE水泥厂
水泥生产原料开采矿场:石灰石,整个开采矿场很大很深,长约为1.4公里,宽约为600米。

HOPE水泥厂
石灰石原料开采出来后,进行初次破碎成小块,图为破碎控制室。

HOPE水泥厂
原料初次破碎设备。

HOPE水泥厂
原料初次破碎设备室。

HOPE水泥厂
原料初次破碎后经由运输管道运到下一级存放。

HOPE水泥厂
原料输送到水泥厂。

HOPE水泥厂
水泥生产操作控制室,在1990年代就已经实现数字化监控。

HOPE水泥厂
水泥生产线,两条干法生产窑,直径4.8米,长度为70米。管道内需要大量耐火砖(1500度左右),大部分来自巴西和德国,试过中国的产品,但效果不好……

HOPE水泥厂
在水泥生产窑下面合影。窑的表面温度为150度左右,一阵阵热风,在寒冷的冬天站在下面很温暖……

HOPE水泥厂
水泥生产窑的进火端,也就是管道斜放着较低的一端。高的一端投入水泥生产原料,利用重力和窑一分钟两圈的旋转力量使得原料在窑管道里慢慢流向低的一端,同时受热钙化烧成水泥熟料。

HOPE水泥厂
同样在进火的一端,水泥熟料生成,慢慢出来冷却。

HOPE水泥厂
绝对的重工业,复杂的设备。

HOPE水泥厂
水泥生产需要消耗很多的能源,该厂每年的燃料费用需要600多万英镑。煤是主要的燃料。约占所有燃料的65%左右。

HOPE水泥厂
在环保的要求下,燃料不单是燃煤,也开始使用工业垃圾,布匹、废纸、塑料等。

HOPE水泥厂
畜牧业的垃圾也用作燃料,马牛羊圈里的所有东西,带草料和动物的毛发和排泄物等,很臭……

HOPE水泥厂
粒化的塑料,还有废旧汽车轮胎也用作燃料。

HOPE水泥厂
水泥生产窑的点火器,同时输入空气和燃料,火焰就是通过此燃料器产生而进入窑内(英文叫Fire Pipe)。

HOPE水泥厂
水泥熟料生产后通过此球磨设备研磨成粉。

HOPE水泥厂
水泥生产过程中需要添加石膏,控制水泥的凝结。

HOPE水泥厂
生产好的水泥直接经由厂区的铁路运输到客户和其它下游水泥厂。水泥产品运输成本太高,因此主要供应英国。

HOPE水泥厂
即使是水泥厂,也有高尔夫球场还有健身馆。

水泥的重要性和水泥行业的未来

混凝土是世界上使用最广泛的土木工程材料,这得益于它便宜的价钱、巨大的产量。几乎是常识,制造混凝土需要水泥(还有水和砂石骨料)。但是,水泥被全世界许多人们认定为CO2(二氧化碳)碳排放量巨大的建筑材料,因为在生产水泥的过程中,燃料燃烧和石灰石煅烧分解的确会排放CO2(更不消说落后水泥厂的粉尘污染),大约一吨水泥会排放一吨CO2. 整个全球水泥行业排放的CO2总量,约占全世界非人为CO2排放量的5-8%,这不是一个小数字。

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也许会有人会说:人类能否找到替代水泥的更好的建筑材料?比如木材、钢材等。事实上这不可行,以木材为例,全球每年的木材消耗量远远超过重新植树的数量,有些地方甚至不能轻易获得木材作为主要的建筑材料,例如:非洲和中国的许多地方。至于钢材,它本身的价格相对水泥要贵得多,而且生产钢材的过程中也产生大量CO2. 事实上,水泥的生产过程相比较其它材料,其能源消耗并不高(混凝土更低)。

可以这样说,几乎无法找到完全替代水泥的建筑材料,这是由地球上的资源情况所决定。地球的地壳成分中,O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg八种元素几乎占了98%,而这8种元素正是水泥的主要成分,要找到一种替代材料,也必然要包含这8种元素。

从长远来看,由发展中国家的城市化发展以及世界人口的增长速度来看,整个世界依然需要大量的水泥作为建筑材料。比如,在未来几十年来里,来自印度、中国等发展中国家的水泥需求量几乎要翻番。

既然我们依然需要使用水泥作为大量的建筑材料,我们如何能减轻CO2排放量?水泥行业的未来是什么样?虽然公众未必知晓,整个水泥行业和水泥科研领域却做了大量的工作,也取得了不小的成绩。

从水泥生产行业来说,一方面,水泥生产企业尝试使用垃圾(甚至有毒)作为燃料,比如用废旧的汽车轮胎作为燃料来生产水泥。在中国的三峡大坝地区,有人尝试,将三峡水库中漂浮的木材收集起来作为水泥生产的燃料。另一方面,整个水泥生产工艺也一直在优化过程中。欧洲的众多水泥生产企业能达到80%的能耗效率,这个成绩即使是以纯理论观点来看,也是一个了不起的成绩。

科研工作者们一直在研究如何减少使用水泥熟料。一个方法是使用辅助胶凝性材料(Supplementary Cementitious Materials)。辅助胶凝性材料通常是工业废料或者生产水泥的原材料,比如高炉矿渣、石灰石粉末(正是煅烧它才产生CO2)、火山灰、硅灰、天然火山灰。这些辅助胶凝性材料和水泥两掺或者三种材料混合使用,能够取代部分水泥熟料,并在工程性能上没有损失(有时在耐久性方面甚至有提高)。

但是,即使是辅助胶凝性材料,它们的数量也是有限的。有些地区并不一定能方便地获得辅助胶凝性材料,例如,如果一个地方没有炼钢厂,就不太可能有矿渣,将来甚至炼钢行业进行大革新,从而不再产生矿渣。针对这种情况,有研究者们试图利用几乎没有储量限制的钙化粘土。这些钙化粘土含有的高岭土成分具有类似水泥基材料的特性。在古巴进行的研究表明,用钙化粘土取代30%的水泥,获得了与波特兰水泥混凝土同等的3天强度,这说明钙化粘土如果能有效加以利用,在未来具有良好的使用前景。

总体来说,水泥是一种非常重要的建筑材料。对于未来水泥行业的CO2排放量,人类并不必过分担心。

英文原文:The importance of cement and its future

两本国外水泥科学研究入门书籍

很多人都未必能一直从事某一方向的研究,更何况是博士课题这种有些钻牛角尖的研究,当然,没有博士生的研究又肯定不行,要不然会有那么多的资金傻傻地投入进来?

土木坛子上大学的时候学的是土木工程——工民建,然后在硕士研究生阶段做了一点海洋混凝土耐久性方面的研究,算是偏向了建筑材料中的混凝土方向。有幸到欧洲留学后,从事的研究就完全是水泥方面了,更确切地说是复合水泥方面的研究,彻底地从一个结构方向的学生转变成了材料方向的学生,跨度当然是有的。不过,这种现象也并不少见。毕竟研究阶段,总得从事些别人没有干过的事情,这样才能有利于推进科研的进步。

有跨度没有问题,问题是如何克服跨度?年轻人最大的优势可能就是学习能力了。反正现在的信息资料是如此发达,只要想学,什么资料都有。所以土木坛子在这里想推荐一下类似我这种情况的书籍。不多,暂时推荐两本,可以称之为水泥化学方面研究的入门书、教科书、工具书,这两本均是PDF格式的国外原版,点击直接下载(链接见博文末尾)。

我这种共享行为是否有版权,其实我也不甚清楚,反正只要没有有商业目的,下载下来做为科研之用,应该是没有什么问题,更何况在祖国这片神奇土地上的人们,我们还有版权的观念吗?

下载链接:

关于混凝土速凝剂、 减水剂、锚固剂的选择

以下是我通过各方面的情况了解到的信息,供中国大陆施工人员参考使用。

  • 减水剂:萘系的选用上海花王。聚羧酸选择sika西卡中国或者巴斯夫中国都可以,都是国外的品牌,国内的产品很多都不合格,但比较好的有江苏博特、浙江五龙、深圳五山。
  • 速凝剂:做得比较好的是巴斯夫的产品。
  • 锚固剂:通常指水泥基的锚固材料,现在很多人也使用有机类包括环氧类和不饱和聚酯类的锚固材料。这几种材料我们公司(建研建材有限公司010-84286259)也有生产,质量也还不错,国内其他厂家例如冶建院的纽维逊和湖南固特邦公司也都生产。
  • 国外厂家通常不生产水泥基的锚固剂,多数生产有机类的锚固胶,以喜利得和慧鱼的质量最好,价格也比较高。

感谢中国建筑科学研究院建筑材料研究所所长赵霄龙及工程师左彦峰张小冬先生提供的热情帮助!