山西路桥再生资源开发有限公司：CFB灰渣制备生态水泥，助推绿色低碳循环发展

　　本报记者高洁 通讯员李冬生 2021年10月24日,国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》明确指出,鼓励建材企业使用粉煤灰、工业废渣、尾矿渣等作为原料或水泥混合材。加快推进绿色建材产品认证和应用推广，加强新型胶凝材料、低碳混凝土等低碳建材产品的研发应用。

　　目前，我国正处于城镇化建设的高速发展期，能源和资源消耗巨大。据相关数据统计，全国循环流化床(Circulating Fluidized Bed，缩写CFB)锅炉发电厂每年排出CFB飞灰、炉渣(以下简称CFB灰渣)约1.2亿吨,山西省每年排放CFB灰渣约3000万吨。循环流化床燃烧技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染燃烧技术，由于其高效的固硫效率已成为当今燃煤锅炉的主流。然而，CFB锅炉的炉内脱硫技术需要加入大量的脱硫剂(一般是石灰石)，在减少大气污染排放的同时, 产生了大量脱硫灰渣(也称固硫灰渣)。脱硫灰渣是这种燃烧技术下产生的残余物，其中从烟道收集得到的是脱硫灰，从炉底排出的是脱硫渣。研究表明，CFB锅炉产生的脱硫灰渣比普通煤粉炉多30%～40%。循环流化床锅炉燃烧效率高，可以燃用煤矸石、褐煤、煤泥等劣质燃料。在消化利用大量劣质燃料，带来巨大经济效益和环保效益的同时，也带来了排渣量的大幅增加。

　　CFB锅炉(燃烧温度为730℃-950℃)与传统的电厂煤粉锅炉(燃烧温度为1200℃-1600℃)产生的飞灰和炉渣存在很大的差异。2017年7月12日发布，2018年6月1日实施的国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)明确指出用于水泥和混凝土中的粉煤灰不包括CFB锅炉燃烧收集的粉末。脱硫灰渣化学成分中含有大量的硅铝氧化物、游离氧化钙和三氧化硫，具有良好的火山灰活性、一定的自硬性和膨胀性，具备作为水泥混合材料或混凝土掺合料使用的物质基础。但脱硫灰渣自身的大吸水性、膨胀性和化学成分的差异性，对胶凝体系的影响机理尚无定论，限制了其大规模产业化利用。

　　当前，CFB灰渣主要采用填埋、堆存等方式处置，CFB灰渣大量堆存，在占用大量土地的同时，会对环境造成污染，导致生态破坏，环保压力巨大，并影响人体健康。因固废排放产生的环保税，给企业造成巨大的经济负担。严重制约了社会的可持续发展。因此，CFB灰渣资源化利用的途径亟需拓展。如能利用CFB灰渣制备生态水泥用于公路工程建设中，不仅能解决CFB灰渣不易处置的难题，而且符合国家推广新型胶凝材料、低碳混凝土等低碳建材产品的发展理念。

　　2018年3月，山西路桥集团结合公路工程实际，着手研究对所属二级企业山西三维集团每年产生的约18万吨CFB灰渣进行规模化、资源化利用，将CFB灰渣作为公路路面基层、底基层的结合料，成功应用于在建公路工程项目，在山西省开创了CFB灰渣在等级公路路面基层应用的先河，探索出一条CFB灰渣资源化利用的新路径。

　　2020年4月,山西路桥集团成立的山西路桥再生资源开发有限公司在对山西三维集团CFB灰渣在公路工程建设研究应用的基础上,通过采用CFB灰渣作为水泥混合材，创造了自主品牌—“路桥生态水泥”。开创了CFB灰渣规模化、资源化利用的新途径，达到了合理降低单位水泥熟料用量的目的。

　　路桥生态水泥采用“CFB飞灰、炉底渣+水泥熟料+其它混合材+脱硫石膏+适量助磨剂”制备而成。其性能指标满足《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》(GB/T 35162-2017)、《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)等标准要求。

　　CFB灰渣(以煤矸石燃料为例)制备生态水泥流程见图1。

图1 CFB灰渣制备生态水泥流程图

　　其优点：

　　(1)微膨胀，可提高路面基层抗裂性;

　　(2)可碾压，凝结时间能满足路面基层施工要求。

　　生态水泥具有广阔的应用前景，可作为公路路面水泥稳定材料应用于路面基层(底基层)、采空区注浆及路基改良土等。2021年10月，山西路桥再生资源开发有限公司申报的“工业固废CFB灰渣水泥(生态水泥)在路面基层中的应用研究”项目荣获(全国双创周山西分会场)山西省科学技术工作者双创大赛金奖。

(1)用于高速公路路面基层

(2)用于国道路面底基层

(3)用于国道采空区注浆

(4)用于高速公路改良土

图2 生态水泥的应用

　　利用CFB灰渣制备生态水泥具有重要的经济效益、社会效益和生态环保效益。具体价值如下：

　　(一)经济效益：

　　与同类产品相比，CFB灰渣水泥充分发挥了CFB灰渣的技术特性，具有一定的技术优势;与普通水泥稳定碎石路面基层相比，采用CFB灰渣水泥稳定碎石铺筑路面基层，在满足强度要求的同时，能够充分发挥CFB灰渣凝结硬化较慢的特性，更有利于基层摊铺、碾压，保证施工质量;能够充分发挥CFB灰渣的膨胀性，避免开裂。

　　CFB灰渣水泥生产成本低，且性能好，可以产生良好的经济效益。以生产100万吨CFB灰渣水泥产品计，可消耗脱硫灰渣约30万吨，脱硫石膏约5万吨，可为固废排放企业节约环保税约900万元;可节约水泥熟料约30万吨，可节约成本约1.2亿元。

　　(二)社会效益

　　CFB灰渣的大量堆存，若不对其进行及时有效的处置，将会对大气环境、地表水、地下水等产生污染，影响人体健康。该项目的实施，有利于促进固废资源化利用，提高利用率。目前我国固废利用率普遍不高，特别是CFB灰渣的利用率很低，不足10%。通过利用CFB灰渣制备生态水泥在公路建设中的应用，拓展了脱硫灰渣等工业固废资源化、规模化的利用途径。

　　(三)生态环保效益(减碳效应)

　　根据相关资料，水泥熟料中CaO含量的波动范围为62%-67%，取CaO含量为64%计算可得，生产1吨水泥熟料需要1.14吨CaCO3，同时释放0.5吨CO2。每吨水泥熟料生产总能耗按108公斤标煤计算，每吨标煤燃烧按排放2620公斤CO2计算，则生产1吨水泥熟料所燃烧的标煤排放的CO2量为0.28吨。因此，每生产1吨水泥熟料，排放CO2约0.78吨。按照水泥熟料80%比例掺配，生产1吨水泥排放CO2约0.624吨。以用煤矸石作为燃料为例，1吨煤矸石经循环流化床锅炉燃烧后产生约0.5吨CFB灰渣，用CFB灰渣作为水泥混合材，按照50%代替水泥熟料，生产1吨水泥排放CO2约0.234吨。用CFB灰渣作为水泥混合材制备1吨水泥，可减少0.39吨CO2排放。以路面基层施工中每年使用生态水泥100万吨计算，可利用约200万吨煤矸石，减少约40万吨CO2排放，节约耕地约5万平方米。如果在全国推广，可减少约上千万吨CO2排放量，节约上千亩土地。

　　2022年2月11日，为进一步推动各有关方面科学做好重点领域节能降碳改造升级，国家发展和改革委员会发布了《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》的通知，针对水泥行业提出要合理降低单位水泥熟料用量，提高水泥粉磨过程中固废资源替代熟料比重，降低水泥产品中熟料系数，减少水泥熟料消耗量，提升固废利用水平。

　　CFB灰渣生态水泥作为“六新”之一的新材料，与常规水泥相比，制备过程中使用了大量不易使用的CFB灰渣工业固废，可达到水泥企业实现降低单位水泥熟料用量，提高水泥粉磨过程中固废资源替代熟料比重，降低水泥产品中熟料系数，减少水泥熟料消耗量，提升固废利用水平的目的，是工程建设行业实现国家“双碳”战略目标和节约土地资源的有效途径。

　　李冬生，中共党员，就职于山西路桥再生资源开发有限公司，正高级工程师，中国建筑学会会员，中国硅酸盐学会与水泥制品分会学术委员会委员，中国建筑学会工程建设学术委员会青年专家，北京砼享未来工程技术研究院核心专家，山西省科学技术厅专家库专家，山西省科协首批服务企业技术创新专家，太原理工大学兼职硕士导师，山西省认证认可协会土木工程检测技术专业委员会委员，山西省硅酸盐学会理事，首届工程建设行业杰出科技青年，山西首批青年创新先锋，山西省劳动竞赛委员会 “个人三等功”和“个人一等功”。获16项专利(其中2项为发明专利)、12项省级工法、1项国家级QC成果、 14项省部级QC成果，参与完成4项政府立项课题、1项国家标准、3项地方标准，发表论文12篇。

　　主要研究方向：混凝土生产、技术、管理，土木工程检测技术，固废开发利用技术等。