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    [原创]胡道和:浅谈水泥工业未来发展之路

    发布日期:2012-09-17

    来源:中国水泥网北京新闻中心 鞠丽     发布日期:2012-09-14

    核心提示:胡道和,新中国培养出的第一代大学教师,很早就从事水泥专业的教学与科研工作,是水泥教育界的老前辈,是治学严谨,锐意创新的全国优秀教师。她将毕生精力都奉献给了教育和水泥事业。

     “古之学者必有师。师者,所以传道授业解惑也。”

    胡道和,新中国培养出的第一代大学教师,很早就从事水泥专业的教学与科研工作,是水泥教育界的老前辈,是治学严谨,锐意创新的全国优秀教师。她将毕生精力都奉献给了教育和水泥事业。

    胡道和教授主要从事水泥工业技术开发、研究和教学工作,筹建了“硅酸盐工程”新专业,先后承担“六五”、“七五”、“八五”国家科技攻关任务,开展了一系列有关窑外分解、磷石膏联产水泥和硫酸新技术的基础研究和开发创新性研究,并多次荣获国家级奖项。

    近日,中国水泥网记者专程采访了胡道和教授,深入交流了关于水泥工业的发展方向、节能捕碳、沸腾炉煅烧等诸多水泥行业前沿问题。通过采访,我们也深深感受到了胡道和教授虽然已经是满头白发,但依旧没有停止对水泥行业发展的思考和探索,还在为水泥行业的发展四处奔忙。

    根据生产特点  思考水泥工业发展方向

    在谈到水泥工业的未来发展方向时,胡道和教授表示,首先要正确看待水泥工业的正负两方面的特点,才能明确其发展方向。水泥工业是高温重化工行业,能耗排放都特别大。曾有人形容水泥行业是“用能大户,排放巨人”。据粗略估算,生产一吨水泥熟料要耗标煤100kg,排放CO2800kg,这也是水泥行业目前最大的困扰。但同时我们也应看到其优势所在,例如:回转窑烧成系统具有连续温度分布区,且其高温环境可达1650℃,高温位稳定,容积大,处理固体物料能力强,本身产能大,热容量大,抗干扰能力强。综上所述特点,水泥工业应以绿色经济为目标,以科学发展观为指导思想,朝着资源利用(变废为宝)、节能减排(环境保护)和技术创新(工艺、装备)的方向发展。

    鉴于此,她提出了几点宝贵建议:

    首先是“外联”,即充分利用本身特点与其它行业联手,开辟水泥生产的新局面。

    一、与环保工业联手:将大量生活生产中的各类废弃物作为资源加以利用。当前城市垃圾处理问题,正在引起各方重视,且技术上多有进展。但各种处理方法中,以利用回转窑处置城市垃圾的技术方案最为理想。首先是因为回转窑可吸纳固体物质范围广,有机物可做燃料,无机物可做原料。其次因回转窑本身容量大,处理垃圾量大,且不会影响窑本身的热稳定性,对熟料产量、质量均无影响。同时垃圾具有一定的热值,可代替一部分燃料,达到节能的目的,其排放量也比煤稍小,且不易产生二次污染。水泥窑协同处置城市垃圾,如技术过关并大力推广后,可以解决全国市政工作中的一大难题,具有良好的社会效益、环境效益和经济效益,市场前景广阔,理应作为水泥行业的发展方向之一。

    二、与化学工业联手:对化工厂各类废渣,以及有毒有害废弃物的处理,使资源得以充分利用,如:磷石膏联产水泥和硫酸;电石渣经处理生产轻质碳酸钙CaCO3等等。

    三、与冶金工业联手:如用于贵金属的富集。有些贵金属如锗、镓、铟等资源很稀缺,大部分为贫矿,开采成本很高。但这些贵金属有在高温下气化的特点。如伴生矿成分合适,则可将贫矿粉送人回转窑经高温处理后,气化了的贵金属会粘附在窑内飞灰上,收集后使其成份得到富集,可供冶金工业做原料。

    四、与能源工业联手:当前能源工业正在大力开展“微藻制油”技术的开发。 微藻是一种低等单细胞植物,种类有数万种。微藻在一定条件下,生长速度非常快,为普通植物的数百倍。其中有一种微藻以CO2为原料,以阳光照射为生长条件,通过光合作用,再经诱导反应可以转化为脂类,这种藻被称为油藻。油藻在成长过程中可捕捉大量的CO2,,据估计每吨油藻可吸纳CO21.82吨,其油脂含量可达5070%(干基),热值在45006500kcal/kg藻。成熟油藻经过采收、提取,干燥等预处理后,可制得各类油品。

    面对资源的日益减少,本世纪初油藻炼油技术的开发引起美国、日本、加拿大、以色列、荷兰包括我国在内的极大关注,开展了有效的研究工作。目前已取得相当成果,这些油品已成功用于汽车、航空等工业。预计2012-2015年将有工业化规模投入使用。

     “目前存在的主要问题是,高效光生物反应器的设计与应用尚待完善,且反应器占地面积大,总成本还偏高。但恩格斯很早就指出‘社会需要是科学研究最大的推动力’。我相信在目前化石燃料资源即将枯竭,油价猛涨的形势下,这一创新技术的完善与应用将指日可待”,胡教授说。

     对水泥行业来说,微藻制油技术成熟后,不仅可以全部吸纳CO2,解决工厂排放的难题,而且可以产能节能。对行业发展将是极大的推动。因此当前应积极主动争取与能源工业合作开发。

    至于“内功”方面,是对水泥工业本身而言,要求在生产技术和设计理念方面“苦练内功”。要努力实现全系统的最优化(目标函数可以是产量、质量、能耗、成本等);资源利用率的最大化(根据资源条件设计新流程,开发新设备)以及水泥品种的多样化(如低钙水泥、混合组成水泥等)。

    具体的说,应该开发全系统优化设计程序与数学模型;开发联产新工艺和专用设备;完善个性化设计;强化新品种水泥的开发研究。此外,调查、考核与再评估某些既定限制指标,如:粉尘排放指标、NOx排放标准等,评议建立区域性的限制指标的可能性,以节省目前为此付出过多的代价。

    微藻烧熟料 水泥工业明日的新篇章

    今年,“十二五”节能环保规划正式公布,对以烧成工艺为主的企业来说,节能减排的压力有增无减。而就水泥行业目前技术水平分析,要在水泥窑上进一步节能减排的空间比较有限,即使再降低10%,也是比较困难的。胡教授表示,要取得更好的节能减排效果,必须另辟蹊径。可以设想如果有一种方法,既能对生产过程中排放的气体进行回收利用,又能为工业生产寻找到替代燃料,那无疑是最理想最先进的。胡教授认为,微藻制油新技术的出现,给了我们启发,也为水泥窑捕碳节煤找到了新途径。

    鉴于当前微藻制油工艺尚待完善优化,或有些水泥厂还不具备超大规模养殖藻类的条件下,可考虑利用微藻养殖的研究成果,将部分CO2先供藻种制成一定数量的干油藻作为水泥回转窑新燃料。这一联合还将涉及农业技术、生物工程等领域。对水泥厂来说难度很大。但它能达到使当前水泥行业有效节能减排的目的。可成为水泥工业生产技术新的生长点。

    为此,胡道和教授提出的的设想流程如下图:

    实施此方案:

    1、可能性:回转窑窑尾废气中CO2含量丰富,状态稳定,可满足油藻养殖要求;油藻热值高,符合回转窑烧成熟料的要求;油藻燃烧后剩余物很少,不影响熟料质量;水泥厂通常有大面积场地(如开采后矿山平台、堆场顶部或近厂坡地等)可供安放光反应器;嫁接制油工艺中油藻养殖技术,省去干藻制油工序、技术难度降低,成本也会相应下降。含水固体予处理技术是水泥行业的长项,可期得到创新成果。

    2、优越性:充分利用微藻养殖的研究成果,降低开发成本;可以用油藻全部取代煤,达到节约天然资源目的;可以使CO2在制藻--烧熟料工艺内部循环,燃料燃烧排放可降至零,使窑系统排放量至少降低30%;若有条件增大油藻产能,还可用于锅炉发电,达到产能效果;光生物反应器还有一些副产品可以利用,如油藻生成过程中释放的O2,收集后可供窑富氧燃烧,进一步节能。 或出售其他副产品以提高经济效益。

    3、存在的困难:主要是成本问题和养殖技术的掌握。成本问题需要通过核算和深入分析,找出降低成本的各种途径,通过攻关解决。

    4、本行业需要开展的工作:在微藻养殖技术成功的基础上,水泥行业需要解决嫁接技术的有关细节问题。主要有:筛选适合窑气环境的最优藻种;开发微藻预处理的新方法,如:采收、提取、干燥等(这方面水泥行业有可借鉴的经验);开发专用设备;研究干藻燃烧特性;进行物料与能量平衡核算;选择中试工厂(要求光照条件好,场地大,气候合适等)。培养养殖专业人才。

    总之,希望水泥行业尽快组织起来与相关单位进行合作,开展微藻粉生产和有关关键技术的学习与嫁接系统的完善。以此作为水泥行业今后发展的技术储备,意义是十分重大的。希望有条件的水泥厂积极准备成为该项目的先行实践者,为行业创新做出贡献。

    沸腾炉烧熟料,还有很长的路要走

    流化床技术具有气固接触面积大,气固间传热、传质和化学反应速度快,均匀性好,效率高等特点,曾经被化工和动力行业成功推广应用。如煅烧铁硫矿、低质煤的燃烧及固体烘干技术等等。至于用流化床代替回转窑烧熟料的想法,也是由来已久。据论证该技术具有节能减排、容积产量高、热效率高等优点。该项技术若能成功,对水泥烧成技术而言,将是革命性的变化。因此它是半个多世纪以来的热门研究课题。早在四十年代,法国即提出pyzel法,到五十年代,前苏联提出过多种方案,并设计出水平式沸腾煅烧炉(沸腾炉是密相流化床的一种)。七十年代,我国开始进行探索,南京化工学院进行旋风炉的研究,南京化工研究院的实验室小试;八十年代,武汉工业大学的全系统小试,黄石的全系统中试;新世纪,西安建筑科技大学研究试验,日本在山东生产规模试验等等。虽经过长期探索,取得了一定的进展,在小型热态试验装置及中等规模生产过程中均获得合格的水泥熟料。但至今尚未能投入大规模连续性工业生产。这是因为流化技术还有另一方面特点,即操作敏感性高,状态控制要求高,对化学反应复杂,操作条件要求苛刻的工艺,应用起来难度较大。

    对此,胡教授表示了她的看法:该项技术“思路合理、优点明显、意义重大、实施困难”。主要问题不是生产不出熟料,而是沸腾炉状态难于稳定,运转率低的问题,难以突破。由于烧成反应过程复杂,除固相反应外,还有相当数量的液相生成。而其熔点和液相量往往受许多不确定因素的影响,因此难于掌握。表现在沸腾炉的操作时,容易形成粘结、堵塞,破坏沸腾状态,这也是其无法长期运转的主要原因,而且规模越大,问题越严重。胡道和教授认为解决问题的前提是:充分掌握熟料烧成反应的机理及各种因素对液相生成过程的影响,如生料组成、粒度、微量元素的存在、床层温度、气体流速等。与此同时,还要具有高度自动化控制手段。而这些前提,短期内是难以实现的。因此利用沸腾炉代替回转窑烧熟料,可能还有很长的路要走。

    最后,胡道和教授强调,以上看法,只是一家之言,仅供参考。

    结束语:胡道和教授,一位受人尊敬的中国水泥工业技术的开拓者与传承人。渊博的学识,深厚的专业知识,先进的技术理念,使这位学术泰斗在世界水泥工程领域声名远播,桃李满天下。走过春华秋实,如今已经到了耄耋之年,她依旧精神矍铄,神采奕奕,依然坚持思考着、关注着、期盼着水泥工业的未来发展……

     

     

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