英国剑桥大学研究：利用可再生能源电弧炉实现零排放水泥生产

任声权

电力驱动的熔炉用于生产钢铁是成熟技术。把废旧水泥当作钢材生产的一部分，可实现废水泥再利用。用可再生能源提供动力的电弧炉加热，就能得到零排放的水泥。

近日，英国剑桥大学的研究人员从传统炼铁炉那里获得了灵感。他们在世界上首次证明了水泥是可以循环利用的，并且不会像之前生产合成水泥那样给环境带来危害。相关的研究成果在日前被发表在了国际科技期刊《自然》上。

混凝土是使用量很大的材料。它的主要成分包含沙子和砾石，同时还有充当黏合剂的水泥。石灰石以及其他原材料被粉碎，之后在大型窑炉中被加热到约 1450℃，此过程会把原材料转化为水泥。

在加热生产生石灰的过程中，石灰石会释放出相当数量的二氧化碳，其占人为排放总量的比例约为 7.5%。过去的 10 年里，科学家们一直在对混凝土中的水泥替代品进行研究。他们发现，混凝土中大约有一半的水泥能够用粉煤灰等材料来替代。然而，完全不使用水泥是不切实际的。怎样运用经济且有效的方法来降低混凝土所导致的碳排放，是世界上最为重大的减碳挑战之一。

高炉炼铁时，为了降低冶炼温度，需要添加适量的石灰石和白云石作为助熔剂。这些助熔剂在高炉内会分解成氧化钙、氧化镁和铁矿石等物质，它们会与焦炭中的灰粉相融合并熔化，生成以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，该熔融物会浮在铁水表面，然后定期从排渣口排出，排出后经过空气或水的冷却处理，就形成了粒状颗粒物，这种粒状颗粒物就是矿渣。钢铁厂在冶炼生铁时会产生废渣。这些废渣中含有大量的玻璃体。同时，还含有硅酸二钙、钙黄长石、硅灰石等矿物。这些矿物与水泥的成分较为接近。

矿渣未经水淬时，其矿物形态为稳定形的结晶体，大部分不具备活性。若经水淬急冷，会形成玻璃态结构，使矿渣处于不稳定状态，也就具备了较大的潜在化学能。出渣温度越高，冷却速度越快，玻璃化矿渣的潜在化学能程度就越大，活性也越高。所以，经水淬急冷的高炉矿渣潜在活性较好，每生产 1 吨生铁会排出 0.3—1 吨矿渣。

炉渣处理对于高炉炼铁的正常运行很重要。高质量的炉渣能够成为水泥的优质原料。这样既可以降低成本，提升经济效益。又有利于对大宗固废进行利用，推动循环经济的发展，还能起到保护环境的作用。

英国剑桥大学研究人员对现有的钢铁生产工艺进行了调整。他们发现废旧水泥的化学成分与石灰石相似。如果将废旧水泥代替石灰石加入炼铁炉中，那么产生的炉渣可以用来制作新的水泥。这样一来，水泥能够实现回收利用。不但不用生产那么多新水泥，而且还能减少二氧化碳的污染。

在生产过程中，研究人员对这一思路进行了验证。他们首次在世界上实现了在电弧炉中大规模生产再生水泥。这种方法避免了因加热石灰石而导致的二氧化碳过度排放，最终能够制造出零排放水泥。预计到 2050 年，此项工艺的应用能够减少数十亿吨的碳排放。

（作者系安徽省科普作家协会会员）