3月以來，上海遭遇新一輪新冠肺炎疫情襲擊。最近一周，上海每日新增本土確診病例和無癥狀感染者呈上升趨勢，累計無癥狀感染者已達數萬例。

導讀

截至目前，世博展覽館、新國際博覽中心、花博會復興館、臨港洋山特保區4個市級集中隔離救治場所已交付投用。這4個點共計約50萬平方米，可提供約38000張床位。國家會展中心隔離救治場所正在加快建設，約60萬平方米，預計可提供50000張床位，也是目前上海最大的方艙，9日開始分批交付，已于4月10日完成5號館、6號館的交付并開始接收感染者，預計會提供15000張床位。11日，B區2號館正式交付，該館面積5萬平方米，可提供超7800張床位。其余尚未交付的部分區域，工人正加緊推進建設。

水泥是一個從生產到售賣每個環節都極其傳統的行業，減碳轉型尤為艱難。但是如今，高能耗、高物耗、高污染行業的緊箍咒越念越緊，長期來看，水泥行業大概率還將納入全國碳交易市場。本文討論了學界和業界正在探索的一些技術解決方案，或為水泥行業的綠色轉型提供可能的思路。

撰文?|?瞿立建

責編?|?馮灝

今年兩會期間，全國政協委員、武漢理工大學教授胡曙光指出，水泥工業碳減排的作為和成效，直接關乎國家 “雙碳” 戰略的成敗，因此，國家必然制定和出臺針對水泥生產的高標準碳減排技術要求，建材行業要積極應對 [1]。

事實上，對于水泥行業的減碳，政策層面一直非常重視。2021年12月21日，工業和信息化部、科技部和自然資源部聯合發布《“十四五” 原材料工業發展規劃》[2]。

根據該規劃，原材料工業是典型的 “高能耗、高物耗、高污染” 行業，是國家節能減排重點控制對象。因此，原材料行業綠色發展是規劃中的重要內容。規劃強調，圍繞碳達峰、碳中和目標節點，全面實施節能低碳行動。

規劃給出了三個數字指標：“十四五” 期間，“鋼鐵行業噸鋼綜合能耗降低2%，水泥產品單位熟料能耗降低3.7%，電解鋁碳排放下降5%”。

水泥何以能與鋼鐵和電解鋁并列，成為減碳的主戰場？

如果把水泥工業看作一個國家，它在碳排放榜單上居第三位，僅次于中國和美國 [3]。全球每年生產35億噸普通硅酸鹽水泥，每生產1噸水泥，排放561-622千克二氧化碳，水泥工業整體貢獻了全球約8%的二氧化碳排放 [4]。 

世界水泥看中國。2020年，中國的水泥產量約24億噸，約占世界總產量的60%，中國水泥工業的碳排放占全國碳排放總量的14%左右 [5]。因此，水泥傳統工業的低碳轉型對于中國和全球意義重大。

行業碳排僅次中美

熟料生產占其中九成

以上提到水泥產業的碳排放總量，涵蓋了水泥的全生命周期。

水泥生產始于開采和處理石灰石（主要成分是碳酸鈣），然后與黏土（主要成分是硅酸鹽）混合，送入1450℃-1500℃的回轉窯煅燒。這個過程排放大量二氧化碳，剩下的塊狀物質主要成分是硅酸鈣，也即熟料。熟料冷卻，添加上石膏和輔助膠凝材料，磨成粉，就是水泥了。

在整個水泥生產流程中，熟料生產階段二氧化碳排放最多，占總生產過程的約95%，其中一多半來自石灰石煅燒，一少半來自這個過程所用的燃料[6]。

因此，水泥產業減碳重點也在這兩個環節。

燃料的減碳方案：

從廢熱利用到綠色燃料

從化石能源燃燒利用的環節來看，近年來熱能的利用效率有所提高。生產1噸熟料，在2000年要耗能3.75吉焦，到2014年需要3.5吉焦，平均每年能耗降低0.5% [3]。此后，根據國際能源署的數據，熟料生產的耗能強度停滯在每噸3.4-3.5吉焦 [7]。以這樣的耗能計算，生產10噸熟料，大抵相當于一套小戶型住宅一個供暖季所耗的熱能。

能耗降速有點慢，不過，還是有多種辦法減碳增效。

一個途徑就是廢熱回收利用。

回轉窯所需的高溫是靠化石燃料燃燒產生的熱維持的，而這些熱有44%會浪費掉 [8]。如果能將這些廢熱再回收和利用，可以大大節約燃料，進而減少碳排放。印度的一項案例研究顯示，將廢熱用于發電，可將水泥廠燃料利用率提高5% [9]。但也要注意到，目前主流的廢熱利用方式是發電，對于減碳來說，目前來說，效果很有限。

一個從源頭考慮的策略是，減少化石燃料使用甚至不用化石燃料。國內外在持續探索燃料替代和協同處置技術，期待實現熟料生產對化石能源的“零消耗”。

世界水泥巨頭拉法基公司自2013年起，一直在努力用低碳和碳中性燃料替代化石燃料。碳中性燃料主要是生物質，因為生物質里面的碳終究會釋放出來，用作燃料不會新增大氣中的碳。

2019年，拉法基公司就宣稱，他們在尼日利亞一座水泥廠的回轉窯燃料有一半是生物質燃料，且主要來自農業垃圾，該公司還在努力從城市固體廢棄物中挖掘更多燃料 [10]。

事實上，在水泥窯爐中加入諸如輪胎、有機廢物、污水污泥和塑料等固體廢棄物的做法，從上世紀70年代就已經出現。

一開始，這些做法更多是為了降低企業成本，因為垃圾肯定要比煤炭便宜，一些地方政府甚至會付錢給水泥企業，作為城市垃圾處理的一種方式 [11]。

近年來，水泥行業更是積極推動固體垃圾作為燃料的企業策略，更多稱其為解決塑料垃圾和減緩氣候變化的社會責任擔當，比如，總部位于墨西哥的西麥斯集團。

西麥斯集團從垃圾中處理出來的燃料不僅自己用，還做成一個品牌Climafuel，在市場上出售。Climafuel燃料用紙張、紙箱、紡織物、木材、塑料等垃圾處理而成。據西麥斯集團官網，西麥斯在英國的水泥廠用Climafuel替代了20%-60%煤和焦炭在內的化石能源，用以加熱水泥窯爐 [12]。中國水泥企業華新在垃圾衍生燃料方面也有近20年技術積累 [13]。

此外，用氫等不含碳的燃料完全替代化石燃料，減碳最為徹底，但是成本太高，短期內完全替代的希望不大。行業也在探索用綠色電力替代化石燃料。

不過，只在燃料上下功夫，無助于解決水泥行業碳排放的另一個更大的來源——石灰石煅燒排放的二氧化碳。

碳捕獲 & 混凝烯

處理石灰石煅燒排放的二氧化碳，最直接的方法是碳捕獲與封存，即把排放的二氧化碳分離出來，或可回收直接使用，或可儲存到地層深處，長期與大氣隔絕，還可以轉化成礦物二次利用。

捕獲二氧化碳可以就地原廠利用。水泥與水、砂子、石子等混合做成混凝土時，通上二氧化碳，控制合適的反應條件，又會生成碳酸鈣，封存在混凝土中，并且不降低混凝土性能。加拿大CarbonCure公司已經將此技術完全商業化，目前已裝備到300多家水泥廠，計劃到2030年的時候每年減碳5億噸，相當于減少1億輛燃油車[14]。

不過，CarbonCure的技術需要將二氧化碳從廢氣里提純并封裝，還是不太方便。澳大利亞公司Calix發明了一種新的窯，可以讓二氧化碳收集變得容易。傳統的窯，原料和燃料是混在一起的；而Calix的窯則不然，窯內是研磨好的石灰和水蒸氣，在窯外加熱，窯內氣體排出，簡單冷凝就將水蒸氣變成水，剩余的就是純二氧化碳，捕獲之后，便于再次利用 [15]。

歐盟對Calix的技術青睞有加，將其納入2千萬歐元的大科研項目 “低排放強度石灰和水泥”（Low Emissions Intensity Lime and Cement, LEILAC）。

2019年，德國海德堡水泥公司在比利時的一家水泥廠開始對這一技術進行中試試驗。中試結果成功分離出二氧化碳，并且沒有增加燃料投入，對產品和生產裝置沒有顯著的負面影響。據Calix發布的消息，中試裝置的升級版將于2023年在德國漢諾威進行示范生產，示范廠將能捕獲20%的碳排放，也就是每年10萬噸級的二氧化碳 [16]。

此外，學術界和產業界也在合作將前沿科學進展用于改良傳統的混凝土。

曼徹斯特大學和英國全國工程公司合作發明了石墨烯增強混凝土——混凝烯（Concretene）?；炷┬阅芨鼉?，還能減少30%的碳排放，已經有了第一個商業應用。2021年10月，混凝烯在曼徹斯特為一歌舞廳澆筑了面積為756平方米的整塊地板 [17]。

那么，原料石墨烯從哪里來？美國萊斯大學找到了一種低廉的來源——舊輪胎。萊斯大學發明一種閃蒸工藝，可以把舊輪胎熱解后殘留的碳或舊輪胎碎片變成混層石墨烯，混層石墨烯可以直接加到水泥里。在解決城市固體垃圾的同時，將垃圾中的碳固定在混凝土中 [18]。

減碳不僅要靠理工硬科技，信息技術也可以貢獻一份力量。

歐洲水泥行業巨頭拉法基豪瑞公司2019年啟動了 “明日工廠” 計劃，開發了一個技術信息系統，將機器人、人工智能、預測性維護（Predictive Maintenance，實時監控流水線狀態，依據裝備的狀態發展趨勢和可能的故障模式，預先制定預測性維護計劃）等技術有機融為一體。拉法基豪瑞旗下80%的水泥廠已經接入此系統，據測算，工廠運營效率提高15%-20%，減碳10% [19]。

結語

水泥行業是排碳大戶，對于全球減碳意義重大。本文略述了水泥行業減碳的幾個方向和路徑：

● 廢熱回收利用，提高能效；

● 燃料替代，比如從垃圾中回收利用生物質燃料、無碳氫燃料、綠色電力等；

● 原料替代，比如粉煤灰替代水泥，添加石墨烯；

● 改進生產工藝，比如添加碳捕獲和礦化流程，提高生產線的數字化水平。

雖然減碳的挑戰巨大，但該行業現在手頭有一系列可用的工具，可以憑借市場競爭和科技進步，為減緩溫室效應盡一份行業的力量。

參考文獻：[1]?兩會好聲音?|?胡曙光委員：水泥工業在國家“雙碳”戰略中大有作為，https://mp.weixin.qq.com/s/HFU7_1mgD_kldkfTi0ZGHA

[2]?“十四五”原材料工業發展規劃，http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-12/29/5665166/files/90c1c79a00b44c67b59c29392476c862.pdf

[3]?BBC News: Climate change: The massive CO2 emitter you may not know about,?https://www.bbc.com/news/science-environment-46455844

[4]?Fennell, P. S., Davis, S. J., & Mohammed, A. (2021). Decarbonizing cement production. Joule, 5(6), 1305-1311.

[5]?丁美榮，水泥行業碳排放現狀分析與減排關鍵路徑探討，https://www.dcement.com/article/202106/181005.html

[6]?麥肯錫，“中國加速邁向碳中和”水泥篇：水泥行業碳減排路徑

[7]?IEA: Tracking Cement 2020,?https://www.iea.org/reports/tracking-cement-2020

[8] Fierroa J. J., Escudero-Atehortuaa A., Nieto-Londo C., et al. (2020) Evaluation of waste heat recovery technologies for the cement industry. International Journal of Thermo?uids 7-8, 100040

[9]?Varma, G. P., & Srinivas, T. (2015). Design and analysis of a cogeneration plant using heat recovery of a cement factory. Case studies in thermal engineering, 5, 24-31.

[10]?拉法基可持續發展報告2019：https://www.lafarge.com.ng/sites/nigeria/files/atoms/files/2019_lafarge_sustainability_report_final_ed.pdf

[11]?快消巨頭推行水泥窯焚燒塑料垃圾，靠譜嗎？https://www.sohu.com/a/504284471_100235747

[12]?https://www.cemex.co.uk/alternativefuels.aspx

[13]?華新(信陽)水泥勇擔“環保先鋒”?破解“垃圾圍城”難題，https://www.sohu.com/a/236521262_100132254

[14]?CarbonCure’s?Path?to the?Decarbonization of Concrete.?http://go.carboncure.com/rs/328-NGP-286/images/CarbonCure%27s%20Path%20to%20the%20Decarbonization%20of%20Concrete%20eBook.pdf?CARBON UTILIZATION—A VITAL AND EFFECTIVE PATHWAY FOR DECARBONIZATION?https://www.c2es.org/wp-content/uploads/2019/09/carbon-utilization-a-vital-and-effective-pathway-for-decarbonization.pdf

[15]?https://www.calix.global/co2-mitigation-focus-area/project-leilac/

[16]?https://www.calix.global/wp-content/uploads/2021/10/LEILAC-Roadmap-2021.pdf

[17]?Roller disco vs climate change: how graphene is transforming the construction?industry.?https://www.manchester.ac.uk/discover/news/roller-disco-vs-climate-change–how-graphene-is-transforming-the-construction-industry/

[18]?Tires turned into graphene that?makes stronger concrete.?https://news.rice.edu/news/2021/tires-turned-graphene-makes-stronger-concrete

[19]?Industry 4.0 for cement production:?LafargeHolcim launches the ‘‘Plants of Tomorrow.’’?https://www.lafargeholcim.com/launch-plants-tomorrow

本文來源：知識分子

本文3月16日首發于《知識分子》（ID：The-Intellectual）。知識分子由非營利公益組織北京市海淀區智識前沿科技促進中心主辦，以傳播科學知識、弘揚科學精神、促進科學文化為使命，致力于關注科學、人文、思想。

聯系我們
電話：021-6157 3939
郵箱：info@wocasia.com官網：wocasia.cn