水泥工業(yè)減碳轉型尤為艱難 | 圖源：pixabay.com
水泥是一個從生產(chǎn)到售賣每個環(huán)節(jié)都極其傳統(tǒng)的行業(yè)，減碳轉型尤為艱難。但是如今，高能耗、高物耗、高污染行業(yè)的緊箍咒越念越緊，長期來看，水泥行業(yè)大概率還將納入全國碳交易市場。本文討論了學界和業(yè)界正在探索的一些技術解決方案，或為水泥行業(yè)的綠色轉型提供可能的思路。
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今年兩會期間，全國政協(xié)委員、武漢理工大學教授胡曙光指出，水泥工業(yè)碳減排的作為和成效，直接關乎國家 “雙碳” 戰(zhàn)略的成敗，因此，國家必然制定和出臺針對水泥生產(chǎn)的高標準碳減排技術要求，建材行業(yè)要積極應對 [1]。事實上，對于水泥行業(yè)的減碳，政策層面一直非常重視。2021年12月21日，工業(yè)和信息化部、科技部和自然資源部聯(lián)合發(fā)布《“十四五” 原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[2]。根據(jù)該規(guī)劃，原材料工業(yè)是典型的 “高能耗、高物耗、高污染” 行業(yè)，是國家節(jié)能減排重點控制對象。因此，原材料行業(yè)綠色發(fā)展是規(guī)劃中的重要內容。規(guī)劃強調，圍繞碳達峰、碳中和目標節(jié)點，全面實施節(jié)能低碳行動。規(guī)劃給出了三個數(shù)字指標：“十四五” 期間，“鋼鐵行業(yè)噸鋼綜合能耗降低2%，水泥產(chǎn)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(zhàn)場？如果把水泥工業(yè)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(chǎn)35億噸普通硅酸鹽水泥，每生產(chǎn)1噸水泥，排放561-622千克二氧化碳，水泥工業(yè)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(chǎn)量約24億噸，約占世界總產(chǎn)量的60%，中國水泥工業(yè)的碳排放占全國碳排放總量的14%左右 [5]。因此，水泥傳統(tǒng)工業(yè)的低碳轉型對于中國和全球意義重大。
行業(yè)碳排僅次中美，熟料生產(chǎn)占其中九成
以上提到水泥產(chǎn)業(yè)的碳排放總量，涵蓋了水泥的全生命周期。水泥生產(chǎn)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(chǎn)流程中，熟料生產(chǎn)階段二氧化碳排放最多，占總生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)減碳重點也在這兩個環(huán)節(jié)。
圖1 水泥生產(chǎn)全周期過程中的能耗和碳排放 | 圖源[6]
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(huán)節(jié)來看，近年來熱能的利用效率有所提高。生產(chǎn)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(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，熟料生產(chǎn)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(chǎn)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。回轉窯所需的高溫是靠化石燃料燃燒產(chǎn)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(jié)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(fā)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(fā)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(xù)探索燃料替代和協(xié)同處置技術，期待實現(xiàn)熟料生產(chǎn)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(nóng)業(yè)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(jīng)出現(xiàn)。一開始，這些做法更多是為了降低企業(yè)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(yè)，作為城市垃圾處理的一種方式 [11]。近年來，水泥行業(yè)更是積極推動固體垃圾作為燃料的企業(yè)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。
圖2 拉法基公司在尼日利亞的水泥廠一半窯用燃料是生物質 | 圖源：lafarge.com.ng/
圖3 垃圾衍生燃料Climafuel | 圖源：letsrecycle.com/
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(jù)西麥斯集團官網(wǎng)，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(yè)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(yè)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(yè)碳排放的另一個更大的來源——石灰石煅燒排放的二氧化碳。
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(jīng)將此技術完全商業(yè)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]。
圖4 裝有CarbonCure閥門的二氧化碳氣罐 | 圖源CarbonCure
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(fā)明了一種新的窯，可以讓二氧化碳收集變得容易。傳統(tǒng)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]。
圖5 Calix發(fā)明的外加熱窯，非常便于二氧化碳捕獲 | 圖源：Calix
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(chǎn)品和生產(chǎn)裝置沒有顯著的負面影響。據(jù)Calix發(fā)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(chǎn)，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(chǎn)業(yè)界也在合作將前沿科學進展用于改良傳統(tǒng)的混凝土。
曼徹斯特大學和英國全國工程公司合作發(fā)明了石墨烯增強混凝土——混凝烯（Concretene）?；炷┬阅芨鼉?yōu)，還能減少30%的碳排放，已經(jīng)有了第一個商業(yè)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(fā)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(yè)巨頭拉法基豪瑞公司2019年啟動了 “明日工廠” 計劃，開發(fā)了一個技術信息系統(tǒng)，將機器人、人工智能、預測性維護（Predictive Maintenance，實時監(jiān)控流水線狀態(tài)，依據(jù)裝備的狀態(tài)發(fā)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(jīng)接入此系統(tǒng)，據(jù)測算，工廠運營效率提高15%-20%，減碳10% [19]。
水泥行業(yè)是排碳大戶，對于全球減碳意義重大。本文略述了水泥行業(yè)減碳的幾個方向和路徑：
● 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；● 改進生產(chǎn)工藝，比如添加碳捕獲和礦化流程，提高生產(chǎn)線的數(shù)字化水平。
雖然減碳的挑戰(zhàn)巨大，但該行業(yè)現(xiàn)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(yè)的力量。
參考文獻：（上下滑動可瀏覽）
[1] 兩會好聲音 | 胡曙光委員：水泥工業(yè)在國家“雙碳”戰(zhàn)略中大有作為，https://mp.weixin.qq.com/s/HFU7_1mgD_kldkfTi0ZGHA[2] “十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)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(yè)碳排放現(xiàn)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(yè)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(xù)發(fā)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?lián)碍h(huán)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
