今年兩會期間，全國、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(guān)乎“雙碳” 戰(zhàn)略的成敗，因此，必然制定和出臺針對水泥生產(chǎn)的高標準碳減排技術(shù)要求，建材行業(yè)要積極應對。

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。

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)，是節(jié)能減排控制對象。因此，原材料行業(yè)綠色發(fā)展是規(guī)劃中的重要內(nèi)容。規(guī)劃強調(diào)，圍繞碳達峰、碳中和目標節(jié)點，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，它在碳排放榜單上居第三位，僅次于中國和美國。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)整體貢獻了約8%的二氧化碳排放。 

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。因此，水泥傳統(tǒng)工業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型對于中國和意義重大。

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(zhuǎn)窯煅燒。這個過程排放大量二氧化碳，剩下的塊狀物質(zhì)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。

因此，水泥產(chǎn)業(yè)減碳也在這兩個環(huán)節(jié)。

水泥生產(chǎn)全周期過程中的能耗和碳排放

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%。此后，根據(jù)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。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。

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(zhuǎn)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%。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(nèi)外在持續(xù)探索燃料替代和協(xié)同處置技術(shù)，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(zhì)，因為生物質(zhì)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(zhuǎn)窯燃料有一半是生物質(zhì)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。

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。

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。

拉法基公司在尼日利亞的水泥廠一半窯用燃料是生物質(zhì) |

垃圾衍生燃料Climafuel |

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(nèi)的化石能源，用以加熱水泥窯爐。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(shù)積累。

此外，用氫等不含碳的燃料完全替代化石燃料，減碳很好，但是成本太高，短期內(nèi)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。

碳捕獲 & 混凝烯

處理石灰石煅燒排放的二氧化碳，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(zhuǎn)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(shù)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。

裝有CarbonCure閥門的二氧化碳氣罐 

不過，CarbonCure的技術(shù)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(nèi)是研磨好的石灰和水蒸氣，在窯外加熱，窯內(nèi)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。

  Calix發(fā)明的外加熱窯，非常便于二氧化碳捕獲

歐盟對Calix的技術(shù)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(shù)進行中試試驗。中試結(jié)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。

此外，學術(shù)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）。混凝烯性能更優(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。

用混凝烯澆筑舞廳地板

萊斯大學閃蒸加熱制石墨烯

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。

減碳不僅要靠理工硬科技，信息技術(shù)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(shù)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(shù)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%。

結(jié)語

水泥行業(yè)是排碳大戶，對于減碳意義重大。本文略述了水泥行業(yè)減碳的幾個方向和路徑：