3月以來(lái)，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(wú)癥狀感染者呈上升趨勢，累計無(wú)癥狀感染者已達數萬(wàn)例。

導讀

截至目前，世博展覽館、新國際博覽中心、花博會(huì )復興館、臨港洋山特保區4個(gè)市級集中隔離救治場(chǎng)所已交付投用。這4個(gè)點(diǎn)共計約50萬(wàn)平方米，可提供約38000張床位。國家會(huì )展中心隔離救治場(chǎng)所正在加快建設，約60萬(wàn)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(kāi)始分批交付，已于4月10日完成5號館、6號館的交付并開(kāi)始接收感染者，預計會(huì )提供15000張床位。11日，B區2號館正式交付，該館面積5萬(wàn)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(jìn)建設。

水泥是一個(gè)從生產(chǎn)到售賣(mài)每個(gè)環(huán)節都極其傳統的行業(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(cháng)期來(lái)看，水泥行業(yè)大概率還將納入全國碳交易市場(chǎng)。本文討論了學(xué)界和業(yè)界正在探索的一些技術(shù)解決方案，或為水泥行業(yè)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(huì )期間，全國政協(xié)委員、武漢理工大學(xué)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(chǎn)的高標準碳減排技術(shù)要求，建材行業(yè)要積極應對 [1]。

事實(shí)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)展規劃》[2]。

根據該規劃，原材料工業(yè)是典型的 “高能耗、高物耗、高污染” 行業(yè)，是國家節能減排重點(diǎn)控制對象。因此，原材料行業(yè)綠色發(fā)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(diǎn)，全面實(shí)施節能低碳行動(dòng)。

規劃給出了三個(gè)數字指標：“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，成為減碳的主戰場(chǎng)？

如果把水泥工業(yè)看作一個(gè)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(kāi)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(gè)過(guò)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(gè)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(guò)程的約95%，其中一多半來(lái)自石灰石煅燒，一少半來(lái)自這個(gè)過(guò)程所用的燃料[6]。

因此，水泥產(chǎn)業(yè)減碳重點(diǎn)也在這兩個(gè)環(huán)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(huán)節來(lái)看，近年來(lái)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，根據國際能源署的數據，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(hù)型住宅一個(gè)供暖季所耗的熱能。

能耗降速有點(diǎn)慢，不過(guò)，還是有多種辦法減碳增效。

一個(gè)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(chǎn)生的熱維持的，而這些熱有44%會(huì )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(jìn)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(chǎng)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(lái)說(shuō)，目前來(lái)說(shuō)，效果很有限。

一個(gè)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(xié)同處置技術(shù)，期待實(shí)現熟料生產(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(huì )釋放出來(lái)，用作燃料不會(huì )新增大氣中的碳。

2019年，拉法基公司就宣稱(chēng)，他們在尼日利亞一座水泥廠(chǎng)的回轉窯燃料有一半是生物質(zhì)燃料，且主要來(lái)自農業(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(shí)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。

一開(kāi)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(huì )付錢(qián)給水泥企業(yè)，作為城市垃圾處理的一種方式 [11]。

近年來(lái)，水泥行業(yè)更是積極推動(dòng)固體垃圾作為燃料的企業(yè)策略，更多稱(chēng)其為解決塑料垃圾和減緩氣候變化的社會(huì )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(lái)的燃料不僅自己用，還做成一個(gè)品牌Climafuel，在市場(chǎng)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(wǎng)，西麥斯在英國的水泥廠(chǎng)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(shù)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(guò)，只在燃料上下功夫，無(wú)助于解決水泥行業(yè)碳排放的另一個(gè)更大的來(lái)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(lái)，或可回收直接使用，或可儲存到地層深處，長(cháng)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(chǎng)利用。水泥與水、砂子、石子等混合做成混凝土時(shí)，通上二氧化碳，控制合適的反應條件，又會(huì )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(chǎng)，計劃到2030年的時(shí)候每年減碳5億噸，相當于減少1億輛燃油車(chē)[14]。

不過(guò)，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(jiǎn)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(shù)青睞有加，將其納入2千萬(wàn)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(shí)的一家水泥廠(chǎng)開(kāi)始對這一技術(shù)進(jìn)行中試試驗。中試結果成功分離出二氧化碳，并且沒(méi)有增加燃料投入，對產(chǎn)品和生產(chǎn)裝置沒(méi)有顯著(zhù)的負面影響。據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(jìn)行示范生產(chǎn)，示范廠(chǎng)將能捕獲20%的碳排放，也就是每年10萬(wàn)噸級的二氧化碳 [16]。

此外，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也在合作將前沿科學(xué)進(jìn)展用于改良傳統的混凝土。

曼徹斯特大學(xué)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(gè)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(lái)？美國萊斯大學(xué)找到了一種低廉的來(lái)源——舊輪胎。萊斯大學(xué)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(shí)，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(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(dòng)了 “明日工廠(chǎng)” 計劃，開(kāi)發(fā)了一個(gè)技術(shù)信息系統，將機器人、人工智能、預測性維護（Predictive Maintenance，實(shí)時(shí)監控流水線(xiàn)狀態(tài)，依據裝備的狀態(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(chǎng)已經(jīng)接入此系統，據測算，工廠(chǎng)運營(yíng)效率提高15%-20%，減碳10% [19]。

結語(yǔ)

水泥行業(yè)是排碳大戶(hù)，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(gè)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(zhì)燃料、無(wú)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(jìn)生產(chǎn)工藝，比如添加碳捕獲和礦化流程，提高生產(chǎn)線(xiàn)的數字化水平。

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

參考文獻：[1]?兩會(huì )好聲音?|?胡曙光委員：水泥工業(yè)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(yè)發(fā)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(yè)碳排放現狀分析與減排關(guān)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(yáng))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

本文來(lái)源：知識分子

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

聯(lián)系我們
電話(huà)：021-6157 3939
郵箱：info@wocasia.com官網(wǎng)：wocasia.cn