水泥工業(yè)減碳轉(zhuǎn)型尤為艱難 | 圖源：pixabay.com
水泥是一個(gè)從生產(chǎn)到售賣每個(gè)環(huán)節(jié)都極其傳統(tǒng)的行業(yè)，減碳轉(zhuǎn)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(zhǎng)期來看，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?yàn)樗嘈袠I(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供可能的思路。
● ● ●
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(zhàn)略的成敗，因此，國家必然制定和出臺(tái)針對(duì)水泥生產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)碳減排技術(shù)要求，建材行業(yè)要積極應(yīng)對(duì) [1]。事實(shí)上，對(duì)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(diǎn)控制對(duì)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(qiáng)調(diào)，圍繞碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，全面實(shí)施節(jié)能低碳行動(dòng)。規(guī)劃給出了三個(gè)數(shù)字指標(biāo)：“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(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(xiàn)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(zhuǎn)型對(duì)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(zhuǎn)窯煅燒。這個(gè)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(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)過程的約95%，其中一多半來自石灰石煅燒，一少半來自這個(gè)過程所用的燃料[6]。因此，水泥產(chǎn)業(yè)減碳重點(diǎn)也在這兩個(gè)環(huán)節(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(qiáng)度停滯在每噸3.4-3.5吉焦 [7]。以這樣的耗能計(jì)算，生產(chǎn)10噸熟料，大抵相當(dāng)于一套小戶型住宅一個(gè)供暖季所耗的熱能。能耗降速有點(diǎn)慢，不過，還是有多種辦法減碳增效。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(huì)浪費(fèi)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(jìn)而減少碳排放。印度的一項(xiàng)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(duì)于減碳來說，目前來說，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(nèi)外在持續(xù)探索燃料替代和協(xié)同處置技術(shù)，期待實(shí)現(xiàn)熟料生產(chǎn)對(duì)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?yàn)樯镔|(zhì)里面的碳終究會(huì)釋放出來，用作燃料不會(huì)新增大氣中的碳。2019年，拉法基公司就宣稱，他們?cè)谀崛绽麃喴蛔鄰S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 [10]。事實(shí)上，在水泥窯爐中加入諸如輪胎、有機(jī)廢物、污水污泥和塑料等固體廢棄物的做法，從上世紀(jì)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?yàn)槔隙ㄒ让禾勘阋?，一些地方政府甚至?xí)跺X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(dòng)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(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)，比如，總部位于墨西哥的西麥斯集團(tuán)。
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(zhì) | 圖源：lafarge.com.ng/
圖3 垃圾衍生燃料Climafuel | 圖源：letsrecycle.com/
西麥斯集團(tuán)從垃圾中處理出來的燃料不僅自己用，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(jù)西麥斯集團(tuán)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 [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(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(gè)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(chǔ)存到地層深處，長(zhǎng)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?xí)r，通上二氧化碳，控制合適的反應(yīng)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，計(jì)劃到2030年的時(shí)候每年減碳5億噸，相當(dāng)于減少1億輛燃油車[14]。
圖4 裝有CarbonCure閥門的二氧化碳?xì)夤?nbsp;| 圖源CarbonCure
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(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]。
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(duì)Calix的技術(shù)青睞有加，將其納入2千萬歐元的大科研項(xiàng)目 “低排放強(qiáng)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)的一家水泥廠開始對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行中試試驗(yàn)。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(duì)產(chǎn)品和生產(chǎn)裝置沒有顯著的負(fù)面影響。據(jù)Calix發(fā)布的消息，中試裝置的升級(jí)版將于2023年在德國漢諾威進(jìn)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(jí)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(tǒng)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(qiáng)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(gè)商業(yè)應(yīng)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(xué)找到了一種低廉的來源——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(xiàn)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” 計(jì)劃，開發(fā)了一個(gè)技術(shù)信息系統(tǒng)，將機(jī)器人、人工智能、預(yù)測(cè)性維護(hù)（Predictive Maintenance，實(shí)時(shí)監(jiān)控流水線狀態(tài)，依據(jù)裝備的狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)和可能的故障模式，預(yù)先制定預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃）等技術(shù)有機(jī)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(cè)算，工廠運(yùn)營(yíng)效率提高15%-20%，減碳10% [19]。
水泥行業(yè)是排碳大戶，對(duì)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：
● 燃料替代，比如從垃圾中回收利用生物質(zhì)燃料、無碳?xì)淙剂?、綠色電力等；● 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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和科技進(jìn)步，為減緩溫室效應(yīng)盡一份行業(yè)的力量。
參考文獻(xiàn)：（上下滑動(dòng)可瀏覽）
[1] 兩會(huì)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(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(xù)發(fā)展報(bào)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
