建筑材料｜基于我国减碳目标的主战场——水泥行业的研究与分析
Sustainable Concrete of Tongji University
水泥是一个从生产到售卖每个环节都极其传统的行业，减碳转型尤为艰难。但是如今，高能耗、高物耗、高污染行业的紧箍咒越念越紧，长期来看，水泥行业大概率还将纳入全国碳交易市场。本文讨论了学界和业界正在探索的一些技术解决方案，或为水泥行业的绿色转型提供可能的思路。
以下文章来源于知识分子 ，作者瞿立建
水泥工业减碳转型尤为艰难 | 图源：pixabay.com
如果把水泥工业看作一个国家，它在碳排放榜单上居第三位，仅次于中国和美国[3]。全球每年生产35亿吨普通硅酸盐水泥，每生产1吨水泥，排放561-622千克二氧化碳，水泥工业整体贡献了全球约8%的二氧化碳排放〔4]。
世界水泥看中国。2020年，中国的水泥产量约24亿吨，约占世界总产量的60%，中国水泥工业的碳排放占全国碳排放总量的14%左右[5]。因此，水泥传统工业的低碳转型对于中国和全球意义重大。
Sesc Pompeia / Lina Bo Bardi. Image Fernando Pires
混凝土的环境成本
The Environmental Cost of Cement, and What to Do About It
由专筑网李韧，邢子编译
几千年来，混凝土一直是建筑环境的重要基础，同时也是全球使用最为广泛的人造材料。然而，无论是建筑师还是大众，都愈发开始关注气候变化的影响与其成因，那么混凝土对于环境负面影响就已经不是一个小问题了。
Lucy Rodgers为BBC News写了一篇深刻的文章，其中说到，在全球二氧化碳排放量总数里，来源于混凝土的二氧化碳大约为8%。这篇文章的背景是于波兰召开的联合国气候变化大会（COP24），为了满足于2015年制定的《巴黎气候协议》，在2030年，混凝土的碳排放量必须下降16%。
“如果混凝土工业是一个国家，那么它会成为世界第三大排放国，仅次于中国和美国。相比起航天燃料（2.5%），混凝土甚至能够排放更多的二氧化碳，同时这也远超过全球农业的排放量（12%）。”——Lucy Rodgers, BBC News
For thousands of years, concrete has been a foundation of the built environment: the most widely used man-made material on the planet. However, as architects, and the public alike, sharpen their focus on the causes and effects of climate change, the environmental damage caused by cement has become a subject of unease.
As exhibited in a recent in-depth article by Lucy Rodgers for BBC News, cement is the source of about 8% of global CO2 emissions. The piece was written off the back of the UN’s COP24 climate change conference in Poland and found that in order to meet the requirements of the 2015 Paris Climate Agreement, annual cement emissions must fall by 16% by 2030.
“If the cement industry were a country, it would be the third largest emitter in the world – behind China and the US. It contributes more CO2 than aviation fuel (2.5%) and is not far behind the global agriculture business. (12%).”
-Lucy Rodgers, BBC News
Alexandra and Ainsworth estate / Neave Brown. Image Fernando Pires
混凝土的起源可以追溯到公元前6000年的叙利亚与约旦，另外，诸如罗马万神庙等建筑也能更清晰地表达混凝土的应用，在19世纪与20世纪，混凝土的应用范围突然倍增。自上世纪50年代以来，混凝土产业甚至增加了30倍，到了90年代又增加了4倍，原因是欧洲战后建筑业的发展，以及90年代之后亚洲的经济增长。
如今，每年生产的混凝土超过40亿吨，释放的二氧化碳超过15亿吨。中国是混凝土与混凝土相关产品的生产大国，其次是印度、欧洲、美国等等。然而，中国混凝土的消费反过来也使得全球混凝土消费自2014年起就稳定在40亿吨左右。在未来，建筑市场会逐步向东南亚以及非洲撒哈拉地区转移，到了2030年，混凝土产品的用量也许还要增加25%，这样才能跟得上时代的发展。
Although the origins of concrete and cement can be traced back to Syria and Jordan in 6000BC, and more articulately by the Ancient Romans in magnificent structures such as the Pantheon, the 19th and 20th century saw an explosion in cement use. Production of cement has increased thirtyfold since 1950, and a further fourfold since 1990, driven by postwar building in Europe, and building booms across China and Asia from the 1990s onwards.
Today, over 4 billion tonnes of cement are produced each year, releasing over 1.5 billion tonnes of CO2. China is the top producer of cement and cement-related emissions, followed by India, the EU, and the US. However, the leveling off of Chinese consumption of cement has, in turn, caused global cement production to level off from 2014 onwards at the 4-billion tonne mark. As the future markets in construction move towards South East Asia and sub-Saharan Africa, it is predicted that cement production may have to increase by 25% by 2030 to keep pace.
The Barbican Estate / Chamberlin, Powell and Bon Architects. Image Joas Souza
那么，混凝土为什么会成为如此严重的污染物呢？采石与运输过程占了混凝土排放量的不到10%。BBC曾经报道，超过90%的排放可能是来源于煤渣的制作过程，这是混凝土生产的关键要素。
在这个过程中，回转窑的温度会达到1,400C (2,600F)，其原料是石灰石、粘土、铁矿石、灰末的混合。这些混合物经过加热会分解为氧化钙与二氧化碳，那么二氧化碳就会释放出来，形成大理石般的灰球，这就是所谓的“煤渣”了，然后煤渣会经过冷却、研磨，再与石灰石、石膏混合，最终形成能够运输使用的混凝土。
So why is cement such a heavy polluter? The blame is frequently laid at the foot of quarrying and transport process, however this only accounts for less than 10% of cement-attributed emissions. As stressed by the BBC report, over 90% of the sector’s emissions can in fact be attributed to the process of making “clinker” – a key element of concrete.
This process sees a rotating kiln heated to over 1,400C (2,600F), fed with a quarried mix of ground limestone, clay, iron ore, and ash. The mixture is split into calcium oxide and C02, at which point the CO2 is released to leave behind marble-sized grey balls, called clinker. The clinker is then cooled, ground, and mixed with limestone and gypsum to form cement ready for transport.
而当前而言，许多人会不断呼吁利用木材等可持续材料来代替混凝土，同时人们对于混凝土对环境造成的影响的认识也不断提高，从而也会有一些可持续的产品来替代煤渣。最近，英国兰开斯特大学的研究者发现了一种新方法，那便是能够从胡萝卜和根类植物中提取纳米血小板来促进混凝土的混合。另外，Sandra Manso-Blanco博士所开发的“生物感受混凝土”也能够通过结构混凝土的分层来促进苔藓的生长，这种苔藓能够有效地吸收二氧化碳。
Taktl的策略围绕着“少即是多”的概念。其所用的高性能混凝土本质仍然是混凝土，但是其释放的二氧化碳会比传统混凝土要少很多，这说明达到相同的混凝土强度时，这种原材料所释放的二氧化碳会少一些。
As well as calls to move towards more sustainable primary building materials such as timber, the heightened awareness of the environmental damage caused by cement has led to the growth of new alternatives to the clinker process. Recently, researchers at Lancaster University in the UK unveiled a novel approach of using nanoplatelets extracted from carrots and root vegetables to enhance concrete mixes. Another trend of “bioreceptive concrete”, developed by Dr. Sandra Manso-Blanco, sees structural concrete layered with materials to encourage the growth of CO2-absorbing moss and lichen.
The approach of Taktl, meanwhile, is centered around the idea of "less is more." While this ultra-high-performance concrete is still concrete, it produces far less CO2 than traditional concrete by using less water and by being stronger, meaning you need less of it to achieve the same strength.
Jacob Snavely
为了减少碳排放，加州的Watershed Materials公司也正在研发传统混凝土的替代策略，新型混凝土只使用少量的原材料，降低了二氧化碳的排放量，他们甚至在作品中应用了其中一种产品，希望能够完全替代传统混凝土。
新闻来源：BBC News
To further-curb runaway carbon emissions, a California-based company called Watershed Materials is developing alternatives to the traditional concrete block which uses less cement, dramatically reducing the amount of carbon dioxide produced; they even have a product in the works which they hope will offer a widely applicable concrete block alternative which uses no cement at all.
News via: BBC News
1. 行业碳排仅次中美，熟料生产占其中九成
以上提到水泥产业的碳排放总量，涵盖了水泥的全生命周期。
水泥生产始于开采和处理石灰石（主要成分是碳酸钙），然后与黏土（主要成分是硅酸盐）混合，送入1450℃-1500℃的回转窑煅烧。这个过程排放大量二氧化碳，剩下的块状物质主要成分是硅酸钙，也即熟料。熟料冷却，添加上石膏和辅助胶凝材料，磨成粉，就是水泥了。
在整个水泥生产流程中，熟料生产阶段二氧化碳排放最多，占总生产过程的约95%，其中一多半来自石灰石煅烧，一少半来自这个过程所用的燃料[6]。因此，水泥产业减碳重点也在这两个环节。
图1 水泥生产全周期过程中的能耗和碳排放 │ 图源[6]
2. 燃料的减碳方案：从废热利用到绿色燃料
从化石能源燃烧利用的环节来看，近年来热能的利用效率有所提高。生产1吨熟料，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，根据国际能源署的数据，熟料生产的耗能强度停滞在每吨3.4-3.5吉焦[7]。以这样的耗能计算，生产10吨熟料，大抵相当于一套小户型住宅一个供暖季所耗的热能。
能耗降速有点慢，不过，还是有多种办法减碳增效。一个途径就是废热回收利用。
回转窑所需的高温是靠化石燃料燃烧产生的热维持的，而这些热有44%会浪费掉[8]。如果能将这些废热再回收和利用，可以大大节约燃料，进而减少碳排放。印度的一项案例研究显示，将废热用于发电，可将水泥厂燃料利用率提高5%[9]。但也要注意到，目前主流的废热利用方式是发电，对于减碳来说，目前来说，效果很有限。
一个从源头考虑的策略是，减少化石燃料使用甚至不用化石燃料。国内外在持续探索燃料替代和协同处置技术，期待实现熟料生产对化石能源的"零消耗”。
世界水泥巨头拉法基公司自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质，因为生物质里面的碳终究会释放出来，用作燃料不会新增大气中的碳。
2019年，拉法基公司就宣称，他们在尼日利亚一座水泥厂的回转窑燃料有一半是生物质燃料，且主要来自农业垃圾，该公司还在努力从城市固体废弃物中挖掘更多燃料[10]。
事实上，在水泥窑炉中加入诸如轮胎、有机废物、污水污泥和塑料等固体废弃物的做法，从上世纪70年代就已经出现。
一开始，这些做法更多是为了降低企业成本，因为垃圾肯定要比煤炭便宜，一些地方政府甚至会付钱给水泥企业，作为城市垃圾处理的一种方式[11]。
近年来，水泥行业更是积极推动固体垃圾作为燃料的企业策略，更多称其为解决塑料垃圾和减缓气候变化的社会责任担当，比如，总部位于墨西哥的西麦斯集团。
图2 拉法基公司在尼日利亚的水泥厂一半窑用燃料是生物质│图源：lafarge.com.ng/
图3 垃圾衍生燃料Climafuel | 图源：letsrecycle.com/
西麦斯集团从垃圾中处理出来的燃料不仅自己用，还做成一个品牌Climafuel，在市场上出售。Climafuel燃料用纸张、纸箱、纺织物、木材、塑料等垃圾处理而成。据西麦斯集团官网，西麦斯在英国的水泥厂用Climafuel替代了20%-60%煤和焦炭在内的化石能源，用以加热水泥窑炉[12]。中国水泥企业华新在垃圾衍生燃料方面也有近20年技术积累[13]。
此外，用氢等不含碳的燃料完全替代化石燃料，减碳最为彻底，但是成本太高，短期内完全替代的希望不大。行业也在探索用绿色电力替代化石燃料。
不过，只在燃料上下功夫，无助于解决水泥行业碳排放的另一个更大的来源——石灰石煅烧排放的二氧化碳。
3. 碳捕获 & 混凝烯
处理石灰石煅烧排放的二氧化碳，最直接的方法是碳捕获与封存，即把排放的二氧化碳分离出来，或可回收直接使用，或可储存到地层深处，长期与大气隔绝，还可以转化成矿物二次利用。
捕获二氧化碳可以就地原厂利用。水泥与水、砂子、石子等混合做成混凝土时，通上二氧化碳，控制合适的反应条件，又会生成碳酸钙，封存在混凝土中，并且不降低混凝土性能。加拿大CarbonCure公司已经将此技术完全商业化，目前已装备到300多家水泥厂，计划到2030年的时候每年减碳5亿吨，相当于减少1亿辆燃油车[14]。
图4 装有CarbonCure阀门的二氧化碳气罐 │ 图源CarbonCure
不过，CarbonCure的技术需要将二氧化碳从废气里提纯并封装，还是不太方便。澳大利亚公司Calix发明了一种新的窑，可以让二氧化碳收集变得容易。传统的窑，原料和燃料是混在一起的；而Calix的窑则不然，窑内是研磨好的石灰和水蒸气，在窑外加热，窑内气体排出，简单冷凝就将水蒸气变成水，剩余的就是纯二氧化碳，捕获之后，便于再次利用[15]。
图5 Calix发明的外加热窑，非常便于二氧化碳捕获 │ 图源：Calix
欧盟对Calix的技术青睐有加，将其纳入2千万欧元的大科研项目“低排放强度石灰和水泥”（Low Emissions Intensity Lime and Cement，LEILAC）。
2019年，德国海德堡水泥公司在比利时的一家水泥厂开始对这一技术进行中试试验。中试结果成功分离出二氧化碳，并且没有增加燃料投入，对产品和生产装置没有显著的负面影响。据Calix发布的消息，中试装置的升级版将于2023年在德国汉诺威进行示范生产，示范厂将能捕获20%的碳排放，也就是每年10万吨级的二氧化碳[16]。
此外，学术界和产业界也在合作将前沿科学进展用于改良传统的混凝土。
曼彻斯特大学和英国全国工程公司合作发明了石墨烯增强混凝土——混凝烯（Concretene）。混凝烯性能更优，还能减少30%的碳排放，已经有了第一个商业应用。2021年10月，混凝烯在曼彻斯特为一歌舞厅浇筑了面积为756平方米的整块地板[17]。
图6 用混凝烯浇筑舞厅地板
那么，原料石墨烯从哪里来?美国莱斯大学找到了一种低廉的来源——旧轮胎。莱斯大学发明一种闪蒸工艺，可以把旧轮胎热解后残留的碳或旧轮胎碎片变成混层石墨烯，混层石墨烯可以直接加到水泥里。在解决城市固体垃圾的同时，将垃圾中的碳固定在混凝土中[18]。
图7 莱斯大学闪蒸加热制石墨烯
减碳不仅要靠理工硬科技，信息技术也可以贡献一份力量。
欧洲水泥行业巨头拉法基豪瑞公司2019年启动了“明日工厂”计划，开发了一个技术信息系统，将机器人、人工智能、预测性维护（Predictive Maintenance，实时监控流水线状态，依据装备的状态发展趋势和可能的故障模式，预先制定预测性维护计划）等技术有机融为一体。拉法基豪瑞旗下80%的水泥厂已经接入此系统，据测算，工厂运营效率提高15%-20%，减碳10%[19]。
结语
水泥行业是排碳大户，对于全球减碳意义重大。本文略述了水泥行业减碳的几个方向和路径：
1）废热回收利用，提高能效；
2）燃料替代，比如从垃圾中回收利用生物质燃料、无碳氢燃料、绿色电力等；
3）原料替代,比如粉煤灰替代水泥,添加石墨烯；
4）改进生产工艺，比如添加碳捕获和矿化流程，提高生产线的数字化水平。
虽然减碳的挑战巨大，但该行业现在手头有一系列可用的工具，可以凭借市场竞争和科技进步，为减缓温室效应尽一份行业的力量。
本文3月16日首发于《知识分子》(ID:The-Intellectual)。知识分子由非营利公益组织北京市海淀区智识前沿科技促进中心主办，以传播科学知识、弘扬科学精神、促进科学文化为使命，致力于关注科学、人文、思想。
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来源 / 知识分子
编辑 /袁乐琅 蒋泓米