努力践行绿色零碳 我国水泥工业2050年可达碳中和

   “水泥将如何转变，被环境主义者视为‘祸害’的水泥，或许会变成减缓全球气候变暖的好帮手”。这是英国《经济学人》The Economist杂志2021年11月6~12日周刊 第 67~69页上一篇题为“绿色混凝土”文章中的第一句话。笔者认为这是一篇有灼见的文章，其概括面广，信息量大，归纳得顺理成章。值得注意的是，它提出了一个“水泥可以由“祸害”变成好帮手”的新观点，发人深思，颇受启迪。故此笔者特将其翻译校核, 增补了不少重要信息，尤其是中国的最新情况，突出主题，重新撰写成此文，供我国水泥混凝土界同好共享。

  公元前125年哈德良(Hadrian)王朝的古罗马帝国时代，先人们用当时当地的建筑材料所建造的万神殿(Pantheon)是世界上最早最大的非钢筋混凝土建筑，至今仍巍然屹立。这种“罗马混凝土”与当今广泛用于建造住房、高楼、工厂、道路、桥梁、水坝、机场、高铁、码头、隧道等的各种现代的钢筋混凝土相比似乎并不逊色。现今全球消耗混凝土每年多达500亿吨，其中水泥近50亿吨 (笔者注:2020年实际为42亿吨)。按照麦肯锡（McKinsey）的数据，每吨水泥生产排放二氧化碳928公斤计(笔者注:2020年实际为650~750公斤)，全球水泥工业的碳排放量约占人为二氧化碳排放总量的8% (笔者注: 2020年实际为7.1%)。如果水泥工业也算做一个国家的话，那么其碳排放量当属世界第三位，仅次于中国和美国。显然水泥生产是一个巨大的二氧化碳排放源。中国生产消费的水泥高达全球总量的55%。全球舆论一致认为，世界水泥工业正面临必须大幅减碳的巨大压力，形势严峻。

  然而事物的发展和科技进步的创新似乎正在将水泥工业引向“否定之否定”化险为夷的方向，我们有点“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”的感觉。这里列举一些主要的萌芽或成长阶段的新工艺新技术，给读者做一个简要的介绍。虽然它们尚不成熟，还远未达到可以大规模工业化应用的程度，但是这些实践的成功却给我们提供了充分的理论依据和广阔的想象空间。

  1.    英国伦敦皇家学院教授Paul Fennell 的团队, 2021年初发表在《焦耳》Joule杂志上的论文证实，碳捕集CCUS的二氧化碳可以用于混凝土的养护，促进混凝土胶凝化进程和强度发挥。在满足建筑工程对混凝土性能需求的情况下，可减少单位混凝土的水泥用量。麦肯锡估计，这项技术如在全球推广采用，有可能降低水泥碳排放总量约5%，进一步改进后，有望达30%。

  有些公司已经开始采用该项技术，例如，加拿大的CarbonCure公司已经在位于英国的400多家商品混凝土搅拌站采用了注入二氧化碳的养护技术。同时已经启动了从水泥窑直接收集二氧化碳的研发工作。

  中国华新水泥集团和湖南大学联合研制的利用水泥窑废气生产养护水泥砖的生产线，2021年底宣告投产成功。

  2.    据不完全统计，现今在欧美日中等国专营电解化学技术的隐形冠军性质的中小型企业约有近100家。可以将水或海水电解获取氢(H2)以及由一氧化碳与碳氢化合物所组成的合成气体(syngas)。然后注入二氧化碳, 在一定的温度和压力条件下, 与之发生催化耦合作用而产生甲醇和其他化学产品。这些隐形冠军企业, 例如德国的Sunfire公司等均已基本掌握了这一整套技术和装备, 可以向客户提供氢能和甲醇等产品。

  瑞士科技大学Aldo Steinfeld教授团队最近在《自然》Nature杂志发表的研究报告表明, 采用上述技术路线, 在模拟太阳光合作用的条件下, 可以生产甲醇乙醇等合成燃料, 甚至航空汽油。有人称其为“液体阳光”, 这对今后世界航空业的减碳贡献将是不可小觑的。

  在德国科技部的引领下，德国Rudersdorf水泥厂、Sunfire电解公司和Enerstrag可再生能源公司三家共同组成了一个生产多种产品的碳中和联合体。Enerstrag公司负责向另两家提供风电和光伏电以及储能设备, 满足它们正常生产所需要的全部电能。Sunfire公司负责生产氢和合成气, 供应部分氢能给水泥厂煅烧熟料。水泥厂供应二氧化碳给Sunfire公司生产甲醇和其他化学产品。这个年产 二百万吨的Rudersdorf水泥厂在2025年底以前要将其水泥单位碳排放量从目前的576削减为 300kgCO2/t.c.左右, 然后采用CCUS将其降到120 kgCO2/t.c.以下, 再被自然界的碳汇吸收固碳，从而达到碳中和。

  我国建材联合会刚发布的首批“揭榜挂帅”项目中就有水泥厂应用氢能锻烧熟料的科技研发项目, 计划完成期限为三年。2021年9月, 中国科学院天津生物技术研究所利用二氧化碳合成人造淀粉取得重大进展, 说明经过科研发掘, 二氧化碳也有其有用的一面, 发展余地尚待进一步的挖掘。

  基于我国风电和光伏电产业现有的实力, 水泥企业意欲开展“零电”行动的话, 应该是不难实现的。海螺、中建材、华润和红狮等集团已经开始这样布局了。

  3.    水泥窑广泛采用含可燃质的废弃物用作替代燃料，少用或不用化石燃料。墨西哥Cemex公司在英国的水泥厂有60%采用了由城市垃圾、市政污泥等生物质废弃物制成的衍生燃料 Climafuel 、RDF等。欧盟水泥工业替代燃料的热量替代率TSR已达50%以上, 德国是72%，挪威已达90%.。英国Ribblesdale水泥厂采用由灰氢39%、动物骨肉12%和废甘油49% 混合物组成的替代燃料, TSR达100%, 每年可减排二氧化碳18万吨。 笔者测算, 如全球水泥工业TSR达到95%，水泥的单位排碳量将相应的减少20%。目前全球水泥工业的TSR仅为12%，发展空间很大。

  4.    因为熟料的单位碳排放量是最高的（约935 kgCO2/t.cl.）， 52.5、42.5和32.5水泥的依次约为熟料的90%、80%和70%。所以我们要在不影响现有水泥混凝土各方面性能的前提条件下, 尽量少用熟料，采用替代熟料来生产水泥。这方面在欧洲, 32.5复合水泥的推广应用效果显著; 低熟料含量水泥 LCC、烧粘土水泥 LC3、新型低碳胶凝材料 SCM的研发使用已初显成效。

  另外对传统混合材(矿渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、页岩等)进行深加工, 激发其潜在的胶凝性能, 可以发挥其部分替代熟料的作用。同时采用新型混凝土外加剂技术, 可以用较低标号的水泥制备出较高性能的混凝土. 这对水泥的减碳也是很有效的。国际上已有不少研究报告肯定了这个事实。

  美国新泽西州Solidia科技公司研发的低钙高硅的Solidia水泥与普通波特兰水泥OPC相比, 其熟料烧成温度低，单位热耗低, 碳排放量低。Holcim水泥公司已获准生产Solidia水泥多年, 正在逐步推广应用。

  正在加紧研发和逐步试用的低碳水泥还有Celitement、FUTURECEM、Diatomite等10多种，以及地矿胶凝材料Geopolymers。德国和瑞士在32.5复合水泥和烧粘土水泥LC3，法国、荷兰和巴西在低熟料含量水泥LCC，中国在硫（铁）铝酸盐水泥和高贝利特水泥方面研究较深入，应用较多。在32.5复合水泥方面，原先中国是应用时间最长用量最大的，积累了很好的基础和大量的经验。可惜三四年以前竟然被取消掉了，正是自废武功，甚至是自残, 令人痛心！

  美国密歇根大学 Victor Li博士团队和德国水泥研究院Muller与Palm博士团队的分别研究均证实, 深加工混合材的使用可以提升混凝土的耐久性和强度, 减少全生命周期的维护工作量, 延长混凝土的使用寿命。混合材是水泥的必要组分, 必须按一定的工艺生产程序定量准确均匀的掺入水泥中。商品混凝土中的中性填充料 (掺合料) 完全不能与混合材相提并论, 混为一谈。一般的混凝土搅拌站没有资质掺用混合材，否则就很难保障混凝土的质量。这对我国现今正在争论不休的所谓混合材应该在哪里掺加的问题, 是一个很明确的回答。这里必须吸取的教训也很清楚, 就是我国不应该把混凝土和水泥两者之间的利益博弈混杂到科技问题中来。

  德法美日中等国家正在加紧研制的还有一些合成纤维水泥、碳纤维水泥、石墨烯水泥、二氧化铈水泥等全新的轻型高强韧性防腐蚀防火防震防辐射的混凝土胶凝材料。英国剑桥ID TechEX 公司Peter Harrop博士团队已发布的成果认为, 这些新型建筑材料特别适用于3D打印建造建筑物, 可以大幅削减建筑造价和工程的碳排放。

  5.    二氧化碳捕集利用技术CCUS。 资料记载, 自1975年至今，全球各行业主要是煤电、石油化工和水泥企业进行的各种规模的中试、半工业实验和生产试验CCUS技术共约63项. 有51项逐渐转入生产或半生产，积累了相当的经验教训。最近10多年来，欧美国家水泥厂采用 CCUS技术正在逐渐趋向比较成熟，一些技术较先进、效率较高、成本较低的大型CCUS项目相继投产或在建之中。例如德国Heidelberg水泥集团位于美国Lehigh水泥厂的年产25万吨的项目和位于比利时Lixhe水泥厂的澳大利亚Calix公司研发的 LEILAC 2年产30万吨的项目。以及位于德国 Hanover水泥厂, 年产100万吨的在建项目和位于英国Hansen集团的年产80万吨在建项目等。还有Holcim水泥集团采用德国Polysius公司的PolyActive膜技术, 年产130万吨的CCUS在建项目等。这些项目传递了一个信息, 那就是在欧洲, 水泥厂采用CCUS技术正开始逐步迈入基本可以商业运行的阶段。中国海螺白马山水泥厂捕集二氧化碳每年5万吨, 用于生产干冰的CCUS项目也于2020年成功投产。这是中国水泥工业的第1个CCUS项目, 为中国水泥工业碳中和的实现开拓了一条新途径。 

  经历了三四十年的努力追赶，中国中材国际SINOMA在水泥成套装备方面已经跻身FLSmidth、Polysius、KHD世界一流供应商之列。尤其是在“一带一路”和EPC工程领域已跃居世界首位。全球已投产的36条最先进的日产1万吨~1.4万吨熟料生产线中国占有一半，其余在世界各国的还有八九条生产线也是由SINOMA的 EPC提供部分装备建造的。

  目前中国水泥工业的熟料单位热耗和水泥综合电耗已达到国际先进水平, 仍在不断完善。各种污染物的排放指标均已达到国际水平,正在努力提升之中。水泥单位碳排放量平均为578 kg CO2/t.c., 为世界先进水平, 正在向着零碳努力 。

  水泥工业的碳中和目标与中国水泥专家高长明1997年提出的“四零一负”理念是一脉相承的。经过二三十年的努力, “四零一负”在德国和北欧诸国获得了大量的实践和成功发展的宝贵经验。现今“四零一负”在欧盟的完成率为55%~60%， 德国75%~80%，日本65%~70%，美加澳50%~55%。中国为45%~50%, 最大的缺陷是替代燃料TSR太低, 仅为6%。但在水泥窑余热发电采用率方面处于世界领先。

  或许可以这样认为, 当全球水泥工业“四零一负”完成率达到95%~100% 之时， 就是世界水泥工业实现碳中和之日。

  2020年，丹麦FLSmidth公司发布了《趋零之旅》MissionZero, 德国Polysius公司发布了《净零行动》Net-Zero的2030年规划。承诺届时他们提供的全套水泥生产装备的熟料热耗和水泥电耗将分别比2020年的降低5%~7%和6%~8%。同时都配置有效率较高的CCUS装备。

  世界著名的跨国水泥集团德国Heidelberg、瑞士Lafarge-Holcim、墨西哥Cemex、爱尔兰CRH、意大利Italcementi、 巴西Votorantin、印度Ultra-Tech等纷纷发布承诺2050年保证达到碳中和。中国华新最近发布了这样的承诺，海螺、中建材、华润、红狮等正在积极的准备之中。这方面台泥和亚东的表现可属上乘。

  欧美日印和中国水泥工业所拥有的技术和实力是世界水泥工业实现碳中和的中流砥柱，其中中国的作为是至关重要的。

  现在国际上不少水泥专家认为, 在水泥工业持续不断努力降低熟料热耗和水泥电耗的条件下, 加紧研发创新,充分应用上述各项新技术新工艺的同时。通过一段时间的实践推广和提升改进完善, 全球水泥的单位碳排放量将会削减80%以上, 即由现今的650左右降到120 kg CO2/t.c.以下。因为以上的种种措施，应该说已经超过了”构想和萌动"的程度。实际上已经进入了相当规模的全盘行动阶段。所以笔者认同这些国际专家的看法。

  大家知道, 大自然对水泥混凝土构筑物及其制品在其全生命周期中的再碳酸化的固碳作用, 即碳汇，大概是120 kg CO2/t.c.。所以，一旦全球水泥碳排放削减到120 kg CO2/t.c.以下时，借助自然界碳汇的作用，世界水泥工业的碳中和即付诸实现，甚至可以进入负碳范畴！

  现在我们知道, 二氧化碳不完全是有害的, 同时它也有其有用的另一面。我们只要锲而不舍的努力研发创新, 零碳或负碳生产水泥是可以实现的。

  根据目前的情况，笔者预测，世界各主要水泥生产国家的水泥工业达到碳中和的时间表是：德国最早，2045年底前。（2021年初，德国主动承诺，将原定的2050年全国实现碳中和的时限提前到2045年，成为全世界承诺时限最早的国家）；依次为欧洲各国、韩国和日本，2048~2049年；中国、美国、加拿大和澳大利亚，2050年；南美各国、士耳其、中东各国和俄罗斯等，2055年；印度、印尼、泰国、越南、埃及、伊朗和巴基斯坦等，2060年。

  可以想见, 三四十年以后, 全球水泥工业将基本达到绿色零碳生产。在其大幅减碳的征途中, 同时也为减缓全球气候变暖建立了汗马功劳。称赞水泥工业是好帮手, 应该是当之无愧的。

  回顾漫长的历史, 科技不断发展创新的历程, 引领着水泥工业走了一大圈, 现在竟然即将回到2200年前的古罗马时代, 这可能就是事物螺旋形的不断上升发展的客观规律吧。

  作为水泥混凝土科技人员, 我们当然应该清醒的认识到, 本文的各种探索和追求决不会像天上掉馅饼那样的来到。我国必须在各方面做好充分的准备，需要几代人持续的科研创新，艰苦努力，砥砺奋进, 碳中和目标才有可能圆满实现。.中国建材联合会20 21年12月24日公布的”十四五”首批”揭榜挂帅“项目名单，其中有好几个项目与本文的探求颇有交合融会, 方向和目标完全一致。 对此笔者感到十分振奋和欣慰。中国的绿色零碳水泥应该而且可以为“地球村”这个人类命运共同体做出更大的贡献。

  关于 “四零一负”

​  1、尽量降低各种污染物的排放，水泥生产对周围生态环境实现零污染

  2、不断降低熟料单位电耗，提高余热发电效率，熟料生产对外界电能实现零消耗

  3、自身消纳废弃物，水泥厂的废料废渣废水对外界实现零排放

  ​4、全部采用替代燃料，熟料煆烧对化石燃料实现零消耗

  ​5、尽量多用混合材和替代燃料，水泥生产对全社会各种废弃物的负增长做出较大贡献

  这是高长明1979~1996年间，对世界20多个主要水泥生产国家进行考察访学调研提炼归纳所得出的科技成果。首发在《水泥技术》1997年第1期一篇题为“论水泥工业可持续发展战略“的文章中。

  之后每1~2年高长明就对世界各国“四零一负”的进展情况调研一次写出文章。至今已发表的这种调研文章有20多篇，详实的阐述和预测了各国水泥工业“四零一负”的推进和预测历程。