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知识分子

The Intellectual

水泥工业减碳转型尤为艰难 | 图源：pixabay.com

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  导读

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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。

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图1 水泥生产全周期过程中的能耗和碳排放 | 图源[6]

燃料的减碳方案：从废热利用到绿色燃料

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/

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。

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]。

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]。

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]。

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]。

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]。

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：

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。