高長(zhǎng)明：踐行綠色零碳水泥實(shí)現(xiàn)碳中和

“水泥將如何轉(zhuǎn)變，被環(huán)境主義者視為‘禍害’的水泥，或許會(huì)變成減緩全球氣候變暖的好幫手”。這是英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》The Economist雜志2021年11月6~12日周刊 第 67~69頁(yè)上一篇題為“綠色混凝土”文章中的第一句話。筆者認(rèn)為這是一篇有灼見的文章，其概括面廣，信息量大，歸納得順理成章。值得注意的是，它提出了一個(gè)“水泥可以由“禍害”變成好幫手”的新觀點(diǎn)，發(fā)人深思，頗受啟迪。故此筆者特將其翻譯校核, 增補(bǔ)了不少重要信息，尤其是中國(guó)的最新情況，突出主題，重新撰寫成此文，供我國(guó)水泥混凝土界同好共享。

公元前125年哈德良(Hadrian)王朝的古羅馬帝國(guó)時(shí)代，先人們用當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐慕ㄖ牧纤ㄔ斓娜f神殿(Pantheon)是世界上最早最大的非鋼筋混凝土建筑，至今仍巍然屹立。這種“羅馬混凝土”與當(dāng)今廣泛用于建造住房、高樓、工廠、道路、橋梁、水壩、機(jī)場(chǎng)、高鐵、碼頭、隧道等的各種現(xiàn)代的鋼筋混凝土相比似乎并不遜色?，F(xiàn)今全球消耗混凝土每年多達(dá)500億噸，其中水泥近50億噸 (筆者注:2020年實(shí)際為42億噸)。按照麥肯錫（McKinsey）的數(shù)據(jù)，每噸水泥生產(chǎn)排放二氧化碳928公斤計(jì)(筆者注:2020年實(shí)際為650~750公斤)，全球水泥工業(yè)的碳排放量約占人為二氧化碳排放總量的8% (筆者注: 2020年實(shí)際為7.1%)。如果水泥工業(yè)也算做一個(gè)國(guó)家的話，那么其碳排放量當(dāng)屬世界第三位，僅次于中國(guó)和美國(guó)。顯然水泥生產(chǎn)是一個(gè)巨大的二氧化碳排放源。中國(guó)生產(chǎn)消費(fèi)的水泥高達(dá)全球總量的55%。全球輿論一致認(rèn)為，世界水泥工業(yè)正面臨必須大幅減碳的巨大壓力，形勢(shì)嚴(yán)峻。

然而事物的發(fā)展和科技進(jìn)步的創(chuàng)新似乎正在將水泥工業(yè)引向“否定之否定”化險(xiǎn)為夷的方向，我們有點(diǎn)“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”的感覺。這里列舉一些主要的萌芽或成長(zhǎng)階段的新工藝新技術(shù)，給讀者做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。雖然它們尚不成熟，還遠(yuǎn)未達(dá)到可以大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的程度，但是這些實(shí)踐的成功卻給我們提供了充分的理論依據(jù)和廣闊的想象空間。

1.    英國(guó)倫敦皇家學(xué)院教授Paul Fennell 的團(tuán)隊(duì), 2021年初發(fā)表在《焦耳》Joule雜志上的論文證實(shí)，碳捕集CCUS的二氧化碳可以用于混凝土的養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)混凝土膠凝化進(jìn)程和強(qiáng)度發(fā)揮。在滿足建筑工程對(duì)混凝土性能需求的情況下，可減少單位混凝土的水泥用量。麥肯錫估計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)如在全球推廣采用，有可能降低水泥碳排放總量約5%，進(jìn)一步改進(jìn)后，有望達(dá)30%。

有些公司已經(jīng)開始采用該項(xiàng)技術(shù)，例如，加拿大的CarbonCure公司已經(jīng)在位于英國(guó)的400多家商品混凝土攪拌站采用了注入二氧化碳的養(yǎng)護(hù)技術(shù)。同時(shí)已經(jīng)啟動(dòng)了從水泥窯直接收集二氧化碳的研發(fā)工作。

中國(guó)華新水泥集團(tuán)和湖南大學(xué)聯(lián)合研制的利用水泥窯廢氣生產(chǎn)養(yǎng)護(hù)水泥磚的生產(chǎn)線，2021年底宣告投產(chǎn)成功。

2.    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今在歐美日中等國(guó)專營(yíng)電解化學(xué)技術(shù)的隱形冠軍性質(zhì)的中小型企業(yè)約有近100家。可以將水或海水電解獲取氫(H₂)以及由一氧化碳與碳?xì)浠衔锼M成的合成氣體(syngas)。然后注入二氧化碳, 在一定的溫度和壓力條件下, 與之發(fā)生催化耦合作用而產(chǎn)生甲醇和其他化學(xué)產(chǎn)品。這些隱形冠軍企業(yè), 例如德國(guó)的Sunfire公司等均已基本掌握了這一整套技術(shù)和裝備, 可以向客戶提供氫能和甲醇等產(chǎn)品。

瑞士科技大學(xué)Aldo Steinfeld教授團(tuán)隊(duì)最近在《自然》Nature雜志發(fā)表的研究報(bào)告表明, 采用上述技術(shù)路線, 在模擬太陽(yáng)光合作用的條件下, 可以生產(chǎn)甲醇乙醇等合成燃料, 甚至航空汽油。有人稱其為“液體陽(yáng)光”, 這對(duì)今后世界航空業(yè)的減碳貢獻(xiàn)將是不可小覷的。

在德國(guó)科技部的引領(lǐng)下，德國(guó)Rudersdorf水泥廠、Sunfire電解公司和Enerstrag可再生能源公司三家共同組成了一個(gè)生產(chǎn)多種產(chǎn)品的碳中和聯(lián)合體。Enerstrag公司負(fù)責(zé)向另兩家提供風(fēng)電和光伏電以及儲(chǔ)能設(shè)備, 滿足它們正常生產(chǎn)所需要的全部電能。Sunfire公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)氫和合成氣, 供應(yīng)部分氫能給水泥廠煅燒熟料。水泥廠供應(yīng)二氧化碳給Sunfire公司生產(chǎn)甲醇和其他化學(xué)產(chǎn)品。這個(gè)年產(chǎn) 二百萬噸的Rudersdorf水泥廠在2025年底以前要將其水泥單位碳排放量從目前的576削減為 300kgCO₂/t.c.左右, 然后采用CCUS將其降到120 kgCO₂/t.c.以下, 再被自然界的碳匯吸收固碳，從而達(dá)到碳中和。

我國(guó)建材聯(lián)合會(huì)剛發(fā)布的首批“揭榜掛帥”項(xiàng)目中就有水泥廠應(yīng)用氫能鍛燒熟料的科技研發(fā)項(xiàng)目, 計(jì)劃完成期限為三年。2021年9月, 中國(guó)科學(xué)院天津生物技術(shù)研究所利用二氧化碳合成人造淀粉取得重大進(jìn)展, 說明經(jīng)過科研發(fā)掘, 二氧化碳也有其有用的一面, 發(fā)展余地尚待進(jìn)一步的挖掘。

基于我國(guó)風(fēng)電和光伏電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的實(shí)力, 水泥企業(yè)意欲開展“零電”行動(dòng)的話, 應(yīng)該是不難實(shí)現(xiàn)的。海螺、中建材、華潤(rùn)和紅獅等集團(tuán)已經(jīng)開始這樣布局了。

3.    水泥窯廣泛采用含可燃質(zhì)的廢棄物用作替代燃料，少用或不用化石燃料。墨西哥Cemex公司在英國(guó)的水泥廠有60%采用了由城市垃圾、市政污泥等生物質(zhì)廢棄物制成的衍生燃料 Climafuel 、RDF等。歐盟水泥工業(yè)替代燃料的熱量替代率TSR已達(dá)50%以上, 德國(guó)是72%，挪威已達(dá)90%.。英國(guó)Ribblesdale水泥廠采用由灰氫39%、動(dòng)物骨肉12%和廢甘油49% 混合物組成的替代燃料, TSR達(dá)100%, 每年可減排二氧化碳18萬噸。 筆者測(cè)算, 如全球水泥工業(yè)TSR達(dá)到95%，水泥的單位排碳量將相應(yīng)的減少20%。目前全球水泥工業(yè)的TSR僅為12%，發(fā)展空間很大。

4.    因?yàn)槭炝系膯挝惶寂欧帕渴亲罡叩模s935 kgCO₂/t.cl.）， 52.5、42.5和32.5水泥的依次約為熟料的90%、80%和70%。所以我們要在不影響現(xiàn)有水泥混凝土各方面性能的前提條件下, 盡量少用熟料，采用替代熟料來生產(chǎn)水泥。這方面在歐洲, 32.5復(fù)合水泥的推廣應(yīng)用效果顯著; 低熟料含量水泥 LCC、燒粘土水泥 LC3、新型低碳膠凝材料 SCM的研發(fā)使用已初顯成效。

另外對(duì)傳統(tǒng)混合材(礦渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、頁(yè)巖等)進(jìn)行深加工, 激發(fā)其潛在的膠凝性能, 可以發(fā)揮其部分替代熟料的作用。同時(shí)采用新型混凝土外加劑技術(shù), 可以用較低標(biāo)號(hào)的水泥制備出較高性能的混凝土. 這對(duì)水泥的減碳也是很有效的。國(guó)際上已有不少研究報(bào)告肯定了這個(gè)事實(shí)。

美國(guó)新澤西州Solidia科技公司研發(fā)的低鈣高硅的Solidia水泥與普通波特蘭水泥OPC相比, 其熟料燒成溫度低，單位熱耗低, 碳排放量低。Holcim水泥公司已獲準(zhǔn)生產(chǎn)Solidia水泥多年, 正在逐步推廣應(yīng)用。

正在加緊研發(fā)和逐步試用的低碳水泥還有Celitement、FUTURECEM、Diatomite等10多種，以及地礦膠凝材料Geopolymers。德國(guó)和瑞士在32.5復(fù)合水泥和燒粘土水泥LC3，法國(guó)、荷蘭和巴西在低熟料含量水泥LCC，中國(guó)在硫（鐵）鋁酸鹽水泥和高貝利特水泥方面研究較深入，應(yīng)用較多。在32.5復(fù)合水泥方面，原先中國(guó)是應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)用量最大的，積累了很好的基礎(chǔ)和大量的經(jīng)驗(yàn)?？上哪暌郧熬谷槐蝗∠袅?，正是自廢武功，甚至是自殘, 令人痛心！

美國(guó)密歇根大學(xué) Victor Li博士團(tuán)隊(duì)和德國(guó)水泥研究院Muller與Palm博士團(tuán)隊(duì)的分別研究均證實(shí), 深加工混合材的使用可以提升混凝土的耐久性和強(qiáng)度, 減少全生命周期的維護(hù)工作量, 延長(zhǎng)混凝土的使用壽命?；旌喜氖撬嗟谋匾M分, 必須按一定的工藝生產(chǎn)程序定量準(zhǔn)確均勻的摻入水泥中。商品混凝土中的中性填充料 (摻合料) 完全不能與混合材相提并論, 混為一談。一般的混凝土攪拌站沒有資質(zhì)摻用混合材，否則就很難保障混凝土的質(zhì)量。這對(duì)我國(guó)現(xiàn)今正在爭(zhēng)論不休的所謂混合材應(yīng)該在哪里摻加的問題, 是一個(gè)很明確的回答。這里必須吸取的教訓(xùn)也很清楚, 就是我國(guó)不應(yīng)該把混凝土和水泥兩者之間的利益博弈混雜到科技問題中來。

德法美日中等國(guó)家正在加緊研制的還有一些合成纖維水泥、碳纖維水泥、石墨烯水泥、二氧化鈰水泥等全新的輕型高強(qiáng)韌性防腐蝕防火防震防輻射的混凝土膠凝材料。英國(guó)劍橋ID TechEX 公司Peter Harrop博士團(tuán)隊(duì)已發(fā)布的成果認(rèn)為, 這些新型建筑材料特別適用于3D打印建造建筑物, 可以大幅削減建筑造價(jià)和工程的碳排放。

5.    二氧化碳捕集利用技術(shù)CCUS。 資料記載, 自1975年至今，全球各行業(yè)主要是煤電、石油化工和水泥企業(yè)進(jìn)行的各種規(guī)模的中試、半工業(yè)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)CCUS技術(shù)共約63項(xiàng). 有51項(xiàng)逐漸轉(zhuǎn)入生產(chǎn)或半生產(chǎn)，積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。最近10多年來，歐美國(guó)家水泥廠采用 CCUS技術(shù)正在逐漸趨向比較成熟，一些技術(shù)較先進(jìn)、效率較高、成本較低的大型CCUS項(xiàng)目相繼投產(chǎn)或在建之中。例如德國(guó)Heidelberg水泥集團(tuán)位于美國(guó)Lehigh水泥廠的年產(chǎn)25萬噸的項(xiàng)目和位于比利時(shí)Lixhe水泥廠的澳大利亞Calix公司研發(fā)的 LEILAC 2年產(chǎn)30萬噸的項(xiàng)目。以及位于德國(guó) Hanover水泥廠, 年產(chǎn)100萬噸的在建項(xiàng)目和位于英國(guó)Hansen集團(tuán)的年產(chǎn)80萬噸在建項(xiàng)目等。還有Holcim水泥集團(tuán)采用德國(guó)Polysius公司的PolyActive膜技術(shù), 年產(chǎn)130萬噸的CCUS在建項(xiàng)目等。這些項(xiàng)目傳遞了一個(gè)信息, 那就是在歐洲, 水泥廠采用CCUS技術(shù)正開始逐步邁入基本可以商業(yè)運(yùn)行的階段。中國(guó)海螺白馬山水泥廠捕集二氧化碳每年5萬噸, 用于生產(chǎn)干冰的CCUS項(xiàng)目也于2020年成功投產(chǎn)。這是中國(guó)水泥工業(yè)的第1個(gè)CCUS項(xiàng)目, 為中國(guó)水泥工業(yè)碳中和的實(shí)現(xiàn)開拓了一條新途徑。 

經(jīng)歷了三四十年的努力追趕，中國(guó)中材國(guó)際SINOMA在水泥成套裝備方面已經(jīng)躋身FLSmidth、Polysius、KHD世界一流供應(yīng)商之列。尤其是在“一帶一路”和EPC工程領(lǐng)域已躍居世界首位。全球已投產(chǎn)的36條最先進(jìn)的日產(chǎn)1萬噸~1.4萬噸熟料生產(chǎn)線中國(guó)占有一半，其余在世界各國(guó)的還有八九條生產(chǎn)線也是由SINOMA的 EPC提供部分裝備建造的。

目前中國(guó)水泥工業(yè)的熟料單位熱耗和水泥綜合電耗已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平, 仍在不斷完善。各種污染物的排放指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)際水平,正在努力提升之中。水泥單位碳排放量平均為578 kg CO₂/t.c., 為世界先進(jìn)水平, 正在向著零碳努力 。

水泥工業(yè)的碳中和目標(biāo)與中國(guó)水泥專家高長(zhǎng)明1997年提出的“四零一負(fù)”理念是一脈相承的。經(jīng)過二三十年的努力, “四零一負(fù)”在德國(guó)和北歐諸國(guó)獲得了大量的實(shí)踐和成功發(fā)展的寶貴經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)今“四零一負(fù)”在歐盟的完成率為55%~60%， 德國(guó)75%~80%，日本65%~70%，美加澳50%~55%。中國(guó)為45%~50%, 最大的缺陷是替代燃料TSR太低, 僅為6%。但在水泥窯余熱發(fā)電采用率方面處于世界領(lǐng)先。

或許可以這樣認(rèn)為, 當(dāng)全球水泥工業(yè)“四零一負(fù)”完成率達(dá)到95%~100% 之時(shí)， 就是世界水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和之日。

2020年，丹麥FLSmidth公司發(fā)布了《趨零之旅》MissionZero, 德國(guó)Polysius公司發(fā)布了《凈零行動(dòng)》Net-Zero的2030年規(guī)劃。承諾屆時(shí)他們提供的全套水泥生產(chǎn)裝備的熟料熱耗和水泥電耗將分別比2020年的降低5%~7%和6%~8%。同時(shí)都配置有效率較高的CCUS裝備。

世界著名的跨國(guó)水泥集團(tuán)德國(guó)Heidelberg、瑞士Lafarge-Holcim、墨西哥Cemex、愛爾蘭CRH、意大利Italcementi、 巴西Votorantin、印度Ultra-Tech等紛紛發(fā)布承諾2050年保證達(dá)到碳中和。中國(guó)華新最近發(fā)布了這樣的承諾，海螺、中建材、華潤(rùn)、紅獅等正在積極的準(zhǔn)備之中。這方面臺(tái)泥和亞東的表現(xiàn)可屬上乘。

歐美日印和中國(guó)水泥工業(yè)所擁有的技術(shù)和實(shí)力是世界水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的中流砥柱，其中中國(guó)的作為是至關(guān)重要的。

現(xiàn)在國(guó)際上不少水泥專家認(rèn)為, 在水泥工業(yè)持續(xù)不斷努力降低熟料熱耗和水泥電耗的條件下, 加緊研發(fā)創(chuàng)新,充分應(yīng)用上述各項(xiàng)新技術(shù)新工藝的同時(shí)。通過一段時(shí)間的實(shí)踐推廣和提升改進(jìn)完善, 全球水泥的單位碳排放量將會(huì)削減80%以上, 即由現(xiàn)今的650左右降到120 kg CO₂/t.c.以下。因?yàn)橐陨系姆N種措施，應(yīng)該說已經(jīng)超過了”構(gòu)想和萌動(dòng)"的程度。實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)入了相當(dāng)規(guī)模的全盤行動(dòng)階段。所以筆者認(rèn)同這些國(guó)際專家的看法。

大家知道, 大自然對(duì)水泥混凝土構(gòu)筑物及其制品在其全生命周期中的再碳酸化的固碳作用, 即碳匯，大概是120 kg CO₂/t.c.。所以，一旦全球水泥碳排放削減到120 kg CO₂/t.c.以下時(shí)，借助自然界碳匯的作用，世界水泥工業(yè)的碳中和即付諸實(shí)現(xiàn)，甚至可以進(jìn)入負(fù)碳范疇！

現(xiàn)在我們知道, 二氧化碳不完全是有害的, 同時(shí)它也有其有用的另一面。我們只要鍥而不舍的努力研發(fā)創(chuàng)新, 零碳或負(fù)碳生產(chǎn)水泥是可以實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)目前的情況，筆者預(yù)測(cè)，世界各主要水泥生產(chǎn)國(guó)家的水泥工業(yè)達(dá)到碳中和的時(shí)間表是：德國(guó)最早，2045年底前。（2021年初，德國(guó)主動(dòng)承諾，將原定的2050年全國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)限提前到2045年，成為全世界承諾時(shí)限最早的國(guó)家）；依次為歐洲各國(guó)、韓國(guó)和日本，2048~2049年；中國(guó)、美國(guó)、加拿大和澳大利亞，2050年；南美各國(guó)、士耳其、中東各國(guó)和俄羅斯等，2055年；印度、印尼、泰國(guó)、越南、埃及、伊朗和巴基斯坦等，2060年。

可以想見, 三四十年以后, 全球水泥工業(yè)將基本達(dá)到綠色零碳生產(chǎn)。在其大幅減碳的征途中, 同時(shí)也為減緩全球氣候變暖建立了汗馬功勞。稱贊水泥工業(yè)是好幫手, 應(yīng)該是當(dāng)之無愧的。

回顧漫長(zhǎng)的歷史, 科技不斷發(fā)展創(chuàng)新的歷程, 引領(lǐng)著水泥工業(yè)走了一大圈, 現(xiàn)在竟然即將回到2200年前的古羅馬時(shí)代, 這可能就是事物螺旋形的不斷上升發(fā)展的客觀規(guī)律吧。

作為水泥混凝土科技人員, 我們當(dāng)然應(yīng)該清醒的認(rèn)識(shí)到, 本文的各種探索和追求決不會(huì)像天上掉餡餅?zāi)菢拥膩淼?。我?guó)必須在各方面做好充分的準(zhǔn)備，需要幾代人持續(xù)的科研創(chuàng)新，艱苦努力，砥礪奮進(jìn), 碳中和目標(biāo)才有可能圓滿實(shí)現(xiàn)。.中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)20 21年12月24日公布的”十四五”首批”揭榜掛帥“項(xiàng)目名單，其中有好幾個(gè)項(xiàng)目與本文的探求頗有交合融會(huì), 方向和目標(biāo)完全一致。 對(duì)此筆者感到十分振奮和欣慰。中國(guó)的綠色零碳水泥應(yīng)該而且可以為“地球村”這個(gè)人類命運(yùn)共同體做出更大的貢獻(xiàn)。

關(guān)于 “四零一負(fù)”

?1、盡量降低各種污染物的排放，水泥生產(chǎn)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)零污染

2、不斷降低熟料單位電耗，提高余熱發(fā)電效率，熟料生產(chǎn)對(duì)外界電能實(shí)現(xiàn)零消耗

3、自身消納廢棄物，水泥廠的廢料廢渣廢水對(duì)外界實(shí)現(xiàn)零排放

?4、全部采用替代燃料，熟料煆燒對(duì)化石燃料實(shí)現(xiàn)零消耗

?5、盡量多用混合材和替代燃料，水泥生產(chǎn)對(duì)全社會(huì)各種廢棄物的負(fù)增長(zhǎng)做出較大貢獻(xiàn)

這是高長(zhǎng)明1979~1996年間，對(duì)世界20多個(gè)主要水泥生產(chǎn)國(guó)家進(jìn)行考察訪學(xué)調(diào)研提煉歸納所得出的科技成果。首發(fā)在《水泥技術(shù)》1997年第1期一篇題為“論水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略“的文章中。

之后每1~2年高長(zhǎng)明就對(duì)世界各國(guó)“四零一負(fù)”的進(jìn)展情況調(diào)研一次寫出文章。至今已發(fā)表的這種調(diào)研文章有20多篇，詳實(shí)的闡述和預(yù)測(cè)了各國(guó)水泥工業(yè)“四零一負(fù)”的推進(jìn)和預(yù)測(cè)歷程。