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水泥行业,为何成为我国减碳主战场?


水泥工业减碳转型尤为艰难 | 图源:pixabay.com

3月以来,上海遭遇新一轮新冠肺炎疫情袭击。最近一周,上海每日新增本土确诊病例和无症状感染者呈上升趋势,累计无症状感染者已达数万例。


导读


截至目前,世博展览馆、新国际博览中心、花博会复兴馆、临港洋山特保区4个市级集中隔离救治场所已交付投用。这4个点共计约50万平方米,可提供约38000张床位。国家会展中心隔离救治场所正在加快建设,约60万平方米,预计可提供50000张床位,也是目前上海最大的方舱,9日开始分批交付,已于4月10日完成5号馆、6号馆的交付并开始接收感染者,预计会提供15000张床位。11日,B区2号馆正式交付,该馆面积5万平方米,可提供超7800张床位。其余尚未交付的部分区域,工人正加紧推进建设。


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。


撰文 | 瞿立建

责编 | 冯灏


今年两会期间,全国政协委员、武汉理工大学教授胡曙光指出,水泥工业碳减排的作为和成效,直接关乎国家 “双碳” 战略的成败,因此,国家必然制定和出台针对水泥生产的高标准碳减排技术要求,建材行业要积极应对 [1]。


事实上,对于水泥行业的减碳,政策层面一直非常重视。2021年12月21日,工业和信息化部、科技部和自然资源部联合发布《“十四五” 原材料工业发展规划》[2]。


根据该规划,原材料工业是典型的 “高能耗、高物耗、高污染” 行业,是国家节能减排重点控制对象。因此,原材料行业绿色发展是规划中的重要内容。规划强调,围绕碳达峰、碳中和目标节点,全面实施节能低碳行动。


规划给出了三个数字指标:“十四五” 期间,“钢铁行业吨钢综合能耗降低2%,水泥产品单位熟料能耗降低3.7%,电解铝碳排放下降5%”。


水泥何以能与钢铁和电解铝并列,成为减碳的主战场?


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。


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]

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。


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

图7 莱斯大学闪蒸加热制石墨烯

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]。


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:

● 废热回收利用,提高能效;

● 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;

● 原料替代,比如粉煤灰替代水泥,添加石墨烯;

● 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。


参考文献:[1] 两会好声音 | 胡曙光委员:水泥工业在国家“双碳”战略中大有作为,https://mp.weixin.qq.com/s/HFU7_1mgD_kldkfTi0ZGHA

[2] “十四五”原材料工业发展规划,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] 丁美荣,水泥行业碳排放现状分析与减排关键路径探讨,https://www.dcement.com/article/202106/181005.html

[6] 麦肯锡,“中国加速迈向碳中和”水泥篇:水泥行业碳减排路径

[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 Thermofluids 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] 拉法基可持续发展报告2019:https://www.lafarge.com.ng/sites/nigeria/files/atoms/files/2019_lafarge_sustainability_report_final_ed.pdf

[11] 快消巨头推行水泥窑焚烧塑料垃圾,靠谱吗?https://www.sohu.com/a/504284471_100235747

[12] https://www.cemex.co.uk/alternativefuels.aspx

[13] 华新(信阳)水泥勇担“环保先锋” 破解“垃圾围城”难题,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


本文来源:知识分子


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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