高長明：踐行綠色零碳水泥實現(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，或許會變成減緩全球氣候變暖的好幫手”。這是英國《經(jīng)濟學(xué)人》The Economist雜志2021年11月6~12日周刊 第 67~69頁上一篇題為“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“水泥可以由“禍害”變成好幫手”的新觀點，發(fā)人深思，頗受啟迪。故此筆者特將其翻譯校核, 增補了不少重要信息，尤其是中國的最新情況，突出主題，重新撰寫成此文，供我國水泥混凝土界同好共享。

公元前125年哈德良(Hadrian)王朝的古羅馬帝國時代，先人們用當(dāng)時當(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、機場、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(筆者注:2020年實際為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年實際為7.1%)。如果水泥工業(yè)也算做一個國家的話，那么其碳排放量當(dāng)屬世界第三位，僅次于中國和美國。顯然水泥生產(chǎn)是一個巨大的二氧化碳排放源。中國生產(chǎn)消費的水泥高達(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，形勢嚴(yán)峻。

然而事物的發(fā)展和科技進步的創(chuàng)新似乎正在將水泥工業(yè)引向“否定之否定”化險為夷的方向，我們有點“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階段的新工藝新技術(shù)，給讀者做一個簡要的介紹。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.    英國倫敦皇家學(xué)院教授Paul Fennell 的團隊, 2021年初發(fā)表在《焦耳》Joule雜志上的論文證實，碳捕集CCUS的二氧化碳可以用于混凝土的養(yǎng)護，促進混凝土膠凝化進程和強度發(fā)揮。在滿足建筑工程對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，這項技術(shù)如在全球推廣采用，有可能降低水泥碳排放總量約5%，進一步改進后，有望達(dá)30%。

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

中國華新水泥集團和湖南大學(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，現(xiàn)今在歐美日中等國專營電解化學(xué)技術(shù)的隱形冠軍性質(zhì)的中小型企業(yè)約有近100家?？梢詫⑺蚝Ｋ娊猥@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教授團隊最近在《自然》Nature雜志發(fā)表的研究報告表明, 采用上述技術(shù)路線, 在模擬太陽光合作用的條件下, 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“液體陽光”, 這對今后世界航空業(yè)的減碳貢獻將是不可小覷的。

在德國科技部的引領(lǐng)下，德國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。

我國建材聯(lián)合會剛發(fā)布的首批“揭榜掛帥”項目中就有水泥廠應(yīng)用氫能鍛燒熟料的科技研發(fā)項目, 計劃完成期限為三年。2021年9月, 中國科學(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)展余地尚待進一步的挖掘。

基于我國風(fēng)電和光伏電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的實力, 水泥企業(yè)意欲開展“零電”行動的話, 應(yīng)該是不難實現(xiàn)的。海螺、中建材、華潤和紅獅等集團已經(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, 德國是72%，挪威已達(dá)90%.。英國Ribblesdale水泥廠采用由灰氫39%、動物骨肉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.    因為熟料的單位碳排放量是最高的（約935 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。

另外對傳統(tǒng)混合材(礦渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、頁巖等)進行深加工, 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。同時采用新型混凝土外加劑技術(shù), 可以用較低標(biāo)號的水泥制備出較高性能的混凝土. 這對水泥的減碳也是很有效的。國際上已有不少研究報告肯定了這個事實。

美國新澤西州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。德國和瑞士在32.5復(fù)合水泥和燒粘土水泥LC3，法國、荷蘭和巴西在低熟料含量水泥LCC，中國在硫（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，原先中國是應(yīng)用時間最長用量最大的，積累了很好的基礎(chǔ)和大量的經(jīng)驗?？上哪暌郧熬谷槐蝗∠袅?，正是自廢武功，甚至是自殘, 令人痛心！

美國密歇根大學(xué) Victor Li博士團隊和德國水泥研究院Muller與Palm博士團隊的分別研究均證實, 深加工混合材的使用可以提升混凝土的耐久性和強度, 減少全生命周期的維護工作量, 延長混凝土的使用壽命?；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。這對我國現(xiàn)今正在爭論不休的所謂混合材應(yīng)該在哪里摻加的問題, 是一個很明確的回答。這里必須吸取的教訓(xùn)也很清楚, 就是我國不應(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韌性防腐蝕防火防震防輻射的混凝土膠凝材料。英國劍橋ID TechEX 公司Peter Harrop博士團隊已發(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)進行的各種規(guī)模的中試、半工業(yè)實驗和生產(chǎn)試驗CCUS技術(shù)共約63項. 有51項逐漸轉(zhuǎn)入生產(chǎn)或半生產(chǎn)，積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗教訓(xùn)。最近10多年來，歐美國家水泥廠采用 CCUS技術(shù)正在逐漸趨向比較成熟，一些技術(shù)較先進、效率較高、成本較低的大型CCUS項目相繼投產(chǎn)或在建之中。例如德國Heidelberg水泥集團位于美國Lehigh水泥廠的年產(chǎn)25萬噸的項目和位于比利時Lixhe水泥廠的澳大利亞Calix公司研發(fā)的 LEILAC 2年產(chǎn)30萬噸的項目。以及位于德國 Hanover水泥廠, 年產(chǎn)100萬噸的在建項目和位于英國Hansen集團的年產(chǎn)80萬噸在建項目等。還有Holcim水泥集團采用德國Polysius公司的PolyActive膜技術(shù), 年產(chǎn)130萬噸的CCUS在建項目等。這些項目傳遞了一個信息, 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)運行的階段。中國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項目也于2020年成功投產(chǎn)。這是中國水泥工業(yè)的第1個CCUS項目, 為中國水泥工業(yè)碳中和的實現(xiàn)開拓了一條新途徑。 

經(jīng)歷了三四十年的努力追趕，中國中材國際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條最先進的日產(chǎn)1萬噸~1.4萬噸熟料生產(chǎn)線中國占有一半，其余在世界各國的還有八九條生產(chǎn)線也是由SINOMA的 EPC提供部分裝備建造的。

目前中國水泥工業(yè)的熟料單位熱耗和水泥綜合電耗已達(dá)到國際先進水平, 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)與中國水泥專家高長明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)”在德國和北歐諸國獲得了大量的實踐和成功發(fā)展的寶貴經(jīng)驗?，F(xiàn)今“四零一負(fù)”在歐盟的完成率為55%~60%， 德國75%~80%，日本65%~70%，美加澳50%~55%。中國為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， 就是世界水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和之日。

2020年，丹麥FLSmidth公司發(fā)布了《趨零之旅》MissionZero, 德國Polysius公司發(fā)布了《凈零行動》Net-Zero的2030年規(guī)劃。承諾屆時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%。同時都配置有效率較高的CCUS裝備。

世界著名的跨國水泥集團德國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。中國華新最近發(fā)布了這樣的承諾，海螺、中建材、華潤、紅獅等正在積極的準(zhǔn)備之中。這方面臺泥和亞東的表現(xiàn)可屬上乘。

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

現(xiàn)在國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)用上述各項新技術(shù)新工藝的同時。通過一段時間的實踐推廣和提升改進完善, 全球水泥的單位碳排放量將會削減80%以上, 即由現(xiàn)今的650左右降到120 kg CO₂/t.c.以下。因為以上的種種措施，應(yīng)該說已經(jīng)超過了”構(gòu)想和萌動"的程度。實際上已經(jīng)進入了相當(dāng)規(guī)模的全盤行動階段。所以筆者認(rèn)同這些國際專家的看法。

大家知道, 大自然對水泥混凝土構(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，借助自然界碳匯的作用，世界水泥工業(yè)的碳中和即付諸實現(xiàn)，甚至可以進入負(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)水泥是可以實現(xiàn)的。

根據(jù)目前的情況，筆者預(yù)測，世界各主要水泥生產(chǎn)國家的水泥工業(yè)達(dá)到碳中和的時間表是：德國最早，2045年底前。（2021年初，德國主動承諾，將原定的2050年全國實現(xiàn)碳中和的時限提前到2045年，成為全世界承諾時限最早的國家）；依次為歐洲各國、韓國和日本，2048~2049年；中國、美國、加拿大和澳大利亞，2050年；南美各國、士耳其、中東各國和俄羅斯等，2055年；印度、印尼、泰國、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)識到, 本文的各種探索和追求決不會像天上掉餡餅?zāi)菢拥膩淼健Ｎ覈仨氃诟鞣矫孀龊贸浞值臏?zhǔn)備，需要幾代人持續(xù)的科研創(chuàng)新，艱苦努力，砥礪奮進, 碳中和目標(biāo)才有可能圓滿實現(xiàn)。.中國建材聯(lián)合會20 21年12月24日公布的”十四五”首批”揭榜掛帥“項目名單，其中有好幾個項目與本文的探求頗有交合融會, 方向和目標(biāo)完全一致。 對此筆者感到十分振奮和欣慰。中國的綠色零碳水泥應(yīng)該而且可以為“地球村”這個人類命運共同體做出更大的貢獻。

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)對周圍生態(tài)環(huán)境實現(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)對外界電能實現(xiàn)零消耗

3、自身消納廢棄物，水泥廠的廢料廢渣廢水對外界實現(xiàn)零排放

?4、全部采用替代燃料，熟料煆燒對化石燃料實現(xiàn)零消耗

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

這是高長明1979~1996年間，對世界20多個主要水泥生產(chǎn)國家進行考察訪學(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年高長明就對世界各國“四零一負(fù)”的進展情況調(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，詳實的闡述和預(yù)測了各國水泥工業(yè)“四零一負(fù)”的推進和預(yù)測歷程。