水泥，別名“洋灰”，距今已有200余年歷史。1824年英國人約瑟夫·阿斯譜丁首次發(fā)明了硅酸鹽水泥，并取得了水泥的zhuanli權(quán)，命名為波特蘭水泥，這在水泥史上擁有劃時代意義。“千錘萬鑿出深山，烈火焚燒若等閑。粉骨碎身渾不怕，要留清白在人間?！边@是我國明代文學(xué)家于謙對石灰的稱贊，而石灰正是水泥的主要原料。

圖1水泥（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

當(dāng)水泥在西方大行其道時，我們還在使用木頭、磚坯和石頭建造建筑，雖然質(zhì)量和美觀一流，但不是造價昂貴，就是防水防火性能差。1889年，水泥傳入中國，人們驚喜地發(fā)現(xiàn)這種像面粉一樣軟綿綿的“土”真能用來蓋房子，于是給它取了一個小名—“洋灰”。洋火、洋油、洋灰、洋布、洋釘、洋堿、洋匣子…當(dāng)初這些“洋”是中國落后的見證，而如今中國已經(jīng)是世界上最大的水泥生產(chǎn)國。水泥的橫空出世，徹底改變了人類建筑歷史，水泥、砂、石子、鋼筋，哥兒四個組成硬邦邦的“鋼筋混凝土”戰(zhàn)隊，橫掃現(xiàn)代化社會，如今的大小城市已是鋼筋水泥的森林，水泥改變了人類的進(jìn)程和地球的面貌。

圖2 古代木質(zhì)建筑VS現(xiàn)代鋼筋水泥城市森林（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

然而，與“洋灰”這么洋氣的名字相比，水泥本身生產(chǎn)過程卻實在與洋氣不沾邊。水泥粗放的生產(chǎn)模式一直受到大家詬病，在全球變暖、“雙碳”新形勢下尤為突出。石灰石（CaCO₃）是生產(chǎn)波特蘭水泥的一種關(guān)鍵成分，但為此需要從地球上提取巖石，將其粉碎，然后與其他材料一起在極高的溫度下烘烤。CaCO₃變成了有用的CaO和沒用的CO₂，這個過程本身就產(chǎn)生了水泥生產(chǎn)中三分之二以上的碳排放。如果不這么做，這些二氧化碳原本會被安全地鎖住數(shù)億年，但隨著越來越多的石灰石被挖出并烘烤成水泥生產(chǎn)的原料，它們反而大量地進(jìn)入了大氣。研究表明，生產(chǎn)水泥可產(chǎn)生大量二氧化碳廢氣，多達(dá)全球二氧化碳排放總量的8%，這還是個低估數(shù)值。曾有人說，如果將水泥生產(chǎn)行業(yè)當(dāng)作一個國家，它將是繼中美之后的第三大碳排放國。那么，在新形勢下如何使水泥再度洋氣起來？秘訣就在于低碳二字。

圖3 低碳水泥概念（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

2020年，我國水泥工業(yè)碳排放達(dá)到13.79億噸，占全國碳排放總量的13.5%，是減排的重點和難點，2030年前，水泥工業(yè)必須要實現(xiàn)減碳40%。水泥工業(yè)自身要實現(xiàn)低碳、高效生產(chǎn)，目前面臨最緊迫的任務(wù)就是開發(fā)低碳、高效、潔凈的水泥生產(chǎn)工藝以及相關(guān)技術(shù)，提高能源利用效率，創(chuàng)新清潔生產(chǎn)模式。早在2020年，低碳水泥就已入選《科學(xué)美國人》評選的年度十大新興技術(shù)之一。

現(xiàn)有新型干法水泥生產(chǎn)工藝中，水泥生產(chǎn)的二氧化碳來源有兩個：一是源自煤炭等化石燃料的燃燒（排放占比32%），燃燒過程為水泥生產(chǎn)提供高溫環(huán)境；二是源自回轉(zhuǎn)窯中石灰石燒成熟料的化學(xué)過程（排放占比63%）。最終將熟料磨細(xì)后與其他材料混合即可形成水泥。

圖4 新型干法水泥窯生產(chǎn)工藝流程（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

圖5 單位水泥熟料CO₂排放占比

目前新型干法水泥生產(chǎn)工藝中水泥熟料主要燒自于不停轉(zhuǎn)動的龐然大物回轉(zhuǎn)窯中（圖6所示），其直徑約5米，長度更是達(dá)到70余米。如此的龐然大物不僅外部壯觀，內(nèi)部也異常暴躁，在煤粉燃燒的加持下，窯內(nèi)部煙氣溫度高達(dá)1700~1800℃，而目的僅僅是將進(jìn)入到窯內(nèi)的物料加熱到1400℃左右，煙氣-物料間高達(dá)300℃以上的溫差是現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯低傳熱效率的表現(xiàn)。目前回轉(zhuǎn)窯致命的弱點是堆積態(tài)煅燒導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)效率低、轉(zhuǎn)動功率大、體積龐大，導(dǎo)致熱耗、成本等指標(biāo)難以顯著降低，一直是人們想要“革命”的對象。

圖6 龐大的回轉(zhuǎn)窯（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

要想實現(xiàn)低碳水泥生產(chǎn)，則需要進(jìn)行原料、燃料、工藝過程等各環(huán)節(jié)創(chuàng)新技術(shù)的突破。水泥工業(yè)碳減排路徑主要包括：

• 燃料替代。使用垃圾、生物質(zhì)等可燃廢棄物以及綠氫、光伏等新能源，減少煤炭等傳統(tǒng)化石燃料的燃燒。數(shù)據(jù)顯示，如果在水泥生產(chǎn)中使用40%的替代燃料，則每生產(chǎn)100萬噸熟料將少排放約10萬噸二氧化碳。目前，歐洲發(fā)達(dá)國家已有超過2/3的水泥廠使用替代燃料，可燃廢物在水泥工業(yè)中的替代比例平均達(dá)20%。但目前我國燃料替代仍處于研發(fā)和示范階段，整體替代率偏低，推廣應(yīng)用仍有巨大的空間。

• 原料替代。包括采用電石渣、鋼渣、礦渣等富鈣廢棄物，替代石灰石作為水泥生產(chǎn)用原料，能夠節(jié)約大量的天然礦產(chǎn)資源，因此采用工業(yè)固體廢棄物作為替代原料是水泥工業(yè)協(xié)同處置工業(yè)固廢、減少天然礦物消耗、降低二氧化碳排放的重要手段之一。我國水泥年產(chǎn)量約24億噸，每生產(chǎn)1噸水泥熟料需要消耗約1.3噸的石灰質(zhì)原料。而原料替代面臨的問題是，富鈣廢棄物的可利用量難以滿足水泥生產(chǎn)需求。

• 變革性水泥熟料生產(chǎn)工藝?；剞D(zhuǎn)窯是水泥熟料生產(chǎn)的主要設(shè)備，實現(xiàn)低碳水泥生產(chǎn)，就需要變革水泥熟料生產(chǎn)工藝。如果說未來誰最可能替代回轉(zhuǎn)窯，那自然首推流態(tài)化水泥熟料煅燒。在流態(tài)化煅燒條件下，傳熱傳質(zhì)效率高，可實現(xiàn)幾秒內(nèi)將物料快速升溫至1400℃左右，是理想的水泥熟料生產(chǎn)裝備。與回轉(zhuǎn)窯相比，流態(tài)化條件下煅燒水泥熟料可實現(xiàn)煤耗降低20%以上，二氧化碳減排25%以上（若采用生物質(zhì)等替代燃料，效果將更加明顯），氮氧化物排放降低40%以上，是下一代新型低碳水泥窯爐技術(shù)。

上世紀(jì)50年代以來，美國、日本、中國、俄羅斯、印度等國家都相繼對不帶回轉(zhuǎn)窯的沸騰燒成工藝進(jìn)行了研究。由于當(dāng)時的科技水平所限，采用沸騰爐（流化床）煅燒水泥熟料時，在高溫（1300-1400℃）有液相存在的條件下維持正常的流態(tài)化操作難度非常大，在20世紀(jì)90年代之前均未取得完全的成功，更達(dá)不到工業(yè)化的要求。

中科院工程熱物理研究所水泥窯爐研發(fā)團(tuán)隊基于流態(tài)化燒成原理，并結(jié)合實驗室在循環(huán)流化床方面40余年的研究基礎(chǔ)，在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項的支持下，在現(xiàn)有新型干法水泥生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了低碳水泥預(yù)煅燒-燒成工藝，實現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)過程中的生料分解、硅酸二鈣煅燒、硅酸三鈣燒成分區(qū)域進(jìn)行，在節(jié)能和二氧化碳減排等方面的諸多優(yōu)勢，目前已經(jīng)完成機(jī)理、小試研究，正在開展10t/d中試技術(shù)開發(fā)。

在雙碳背景下，水泥行業(yè)碳減排勢在必行、大有可為，在國家的大力支持下，大家八仙過海、各顯神通，相信在不久的將來會有一批低碳水泥、零碳水泥新技術(shù)實現(xiàn)突破性進(jìn)展，并得以推廣應(yīng)用，進(jìn)一步加快我國水泥行業(yè)碳中和進(jìn)程。

來源：中國科學(xué)院工程熱物理研究所