水泥，别名“洋灰”，距今已有200余年历史。1824年英国人约瑟夫·阿斯谱丁首次发明了硅酸盐水泥，并取得了水泥的专利权，命名为波特兰水泥，这在水泥史上拥有划时代意义。“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。粉骨碎身浑不怕，要留清白在人间。”这是我国明代文学家于谦对石灰的称赞，而石灰正是水泥的主要原料。
图1 水泥（图片来源网络）
当水泥在西方大行其道时，我们还在使用木头、砖坯和石头建造建筑，虽然质量和美观一流，但不是造价昂贵，就是防水防火性能差。1889年，水泥传入中国，人们惊喜的发现这种像面粉一样软绵绵的“土”真能用来盖房子，于是给它取了一个小名—“洋灰”。洋火、洋油、洋灰、洋布、洋钉、洋碱、洋匣子…当初这些“洋”是中国落后的见证，而如今中国已经是世界上最大的水泥生产国。水泥的横空出世，彻底改变了人类建筑历史，水泥、砂、石子、钢筋，哥儿四个组成硬邦邦的“钢筋混凝土”战队，横扫现代化社会，如今的大小城市已是钢筋水泥的森林，水泥改变了人类的进程和地球的面貌。
图2 古代木质建筑VS现代钢筋水泥城市森林（图片来源网络）
然而，与“洋灰”这么洋气的名字相比，水泥本身生产过程却实在与洋气不沾边。水泥粗放的生产模式一直受到大家诟病，在全球变暖、“双碳”新形势下尤为突出。石灰石（CaCO3）是生产波特兰水泥的一种关键成分，但为此需要从地球上提取岩石，将其粉碎，然后与其他材料一起在极高的温度下烘烤。CaCO3变成了有用的CaO和没用的CO2，这个过程本身就产生了水泥生产中三分之二以上的碳排放。如果不这么做，这些二氧化碳原本会被安全地锁住数亿年，但随着越来越多的石灰石被挖出并烘烤成水泥生产的原料，它们反而大量地进入了大气。研究表明，生产水泥可产生大量二氧化碳废气，多达全球二氧化碳排放总量的8%，这还是个低估数值。曾有人说，如果将水泥生产行业当作一个国家，它将是继中美之后的第三大碳排放国。那么，在新形势下如何使水泥再度洋气起来？秘诀就在于低碳二字。
图3 低碳水泥概念（图片来源网络）
2020年，我国水泥工业碳排放达到13.79亿吨，占全国碳排放总量的13.5%，是减排的重点和难点，2030年前，水泥工业必须要实现减碳40%。水泥工业自身要实现低碳、高效生产，目前面临最紧迫的任务就是开发低碳、高效、洁净的水泥生产工艺以及相关技术，提高能源利用效率，创新清洁生产模式。早在2020年，低碳水泥就已入选《科学美国人》评选的年度十大新兴技术之一。
现有新型干法水泥生产工艺中，水泥生产的二氧化碳来源有两个：一是源自煤炭等化石燃料的燃烧（排放占比32%），燃烧过程为水泥生产提供高温环境；二是源自回转窑中石灰石烧成熟料的化学过程（排放占比63%）。最终将熟料磨细后与其他材料混合即可形成水泥。
图4 新型干法水泥窑生产工艺流程（图片来源网络）
图5 单位水泥熟料CO2排放占比
目前新型干法水泥生产工艺中水泥熟料主要烧自于不停转动的庞然大物回转窑中（图6所示），其直径约5米，长度更是达到70余米。如此的庞然大物不仅外部壮观，内部也异常暴躁，在煤粉燃烧的加持下，窑内部烟气温度高达1700~1800℃，而目的仅仅是将进入到窑内的物料加热到1400℃左右，烟气-物料间高达300℃以上的温差是现有回转窑低传热效率的表现。目前回转窑致命的弱点是堆积态煅烧导致传热传质效率低、转动功率大、体积庞大，导致热耗、成本等指标难以显著降低，一直是人们想要“革命”的对象。
图6 庞大的回转窑（图片来源网络）
要想实现低碳水泥生产，则需要进行原料、燃料、工艺过程等各环节创新技术的突破。水泥工业碳减排路径主要包括：
1. 燃料替代。使用垃圾、生物质等可燃废弃物以及绿氢、光伏等新能源，减少煤炭等传统化石燃料的燃烧。数据显示，如果在水泥生产中使用40%的替代燃料，则每生产100万吨熟料将少排放约10万吨二氧化碳。目前，欧洲发达国家已有超过2/3的水泥厂使用替代燃料，可燃废物在水泥工业中的替代比例平均达20%。但目前我国燃料替代仍处于研发和示范阶段，整体替代率偏低，推广应用仍有巨大的空间。
2. 原料替代。包括采用电石渣、钢渣、矿渣等富钙废弃物，替代石灰石作为水泥生产用原料，能够节约大量的天然矿产资源，因此采用工业固体废弃物作为替代原料是水泥工业协同处置工业固废、减少天然矿物消耗、降低二氧化碳排放的重要手段之一。我国水泥年产量约24亿吨，每生产1吨水泥熟料需要消耗约1.3吨的石灰质原料。而原料替代面临的问题是，富钙废弃物的可利用量难以满足水泥生产需求。
3. 变革性水泥熟料生产工艺。回转窑是水泥熟料生产的主要设备，实现低碳水泥生产，就需要变革水泥熟料生产工艺。如果说未来谁最可能替代回转窑，那自然首推流态化水泥熟料煅烧。在流态化煅烧条件下，传热传质效率高，可实现几秒内将物料快速升温至1400℃左右，是理想的水泥熟料生产装备。与回转窑相比，流态化条件下煅烧水泥熟料可实现煤耗降低20%以上，二氧化碳减排25%以上（若采用生物质等替代燃料，效果将更加明显），氮氧化物排放降低40%以上，是下一代新型低碳水泥窑炉技术。
上世纪50年代以来，美国、日本、中国、俄罗斯、印度等国家都相继对不带回转窑的沸腾烧成工艺进行了研究。由于当时的科技水平所限，采用沸腾炉（流化床）煅烧水泥熟料时，在高温（1300-1400℃）有液相存在的条件下维持正常的流态化操作难度非常大，在20世纪90年代之前均未取得完全的成功，更达不到工业化的要求。
中科院工程热物理研究所水泥窑炉研发团队基于流态化烧成原理，并结合实验室在循环流化床方面40余年的研究基础，在中国科学院战略性先导专项的支持下，在现有新型干法水泥生产工艺基础上，创新性地提出了低碳水泥预煅烧-烧成工艺，实现水泥熟料生产过程中的生料分解、硅酸二钙煅烧、硅酸三钙烧成分区域进行，在节能和二氧化碳减排等方面的诸多优势，目前已经完成机理、小试研究，正在开展10t/d中试技术开发。
在双碳背景下，水泥行业碳减排势在必行、大有可为，在国家的大力支持下，大家八仙过海、各显神通，相信在不久的将来会有一批低碳水泥、零碳水泥新技术实现突破性进展，并得以推广应用，进一步加快我国水泥行业碳中和进程。