建筑业如何面临加快水泥脱碳的压力

这是英国泰晤士河下游通道的数字效果图。新建道路和一条横跨泰晤士河的双孔隧道将连接布伦特伍德附近的M25高速公路和格雷夫森德以东的A2公路。（图片：英国国家公路局）

这是英国国家公路局耗资 90 亿英镑（106 亿欧元）的泰晤士河下游通道项目环境可持续发展主管 Andrew Kidd 传达的信息。

水泥的生产依赖于熟料，熟料是水泥窑的产物，由混合原材料（包括石灰石和粘土）在1450°C（2650°F）的高温下加热而成。加上相关的化学反应，该过程产生的碳排放占水泥总碳足迹的90%。

钢铁生产中使用的高炉炉渣长期以来一直被用作混凝土混合物中水泥的低碳添加剂。但随着钢铁行业也转向脱碳，一个问题出现了。

虽然目前钢铁生产70%依赖高炉炼钢，30%依赖电弧炉炼钢，但由于电弧炉炼钢是一种更环保的炼钢方法，钢铁生产正日益依赖后者。这意味着可以减少炉渣，从而生产低碳水泥。

未来钢铁生产将越来越依赖电弧炉，甚至可能完全依赖电弧炉。

因此，水泥行业被迫彻底重新思考其工艺、方法和系统，并寻找更环保的替代“成分”，以推动低碳未来。

建筑业必须加快创新步伐

安德鲁·基德，国家公路局下泰晤士河通道项目环境可持续发展总监（图片由本人提供）

基德负责下泰晤士河大桥的脱碳工作，该大桥旨在缓解伦敦附近泰晤士河上达特福德大桥的压力。他正在寻找新的方法来为该项目建设中使用的水泥脱碳。

“我们把下泰晤士河大桥项目定位为低碳建筑行业的先行者。我们的目标是尽可能以最低的碳排放量建造该项目——但是，与现在所有项目一样，你必须证明基础设施的碳排放强度符合碳预算，”他说道。

“我们面临的最大挑战是，建筑业目前的碳排放量比1990年还要高，而我们却有全国性的承诺，要在2030年前减排68%。到2030年，我们将完成该项目建设的中期阶段，并希望为履行国家减排承诺贡献一份力量。挑战只会越来越大。政府最近宣布了到2035年减排81%的新目标——因此，我们有机会通过泰晤士河下游通道项目做出一些彻底改变。”

基德指出，建筑行业通常比较保守，习惯于缓慢发展，现在不得不改变其发展方式。

“如今，该行业必须以比过去两个世纪快得多的速度进行创新。大型企业的策略以及他们创新和将新产品推向市场的意愿都发生了真正的转变。”

低碳初创企业提供新的解决方案

Reclinker（前身为 Cambridge Electric Cement）是一家从剑桥大学衍生出来的初创公司，该公司设计了一种新的低碳水泥生产方法。

近距离拍摄的混凝土熟料碎片和颗粒在被研磨成细粉之前的照片，这些细粉将用于混凝土和建筑材料中。（图片：AdobeStock - stock.adobe.com）

Reclinker公司最近入选了今年的Cleantech Group 50toWatch名单，该公司成功地制造出了普通波特兰水泥的活性成分，同时避免了主要的排放源。

该方法包括从已拆除的建筑物和构筑物中取出旧混凝土，将其破碎，以分离出旧的（此时已不再反应的）水泥浆和干净的骨料。

虽然骨料可以继续用于其他地方，但旧的水泥浆会与常规炼钢过程一起通过电弧炉，并且由于 Reclinker 的专有工艺，就会产生新的水泥，该公司称之为剑桥电弧水泥 (CEC)。

科学期刊《自然》最近对 Reclinker 进行了审查并发表了完整的光谱和材料分析，并确认其符合普通波特兰水泥的规格——即，以最佳比例混合的硅酸三钙和硅酸二钙化合物超过 67%，能够提供“第一天”和“最终”强度。

基德表示：“Reclinker公司生产的产品并非像高炉矿渣那样的辅助材料，而是水泥本身的直接替代品。虽然这种创新必然会带来一定的环保溢价，但这并不要求建筑行业改变其惯常的工作方式。”

新型辅助胶凝材料（SCMs）

皮特·温斯洛是实用简易信托基金（The Useful Simple Trust）旗下远征工程部门的总监，该信托基金是一个由多家专业设计公司组成的集团，致力于推动变革。他专注于推广混凝土和钢材脱碳领域的最佳实践和创新，以创造更美好的建筑环境。

Pete Winslow，实用简易信托基金会探险工程总监（图片：Andrew Mason）

温斯洛同时也是结构工程师学会研究小组和基础设施客户集团混凝土脱碳小组的主席，他表示：“总体而言，水泥行业的脱碳速度不够快。这很困难，因为水泥是一种难以处理的材料，而且世界各地有很多现有的资产，拥有生产水泥和混凝土的许可证、规划许可和流程。我们每天都需要混凝土和水泥，否则我们就无法建造核电站、风力涡轮机的地基、保障水安全的蓄水池、防洪设施，甚至连低碳公共交通都无法建设。”

“水泥和混凝土行业终将转型——但我们需要所有全球大型水泥和混凝土企业都参与进来。许多企业现在已经开始行动，但速度还不够快。正因如此，那些能够创新并尝试不同方法的初创企业和颠覆者才至关重要。”

除了Reclinker之外，他还看好Seratech和NeoCem等初创公司，这些公司正在填补高炉矿渣供应日益减少造成的空白，提供一种折衷的替代方案。这些公司专注于生产辅助胶凝材料（SCMs），通过替代混凝土混合料中的一部分水泥来降低混凝土的碳足迹。除了高炉矿渣之外，传统的辅助胶凝材料还包括煅烧粘土、细磨石灰石和粉煤灰（煤炭燃烧后的残渣）。只要只替代一部分水泥，就可以在不显著影响混凝土性能的情况下降低整体混合料的碳足迹。

温斯洛补充道：“能够完全消除碳排放的技术寥寥无几，因此，扩大像Reclinker这样的公司以及其他替代性辅助胶凝材料（例如煅烧粘土）的规模至关重要。这些材料储量丰富且价格相对低廉。许多高炉的使用寿命不会那么长，这意味着我们需要使用高炉矿渣的替代品。一些经过热处理的煅烧粘土可以替代50%的水泥，从而生产出优质混凝土。”

“虽然电弧炉中回收利用的钢铁量巨大，但水泥生产能力远不能满足世界水泥总需求。如果将再生水泥与煅烧粘土按50:50的比例混合，而不是直接将其作为‘等价物’使用，那么再生水泥的利用率将会提高一倍。”

全新的水泥

与此同时，总部位于美国的 Sublime Systems（麻省理工学院 (MIT) 的衍生公司）和总部位于加利福尼亚州的 Brimstone 等公司正致力于提供更环保、全新的水泥。

Brimstone 的独特工艺始于一种“新”岩石——即不含碳的硅酸钙岩石，而不是传统的含碳量高的石灰石，后者在加工过程中会释放二氧化碳。

Sublime公司采用电化学方法而非加热和燃烧来生产低碳水泥。目前该方法仍处于试验阶段，但他们已成功生产出氢氧化钙，氢氧化钙与二氧化硅结合后可替代水泥使用。虽然此类材料的最终强度可能与波特兰水泥相近，但其养护时间和早期强度可能与建筑行业常用的材料有所不同。

一辆水泥搅拌车停在美国加利福尼亚州洛杉矶的 CEMEX 好莱坞混凝土厂（图片：GDMatthews via AdobeStock - stock.adobe.com）

尽管如此，Sublime 迄今为止已从领先的气候技术投资者、领先的水泥生产商和美国能源部合作协议中筹集了超过 2 亿美元的资金，并计划在今年建造一座史无前例的工厂。

基德表示：“Brimstone 和 Sublime 两家公司总部位于美国，其优势之一在于能够获得更大规模、更具魄力的政府投资。我希望看到更多公共和私营部门投资，支持英国建筑行业的企业发展。建筑行业的自我投资远远不够。我们的大型建筑公司通常利润微薄，难以进行再投资。而且，从建筑行业的长期统计数据来看，与其他行业相比，研发投入相当低。现在最大的机遇在于彻底改变这种现状，投资未来，打造一个在净零排放世界中具有全球竞争力的行业。”

与此同时，碳捕获与封存（CCS）仍然是英国政府关注的热点话题。该技术旨在捕获水泥生产过程中排放的二氧化碳并立即将其封存。

基德表示：“那种认为只要在现有水泥生产线上加装碳捕集装置，就能成为我们实现零碳排放的重要组成部分的想法，并不适用于所有人或所有地方。英国很幸运，拥有现成的天然气田可以用来储存/利用碳，但并非所有水泥厂都具备这样的条件。而全球范围内已经有很多电弧炉，这使得电弧水泥方案本身就具有极强的可扩展性——而且建筑行业无需改变现有工艺流程，这也是一大优势。”