工业创新

什么是混凝土，以及我们为什么需要它？

混凝土是一种坚固、持久、多功能的建筑材料，在全球城市的创建和扩张中发挥了极其重要的作用<a href='https://academic.oup.com/ijlct/article/12/3/289/2336110' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://www3.weforum.org/docs/WEF_The_Net_Zero_Challenge.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。全世界对这种材料的需求是巨大的:

混凝土是地球上消耗最多的材料

混凝土是地球上第二大消耗材料

混凝土是地球上第三大消耗材料

混凝土是地球上第六大消耗材料

混凝土是仅次于水的地球上使用最多的材料<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630714000387' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>！不幸的是，由于其制造过程，混凝土生产产生了全球二氧化碳排放量的5-8%<a href='https://www.researchgate.net/publication/338553982_Combined_calcination_and_CO2_capture_in_cement_clinker_production_by_use_of_electrical_energy' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.researchgate.net/publication/324443688_Use_of_Recycled_Aggregates_for_Low_Carbon_and_Cost_Effective_Concrete_Construction' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.07.019' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

混凝土包含三个主要成分：骨料(砂、碎石和砂砾的混合物)、水和水泥制成的糊状物（起胶水的作用）以及空气[PCAcompos，ahem]！

水泥是混凝土的关键元素<a href='https://www.iea.org/news/cement-technology-roadmap-plots-path-to-cutting-co2-emissions-24-by-2050' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.cement.org/cement-concrete-applications/how-concrete-is-made' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>，由石膏（一种软矿物）和熟料（一种由石灰石和其他氧化物在窑中燃烧而成的块状固体）制作而成<a href='https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2013.05.001' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

熟料的制造是基于一种叫做石灰石煅烧的化学反应<a href='https://www.researchgate.net/publication/338553982_Combined_calcination_and_CO2_capture_in_cement_clinker_production_by_use_of_electrical_energy' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.07.019' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。在这个过程中，碳酸钙（CaCO₃）——通常被称为石灰石——被分解成氧化钙（CaO）和二氧化碳<a href='https://www.researchgate.net/publication/242320457_Emission_Reduction_of_Greenhouse_Gases_from_the_Cement_Industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://link.springer.com/article/10.1007/BF02667752' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

混凝土和水泥对环境有什么影响?

混凝土工业是一个巨大的二氧化碳排放源

水泥制造会导致人类的健康问题

所有这些都是混凝土和水泥行业的影响，这些影响存在于局部、区域甚至全球范围。<a href='https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.07.019' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.nature.com/articles/s41558-020-0733-0' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://ecosmartconcrete.com/docs/trmehta01.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

令人惊讶的是，其大部分影响来源于水泥制造业，水泥制造占混凝土排放的85%-90%<a href='https://www.researchgate.net/publication/324443688_Use_of_Recycled_Aggregates_for_Low_Carbon_and_Cost_Effective_Concrete_Construction' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://gccassociation.org/wp-content/uploads/2019/10/GCCA_Guidelines_CO2Emissions_v04_AMEND.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

约有30%-40%的直接CO₂排放来源于供热和发电的燃料燃烧，50%-70%来源于上文中提到的石灰石锻造过程（水泥制造）<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://gccassociation.org/wp-content/uploads/2019/10/GCCA_Guidelines_CO2Emissions_v04_AMEND.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。其余排放（最多10%）被认为是间接排放，通常是由运输和用于驱动制造公司的电力导致的<a href='https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2012.01.004' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212609013000071?via%3Dihub' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

鉴于水泥的有用性，预计全世界对水泥的需求将在可预见的将来继续增长，特别是在中低收入国家<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212609013000071?via%3Dihub' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。如果我们不对目前混凝土生产产生的二氧化碳排放量采取行动，这一行业的增长将是气候变化的一个主要因素<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212609013000071?via%3Dihub' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

我们能在制造混凝土过程中不排放二氧化碳吗?

根据巴黎协定，为了将全球变暖成都限制在2℃以内，截至2050年，水泥和混凝土生产带来的直接二氧化碳排放需要减少24%<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

最有希望的解决方案包括<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212609013000071?via%3Dihub' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://academic.oup.com/ijlct/article/12/3/289/2336110' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://www3.weforum.org/docs/WEF_The_Net_Zero_Challenge.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>：

1. 提高能源效率：提高水泥生产过程中的能源效率最多可以减少12%的直接CO₂排放<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。很大的热能需求来源窑炉，在窑炉中石灰石转化为熟料，热能被这一过程所吸收，其余的能量用于干燥石灰石<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

我们怎样能够减少能源需求？有以下几类选择：

干法窑：石灰石被暴露在长期干燥的预热器中，以降低其水分含量，因此需要较少的热量来蒸发水分，石灰石可以更快地进行煅烧<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

余热回收（EHR）：在整个水泥生产过程中，有大量的余热，可以很容易地收集和再利用<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

减少水泥粉磨中的电力需求：在整个水泥生产过程中，最大的电力需求来自于水泥研磨（31%到44%）<a href='https://pdf.zlibcdn.com/dtoken/616544a3c324083a81850f1905a00879/j.rser.2011.01.005.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。这是由于使用了低效的球磨机，消耗了大量的能源<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://pdf.zlibcdn.com/dtoken/616544a3c324083a81850f1905a00879/j.rser.2011.01.005.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.researchgate.net/publication/297605641_Effect_of_High_Pressure_Grinding_Rolls_HPGR_pre-grinding_and_ball_mill_intermediate_diaphragm_grate_design_on_grinding_capacity_of_an_industrial_scale_two-compartment_cement_ball_mill_classification_c' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

幸运的是，有耗能较少的替代方法。例如，高压磨辊（HPGR）在两辊间施加高压从而将水泥磨碎成更小的颗粒<a href='https://www.researchgate.net/publication/297605641_Effect_of_High_Pressure_Grinding_Rolls_HPGR_pre-grinding_and_ball_mill_intermediate_diaphragm_grate_design_on_grinding_capacity_of_an_industrial_scale_two-compartment_cement_ball_mill_classification_c' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。与球磨机相比，高压磨辊能够节省30%-50%能源<a href='https://www.researchgate.net/publication/297605641_Effect_of_High_Pressure_Grinding_Rolls_HPGR_pre-grinding_and_ball_mill_intermediate_diaphragm_grate_design_on_grinding_capacity_of_an_industrial_scale_two-compartment_cement_ball_mill_classification_c' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。或者，立式辊磨机（VRM）使用气流迫使小颗粒离开磨机，同时其他颗粒继续进行研磨<a href='https://www.jcassoc.or.jp/cement/4pdf/e_01b_08.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。立式辊磨机能够生产出比球磨机更细的颗粒，同时节省70%的能源<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

然而，这些技术在实施时面临一些挑战，如高投资和维护成本<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

2. 改用替代燃料：在水泥生产中，燃料被用来为水泥窑和煅烧炉产生热量。全球平均而言，70%的燃料来自煤炭，其次是24%的石油和天然气，不到6%来自替代燃料（生物质和废物）<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

我们需要能够放进并且在窑炉和煅烧炉内燃烧的固体燃料，所以核能和风能不符合要求，但是生物能和废弃产品可以！<a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>原则上来说，这两者可以百分百代替窑炉中使用的燃料<a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。到2050年，使用这些代替化石燃料可以避免目前水泥行业产生9亿吨二氧化碳进入大气层<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>！

3. 降低熟料与水泥的比率：生产1吨熟料会释放大约0.706吨二氧化碳<a href='https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2009.04.001' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。然而，熟料可以用低碳足迹甚至零净排放的替代材料来代替<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>，如粒化高炉渣（GBFS）、粉煤灰（FA）、火山灰和石灰岩<a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

这些替代材料的使用取决于许多因素，主要为供应量和价格。此外，考虑使用这些替代品后，水泥的性质将发生怎样的改变也十分重要<a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

4. 碳捕获利用和储存（CCUS）：CCUS包括捕获排放的二氧化碳，然后将其压缩成液体，以便将其储存在地下深处（CCS）或用于制造新产品（CCU）<a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。尽管CCUS技术仍处于工业试验阶段，但它在水泥供应链中的应用显示出良好的效果<a href='http://docs.wbcsd.org/2017/06/CSI_ECRA_Technology_Papers_2017.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。不同类型的CCUS技术将在本课程的后面详细介绍！

它们储存的二氧化碳比生产时排放的还要多

负碳水泥能够储存的二氧化碳量高于生产过程中的实际排放量<a href='https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2013.05.001' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>！一种方法是使用氧化镁基水泥，这种水泥可以吸收和储存环境中的二氧化碳<a href='https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2013.05.001' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。这一点是怎么做到的？

顾名思义，这些水泥的原材料主要是氧化镁（MgO），燃烧氧化镁可以得到一种叫做清烧镁（CCM）的煤渣<a href='https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2013.05.001' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://link.springer.com/article/10.1007/s00501-019-0875-4' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。当CCM被水合时，会转换为水镁石（Mg(OH)₂），这种物质暴露在大气中则会转换成碳酸镁（MgCO₃）；这就意味着它能够吸收空气中的二氧化碳<a href='https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2013.05.001' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>。

虽然这项技术仍在开发中，但它前景可期，因为它可能吸收的二氧化碳比在生产环节中释放的更多[[ImbadiMohammed]！目前，许多公司在生产有趣的吸收二氧化碳的水泥，如CarbonCure<a href='https://www.carboncure.com/technology/' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a> 和Novacem<a href='https://ceramics.org/ceramic-tech-today/novacems-carbon-negative-cement' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a> 。

混凝土是一种广泛使用的重要材料，其生产是全球CO₂排放的重要来源。幸运的是，我们也看到了许多有前景的脱碳途径和激动人心的发展（通过修改制造过程、使用替代能源和主要材料，或通过改变混凝土本身的组成来实现），而且更多的发展将在未来不断出现！有了这样的见解，未来是清晰的: 混凝土和水泥行业可以并且d必须转变，以满足全球气候目标<a href='https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.。