全球綠色型水泥工業初具雛型

劉國偉

令人又愛又恨的水泥工業

2019年，英國《衛報》載文稱，水泥在地球上使用的廣泛程度僅次于水。大家可以四處觀望，會發現水泥的蹤影可謂俯仰皆是。水泥為幾十億人提供了屋頂，強化了人類防御自然災害的能力，為醫療、教育、運輸、能源和工業等領域的基礎設施提供結構支持，可以說是人類馴服自然的強力工具。與我們之前介紹過的塑料相比，水泥并非源自化石燃料，在海鳥的胃里也找不到它，它的堅固似乎足以讓人類長久依賴。

但是，為了生產這種現代生活的基礎產品，地球上的水泥產業已經大到超乎多數人的想象：一天之內出廠的水泥足以壘成一座新的三峽大壩。如果把所有的水泥企業視為一國，它將是世界上第三大二氧化碳排放國（28億噸），緊隨中國和美國之后，這是因為水泥工業中的熟料生產步驟，其化學反應產生的一個副產品就是大量的二氧化碳。不過，更令人難以忍受的是傳統水泥工業的污染物：顆粒物、有害氣體和噪聲等。顆粒物主要是在水泥生產過程中原料、燃料和成品儲運等工序產生的，有害氣體主要包括二氧化硫和氮氧化物等。

根據生態環境部發布的資料，當今世界水泥工業發展的總體趨勢具有水泥生產線大型化、生產工藝節能化、操作管理自動化和環保措施生態化。所謂環保設施生態化，是指世界水泥工業的環保工作已開始從被動治理轉向主動治理。各種運行可靠、除塵效率在99.9%以上的電除塵器和袋式除塵器及其輔助設備已普遍采用，甚至利用水泥工業自身大量處理利用其他工業的廢料、廢渣的“綠色型”水泥工業也已初具雛型。接下來，本文擇要介紹其他水泥生產大國的生態環境友好舉措。

歐盟用統一的排放法令約束成員國

20世紀80年代以后，許多發達國家先后修訂了各自的環境質量標準，對污染物的排放管理更加嚴格，水泥粉塵的排放濃度也因此顯著降低。有資料顯示，原聯邦德國（西德）環保部門曾對水泥廠周圍地區的降塵量進行過幾年的連續監測，到1988年的降塵量已降到與純農業區自然降塵量相同的水平。本世紀初以來，歐盟將綜合污染預防與控制指令、大型燃燒裝置指令、廢物焚燒指令、有機溶劑使用指令、二氧化鈦指令整合后，發布了統一的工業排放指令（2010/75/EU），將水泥工業納入38個子類中加以管理監督，取得了良好成效。

為配合歐盟上述指令及許可證制度的實施，歐盟委員會出版了相關行業最佳可行技術（BAT）參考文件，要求各成員國以該參考文件的評估結論和建議的排放控制水平為依據，結合本國的法律傳統以及工業污染控制實踐，將其轉化為本國的標準。例如在水泥產業里，確定針對顆粒物的最佳可行技術包括：布袋除塵技術、靜電除塵技術、電袋復合除塵技術，針對氮氧化物的最佳可行技術包括一次措施（分解爐分級燃燒、工藝優化控制、添加礦化劑等）和二次措施（選擇性非催化還原技術，英文縮寫為SNCR、選擇性催化還原技術，英文縮寫為SCR），使用這些技術均已取得很好的污染治理效果。

仍以德國為例，為了達到歐盟指令的要求，政府部門要求企業以每一臺水泥窯或水泥廠為監管單位，以日常生產臺賬為基礎逐月統計，年終統一編制上報給德國水泥工廠聯合會。聯合會根據其平時的監管記錄對每臺窯的上報數據進行審定匯總，于每年8月在其網站上正式發布前一年的德國水泥工業環境數據報告，各級報告的企業法人對其所提供數據的真實性和完整性負有完全的道德責任和社會責任，甚至法律責任。

作為波特蘭水泥（即主流的硅酸鹽水泥）的故鄉，英國是世界上最早開征環境稅，也是最先使用稅收手段治理碳排放和氣候變化問題的國家之一，這使包括水泥產業在內的高排放企業倍感壓力。在國際市場上，英國水泥產品的競爭力也因此明顯削弱。所以，許多英國水泥企業被迫放棄在本島發展，遠赴國外，例如到土耳其等國家開發新的生產基地，以減少成本，增加競爭力。

美國持續提高行業排放標準

環境意識的覺醒推動了美國上世紀六七十年代環保運動的蓬勃發展。1970年，美國對得克薩斯州硅酸鹽水泥生產過程中的污染氣體排放狀態進行了調查。調查范圍包括該區域18個具有一定規模的水泥生產企業，調查持續到次年3月，從而為該州的水泥企業治理打下了數據基礎。此后，這一類工作在全美國開展起來。在20世紀80年代中期，美國就將世界水泥產量的頭把交椅拱手讓給了中國，但美國對包括水泥生產企業在內的數十種工業固定污染源制訂和執行排放標準的工作一直延續至今。

近10年來，美國水泥產量徘徊在8000多萬噸左右。從管控上看，美國持續收嚴有害大氣污染物排放的標準，《波特蘭水泥新源排放標準》2010年生效后，推動水泥廠采用清潔的生產工藝和技術，包括新型干法預分解窯技術、節能粉磨技術等，傳統的濕法生產和干法生產基本退出歷史舞臺，從源頭減少了污染物的產生。通過采用自動化與智能化控制手段，美國水泥企業實現了工藝控制最優，同時采用末端治理技術，如濕法脫硫、袋式除塵、靜電除塵，使用低氮燃燒器對二氧化硫、顆粒物和氮氧化物進行控制，減少了污染物的排放。

美國水泥生產環保標準則由美國環保署下面的空氣和放射司主持制定，目前關于水泥工業大氣污染物排放控制的標準有兩種，一是針對常規污染物的新源特性標準（NSPS），另一是針對189種空氣毒物的危險空氣污染物國家排放標準（NESHAP）。兩者均是基于污染控制技術而制訂的，只是對應污染物不同，選擇的控制技術也不同，例如NSPS是基于最佳示范技術（BDT），而NESHAP則是基于最大可達控制技術（MACT）；NSPS標準控制的常規污染物包括顆粒物、二氧化硫和氮氧化物，NESHAP控制的有毒污染物包括顆粒物、二噁英、汞、總碳氫等，后者比前者更嚴格，兩者均列入了美國聯邦法典。

專業領域的文獻披露，本世紀以來，美國仍然在水泥產業投入研發，不斷改善治污效果。例如，美國通用電氣公司的MAX-9新型電袋混合除塵器和戈爾公司的DOE電袋混合除塵器，在美國、意大利等多家水泥公司的生產線上投入使用后，很好地兼顧了投資、維護費用和排放濃度之間的平衡，取得了較好的治污效果。

水泥工業使用替代燃料生態效益突出

節能減排和污染治理是水泥工業發展的主題。水泥工業雖然一直離不開化石燃料（煤、重油和天然氣等）提供的熱能，但自20世紀50年代廢輪胎作為二次能源在德國水泥工業首次使用以來，越來越多的水泥企業開始效仿。到了20世紀八九十年代，越來越多的水泥企業為了降低運營成本，開始采用替代燃料，美國和歐洲的部分水泥廠甚至使用一些危險廢物作為燃料。

替代燃料比化石燃料更便宜，其顯著優點是減少不可再生能源的利用，減少溫室氣體排放以及節約安全處置廢物的場地，所以其生態效益非常突出。所以，盡管替代燃料存在多種不足，例如大部分熱值不高等，但是算過總體環境收益這筆賬后，世界領先的水泥生產企業都大量使用替代燃料，廢輪胎、廢塑料、廢油、城市固體垃圾、肉骨粉等紛紛入選替代燃料。據了解，在歐洲國家中，荷蘭水泥企業使用的替代燃料達8成以上。在使用替代燃料方面，最為領先的企業是英國西麥斯水泥廠，近些年來該企業不斷刷新使用替代燃料的占比。2011年，該企業使用了100%的替代燃料，據稱這種替代燃料是一種混合工業廢液（廢油漆和廢溶劑等）和商業垃圾（家庭和商業廢物殘渣）的混合物。

2017年的數據顯示，當時中國水泥工業的燃料仍主要為煤和天然氣。國內水泥企業采用替代燃料的時間短，燃料種類少，當時的年替代量不足5萬噸標煤。不過，2019年有消息稱，華潤水泥（CRC）在華南地區運營多個協同處理項目，中國海螺創投已與中國建材和中國山水水泥簽署了協議，以開發固體廢物（側重工業垃圾）共處理技術。由于中國城市習慣將干濕垃圾混合在一起，使得生活垃圾的燃燒潛力無法得到充分利用。我們有理由期待，在國內各城市的垃圾分類管理更完善后，中國水泥工業拓展替代燃料使用，開展廢能轉化將蓬勃發展。

零排放的水泥廠受到業界青睞

如果僅僅盯著傳統污染物排放，那么水泥工業的綠色轉型肯定是不完整的。2018年，英國智庫查塔姆研究所發布的一份報告顯示，要想完成《巴黎協定》目標，水泥工業必須在2030年前至少削減16%的年排放量，這個目標非常艱巨。

水泥工業減少碳排放的方式有很多，比如改變原料，提高水泥窯效率，或者利用生物能源（如利用廢熱發電）供電等等。盡管替換化石燃料、提高水泥窯效率等措施已經將全球每噸水泥生產的二氧化碳排放量削減了18%，但由于上世紀90年代以來，水泥的市場需求增長了兩倍，水泥工業的總體排放量仍大幅提升。有鑒于此，部分水泥企業開始把注意力集中到開發碳中性的水泥上來。

德國的海德堡水泥公司是全球第二大水泥生產商，全球第三大預拌混凝土生產商，多年來一直在研究和開發新的技術和工藝。2019年5月，海德堡公司宣布計劃，最晚在2050年生產出碳中性混凝土，這個目標已經通過了“科學碳目標”（聯合國和多家非政府組織共同推出的數據指標）標準的評估，同時也符合《巴黎協定》提經成功地用廢紙、紡織布料、塑料和有害垃圾等廢棄物替代了70%的生產燃料，使這座水泥廠的整體二氧化碳排放減少1/3左右。

另一家加拿大初創企業“碳治”（Carbon Cure）則獨辟蹊徑，研發了一種新型的水泥添加劑，可以在攪拌的同時吸收空氣中的二氧化碳氣體，并鎖在混凝土中。一旦水泥硬化，這些二氧化碳就被永久封存在混凝土塊中。即便建筑物在多年后被拆除，混凝土塊中封存的二氧化碳也不會消失，因為它們已經與混凝土產生化學反應形出的將全球升溫控制在2攝氏度以內的目標。目前，全球約有200家企業的二氧化碳減排目標得到了該機構的批準，但海德堡水泥公司是首家來自水泥工業的企業。

海德堡公司將研究重點放在二氧化碳的封存和使用上。該公司已經開發出一種“再碳酸化”的工藝，將混凝土循環再利用到能吸收二氧化碳的水泥細粉中，然后將這種原料用于新的水泥和混凝土生產。2015年以來，海德堡水泥公司就著手在挪威布雷維克建造全球第一座零排放的水泥廠，至今尚未完工。海德堡水泥公司在挪威的子公司諾西姆水泥廠，在研發替代燃料方面進展很大，已成特殊的礦物質。其妙處在于，除了減排，二氧化碳還有助于使混凝土更為堅固，所以混凝土生產商可以依據自己的需要，制造出不同硬度的產品，并在生產過程中減少原材料水泥的使用。“碳治”的產品遠非停留在概念和樣品階段，總部位于美國亞特蘭大的混凝土生產商“托馬斯混凝土”自2016年以來一直在使用“碳治”的產品。就著短短幾年，他們已經阻止了約453萬噸的二氧化碳排入大氣。今年，出于對清潔技術的看好，美國亞馬遜公司與比爾·蓋茨都對“碳治”公司進行了投資。

此外，為減少熟料生產過程中排放的二氧化碳，海德堡公司計劃啟用碳捕集和封存（CCS）技術?！董h境與生活》對該技術曾做過多次介紹，但從近年全球范圍內的情況來看，各行業的CCS罕有進展順利的。這是因為經濟成本上升和抗議示威嚴重阻礙了各行業CCS的發展，水泥工業也不例外。有消息顯示，即便是把二氧化碳深埋地下，當地居民仍會對二氧化碳泄漏可能帶來的嚴重后果深表擔憂，我們可以將這種抗議視為“鄰避”現象的一種。

通過對過往14年的4500份專利進行分析，英國智庫查塔姆研究所發現，創新的成果非?？捎^，尤其是在熟料替代和新型水泥生產方面。最令國人興奮的是，中國在水泥研發方面的資金投入遠超其他國家，專利申請量也處于領先地位，因此將成為水泥工業的創新中心。從中國在全球水泥生產的一枝獨秀地位來看，這種趨勢令人振奮，我們有理由期待和相信，在未來治理污染的道路上，國內水泥企業會誕生明星企業和明星產品。

（本文寫作中參考了美國環保署、德國之聲美國《紐約時報》、英國《衛報》等網站的信息，在此一并致謝?。?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/03/04/qkimageshjyshjys202012hjys20201208-7-l.jpg"/>

【環境百科】

波特蘭水泥

1824年，英國建筑工人約瑟夫·阿斯譜?。↗oseph Aspdin）取得了波特蘭水泥的專利權。他用石灰石和粘土為原料，按一定比例配合后，在類似于燒石灰的立窯內煅燒成熟料，再經磨細制成水泥。因這種水泥硬化后的顏色與英格蘭島上波特蘭地區用于建筑的石頭相似，故名為波特蘭水泥。它具有優良的建筑性能，在水泥史上具有劃時代意義。