丁美榮

我國力爭2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，2060年前實現(xiàn)“碳中和”，是以習近平同志為核心的黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策。實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”，是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。水泥是國民經(jīng)濟建設(shè)重要的基礎(chǔ)原材料，在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。水泥行業(yè)作為高碳排放行業(yè)，其二氧化碳排放額度即將納入全國碳排放權(quán)交易市場進行交易，這將對我國水泥工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠的影響。

當前，水泥行業(yè)正面臨著非常嚴竣的碳減排壓力，每生產(chǎn)1t水泥的過程中，煅燒生料所需石灰石分解產(chǎn)生的CO2約376.7kg，煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2約193kg，噸水泥綜合耗電（扣除水泥窯余熱發(fā)電量）折算排放的CO2約46.9kg，熟料生產(chǎn)過程中，碳排放約占水泥碳排放的92%左右[1]。由于水泥產(chǎn)品的生產(chǎn)特點和巨大的生產(chǎn)量，水泥行業(yè)碳減排工作的難度極大。

水泥行業(yè)通過節(jié)能及替代石灰石原料技術(shù)（因消耗量巨大且替代資源很有限）降低碳排放的空間有限，大概率預(yù)計，未來五年關(guān)鍵窗口期，單位水泥碳排放平均降幅需達到5%，任務(wù)十分艱巨。2030年實現(xiàn)有關(guān)國際機構(gòu)擬定的“520～524kgCO2/t水泥”的目標有難度[2]，水泥工業(yè)如果要實現(xiàn)碳中和或“單位水泥減碳40%”的目標，需期待顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)[3]。

業(yè)內(nèi)探討通過節(jié)能技術(shù)減碳的文獻較多。本文結(jié)合水泥及混凝土工業(yè)發(fā)展方向和我國國情，探討并總結(jié)提出了以下水泥行業(yè)碳減排主要對策與措施：加強頂層設(shè)計，完善生產(chǎn)者、消費者碳排放責任核算方法和各類責任分攤法等政策，通過工程應(yīng)用促進生產(chǎn)方降碳；科學高效利用水泥，調(diào)整水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，降低水泥熟料使用量，重點推廣低熟料用量的商品混凝土專用混合水泥和“較高C2S、適中C3S、低C3A”熟料制備的通用水泥[4]。目前，降碳措施預(yù)期效果遠好于節(jié)能技術(shù)改造。

1 強化消費側(cè)責任，通過工程應(yīng)用促進水泥生產(chǎn)方降碳

1.1 盡快出臺消費側(cè)碳排放責任核算與控制方法等政策

我國房屋及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、固定資產(chǎn)投資、終端能源消費等所承擔的碳排放責任超過總量的80%。

建議加強頂層設(shè)計，盡快制訂與完善建筑工程應(yīng)用主體（消費側(cè)）碳排放責任核算與控制方法等政策，并按行業(yè)及產(chǎn)品制定實施細則，強化消費者對自己的消費行為負責，調(diào)整消費結(jié)構(gòu)，減少高碳產(chǎn)品的消費量，避免過度消費與浪費。科學合理的碳排放責任評價方法輔以針對性的減碳政策，可以建立正確的價值導向，有效促進各方采取減碳行動；同時也有利于各利益相關(guān)方接受并承擔自身相應(yīng)的減排義務(wù)。

因此，水泥的高效科學應(yīng)用與有關(guān)法規(guī)的制訂，必將大幅度減少建筑領(lǐng)域的碳排放，同時有力推進水泥等行業(yè)的碳減排。此外，還需要通過優(yōu)化、細化工程管理，強化工程控制與責任，促使水泥熟料用量下降。

1.2 建筑領(lǐng)域大幅減少碳排放的潛力很大

我國人口眾多，仍然是發(fā)展中國家，人均收入遠低于發(fā)達國家，但十幾年來人均水泥消費量達1.65t/年左右，遠遠超過一些發(fā)達國家高速發(fā)展時期人均消耗0.70t/年左右的水平。由此預(yù)計，未來我國人均水泥需求量應(yīng)會有很大降幅。

造成我國水泥消費量過高的主要原因包括：水泥利用率及價格低，部分地方浪費與過度消費現(xiàn)象較為嚴重；受傳統(tǒng)習慣思維影響，片面以強度高低作為評判水泥和混凝土質(zhì)量優(yōu)劣的標準，誤認為摻用摻和料的水泥質(zhì)量差；在科學選用水泥方面存在種種認識誤區(qū)；規(guī)劃及其長期性觀念淡薄；住房及公路等工程設(shè)計與實際使用壽命短（城市上世紀八十年代以前的住房基本上要拆除重建，農(nóng)村住房十幾年即拆除重建現(xiàn)象很普遍，公路等設(shè)施翻建及維修量大）；機制體制存在一定問題。

1.3 加快修訂工程設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)標準規(guī)范

現(xiàn)代混凝土已普遍使用高效外加劑及摻和料，高效外加劑和摻和料已成為配制高性能混凝土不可或缺的重要組分和功能性材料，而不僅僅是降低成本。在高性能混凝土的定義及其“高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性”要求中，并沒有包含高強度。混凝土如不使用摻和料，其耐久性的問題將難以保證。

C30及高性能混凝土中水泥熟料系數(shù)在0.5以下，推廣高性能混凝土、提高建筑物壽命與發(fā)展低碳建筑、大摻量應(yīng)用混合材技術(shù)方向一致。為提高水泥使用效率，減少單位投資（建、構(gòu)筑物面積）水泥熟料的使用量，應(yīng)加快修訂工程設(shè)計、施工、應(yīng)用技術(shù)標準規(guī)范等，提升低碳建筑標準，加大推廣應(yīng)用低熟料用量通用水泥的力度，并制訂相應(yīng)配套政策措施。

2 適應(yīng)現(xiàn)代混疑土技術(shù)與低碳要求，調(diào)整水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2.1 水泥企業(yè)應(yīng)對思路與措施

如果國家向水泥企業(yè)下達了碳排放的配額，即鎖定了水泥行業(yè)排放總量。各企業(yè)在碳排放指標的約束下，如何運作碳資產(chǎn)與用好碳配額，如何降低單位產(chǎn)品碳排放，提高企業(yè)效益，這些是水泥企業(yè)急需思考的問題。

筆者提出了以下水泥工業(yè)碳減排的實現(xiàn)途徑和通用水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的思路：開發(fā)推廣低熟料用量的預(yù)拌混凝土及砂漿、農(nóng)村建房現(xiàn)場拌制混凝土專用混合水泥，以及“較高C2S、適中C3S、低C3A礦物”熟料制備的通用水泥[4]，盡可能滿足低水膠比、長齡期、強度高和低水化熱等要求，以利于改善混凝土開裂與耐久性，提高建筑物壽命與社會經(jīng)濟效益，推進碳減排。轉(zhuǎn)變思維方式，以推行團體標準及領(lǐng)跑者企業(yè)標準作為切入口，提高產(chǎn)品適用性，擴大差異化產(chǎn)品市場。

覆膜試驗待啤酒大麥出苗后，每天觀察生長情況并記載，同時記載各物候期。成熟后，每小區(qū)隨機選取10株進行考種，測量其株高、穗長、穗粒數(shù)、分蘗數(shù)等指標。收獲時，將不同處理分開單收、單脫、單計產(chǎn)，最后折合單位面積產(chǎn)量。

2.2 歐美通用水泥標準發(fā)展趨勢及其啟示[5，6，7]

美國通用水泥標準由ASTM C 150《波特蘭水泥》、ASTM C 595《混合水泥》和ASTM C 1157《水泥標準性能規(guī)范》組成，由供需雙方選擇執(zhí)行。美國這三大水泥標準均不以強度高低作為依據(jù)來劃分水泥等級，系根據(jù)水泥某些性能的主要特征與混合材摻量、種類等劃分品種。ASTM C 150針對混合材摻量＜5%的通用硅酸鹽水泥（相當于我國標準的P·Ⅰ、P·Ⅱ硅酸鹽水泥）單列成一個標準；ASTM C 595-2018規(guī)定了摻加混合材的二元、三元組分硅酸鹽水泥的要求，其中混合材最高摻量可達95%。ASTM C 1157包含了ASTM C 150和ASTM C 595的所有水泥品種，將通用硅酸鹽水泥化分為6個品種。ASTM C 1157僅對普通型、低熱型水泥等規(guī)定了28d強度指標，對大多數(shù)通用水泥品種只規(guī)定1d或3d、7d強度，沒有規(guī)定28d強度要求，并且對水泥組分、化學指標、礦物組成和細度沒有任何要求及限制。

歐盟水泥標準EN197-1將通用水泥分為6大類，混合材摻量允許最高達80%，水泥品種包括波特蘭混合水泥（CEMⅡ）及復(fù)合水泥（CEMⅥ）。該標準于2017年1月進行了修訂，新增了低熟料用量的兩個復(fù)合水泥品種，最低熟料用量僅為35%，比我國標準32.5級水泥規(guī)定的最低熟料用量還低20%左右。

歐美通用水泥標準如此寬松的要求，為大摻量應(yīng)用混合材、改善混凝土后期性能及耐久性保留了很大的余地，為供需雙方提供了很大的自由度，有利于碳減排。ASTM C 1157直接而簡潔地體現(xiàn)了水泥標準的本質(zhì)和功能，較好地克服了標準滯后性的缺點，能夠開放性地包容材料和技術(shù)發(fā)展。

2.3 減少熟料用量與用混合材替代部分熟料是水泥混凝土工業(yè)發(fā)展趨勢

國際能源機構(gòu)（IEA）和水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展委員會（CSI）制定的《2050世界水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展技術(shù)路線圖》[8]，提出了水泥發(fā)展最重要的方向：“由生產(chǎn)普通波特蘭水泥轉(zhuǎn)向生產(chǎn)混合水泥，用混合材替代部分熟料，其重點是研究采用具有水硬性或膠凝性潛質(zhì)的各種工業(yè)廢料、生產(chǎn)混合水泥”。吳中偉院士曾提出我國水泥工業(yè)發(fā)展的目標[9]：“用50%的混合材替代熟料，既能滿足建設(shè)與改善混凝土耐久性的需要，又能降低CO2的排放。多組分與用混合材替代部分熟料、減少熟料用量是水泥混凝土工業(yè)發(fā)展趨勢，也是實現(xiàn)水泥工業(yè)低碳綠色發(fā)展和提高建筑物壽命的根本途徑”。

清華大學閻培渝教授在《對中國水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的一點看法》[10]中指出：“大多數(shù)歐洲國家預(yù)拌混凝土強度等級大多在C15～C35之間?，F(xiàn)在混凝土對工作性能要求很高，要求漿體含量高，用水量較低，目前國內(nèi)使用量最大的C30混凝土中水泥熟料用量僅為150kg/m3左右，熟料系數(shù)在0.5以下，不同強度的水泥很容易通過調(diào)整混凝土配比來制備不同標號的混凝土”。

目前國內(nèi)混凝土早期開裂、強度倒縮等導致其耐久性差的問題非常普遍，造成巨大經(jīng)濟損失的同時增加了碳排放量。造成以上問題的主要原因更多地與使用普通水泥等早強高強水泥有關(guān)，這也是導致混凝土工程質(zhì)量問題多發(fā)的主要因素。清華大學廉慧珍教授[6，11]極力主張摻合料由水泥廠摻加，有利于工程質(zhì)量，由攪拌站摻加摻和料有很多弊端。廉教授指出：“當前水泥質(zhì)量問題是多方面的，很多問題恰恰是盲目追求強度的結(jié)果”。張大康指出[12]：“熟料的C3S提高，水泥的強度特別是早期強度提高，水泥細度過細，堿含量提高，出廠水泥溫度高，過多地強調(diào)水泥熟料用量是導致混凝土開裂的重要因素”。筆者在《混凝土》[13]、《水泥》[14]、《中國水泥》[4，7]等期刊發(fā)表的多篇文章中對上述問題進行了分析探討。

我國水泥企業(yè)基本上采用了新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)，整體處于國際先進水平。水泥是由水泥熟料摻加礦渣、粉煤灰、石灰石等混合材與少量石膏混合粉磨制成。分析單位水泥碳排放強度及其構(gòu)成，水泥工業(yè)碳減排潛力及重點在于熟料的生產(chǎn)與使用，即減少熟料生產(chǎn)碳排放和水泥中熟料用量是發(fā)展低碳水泥的最關(guān)鍵技術(shù)。

3 水泥工業(yè)碳排放現(xiàn)狀、核算

3.1 噸水泥、噸水泥熟料CO2排放量的核算

有關(guān)參數(shù)與取值為[15，16]：標準煤排放因子2.66，電力消耗排放因子0.853；煅燒1t石灰石排放CO2為440kg（排放因子0.44）；生料中石灰石配比82%，生熟料折算系數(shù)1.54；國內(nèi)噸熟料耗標煤平均值取107kg，干法生產(chǎn)線配有余熱發(fā)電裝置，噸熟料綜合電耗（包括了生料電耗但扣除了余熱發(fā)電）平均值取30kW·h，噸水泥綜合電耗（扣除了余熱發(fā)電）平均值取55kW·h。

（1）我國水泥中熟料用量平均占比（2020年）

（2）生產(chǎn)1t熟料CO2排放量（2020年）

（3）生產(chǎn)1t水泥CO2排放量（2020年）

2020年，我國水泥產(chǎn)量24億噸，約占全球55%，CO2排放總量約24×0.612 6=14.7億噸，約占全國碳排放總量的14.41%。

3.2 我國水泥消費平臺期拐點

歐洲及美日韓等國家水泥消費高位平臺期有七、八年時間，規(guī)律基本相同，到了需求拐點后，總需求量大幅下降。目前發(fā)達國家水泥產(chǎn)銷量約為高峰期的一半，甚至有的國家僅略超高峰期消費量的三分之一。我國從2011年至2020年，十年來的平均年水泥消費量為23.08億噸。2020年，我國熟料產(chǎn)量15.79億噸，進口熟料3 337萬噸，熟料消費總量＞16億噸，創(chuàng)下歷史新高。

2021年，湖南省水泥市場需求明顯疲軟，加之雨天多，5月水泥企業(yè)用電量大幅下降，環(huán)比下降9.2%，同比下降5.5%，5月、6月水泥銷售量及價格雙雙大幅下滑。某大型商品混凝土企業(yè)集團反映，1～6月，月平均商品混凝土銷售量比往年同期減少20%左右；某大型水泥企業(yè)集團上半年營業(yè)收入同比下降約22.0%。10月，各地因限電而導致水泥價格大幅上漲，但普遍反映銷售量大減，部分沒有限電正常生產(chǎn)的企業(yè)水泥銷售量僅為產(chǎn)能的一半左右。11月是傳統(tǒng)的銷售旺季，但很多企業(yè)因滿庫而停窯。預(yù)計2021年湖南省水泥產(chǎn)量將減少1 000萬噸以上。

從2011年起，我國水泥消費總量處于高位平臺期已達十年，筆者認為我國水泥消費總需求即將步入平臺后期，水泥產(chǎn)銷量將步入下降通道，三年后可能會有較大幅度下降。若下降到發(fā)達國家高峰時期人均年消費700kg的水平，我國水泥產(chǎn)銷量約為10億噸。