全球绿色型水泥工业初具雏型

刘国伟

令人又爱又恨的水泥工业

2019年，英国《卫报》载文称，水泥在地球上使用的广泛程度仅次于水。大家可以四处观望，会发现水泥的踪影可谓俯仰皆是。水泥为几十亿人提供了屋顶，强化了人类防御自然灾害的能力，为医疗、教育、运输、能源和工业等领域的基础设施提供结构支持，可以說是人类驯服自然的强力工具。与我们之前介绍过的塑料相比，水泥并非源自化石燃料，在海鸟的胃里也找不到它，它的坚固似乎足以让人类长久依赖。

但是，为了生产这种现代生活的基础产品，地球上的水泥产业已经大到超乎多数人的想象：一天之内出厂的水泥足以垒成一座新的三峡大坝。如果把所有的水泥企业视为一国，它将是世界上第三大二氧化碳排放国（28亿吨），紧随中国和美国之后，这是因为水泥工业中的熟料生产步骤，其化学反应产生的一个副产品就是大量的二氧化碳。不过，更令人难以忍受的是传统水泥工业的污染物：颗粒物、有害气体和噪声等。颗粒物主要是在水泥生产过程中原料、燃料和成品储运等工序产生的，有害气体主要包括二氧化硫和氮氧化物等。

根据生态环境部发布的资料，当今世界水泥工业发展的总体趋势具有水泥生产线大型化、生产工艺节能化、操作管理自动化和环保措施生态化。所谓环保设施生态化，是指世界水泥工业的环保工作已开始从被动治理转向主动治理。各种运行可靠、除尘效率在99.9%以上的电除尘器和袋式除尘器及其辅助设备已普遍采用，甚至利用水泥工业自身大量处理利用其他工业的废料、废渣的“绿色型”水泥工业也已初具雏型。接下来，本文择要介绍其他水泥生产大国的生态环境友好举措。

欧盟用统一的排放法令约束成员国

20世纪80年代以后，许多发达国家先后修订了各自的环境质量标准，对污染物的排放管理更加严格，水泥粉尘的排放浓度也因此显著降低。有资料显示，原联邦德国（西德）环保部门曾对水泥厂周围地区的降尘量进行过几年的连续监测，到1988年的降尘量已降到与纯农业区自然降尘量相同的水平。本世纪初以来，欧盟将综合污染预防与控制指令、大型燃烧装置指令、废物焚烧指令、有机溶剂使用指令、二氧化钛指令整合后，发布了统一的工业排放指令（2010/75/EU），将水泥工业纳入38个子类中加以管理监督，取得了良好成效。

为配合欧盟上述指令及许可证制度的实施，欧盟委员会出版了相关行业最佳可行技术（BAT）参考文件，要求各成员国以该参考文件的评估结论和建议的排放控制水平为依据，结合本国的法律传统以及工业污染控制实践，将其转化为本国的标准。例如在水泥产业里，确定针对颗粒物的最佳可行技术包括：布袋除尘技术、静电除尘技术、电袋复合除尘技术，针对氮氧化物的最佳可行技术包括一次措施（分解炉分级燃烧、工艺优化控制、添加矿化剂等）和二次措施（选择性非催化还原技术，英文缩写为SNCR、选择性催化还原技术，英文缩写为SCR），使用这些技术均已取得很好的污染治理效果。

仍以德国为例，为了达到欧盟指令的要求，政府部门要求企业以每一台水泥窑或水泥厂为监管单位，以日常生产台账为基础逐月统计，年终统一编制上报给德国水泥工厂联合会。联合会根据其平时的监管记录对每台窑的上报数据进行审定汇总，于每年8月在其网站上正式发布前一年的德国水泥工业环境数据报告，各级报告的企业法人对其所提供数据的真实性和完整性负有完全的道德责任和社会责任，甚至法律责任。

作为波特兰水泥（即主流的硅酸盐水泥）的故乡，英国是世界上最早开征环境税，也是最先使用税收手段治理碳排放和气候变化问题的国家之一，这使包括水泥产业在内的高排放企业倍感压力。在国际市场上，英国水泥产品的竞争力也因此明显削弱。所以，许多英国水泥企业被迫放弃在本岛发展，远赴国外，例如到土耳其等国家开发新的生产基地，以减少成本，增加竞争力。

美国持续提高行业排放标准

环境意识的觉醒推动了美国上世纪六七十年代环保运动的蓬勃发展。1970年，美国对得克萨斯州硅酸盐水泥生产过程中的污染气体排放状态进行了调查。调查范围包括该区域18个具有一定规模的水泥生产企业，调查持续到次年3月，从而为该州的水泥企业治理打下了数据基础。此后，这一类工作在全美国开展起来。在20世纪80年代中期，美国就将世界水泥产量的头把交椅拱手让给了中国，但美国对包括水泥生产企业在内的数十种工业固定污染源制订和执行排放标准的工作一直延续至今。

近10年来，美国水泥产量徘徊在8000多万吨左右。从管控上看，美国持续收严有害大气污染物排放的标准，《波特兰水泥新源排放标准》2010年生效后，推动水泥厂采用清洁的生产工艺和技术，包括新型干法预分解窑技术、节能粉磨技术等，传统的湿法生产和干法生产基本退出历史舞台，从源头减少了污染物的产生。通过采用自动化与智能化控制手段，美国水泥企业实现了工艺控制最优，同时采用末端治理技术，如湿法脱硫、袋式除尘、静电除尘，使用低氮燃烧器对二氧化硫、颗粒物和氮氧化物进行控制，减少了污染物的排放。

美国水泥生产环保标准则由美国环保署下面的空气和放射司主持制定，目前关于水泥工业大气污染物排放控制的标准有两种，一是针对常规污染物的新源特性标准（NSPS），另一是针对189种空气毒物的危险空气污染物国家排放标准（NESHAP）。两者均是基于污染控制技术而制订的，只是对应污染物不同，选择的控制技术也不同，例如NSPS是基于最佳示范技术（BDT），而NESHAP则是基于最大可达控制技术（MACT）；NSPS标准控制的常规污染物包括颗粒物、二氧化硫和氮氧化物，NESHAP控制的有毒污染物包括颗粒物、二噁英、汞、总碳氢等，后者比前者更严格，两者均列入了美国联邦法典。

专业领域的文献披露，本世纪以来，美国仍然在水泥产业投入研发，不断改善治污效果。例如，美国通用电气公司的MAX-9新型电袋混合除尘器和戈尔公司的DOE电袋混合除尘器，在美国、意大利等多家水泥公司的生产线上投入使用后，很好地兼顾了投资、维护费用和排放浓度之间的平衡，取得了较好的治污效果。

水泥工业使用替代燃料生态效益突出

节能减排和污染治理是水泥工业发展的主题。水泥工业虽然一直离不开化石燃料（煤、重油和天然气等）提供的热能，但自20世纪50年代废轮胎作为二次能源在德国水泥工业首次使用以来，越来越多的水泥企业开始效仿。到了20世纪八九十年代，越来越多的水泥企业为了降低运营成本，开始采用替代燃料，美国和欧洲的部分水泥厂甚至使用一些危险废物作为燃料。

替代燃料比化石燃料更便宜，其显著优点是减少不可再生能源的利用，减少温室气体排放以及节约安全处置废物的场地，所以其生态效益非常突出。所以，尽管替代燃料存在多种不足，例如大部分热值不高等，但是算过总体环境收益这笔账后，世界领先的水泥生产企业都大量使用替代燃料，废轮胎、废塑料、废油、城市固体垃圾、肉骨粉等纷纷入选替代燃料。据了解，在欧洲国家中，荷兰水泥企业使用的替代燃料达8成以上。在使用替代燃料方面，最为领先的企业是英国西麦斯水泥厂，近些年来该企业不断刷新使用替代燃料的占比。2011年，该企业使用了100%的替代燃料，据称这种替代燃料是一种混合工业废液（废油漆和废溶剂等）和商业垃圾（家庭和商业废物残渣）的混合物。

2017年的数据显示，当时中国水泥工业的燃料仍主要为煤和天然气。国内水泥企业采用替代燃料的时间短，燃料种类少，当时的年替代量不足5万吨标煤。不过，2019年有消息称，华润水泥（CRC）在华南地区运营多个协同处理项目，中国海螺创投已与中国建材和中国山水水泥签署了协议，以开发固体废物（侧重工业垃圾）共处理技术。由于中国城市习惯将干湿垃圾混合在一起，使得生活垃圾的燃烧潜力无法得到充分利用。我们有理由期待，在国内各城市的垃圾分类管理更完善后，中国水泥工业拓展替代燃料使用，开展废能转化将蓬勃发展。

零排放的水泥厂受到业界青睐

如果仅仅盯着传统污染物排放，那么水泥工业的绿色转型肯定是不完整的。2018年，英国智库查塔姆研究所发布的一份报告显示，要想完成《巴黎协定》目标，水泥工业必须在2030年前至少削减16%的年排放量，这个目标非常艰巨。

水泥工业减少碳排放的方式有很多，比如改变原料，提高水泥窑效率，或者利用生物能源（如利用废热发电）供电等等。尽管替换化石燃料、提高水泥窑效率等措施已经将全球每吨水泥生产的二氧化碳排放量削减了18%，但由于上世纪90年代以来，水泥的市场需求增长了两倍，水泥工业的总体排放量仍大幅提升。有鉴于此，部分水泥企业开始把注意力集中到开发碳中性的水泥上来。

德国的海德堡水泥公司是全球第二大水泥生产商，全球第三大预拌混凝土生产商，多年来一直在研究和开发新的技术和工艺。2019年5月，海德堡公司宣布计划，最晚在2050年生产出碳中性混凝土，这个目标已经通过了“科学碳目标”（联合国和多家非政府组织共同推出的数据指标）标准的评估，同时也符合《巴黎协定》提经成功地用废纸、纺织布料、塑料和有害垃圾等废弃物替代了70%的生产燃料，使这座水泥厂的整体二氧化碳排放减少1/3左右。

另一家加拿大初创企业“碳治”（Carbon Cure）则独辟蹊径，研发了一种新型的水泥添加剂，可以在搅拌的同时吸收空气中的二氧化碳气体，并锁在混凝土中。一旦水泥硬化，这些二氧化碳就被永久封存在混凝土块中。即便建筑物在多年后被拆除，混凝土块中封存的二氧化碳也不会消失，因为它们已经与混凝土产生化学反应形出的将全球升温控制在2摄氏度以内的目标。目前，全球约有200家企业的二氧化碳减排目标得到了该机构的批准，但海德堡水泥公司是首家来自水泥工业的企业。

海德堡公司将研究重点放在二氧化碳的封存和使用上。该公司已经开发出一种“再碳酸化”的工艺，将混凝土循环再利用到能吸收二氧化碳的水泥细粉中，然后将这种原料用于新的水泥和混凝土生产。2015年以来，海德堡水泥公司就着手在挪威布雷维克建造全球第一座零排放的水泥厂，至今尚未完工。海德堡水泥公司在挪威的子公司诺西姆水泥厂，在研发替代燃料方面进展很大，已成特殊的矿物质。其妙处在于，除了减排，二氧化碳还有助于使混凝土更为坚固，所以混凝土生产商可以依据自己的需要，制造出不同硬度的产品，并在生产过程中减少原材料水泥的使用。“碳治”的产品远非停留在概念和样品阶段，总部位于美国亚特兰大的混凝土生产商“托马斯混凝土”自2016年以来一直在使用“碳治”的产品。就着短短几年，他们已经阻止了约453万吨的二氧化碳排入大气。今年，出于对清洁技术的看好，美国亚马逊公司与比尔·盖茨都对“碳治”公司进行了投资。

此外，为减少熟料生产过程中排放的二氧化碳，海德堡公司计划启用碳捕集和封存（CCS）技術。《环境与生活》对该技术曾做过多次介绍，但从近年全球范围内的情况来看，各行业的CCS罕有进展顺利的。这是因为经济成本上升和抗议示威严重阻碍了各行业CCS的发展，水泥工业也不例外。有消息显示，即便是把二氧化碳深埋地下，当地居民仍会对二氧化碳泄漏可能带来的严重后果深表担忧，我们可以将这种抗议视为“邻避”现象的一种。

通过对过往14年的4500份专利进行分析，英国智库查塔姆研究所发现，创新的成果非常可观，尤其是在熟料替代和新型水泥生产方面。最令国人兴奋的是，中国在水泥研发方面的资金投入远超其他国家，专利申请量也处于领先地位，因此将成为水泥工业的创新中心。从中国在全球水泥生产的一枝独秀地位来看，这种趋势令人振奋，我们有理由期待和相信，在未来治理污染的道路上，国内水泥企业会诞生明星企业和明星产品。

（本文写作中参考了美国环保署、德国之声美国《纽约时报》、英国《卫报》等网站的信息，在此一并致谢！）

【环境百科】

波特兰水泥

1824年，英国建筑工人约瑟夫·阿斯谱丁（Joseph Aspdin）取得了波特兰水泥的专利权。他用石灰石和粘土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。因这种水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地区用于建筑的石头相似，故名为波特兰水泥。它具有优良的建筑性能，在水泥史上具有划时代意义。