張鎖江院士：低碳零碳建材是實現碳中和的關鍵
2022-08-19 10:48:00   來源：   點擊：

    碳中和是國家重大戰略，工業過程二氧化碳排放約占我國碳排放總量的49%（包含工業用電間接排放），是我國實現“雙碳”目標的重中之重。要在2060年實現碳中和目標，意味著我國在快速實現工業化的同時，用最短的時間實現從碳達峰到碳中和的過渡。2022年1月，習近平總書記在中央政治局學習中特別提出，要大力推動鋼鐵、有色、石化、化工、建材等傳統產業優化升級，加快工業領域低碳工藝革新和數字化轉型。

    2020年我國建材行業總產量約25億噸，總二氧化碳排放16.5億噸，其中水泥產量約23億噸，產生的二氧化碳排放量約13億噸，約占建材行業總碳排放的80%，是建材碳減排的重點和難點。水泥生產過程最大的二氧化碳排放來自碳酸鈣原料分解，其次是燃料燃燒和電力消耗。

    未來隨著社會進步，建材用量會逐步減少，但實現建材行業碳中和的主要途徑仍要依賴新技術發展，主要包括生產工藝減碳、源頭減碳以及CCUS減碳技術。從建筑發展歷史看，遠古時代的建筑主要是木石或者草木結構，而現代建筑基本是由水泥和鋼筋構成，未來將采用新型綠色低碳零碳建筑型式，一方面采用低碳零碳水泥或采用鋼結構建筑；另一方面要發展新建筑材料，如碳纖維、塑料、3D打印等新型材料。因此，建筑結構和型式也許會發生徹底改變。

    1、發展低碳零碳水泥

    低碳零碳建材是建材行業源頭減碳的主要途徑，需要通過原料替代、低碳水泥和新型材料替代水泥來實現建材行業的碳減排。低碳水泥是相對現有通用硅酸鹽水泥熟料體系而言，以低鈣硅比的二硅酸三鈣、硅酸二鈣、硅酸鈣等為主要礦相的新型熟料體系在生產過程中煅燒溫度會降低，CO2排放也更低，是水泥行業的重要發展方向。在不久的將來，隨著低碳水泥、負碳水泥等新技術實現突破性發展和推廣應用，將進一步加快我國建筑行業碳中和進程。

    我國每年都會產生大量的高鈣硅含量工業廢渣產生，如鋼渣、電石渣、粉煤灰等，這些工業廢渣的堆積占用了大量土地，嚴重污染環境。采用這些工業廢渣替代石灰石作為水泥生產原料，是水泥行業協同處置工業固廢并同時降低原料煅燒過程中的CO2排放的重要途徑。

    例如，通過濕法礦化技術，可實現鋼渣中游離鈣高值化和固碳過程耦合，同時提高鋼渣摻混率，提升鋼渣水泥的膠凝活性和穩定性，制備低碳水泥。循環流化床粉煤灰是高凝膠活性的含硅材料，可替代部分熟料制備低碳水泥。電石渣中鈣含量很高，是水泥的優質鈣源，可代替部分水泥熟料減少生產過程碳排放。

    新型凝膠材料技術主要是利用堿性激發劑激發工業廢渣獲得低能耗、低碳排的聚合材料，相對于水泥而言其CO2排放很少。雖然目前還沒有證據表明其可以取代普通硅酸鹽水泥，但已經有一些研究成果表明在不久的將來這種建材或將被廣泛應用。

    2、發展低碳鋼結構建筑材料

    鋼結構建筑是替代水泥建筑的一種重要方式，相較于傳統混凝土建筑，它更加綠色低碳、節能節水，并且具有主材可回收、裝配簡單、減少人工、抗震性能好等優勢，被譽為21世紀的“綠色建筑”，如鳥巢、武漢雷神山醫院等都是鋼結構建筑。從全生命周期看，鋼結構建筑相比水泥建筑可降低二氧化碳排放35%以上。

    鋼結構建筑的發展關鍵在于鋼鐵行業自身低碳技術的發展。鋼鐵行業主要的排碳單元是高爐煉鐵過程中碳作為還原劑和熱源產生大量CO2，因此減排的關鍵是碳原料替代和流程變革。在產業結構調整的基礎上，應大力發展富氫或純氫冶金技術、廢鋼回用短流程技術、富氧燃燒、鋼化聯產技術等。

    3、發展新型建筑材料

    碳纖維材料是新型綠色建材的發展方向之一。碳纖維作為一種性能優異的戰略性新型建筑材料，密度不足鋼的1/4，但強度卻是鋼的5-9倍，且耐腐蝕性強。碳纖維做的碳網格混凝土，比傳統的鋼筋混凝土減少鋼筋用量約75%，從全生命周期來看，碳纖維混凝土在能耗和性能等方面都具有優勢。德累斯頓理工大學采用C3-碳混凝土復合材料建成的一個220平方米實驗室，減少了約50%的碳排放。

    我國碳纖維應用在建筑領域也取得了重要進展，如在浙江桐廬機器人編制的碳纖維結構展亭——結緣堂，國內首座應用碳纖維材料斜拉索的千噸級車行橋——聊城市興華路跨徒駭河大橋。目前受限于生產成本高、能耗高、碳排放高等因素的影響，碳纖維還不能大規模應用于建筑領域。

    因此，亟需變革性的碳纖維生產技術，如以煙氣、廢氣中捕集的CO2為原料，利用太陽能提供綠色電、熱能源制備碳纖維材料，或以生物質為原料通過紡絲、預處理、碳化等過程制備碳纖維材料，以此實現碳纖維新型建筑的發展。

    新型塑料也展現出了部分替代水泥的潛力。如德國一座8層2.4萬平方米的大樓就采用新型塑料填充結構，預計可減少35%的混凝土用量。塑料材料在建材行業應用的根本是負碳聚合物技術的突破。

    另外，3D打印建筑作為一種新興建筑模式，也逐步呈現出一定的發展趨勢，但相對來說，這種建筑成本比較高、材料結構本身有待突破，未來3D打印材料可以朝著低成本、高流動性、高強度、耐候性的有機-無機復合材料方向發展。

    4、建議與思考

    建材行業減碳不是孤立的，必須與化工、有色、鋼鐵等行業進行深度耦合，這是實現低碳、零碳建材的關鍵。傳統水泥向低碳水泥發展，用工業廢渣用作水泥生產的原料，這將是近期的重點工作。

    未來，生物質可能做出碳纖維，二氧化碳與綠氫制烯烴進而做出各種各樣的塑料，大部分能量可以來自太陽能，新型材料可以用于低碳零碳結構的建筑，低碳零碳建材也將帶來建筑結構和型式的革命性變化。從材料基因組學上通過納微結構來調整水泥元素的選擇或組合，如鈣、硅、氧、鐵、鎂、鋁等元素種類和比例的調整可以獲得低碳或負碳水泥。

    綜上所述，建議如下：（1）加強戰略規劃，制定建材低碳變革性技術路線圖；（2）突破新型建材納微層次結構及作用機制認知；（3）突破低碳建材生產工藝、裝備與工程化難題；（4）加大支持力度，加快新建筑材料的示范應用；（5）創新體制機制，組建跨行業的交叉攻關團隊。

來源：《可持續發展經濟導刊》2022年4期