建材工业中CO2排放量最大的是水泥工业。水泥工业是世界第三大能源消耗行业，占据工业能源消耗的7%，也是世界第二大CO2排放行业，占全球CO2排放的7%。我国水泥工业年碳排放约13.2亿吨（含电力消耗），约占建材工业的80%，约占全国的13.5%。水泥工业对我国建材工业实现“双碳”目标影响重大。
水泥工业的碳排放主要来源是生产电耗、燃料燃烧和原材料碳酸盐分解。按照相关现行国家标准取值计算，每吨水泥的CO2排放约为千克。其中，生产电耗间接排放约占11%，燃料燃烧直接排放约占31%，原材料碳酸盐分解直接排放约占58%。
建材工业的碳减排
（一）提高工艺技术水平，降低生产能耗
自上世纪80年代以来，我国水泥工艺技术水平不断提升，水泥单位能耗不断降低。GB《水泥单位产品能源消耗限额》版和版的水泥单位产品综合能耗先进值上限从93kgce/t下降到88kgce/t，可比水泥综合能耗降低了约5.4%，减少水泥CO2排放的贡献率为2.07%；当前t/d先进值能够降到84kgce/t以下，相比GB—又降低约4.5%，减少水泥CO2排放的贡献率为1.72%。预计到年降低生产能耗能够减少水泥工业CO2排放1%～3%。
因此，进一步通过节能技术改造和加强节能管理，提升工厂智能化水平，无论对降低建材产品生产成本还是减少CO2排放都具有重要的作用。
（二）使用替代燃料
建材产品生产过程中可以使用替代燃料来减少CO2的排放，替代燃料可以分为固态替代燃料、液态替代燃料和气态替代燃料。
固态替代燃料主要有木屑、塑料、农业残余物、废弃轮胎、石油焦等；液态替代燃料主要有矿物油、液压油等；气态替代燃料主要有焦炉气、炼油气、裂解气、埋填的废物产生的气体等。废油、废轮胎、污泥等用作替代燃料较为普遍，其中，废油热值最高，碳排放因子最低。
以水泥生产为例，按照HJ—《环境标志产品技术要求水泥》，废油CO2排放因子取值0.kg/MJ，废轮胎CO2排放因子取值0.kg/MJ，烘干污泥CO2排放因子取值0.11kg/MJ，熟料综合热耗按GB—先进值上限kJ/kg计算，当熟料烧成对煤所需热值替代率达到联合国《水泥工业低碳转型技术路线图》年30%的要求时，分别能够降低熟料燃料燃烧CO2排放6.34%、2.82%和-5.17%，降低水泥CO2排放1.99%、0.89%和-1.63%；当热值替代率达到我国年70%的要求时，分别能够降低熟料燃料燃烧CO2排放14.80%、6.59%和-12.06%，降低水泥CO2排放4.65%、2.07%和-3.79%。
我国目前替代燃料使用率约1.2%，预计到年，我国使用替代燃料能够降低水泥CO2排放2%～5%；若不考虑替代燃料自身的CO2排放，只考虑对化石燃料的减排，则能够降低水泥CO2排放15%～25%。因此，我国建材工业应当鼓励使用替代燃料，这不仅能够资源化利用废弃物，而且能够显著减少使用化石燃料产生的CO2排放。
（三）提高水泥熟料质量
在保证相同水泥性能的条件下，熟料质量越好，掺入的混合材可以越多。根据GB—《水泥单位产品能源消耗限额》水泥单位产品能耗先进值，如果水泥中熟料占比超过或低于75%，每增减1%，水泥综合能耗先进值应增减1.10kgce/t，由此简便计算可使水泥减少CO2排放1.22%。
但是现代水泥生产技术十分成熟，熟料质量提升空间有限，到年，预计降低水泥中熟料占比可以减少CO2排放1%～3%。虽然，通过其他技术提高水泥中混合材的掺加量，单从水泥行业的角度看是降低了熟料使用量，减少了水泥的CO2排放，但是从水泥的全生命周期来看，同等条件下会降低混凝土掺合料的用量，增加水泥用量，实际上并未减少单位工程用水泥的CO2排放。因此，通过水泥中熟料占比来降低水泥的CO2排放要科学对待。
（四）降低水泥原料碳酸盐分解的碳排放
1.使用钙质替代原料
水泥生产中碳酸盐分解产生57.73%的CO2，用钙质工业固废来替代石灰石可以显著减少碳酸盐分解的排放。通常可利用的工业固废有电石渣、高炉矿渣、钢渣及粉煤灰等。刘晶、汪澜的研究表明，当水泥生料中添加了60%的电石渣替代石灰石，单位熟料CO2排放减少.5千克，水泥CO2减排约24.89%；当生料中添加3.98%的钢渣替代石灰石，单位熟料CO2排放减少4.4千克，并且煤耗降低3公斤，水泥CO2减排约1.35%。欧洲水泥协会预计年使用钙质替代原料可以减少CO2排放3.5%，到年将减少8%。我国应该鼓励具备条件的工厂使用钙质替代原料，但同时要对水泥质量和环境影响进行监测和评价。
2.发展低碳胶凝材料
降低水泥生产中碳酸盐分解还可以通过发展低钙水泥来实现。低钙水泥体系主要有高贝利特硅酸盐水泥、硫（铁）铝酸盐水泥等，不同水泥体系具有不同的熟料矿物组成，常见熟料矿物形成时碳酸盐分解的CO2排放差别明显，例如硅酸盐水泥的主要矿物C3S的CO2排放量是硫（铁）酸盐水泥主要矿物C4A3S-的2.68倍。因此，发展低钙水泥对减少水泥工业的CO2排放非常重要。
①高贝利特硅酸盐水泥。高贝利特硅酸盐水泥（低热硅酸盐水泥）含有较少的高钙矿物C3S，相对普通硅酸盐水泥能够降低原料碳酸盐分解CO2排放5%～10%，降低水泥CO2排放4%～6%。它具有早期水化热低的特点，应当在大坝等超大体积工程中进一步加大推广使用。
②硫（铁）铝酸盐水泥。硫（铁）铝酸盐水泥具有显著的低碳特点。由于不含高钙矿物C3S，生料中石灰石等钙质原料配入量比硅酸盐水泥约低30%，烧成温度比硅酸盐水泥低℃～℃，因此，它的熟料烧成过程中碳酸盐分解排放的CO2要比硅酸盐水泥约低40%，同等工艺条件下，燃料燃烧排放的CO2约低30%。相对普通硅酸盐水泥能够降低水泥CO2排放30%～40%。
硫（铁）铝酸盐水泥是我国自主发明的水泥品种，上世纪80年代曾分别获得两项国家发明二等奖。我国是世界上唯一连续工业化生产硫（铁）铝酸盐水泥的国家。硫（铁）铝酸盐水泥具有快硬、早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀、耐磨等优异性能，近40年的海堤、码头、市政桥梁、高层商业建筑等工程实例表明，它可以普遍应用于各种工程建设，特别适合海洋和盐碱等腐蚀环境工程、低温环境工程、抢修抢建工程以及免蒸养混凝土部品部件等领域的应用。硫（铁）铝酸盐水泥是工程应用前景最好、CO2减排效果极为显著的低碳水泥品种，应当大力发展硫（铁）铝酸盐水泥。
③碱激发材料。碱激发材料是指不用或使用少量水泥熟料，主要由铝质或硅质固体原料（如粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰、钢渣等）和碱激发剂，按比例直接混合磨细而成的具有一定水硬性的胶凝材料。JohnL.Provis等在《碱激发材料》（刘泽等译）中指出，相比硅酸盐水泥，碱激发材料的CO2排放降低了约80%。碱激发材料具有显著的资源化利用工业废渣的优势，特别是目前水泥混凝土不能使用的工业废渣，但是碱激发材料普遍存在凝结时间短、早期强度低、抗冻性较差、易风化、不宜长期贮存等问题，并且激发条件对需水量很敏感，以及多数碱激发剂具有高腐蚀性等，因此，碱激发材料还不能普遍应用于建筑工程。在地下、水中和潮湿环境中的一般性工程，以及市政道路等基础设施建设工程中推广应用碱激发材料对我国工业固废的资源化利用和水泥工业的碳减排都具有重要的意义。
建材工业的碳捕获与碳封存
建材工业的碳排放并不能无限地减少。建材工业的生产是一个典型的工业生产过程，必须要消耗能源，水泥工业、石灰工业还需要使用石灰石，都会排放CO2。因此，建材工业的碳中和离不开碳捕获、利用和封存技术。
建材工业的碳捕获、利用和封存技术目前还存在成本高、技术不成熟等问题，其可行性和发展空间需要在技术上进一步创新和验证。
CO2的捕获从工艺流程上可以分为燃烧前脱碳、富氧燃烧捕获和燃烧后脱碳。CO2的捕获技术主要有化学吸收法、吸附法、膜分离法等，针对水泥和石灰原材料分解的CO2排放还有钙循环法等。王新频在《水泥工业碳达峰与碳中和前景展望》中指出，不同的捕获技术理论上都能够达到80%以上的捕获率，但是投资成本高，捕获成本高达～元/吨。捕获的CO2可以用来生产CO2产品和其他化工产品，但是它的使用量有限；也可以用于石油的驱油开采，天然气、页岩气等驱气开采等；还可以用于枯竭油气田、不可开采煤层等地质封存，以及深海封存等。但是CO2封存成本高，技术不成熟，同时存在对环境影响的风险。
CO2的捕获、利用、封存当前还是一项前瞻性技术，也存在限制条件，例如驱油开采和地质封存就需要满足相应的地质条件。因此，建材工业需要研究适合本行业特点的CO2的捕获、利用和封存技术体系。
建材工业的生态碳汇
生态碳汇是最符合自然规律的碳中和方法。自然界中的碳主要分布在岩石圈和化石燃料中，含碳量约占地球上碳总量的99.9%。大气圈、水圈和生物中碳含量相对较少，但扮演着碳在生物和无机环境之间迅速交换的角色。
自然界的碳循环过程可以分为有机物的碳循环和无机物的碳循环，其中最关键的环节分别是：通过植物的光合作用将气体CO2转化成有机物，和通过无机矿物碳化作用将气体CO2转化成无机盐。
生物的呼吸作用、微生物分解作用与化石能源燃烧排放CO2都是光合作用的逆向过程；岩石的风化作用和工业生产排放CO2则是无机矿物碳化作用的逆向过程。水泥生产过程中碳酸盐分解排放CO2，在一定的时间范围内，极大地破坏了自然界无机盐通过碳化作用和风化作用形成的平衡。
虽然从长时间维度看，水泥生产过程碳酸盐分解终将与数百年、千年后混凝土的碳化作用达到平衡，但在短期内水泥生产原料碳酸盐分解排放了大量的CO2，排放量远远大于水泥混凝土碳化吸收的量。因此，研究生态碳汇对建材工业的碳中和十分重要。
自从年6月工信部发布《工业绿色发展规划（—）》以来，能源、资源利用效率显著提升，绿色制造业快速发展，绿色制造体系初步建立。这一政策为建材工业的生态碳汇奠定了坚实的基础。
一方面，提升资源、能源利用效率直接降低了建材工业的CO2排放；另一方面，工厂、矿山的绿化也有效地实现了生态碳汇。李延明等研究表明，一颗胸径20厘米的绒毛白蜡，全天吸收CO2为克。一颗冠幅2.5米、冠高2米的紫薇全天吸收CO2为克。以日产吨的水泥生产线为例，每天排放的CO2约为4吨，占地面积约25万平方米，每增加占地面积10%的绒毛白蜡和紫薇绿化，则每天能吸收CO2约14.1吨，约占总排放的0.3%。如果厂区绿化达到50%，则能够实现生态碳汇约1.5%。如果再考虑与工厂同等面积矿山的绿化，则总共能实现生态碳汇约4.5%。因此，绿色工厂、绿色矿山的建设无论对美化环境还是促进碳中和都具有重要的作用。
生态种植将是最值得期待的建材工业实现显著生态碳汇的方向。怀俄明大学研究团队年在《美国国家科学院院刊》上发表研究成果称，植物吸收的CO2比此前认为的更多，全球变暖的步伐也许并没有人们预期得那样快。
我国学者的研究也表明：正向空间电场和增施足够浓度CO2，能够大幅度提高温室蔬菜生长速度。CO2浓度和温度同时升高能够促进植物的生长。合适的温度、充足的氮和磷供应，协同CO2浓度升高能够有效促进植物的生长。短期高CO2浓度可以增加C3植物光合速率约52%。对大棚蔬菜增施CO2能够增产30%～50%。葡萄结果盛期需要的CO2浓度高达5ppm。按照喜阳植物单位叶面积的光合作用日总量0.5mol/（m2·d），每平方米植株绿量5m2计算，一平方米农作物一天吸收CO2约为克。
以t/d水泥生产线为例，同等面积的蔬菜大棚种植基地每天吸收CO2约为27.5吨，能够实现生态碳汇约占水泥厂排放的0.6%。若供应工厂附近10个同等规模的种植基地则能实现生态碳汇约6%。因此，如何利用CO2的气肥作用，将建材工业排放的CO2捕获，液化存储再分装到液化罐中作为气肥销售，或直接通过专用管道输送到农作物种植基地，形成一个工业、农业融合发展的生态系统，这可能是建材工业实现生态碳汇需要研究的重要课题。
建材工业的碳中和
到年，预计我国水泥熟料产能将缩减至8亿吨左右，水泥工业自然减排约44%。通过工艺技术的提升、智能化管理、钙质替代原料使用、替代燃料的使用以及低碳胶凝材料的推广应用等，建材工业还可以减少CO2排放30%以上。到年，建材工业年CO2排放有望控制在5亿吨～6亿吨。通过工厂和矿山绿化以及融合发展农业种植有望实现40%～50%的生态碳汇。建材工业的碳封存压力预计在3亿吨左右。
CO2排放是自然界碳循环的一个重要环节，科学、全面地认识建材工业的碳排放非常重要。建材工业应当按照既定的国家、行业发展战略规划，在保障各个细分行业产业链完整、安全的前提下，通过创新驱动，实现建材工业绿色、低碳、可持续的高质量发展，实现建材行业“宜业尚品、造福人类”的发展新目标。
作者：齐冬有张标罗宁
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