一、成果背景
（一）我国建材行业碳排放基本情况
我国已确定力争2035年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的目标。建材行业碳排放量占钢铁、化工、建材三类主要工业碳排放量35%，其主要碳排放来源于水泥生产，2020年水泥生产碳排放量为13.2亿吨，约占建材行业总碳排放量的80%。水泥生产的碳排放可分为燃料排放、生产过程排放和间接排放，各环节排放比例约为35%、60%、5%，其中，生产过程排放主要来源为水泥生产原料石灰石的分解。水泥生产的碳排放主要来源于熟料烧成阶段，因此，降低水泥生产碳排放的重点为降低熟料烧成的化石能源消耗、降低石灰石的用量。
（二）碳减排技术路径及减碳潜力分析
降低化石能源消耗的技术途径有提高能源效率技术、替代能源技术，降低石灰石用量的主要技术途径有原材料替代技术、新型低碳水泥熟料技术。上述四类技术部分已相对成熟，如高效冷却技术、高效粉磨技术和余热发电技术等；部分处于研发和示范阶段，如大比例替代燃料技术、高贝利特硅酸盐熟料生产应用技术、高贝利特硫（铁）铝酸熟料生产应用技术等；部分仍处于技术模型研发阶段，如新能源（包括绿氢、光伏、微波、红外等）煅烧水泥熟料技术。碳捕集、封存和利用技术（CCUS）是建材行业实现碳中和的“兜底”技术手段，而由于水泥生产碳排放的特点，现已基本成熟的后捕集方法相对成本较高，而与熟料煅烧过程结合的全氧燃烧后捕集技术被认为是最经济的碳捕集手段。此外，由于水泥基材料矿物组成的特性，二氧化碳可用于矿化养护、改性此类材料，建材产业有一定的碳吸收利用能力。初步预测，到2060年实现碳中和时，能效提升、替代燃料、替代原料、低碳水泥和CCUS技术降碳比例分别为3%、27%、4%、11%和55%。
1．碳减排技术路径
（1）化石能源、原料替代技术
建材工业能源消耗品种主要是煤炭、电力、燃料油及少量的天然气、煤气、焦炭等。其中，煤炭作为所有化石能源中含碳量最高的一种，无论是作为能源被直接燃烧还是被用于原料、还原剂等非能源使用目的，都不可避免会产生大量二氧化碳。燃煤产生的二氧化碳排放总量大约占我国二氧化碳排放总量的85%以上。水泥行业是建材行业中的“碳排放大户”，也是全球二氧化碳排放的主要“贡献者”之一。
在环境条件许可和需要的情况下，水泥窑可实现利用废弃物、城市垃圾、替代燃料达到40%。据统计目前中国水泥行业的燃料主要为煤和天然气，采用替代燃料的时间短，燃料种类少，年替代量不足。在欧盟一些国家，水泥行业平均燃料替代率超过50%，荷兰高达98%。欧美水泥工业使用废旧轮胎，固体废弃物，屠宰业弃置的肉、骨头，废弃塑料，废机油及生物质燃料等。我国水泥工业的燃料替代主要是协同处置生活垃圾，其他生物质燃料如秸秆等仅有个别企业正在开展示范项目工作，预计未来将有相当的减排潜力。
建材行业碳排放主要源于燃料燃烧排放、过程排放和外购电力和热力排放。在水泥生产过程中，原材料碳酸盐分解产生的二氧化碳排放这种过程排放占到60%多。生产水泥熟料的原料主要为石灰石、粘土、铁矿石和泥灰岩等钙硅铝铁质矿物。当废弃物中的钙硅铝铁含量较高时（如矿渣、粉煤灰、煤矸石、炉渣、硅钙渣、磷渣、赤泥和电石渣等），一般作为替代原料从水泥窑的预热器、分解炉或窑尾入窑进行协同处置；当废弃物的热值较高时（如废旧轮胎、废纸、废木材、焦油和城市生活垃圾等），一般作为替代燃料从水泥回转窑的主燃烧器入窑加以回收利用。原燃料替代能够充分发挥建筑行业消纳废弃物的优势，进一步提升工业副产品在建筑材料领域的循环利用率和利废技术水平，替代和节约资源，降低CO2等温室气体过程排放。着力推广水泥窑炉协同处置废弃物等技术，大幅度提高燃料替代率，可积极推进碳达峰和碳中和。欧洲水泥工业中替代燃料的使用率较高，2018年达到了43%，而全球水泥工业中替代燃料的使用比例仅为6%。我国采用替代燃料的时间短，燃料种类少，只有不到50余条水泥厂使用替代燃料，总体的燃料替代率不足2%。研究表明，水泥回转窑在协同处置工业和城市废弃物方面较其他工业窑炉有优势，尤其是水泥窑的碱性和氧化环境对替代燃料和原料中重金属离子的固化有正面作用。但是，替代燃料中氯离子（Cl-）、硫酸根（SO42-）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）等离子对熟料烧成过程和熟料质量均有影响，因此，替代燃料组成及其预处理、熟料烧成工艺参数调整等方面的研究是提高替代燃料原料使用率的重要前提。
（2）能效提升
通过使用提高能效的技术，建材行业的能耗和电耗持续下降，CO2排放也相应减少。主要建材行业水泥、玻璃等主要节能技术有：
水泥行业：截至2018年底，我国1681条熟料生产线中69.84%为2500t/d以上熟料产能生产线，提高单条熟料生产线产能可有效促进单位熟料能耗，降低熟料生产碳排放。近年来，低能耗烧成和新型粉磨技术的开发也对水泥生产能效提升起到积极的作用，如天津水泥工业设计研究院开发了六级组合重构预热预分解系统和生料辊压机终粉磨技术，并对供风系统和篦板结构进行了优化，实现了熟料标煤耗≤93kg/t。水泥熟料生产过程中的余热再回收利用是降低水泥生产综合能耗的有效手段，南京凯盛开能环保能源有限公司开发了智能控制的水泥窑余热发电系统，该系统使用后，吨水泥产品发电28.11kWh，同时实现了降低碳排放量的目标。我国水泥生产种能源效率正在逐步提升，如湖州槐坎南方7500t/d熟料新型干法水泥生产线，吨熟料综合电耗小于42kwh；在吨熟料余热发电量为29kwh的情况下，实现生产统计吨熟料标准煤耗为95kg。低能耗、超低排放、与环境相容的绿色生态理念，项目排放指标、能耗指标在全国乃至国际上均处于先进行列。我国熟料生产企业已基本全面配置，通过进一步提高能源回收利用率所起到的作用有限，如南方水泥吨熟料余热供电量已达32 kWh/t.cl。但在如风能、太阳能利用方面，国内水泥企业也同样有较大的空间。国内太阳能年利用小时数为1000～1600h之间，按1300h计算，每1 MW（占地约15亩）的太阳能光伏发电组件每年可以发电1300 MWh，如年产200万吨水泥厂内建设分布式光伏发电项目，利用厂房办公楼屋顶、空闲地面、废弃矿山安装5组（约75亩）该太阳能光伏板，按照2020年电网排放因子0.53kg CO2 /kWh计算，年减少间接碳排放3445t，每吨水泥碳排放减少17.22kg CO2/t。
充分利用余热及更低品位热源、风能、太阳能发电，到2030年基本实现水泥生产线（含熟料）零外购电，较2020年国内平均水平，吨水泥碳排放降低37.8kg；在此基础上，加强氢能等新型能源生产熟料的技术储备，结合玻璃、玻纤生产中电解氢技术基础和优势，进一步利用水泥企业周边风能、太阳能发电生产氢能，降低化石能源使用比例。以热耗100kg标煤/吨水泥熟料核算，使用氢气作为水泥生产的替代能源，吨熟料仅消耗约22kg氢气，可减少燃煤造成的碳排放约270kg/吨水泥熟料。
根据国际和国内水泥工业技术的发展现状，目前可行的提高能效的30多种技术，其中包括熟料制备技术和节能粉磨系统技术，其中主要的节能技术和减排潜力如下：
玻璃行业：在平板玻璃行业3大主要碳排放类型中，化石燃料燃烧占整个碳排放的70%以上，因此节约能源、优化燃料结构、提高燃烧效率等是减少碳产生和排放的主要途径。主要有：
①通过能量转换实现节能能源：
Ø如玻璃熔窑引入氧气燃烧系统，玻璃熔窑引入氧气燃烧系统分为全氧燃烧和富氧燃烧两种，富氧燃烧是通过提高助燃空气中的氧气比例强化燃烧，达到高效节能的目的；
Ø优化燃料结构，燃料低碳化；
Ø研究电力和化石燃料的最佳组合方案，使能源燃料的二氧化碳产生及排放达到最低。
②提高燃烧效率：
Ø玻璃熔窑内保温及燃烧器改进：采用玻璃熔窑内保温技术及燃烧器改进技术，有利于节约能源，减少排放。
Ø低温熔化技术：降低玻璃熔化温度的途径一般有两种：在不失去实用性的前提下，采用低温熔化玻璃的化学组成；开发尽可能多的使用碎玻璃的办法。
③采用配合料预热技术
配合料经预热后，可以大大降低熔化温度，减少燃料用量，燃烧生成的CO2也随着减少。如以流化床预热或特殊预热器预热，则CO2的排放量可降低15%以上。
（3）低碳水泥技术
采用低钙熟料技术进行矿物组成调整，减低高钙的硅酸三钙含量，提升低钙的硅酸二钙含量，将硅酸二钙的含量由约20%提升至40%，可少使用石灰石约100kg/tcl，可减排CO2约40kg/tcl；在该熟料体系中引入无水硫铝酸钙及硫硅酸钙等更为低钙的矿物，可再少使用石灰石约300kg/tcl,可减排CO2约120kg/tcl；以低碳熟料为胶凝组分，进行大掺量混合材设计，水泥的熟料系数可降低至0.5以下，单位水泥减排CO2约300kg/t。硫铝酸盐水泥在1970年代在中国首次在工程中应用，由于其成本较高，一直只在特殊工程中使用。但是，硫铝酸盐生产中碳排放较硅酸盐水泥低，研究者和工业界仍将硫铝酸盐水泥作为未来低碳水泥的重要发展方向，尤其高贝利特硫铝酸盐水泥，则被视作有望取代或部分取代硅酸盐水泥熟料的胶凝材料体系。此外，高贝利特硅酸盐水泥熟料由于其烧成过程中低碳酸钙需求、低能耗和低烧成温度的特性，二氧化碳和氮氧化物排放也低于普通硅酸盐熟料，目前是低热水泥的研究方向之一。我国在硫铝酸盐水泥和低热硅酸盐水泥方面的研究和应用方面处于国际领先水平，成功研制了低热大坝水泥、低热微膨胀水泥、海工高抗蚀水泥等多个种类，并在国家重大工程中得到应用。
降低混凝土生产及服役过程中碳排放的方法主要有减少混凝土中熟料和胶凝材料使用量、利用固体废弃物等低环境负荷原材料、提升混凝土性能延长混凝土服役寿命和中和吸收二氧化碳等。研究者认为低碳混凝土包含高粉煤灰掺量混凝土（HVFAC）、超高性能混凝土（UHPC）、超高强混凝土（UHSC）、高强混凝土（HSC）、自密实混凝土（SCC）、轻质混凝土（LWC）和低聚物混凝土（GPC）。例如，高粉煤灰掺量混凝土（HVFAC）中粉煤灰掺量为胶凝材料用量的40-50%，其主要缺点为早期强度较低，但新拌状态时工作性能、可泵性、抗开裂等方面均表现优异。超高性能混凝土（UHPC）抗压强度通常为120～200Mpa，最高可达800Mpa，抗拉强度为6-10Mpa，弹性模量为40-70GPa，国内桥梁工程中已有较多的应用。UHPC制备方面，提出了基于性能需求的UHPC纳观→微观→细观→宏观多尺度调控理论，构筑了强键合的流变调控聚合物外加剂、微纳米降粘功能材料、无机膨胀材料和有机减缩外加剂，形成了系列UHPC主动调控方法与功能化制备技术。UHPC结构性能和应用方面，建立了UHPC单、多轴本构模型，构建了UHPC构件的设计理论，研发了具有自重轻、装配率高、施工快捷、耐久性好、少维护、造价有竞争力等优点的3类UHPC装配式桥梁结构体系和可显著提升后浇节点区域施工效率和抗震性能的新型UHPC装配式建筑框架结构。
（4）建材产业碳捕集封存和利用技术
目前CO2捕集技术主要有吸收法、吸附法、膜分离法以及这些方法的组合等。吸收法分为物理吸收和化学吸收。物理吸收法通过物理溶解的作用，在加压或降温条件下实现 CO2的捕捉，再通过降压或升温实现CO2的释放，常用的化学吸收剂主要是烷基醇胺溶液和热钾碱溶液。
吸附法是利用吸附剂在不同条件下与气体相互作用的不同，来实现气体的捕集和释放。膜法CO2捕集是利用膜两侧压力差作为推动力，根据各组分在膜中渗透速率的不同而实现气体分离的过程。随着材料科学的进步，膜材料的分离性能和稳定性不断提高，同时也开发出无机膜(如金属、沸石、碳膜等)和混合基质膜，拓宽了应用领域。相比于传统的CO2捕集技术，膜分离法具有设备体积小、投资少、能耗低、易操作、易维护等优点，被认为是较有发展潜力的CO2分离技术。
膜分离法的核心就是膜的选择问题，按照分离机理的不同，通常可以将膜分为吸收膜和分离膜。一般膜分离技术需要吸收膜和分离膜两者配合，共同完成。按照膜材料的不同，可以将膜分为无机膜、有机膜以及金属膜三类。无机膜具有较好的化学稳定性，耐高温和耐腐蚀且不易被微生物降解，比较长的寿命等优点，相对应的是其制造成本较高，且柔软性不够，需要特定的形状来满足需求。常见的无机膜有硅石、氧化铝膜、碳膜等。工业上多用有机膜来捕集分离CO2，常见的有机膜有聚苯醚、醋酸纤维、聚砜醚等。有机膜除了具有良好的选择性，还具有良好的渗透性，这可以使得 CO2 精准的从气体中分离出来，并渗透到膜的另一侧，达到富集的目的。但是有机膜存在一个致命的缺点，就是耐热性比较差，无法满足工业上温度的要求。所以当前研究的重点是要开发高效率、低成本的膜材料来满足工业上的需求。同时也有研究发现，可以将膜法和别的捕集 CO2的方法结合起来，在一定程度上可以弥补两种方法捕集 CO2 的缺陷，提出了四氢呋喃(THF)存在下基于水合物/膜混合法来捕集烟气中的二氧化碳，在三个水合物形成阶段，水合物相中的 CO2含量超过 98％。
建材行业典型窑炉二氧化碳捕集方法：工业窑炉烟气CO2捕集主要有三种：燃烧前捕集、全氧燃烧和燃烧后捕集。燃烧前捕集并不适用于水泥工业，因为其工艺过程中碳酸盐分解是其CO2排放的主要来源。燃烧后捕集不需对原有生产工艺改进，利用上述吸收法、吸附法、膜分离法等对CO2进行捕集，各种捕集方法的优点和待解决问题如表1-4所示。
富氧燃烧技术是采用氧气浓度大于空气（~21%）的富氧气体代替常规空气进行燃烧的技术，主要形式有：①在窑头窑尾一次风中加入纯氧或高浓度氧气，使窑头窑尾一次风氧含量提高到28-30%，加强燃烧；②将富氧空气喷入窑内缺氧区域，加强燃烧，控制火焰长度，稳定火焰形状；③富氧空气替代窑头窑尾送煤风。西方发达国家在上世纪80年代已经开发出了成熟的富氧燃烧技术，富氧助燃在水泥行业的应用可追溯到1920年，但由于经济性原因一直未能大规模的推广应用。国内外在金属冶炼、玻璃高温熔化炉、均热炉上都进行了大规模的应用，制氧系统电耗是富氧燃烧技术成本增加的主要因素。富氧燃烧的发展极致就是全氧或纯氧燃烧，也就是不使用常规空气作为燃料燃烧的助燃介质。全氧燃烧一般界定为用纯氧和出预热器的高浓度CO2废气混合后形成的O2/CO2气体，再引入窑炉内作为助燃介质。
近年来，随着全球范围内气候变化问题的加剧，对化石燃料燃烧导致的温室气体排放的关注越来越多，世界各国各地区纷纷制定碳减排路线，出台碳减排相关政策法规。绝大部分氮气被取代的全氧燃烧技术被认为是目前实现水泥行业有效碳捕集的最经济的技术方案。利用95%浓度以上的纯氧和系统循环的高浓度CO2烟气形成的O2/CO2气体作为助燃空气，实现燃料的燃烧并在预热器出口获得CO2浓度在75%以上的烟气用于后续的CO2捕集提纯及封存利用。随着碳排放政策的越发严格，基于碳减排目标的全氧燃烧技术在水泥生产过程具有巨大的潜在市场应用前景。
二氧化碳矿化养护水泥混凝土：CO2养护混凝土是指CO2与新拌混凝土在成型后接触，使水泥熟料中的硅酸钙及少量水化产物与CO2反应生成碳酸钙和硅胶的过程。混凝土在经过CO2养护后能获得较高的早期强度，大大缩短混凝土养护时间，并且有较好的尺寸稳定性。养护后混凝土孔隙率降低，力学性能和耐久性也得到提升。混凝土预制块在制作时需要养护，传统的蒸汽养护能耗大，采用蒸汽养护一块普通混凝土试块需要2300KJ，养护一块轻质混凝土试块则需要2500KJ。并且养护过程中过大的温度梯度可能使试块形成裂缝，需要控制好升温和降温。而CO2养护一个标准尺寸的混凝土所需要的能量为500KJ。在CO2排放方面，蒸汽养护一个试块需要释放0.17kg CO2，而CO2养护则消耗0.465kgCO2。
CO2在混凝土中的扩散运输效率会直接影响CO2养护过程，而CO2浓度和压力是影响CO2扩散和运输的主要因素。一般来说，CO2的浓度越高，CO2进入混凝土会更加容易，在相同养护时间内，混凝土的CO2养护程度和抗压强度都会提高，但是提高CO2 浓度只加快混凝土早期CO2的吸收，但对最终CO2养护程度影响不大。
其它低碳建材：我国仅建筑垃圾每年产生15亿吨以上，从资源化利用来看，我国建筑垃圾总体资源化率不足5%，远低于欧美国家的90%和日韩的95%，处理方式仍处于粗放的填埋和堆放阶段。实现建筑垃圾资源化产业化，资源化利用率达到95%以上，生产出建筑垃圾再生骨料、再生砖、单排孔和三排孔再生砌块等新产品。我国市政污泥年总产量逐年增大，2020年我国市政污泥年产量达到6000万吨。将污泥焚烧后搜集的灰与粘土混合制砖，其中污泥灰的掺量可高达50%，砖的综合性能好，但没有利用污泥的热值；干化污泥制砖可以有效利用污泥的热值并提高污泥砖的保温性能，但目前也存在着深度脱水困难的问题。此外，装配式建筑能够大幅度降低模板、保温材料、建筑工程水电的耗费量，而且可以降低大部分的建筑垃圾排放量，节能减排的效果非常明显，大大降低了环境污染。低碳建材生产和应用方面，需推进建材制造业的绿色、低碳转型，开发工业尾矿、粉煤灰、煤矸石、化学副产石膏等的综合利用。采用钢渣、矾钛渣、粉煤灰、电石渣等工业固废全部或部分替代天然原料生产低碳建筑材料。利用新型墙材隧道窑协同处置建筑废弃物、淤泥和污泥等；开展赤泥、铬渣等大宗工业有害固废的无害化处置和综合利用，开展尾矿、粉煤灰、煤矸石、副产石膏、矿渣、电石渣等大宗工业固废的综合利用；在水泥、墙体材料和机制砂石等产品中提高消纳产业废弃物能力等。