低碳混凝土创新的 3Cs

创新的3Cs 低碳混凝土 熟料、水泥和混凝土 洞察力简报/2023年6月 作者和致谢 Authors 陈志南 RadhikaLalit 作者按字母顺序列出。除非另有说明，否则所有来自RMI的作者。 联系人 RadhikaLalit,rlalit@rmi.org 陈志南,zchen@rmi.org Acknowledgments 作者要感谢布莱恩·费舍尔、罗伯特·哈钦森、斯瓦蒂·尚塔拉吉、本·斯金纳和詹姆斯·孙的意见。 版权和引文 陈志南和拉迪卡·拉利特，低碳混凝土创新的3Cs：熟料、水泥和 混凝土，RMI，2023年，https://rmi.org/insight/innovation-in-low-carbon-concrete/. RMI重视合作，旨在通过分享知识和 见解。因此，我们允许感兴趣的各方通过创意参考、分享和引用我们的工作 CommonsCCBY-SA4.0许可证。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/. 除非另有说明，否则所有使用的图像均来自iStock.com。 关于RMI RMI是一家独立的非营利组织，成立于1982年，通过市场改变全球能源系统- 驱动的解决方案与1.5°C的未来保持一致，并为所有人确保清洁，繁荣，零碳的未来。我们在世界上最关键的地区工作，并参与企业，政策制定者，社区， 和非政府组织确定和扩大能源系统干预措施，以减少温室气体排放 到2030年至少50%。RMI在科罗拉多州的玄武岩和博尔德、纽约市、奥克兰，加利福尼亚；华盛顿特区；和北京。 低碳混凝土创新的3Cs：熟料，水泥和混凝土rmi.org/2 目录 Introduction4 了解3C的创新格局： 熟料、水泥和混凝土5 熟料生产的创新7 替代原材料7 .................................. 碳捕获创新.9 水泥生产的创新12 替代补充胶凝材料的使用.12 ............................................................................ 混凝土生产的创新15 矿化.15 混合和使用混凝土更有效16 技术适用性评估框架17 后续步骤19 低碳混凝土创新的3Cs：熟料，水泥和混凝土rmi.org/3 Introduction 混凝土是旧的，但它是新的。罗马人在2000年前用混凝土建造了万神殿。目前,140亿立方米世界各地每天都在生产混凝土。随着时间的推移和 技术，我们的混凝土公式正在不断发展。例如，罗马人没有在他们的 混凝土。粉煤灰现在广泛用于混凝土中，以减少对排放密集型熟料的需求；它的使用已经变得更加普遍，因为1930年代当行业第一次尝试这个 方法。粉煤灰的使用已成为标准做法，创新之轮不断转动，因为我们继续思考制造混凝土的新方法。 随着《巴黎协定》呼吁所有行业实现净零路径，新的和创新的脱碳技术正在整个具体生产价值链中得到积极发展。这是一个 混凝土和水泥行业的戏剧性范式转变。传统上一直在创新 优化以实现一致的质量、更低的成本和更高的性能，但现在还必须优化水泥和混凝土中的低碳。仅靠现成的技术不会 让我们达到净零。新兴技术的开发和部署是必要的部门的脱碳途径。 现在是在混凝土和水泥行业投资低碳和零碳创新的时候了 避免锁定未来几十年的排放。对于水泥行业，2050年净零目标 is只有一个投资周期。大多数水泥厂经历了大约20-25年的重大改造 ofoperation.Theaverageageofcivilplantsindierentregionsoftheworldnowrangebetween 10和25年这意味着今天建造的新工厂可能会在2050年以后运行，对大多数现有的工厂，从现在到本世纪中叶只有一次改造机会。 这十年将见证混凝土和水泥需求的增长-因此许多全新的工厂 -在非洲，印度，拉丁美洲，中东和东南亚。 净零碳水泥生产能力，特别是在全球南方，因此在这十年。 在这一领域做出明智的投资决策的第一步是了解整体创新景观。 低碳混凝土创新的3Cs：熟料，水泥和混凝土rmi.org/4 了解创新景观 3C：熟料、水泥和混凝土 生产混凝土的中间产品有两种：熟料和水泥。熟料主要是制造 通过在非常高的温度下加热石灰石和粘土。这个过程占90%的排放 在混凝土生产中。熟料制造过程的排放是双重的。首先，CO将2 3 当石灰石（CaCO）转化为石灰（CaO）时不可避免地产生，这被称为过程排放. 在熟料制造中，工艺排放约占总排放量的60％。 剩余的40%来自水泥窑的加热燃料，以达到所需的1,450°C。今天，90%的水泥窑中使用的燃料是煤或天然气，这使得熟料制造过程碳密集。 熟料经过精细研磨并与其他材料混合，可生产不同类型的水泥。最 通常出售的水泥是普通硅酸盐水泥（OPC），其中包括95％的熟料和5％的石膏。较低的熟料含量可以通过添加许多补充胶凝材料（SCMs）来实现 种类。最后，混凝土是通过将水泥与水、沙子和岩石混合而产生的，其中水泥充当将所有东西粘贴在一起。 将熟料、水泥和混凝土视为3C提供了一个有用的框架来理解这一过程 ofmakingconcreteaswellastheinnovationlandscape.AsshowninExhibit1(nextpage),thereareseveral 在每个生产阶段处于不同开发阶段的新兴和替代技术。 请注意，这些创新并不代表相互排斥的脱碳途径。1.5°C对齐 transitionwilllikelyrelyonmostorallofthem.Giventhatcarboncapturetechnologiestheyfartypically 具有较高的能源需求、较高的前期资本投入、大规模的基础设施网络要求，许可时间长，重要的是要利用所有其他技术解决方案 在部署碳捕获以消除剩余排放之前的价值链。 将熟料、水泥和混凝土视为 3C提供了一个有用的框架来理解混凝土的制作过程以及 创新景观。有几个新兴的以及不同阶段的替代技术每个生产阶段的开发。 确定不同创新所扮演的角色对于确保政策和投资在正确的时间使用正确的技术。 低碳混凝土创新的3Cs：熟料，水泥和混凝土rmi.org/5 附件13Cs框架的新兴和替代技术在混凝土和水泥脱碳 熟料 水泥 混凝土 Raw材料萃取 破碎机混合生磨旋风 床预热器 Rotary 窑炉 熟料水泥物流 手袋混合预拌 存储 磨机 CO的百分比2混凝土生产过程中的排放 100 80 60 40 20 0 90% 5% 5% 创新景观 替代原料 材料 •硅酸钙 •硅酸镁 •碾碎的混凝土废料 •尾矿开采 •钢渣 替代SCM •煅烧粘土 •混凝土细粉 •反应性二氧化硅来自矿山尾矿 •新的或合成的粉煤灰，炉渣或石灰石 低碳熟料 生产 •电窑 •绿色氢 •替代煅烧 环境中的过程温度 碳捕获 •化学吸收 •温度摆动吸收 •低温捕获 •钙循环 •膜 •氧燃料 •间接煅烧 混凝土生产 和最终用途 •优化混凝土通过机器混合学习 •器皿设计 替代水泥 •富含贝利特的水泥 •硫铝酸钙 •碱活化材料 •生物基水泥 矿化 •CO固2化混凝土和骨料 基于材料的解决方案基于流程的解决方案 注：新SCMs的使用列在水泥生产项下；然而，在一些地区，如北美，SCMs通常在混凝土生产阶段混合。 尽管水泥和混凝土的生产仅占总排放量的10％，但这些类别的创新同样重要，因为它们降低了对碳密集型熟料的需求。 资料来源:麦肯锡,材料经济学,加州空气资源委员会,IEA,硫磺专利,andECRA2022技术论文 低碳混凝土创新的3Cs：熟料，水泥和混凝土rmi.org/ 6 熟料生产的创新 替代原材料 在传统的水泥制造中，原料混合物的80％-90％是石灰石。富钙石灰石 保证水泥和混凝土的化学性能，但也不可避免地释放CO时2 convertedtolime.Replacinglimenwithotherrawmaterialsisaneveeffectivewaytoreduceprocess 与石灰石煅烧相关的排放。与此同时，同样重要的是要找到石灰石替代品广泛而快速可用，成本低廉，生产水泥 与OPC相当的性能和性能。 有可能消除工艺排放的三种原材料是硅酸钙， 硅酸镁和压碎的混凝土废料，如图表2所示。在这三者中，硅酸钙和压碎的混凝土废料理论上可以生产具有相似成分和性能的熟料 作为传统的波特兰熟料。然而，这些由替代原材料制成的水泥都在由于低技术准备和高成本，发展的相对新生阶段。例如， 硫磺和剑桥电气水泥的净零水泥目前都在从实验室过渡工业试验。 此外，一些采矿尾矿和钢渣也可以用来生产熟料，但它们只能部分减少工艺排放。 附件2三种替代原材料的比较可以实现净零排放的过程 替代方案 排放量 技术 可用性 可比性 局限性 Examples raw reduction 准备就绪 的原始 与波特兰 材料 电位 level 材料 水泥 钙净-零 3更多声称 •Requires硫磺(第一 过程丰富比相似建设 商业工厂 硅酸盐 排放石灰岩硅酸盐水泥 新植物 镁 硅酸盐 净-零 过程 3 Limited 可用性 不同 化学和 •非常有限的研究Novacem 和试点项目(试验用 •高成本 预期 2024年运营) 排放 性能 •Likelytobeused 在利基市场 这种方法从2008年至2012年) 压碎 净-零 8(实现 丰富, 声称 •能源密集型 剑桥 混凝土 过程 部分排放， 但可能是 类似于 过程 电动水泥 废物 排放 reduction);3（净零） 远离水泥窑 硅酸盐水泥 •Net-zero技术 正处于起步阶段 (目前在2年工业试验) 资料来源:ECRA2022技术论文and国际能源机构。 低碳混凝土创新的3Cs：熟料，水泥和混凝土rmi.org/7 替代燃料 这些石灰石替代原材料可有效地减少甚至消除工艺排放，但不能帮助与热相关的排放。 如前所述，水泥窑使用的燃料中有90％是煤或天然气。氢气和电气化是减少化石燃料相关排放的关键。i与钢铁和 航运，氢是无悔的解决方案之一，氢的影响规模和 水泥脱碳的电气化仍然不确定。这是因为成本高，成本高窑炉温度要求，氢火焰性能，以及清洁电力的竞争性使用和来自其他部门的氢气。 对可以降低与热量相关的排放的创新进行更协调一致的研究可以帮助克服转换燃料的障碍。例如，实现石灰石煅烧过程的技术 在较低的温度下可以使氢和电的使用在未来更加可行。作为 例如，SublimeSystems是在环境温度下从事水泥生产的初创公司之一用电化学方法供电。 i使用废物作为替代燃料不包括在这个创新重点简介，因为它可能有有限的排放量 reductionbenefitsbasedonthewastemix,andhasalreadybeenusedatindustrialscaleinmanycountries.However,this 方法确实减少了进入垃圾填埋场的废物量，从而减少了混凝土外的甲烷排放。和水泥部门。 低碳混凝土创新的3Cs：熟料，水泥和混凝土rmi.org/8 碳捕获创新 对于水泥行业来说，捕获碳并不是一个全新的解决方案。2018年，中国最大的水泥安徽海螺公司成功实施了化学吸收试验，捕获50,000吨 ofCOp2eryear.However,untiltoday,nocivilplantwithcarboncapturetechnologyisoperatedata 商业规模。ii化学吸收捕获技术是最成熟的；然而，它可能不是银弹解决方案，因为它仍然非常昂贵，能源和水密集，捕获率 areinsuseficienttoachievenetzeroforthesector.Innovationsincarboncapturetechnologiesaren