综述：水泥和混凝土行业的脱碳——迈向可持续未来的重要一步 萨尔马巴努·卢哈尔（Salmabanu Luhar）、 阿什拉夫·阿舒尔（Ashraf Ashour）和 伊斯梅尔·卢哈尔（Ismail Luhar）

《Journal of Composites Science》：Decarbonising the Cement and Concrete Industry—A Step Forward to a Sustainable Future Salmabanu Luhar, Ashraf Ashour and Ismail Luhar

　　**摘要**
尽管水泥和混凝土行业对现代基础设施至关重要，但它却是全球碳排放的主要来源之一，因此迫切需要采取脱碳策略来减缓气候变化，并在2050年前实现净零目标。本综述探讨了降低碳排放所需的关键技术路径和创新，包括低碳材料、节能工艺、碳捕获、利用与储存（CCUS）以及先进的生产技术。同时，文章强调了支持性政策框架、财政激励措施和国际合作在加速向低碳产业转型中的重要性。虽然初期成本高昂、对变革的抵触情绪以及知识缺口等挑战依然存在，但这些可以通过创新、教育和健全的财政机制来克服。此外，循环经济原则、可持续采购实践以及持续的研发被认为是推动该行业转型的关键因素。文章最后提出了未来行动的建议，强调了跨部门合作、研究资金投入和知识共享在实现可持续和低碳水泥和混凝土行业中的作用，以支持生态建设的发展。

**1. 引言**
水泥和混凝土行业是现代基础设施和建筑工程的基石，在全球经济中扮演着核心角色。以水泥为粘合剂的混凝土是全球消费量第二大的材料，2024年的全球水泥产量约为43亿吨，这一增长主要得益于快速的城市化和人口增长。亚太地区占全球水泥产量的大部分（约70%），其次是欧洲、美洲和非洲。普通波特兰水泥（OPC）是混凝土制造中的主要粘合剂，支撑着全球范围的基础设施建设。随着城市化进程的加快，对水泥和混凝土的需求正以惊人的速度增长[1]。然而，目前的水泥行业是人类产生的二氧化碳（CO2）排放的主要来源之一[1]。水泥约占全球混凝土体积的10%，其生产过程单独排放了全球总CO2排放量的约8%[2,3,4]，对环境造成了严重影响，并加剧了全球变暖的挑战[5]。预计到2050年，水泥需求将增加12-23%[6]，而这仅在过去65年里，全球水泥消费量就已经增长了十倍[7]。预测显示，到2050年，每年的混凝土使用量可能超过180亿吨[8]。2010年至2021年间，全球水泥产量增长了30%[9]，相关行业的温室气体排放也增加了31%[10]。水泥生产依赖于石灰石和黏土等原材料的高能耗开采[9,10]，其生产和建筑领域的温室气体排放量仍然很大[11]。生产一吨水泥需要3.2-6.3吉焦耳的能量和约1.7吨石灰石[12]，每吨OPC的能耗约为4667兆焦耳[13]。表1提供了关于排放、能源使用和资源消耗的详细统计数据。

**2. 水泥和混凝土行业的脱碳至关重要**
为了实现国际净零气候目标（如《巴黎协定》COP21所设定的目标，即全球变暖控制在1.5-2°C并在本世纪中叶实现气候中和[18]），减少水泥和混凝土行业的碳排放至关重要。要实现低于2°C升温的目标，所有行业的直接工业排放（包括能源和生产过程相关来源）必须同时实现脱碳。1990年至2014年间，全球直接工业排放增加了65%，这主要归因于发展中国家的快速工业化[18,19]。向低碳工业过程的转型依赖于成本效益高的清洁技术、更严格的法规和自愿倡议。定量情景分析（如Shell Sky Scenario (SSS)、IEA 2-Degree (2DS) 和 Beyond 2-Degree (B2DS) 情景以及能源转型委员会的Mission Possible路径）预测了工业CO2排放、氢能采用和碳捕获技术的部署，为2050-2060年的净零目标提供了多种途径[20,21,22]。如果不对这些排放进行控制，到2050年，与水泥和混凝土相关的CO2排放可能会增加约40%[16]。为了实现这些雄心勃勃的目标，必须紧急制定一种全面的方法，从OPC生产的每个阶段着手减少碳排放。最近，脱碳和性能提升已成为水泥和混凝土行业研究和创新的迫切推动力，催生了众多创新技术和策略[17,23]。根据GCCA路线图[24]，在整个水泥和混凝土价值链中实施一系列减排措施有助于在2050年前实现净零CO2排放。提高混凝土生产效率将减少混凝土中的水泥含量。预计在优化设计、提升施工现场能力、建筑组件的再利用和寿命延长等方面，混凝土使用的节约将发挥关键作用。此外，优化配合比设计、改进混凝土成分以及持续工业化生产并加强质量控制措施也是重要措施[23]。特别是，碳捕获技术是一项突破性技术，需要开发以适应工业规模的应用，这需要大量投资以及相应的支持框架，如CO2或氢气（H2）的基础设施，而后者则需要足够的碳中和电力来生产。新型创新技术的发现，如地质聚合物或碱激活建筑材料[1]、纳米技术、添加剂制造、能效提升和燃料转换、CCUS以及低碳替代水泥的制造，对于实现净零目标至关重要[25,26]。预计到2030年，CCUS在水泥生产中的商业化应用将得以实现[27,28]。在国际层面，水泥和混凝土制造业正在经历前所未有的革命，通过各利益相关者（包括水泥和混凝土行业代表、科学家、工程师、研究人员等）的支持，在2050年前实现净零碳排放。为实现这一目标，应根据各地区实际情况制定多样的路线图和区域参与计划[29,30,31,32,33,34,35]，发展低碳解决方案，例如使用可持续水泥材料（SCMs）、降低熟料比例、使用可再生能源、替代燃料、优化混凝土配合比、提高能源效率、回收材料、碳捕获与储存（CCUS）[31,33,36]、可再生能源发电、清洁车辆和节能建筑等。技术创新应集中在开发碳中和粘合剂和先进制造技术（如3D打印）上，这些技术可以减少水泥消耗，从而降低温室气体排放[37]。碳领导论坛（CLF）正通过行业合作积极推动减少水泥和其他建筑材料中的固有碳排放。美国绿色建筑委员会（USGBC）制定的LEED和英国建筑研究协会（BREEAM）制定的绿色建筑评级框架有助于评估基于水泥的材料的环境影响[38,39]。全球水泥和混凝土协会（GCCA）提出了一个自下而上的方法，将全球水泥和混凝土市场划分为九个区域，以制定实现净零CO2排放的路线图[36]。诸如“加州购买清洁法案”（Buy Clean California Act）之类的政策措施进一步鼓励减少建筑材料中的固有温室气体排放[40]。国际合作对于部署更清洁的技术、提高能源效率和发展可持续的水泥生产实践至关重要[41]。鉴于2023年全球化石燃料和工业活动的CO2排放量达到了37.01亿吨，并预计到2024年将增至37.41亿吨（自1990年以来增加了60%以上），加快水泥行业的脱碳进程刻不容缓[42]（图1）。

**3. 研究方法**
本研究采用系统的方法审查了水泥和混凝土行业脱碳策略的相关文献，采用比较框架系统评估了不同脱碳策略的性能、可行性和减排潜力，以确保研究的透明度、可重复性和全面性。

**4. 水泥和混凝土行业面临的挑战**
由于水泥和混凝土行业的规模巨大，其温室气体排放和能源消耗量在所有工业领域中名列前茅。2020年，水泥和混凝土生产的CO2排放量约为3.4亿吨[43]，占全球人为CO2排放总量的近8%，其中大部分来自水泥生产。2010年，水泥生产本身就占了所有建筑相关CO2排放量的36%[17]。GID水泥排放数据库（GCED）的数据表明，2019年全球共有3620家水泥厂，年总产能为6230百万吨[44]。水泥厂的年龄直接影响其能源消耗和CO2排放水平。传统湿法水泥生产工艺（过去广泛使用）由于原材料含水量高且需要额外的水分蒸发过程，因此能耗显著更高。相比之下，现代水泥厂主要采用干法工艺技术，这种技术能源效率显著更高。这种技术变革是新型设施减排的主要驱动力。2.1. 水泥和混凝土行业的生态挑战仅水泥生产就占建筑材料行业二氧化碳排放量的77%到95%，具体比例取决于用于计算排放强度的具体假设、功能要求和工艺参数[11,45]。排放水平的变化受多种因素影响，如当地混凝土配方、所使用的制造技术类型、电网的能源结构和水泥窑中的燃料种类。此外，辅助胶凝材料（SCMs）、添加剂和骨料的碳强度也会影响总体排放量。混凝土产品的功能要求（如强度、耐久性和凝结时间）也会导致单位质量温室气体排放的显著差异。水泥行业本质上是一个能源密集型行业，在熟料生产过程中消耗大量热能和电能，这进一步扩大了其碳足迹。全球范围内，传统水泥生产贡献了约8%的人为二氧化碳排放总量，使其成为目标减排工作中的关键产业之一[2,3,4]。高能源需求、对化石燃料的依赖以及工艺排放凸显了实施低碳技术、替代燃料和碳捕获解决方案的紧迫性，以减少水泥和混凝土生产对环境的影响。2.1.1. 水泥生产的生态挑战水泥和混凝土行业巨大的负面生态足迹，特别是现代OPC（普通波特兰水泥）生产过程的主要原因是其本质上的高碳密集性和在生产过程中使用大量不可再生矿物燃料。这涉及两个主要因素：石灰石（CaCO3）的脱碳以及加热原材料所需能源。每生产一吨传统熟料大约会产生0.83吨二氧化碳排放[6,46]。这些排放主要来自石灰石煅烧和化石燃料燃烧。仅煅烧过程就占熟料生产总排放量的60%到65%。首先，富含碳酸钙的石灰石在约1400°C的高温下煅烧生成熟料——氧化钙（CaO），这是最终水泥产品的重要成分[47,48]。这种热分解会释放大量二氧化碳，约60%到70%的温室气体排放来自石灰石（CaCO3）的脱碳过程。表2概述了水泥生产中的二氧化碳排放情况，包括关键化学反应、历史趋势、数据集和排放强度变化。表2. 水泥生产中二氧化碳排放的概述：化学反应和历史趋势（↑表示反应过程中释放的二氧化碳）。2.1.2. 混凝土生产中的二氧化碳排放不仅仅是OPC行业，混凝土生产本身也在一定程度上负责温室气体排放，尤其是二氧化碳。水泥和混凝土价值链中的大部分排放与水泥相关活动有关，包括直接和间接的能源相关排放。尽管熟料占水泥质量的65%到85%，但它只占混凝土总质量的约10%到15%。然而，熟料的生产（包括热处理和煅烧）导致了与混凝土生产相关的90%到98%的生命周期温室气体排放[45]。由于混凝土生产的巨大二氧化碳排放和自然资源消耗，其可持续性优势被掩盖了。因此，混凝土行业在帮助世界在2050年实现净零二氧化碳排放方面承担着关键责任。这一责任源于混凝土行业是全球人为二氧化碳排放的主要来源之一。混凝土领域的主要排放源是波特兰水泥的生产，它是混凝土的关键粘合剂。然而，混凝土中的其他成分及其相关制造过程也对全球二氧化碳排放有显著贡献。其中，波特兰水泥的碳含量最高，其次是非卤化物增塑剂。尽管非卤化物增塑剂在混凝土中的比例仅约为1%，但对可持续性的威胁不如波特兰水泥大。混凝土领域的二氧化碳排放可以分为两个主要来源：原材料提取和加工过程中的排放，以及混凝土施工过程中的排放。为了在2050年实现净零二氧化碳排放，混凝土行业必须在所用材料和工艺方面进行重大改革。表3总结了特定于混凝土的二氧化碳排放和生命周期贡献[43,57,58,59,60,61]。2.2. 水泥和混凝土行业的高能源消耗现状目前的 cement 和混凝土行业需要消耗有限的自然资源来获得高能量，这是水泥窑生产的前提。2.2.1. 高能耗的现代OPC生产过程在当前的OPC生产过程中，第二大二氧化碳排放来源是水泥熟料过程的高能源需求，该过程通常使用煤炭、石油焦和天然气等化石能源来达到生产熟料所需的极高温度。国际能源署估计，2020年水泥所需的热能中有92%来自化石燃料的燃烧[14]。表4总结了水泥生产中的能源消耗模式、燃料依赖性和脱碳潜力，突显了化石燃料的主导地位以及现代窑系统提高效率的空间。因此，任何旨在使水泥行业脱碳的策略都必须解决石灰石脱碳过程中的碳排放和熟料生产的高能源消耗问题。针对这些挑战，已经提出了多种减少水泥制造过程中碳排放的策略。其中一些策略涉及改进水泥的成分，另一些则专注于优化生产过程本身。采用循环经济策略，如优化材料使用、推广混凝土的回收和再利用以及整合再生骨料，有助于减少对新类型水泥的需求并减少废物产生[73,74,75]。据估计，如果全面实施这些策略，到2050年每生产一吨水泥的二氧化碳排放量可以减少0.43吨[76]。水泥行业的脱碳不仅对于缓解气候变化至关重要，还能确保建筑行业的长期可持续性，因此必须克服上述二氧化碳排放问题。2.2.2. 混凝土制造中的能源利用虽然水泥生产是水泥和混凝土行业中最耗能的环节，但混凝土制造本身（不包括与水泥相关的能源需求）仍占该行业总能耗的约20%[57]。减少混凝土生产中的能源强度的努力包括优化材料比例、改善运输物流以及整合替代或再生骨料。此外，现场混凝土搅拌或使用移动搅拌站可以减少运输相关的能源需求。表5详细介绍了混凝土生产中的能源消耗情况，包括按工艺分类的数据和影响因素。为了应对当前水泥和混凝土行业中碳足迹和高能源消耗的问题，以下策略、材料、替代熟料技术、替代粘合剂和碳捕获技术将有助于在2050年前实现净零碳排放。图2展示了用于水泥行业脱碳的创新材料和先进技术。3. 用于减少水泥和混凝土行业碳排放的材料整合、效率提升和替代方案减少水泥制造中的碳排放需要一个多方面的方法，重点在于降低二氧化碳排放并提高可持续性。一种有效的方法是整合替代胶凝材料，例如粉煤灰（FA）、粒化高炉矿渣（GGBFS）和火山灰质材料，这些材料可以部分替代传统熟料，从而降低水泥的碳足迹。由于OPC和混凝土生产与较高的碳排放和能源消耗相关，将水泥和混凝土价值链与其他行业（如钢铁生产、石油精炼和轮胎制造等）整合起来提供了有前景的脱碳机会。为了减少水泥和混凝土行业的碳足迹，科学家们一直在积极研究各种替代材料，以替代或减少对传统OPC熟料的需求。这些材料在减少水泥和混凝土生产过程中的二氧化碳排放方面具有巨大潜力。以下是一些可用于此目的的替代材料的介绍。3.1. 辅助胶凝材料的整合在减少水泥和混凝土生产排放方面最有前景的方法之一是整合辅助胶凝材料（SCMs），因为它们不需要经过熟料化过程。SCMs可以从天然矿物（包括未煅烧和已煅烧的）、农业废弃物以及工业副产品中获得，可用于部分替代混凝土生产中的水泥。这些材料可以显著减少混凝土生产中所需的OPC量，从而降低总体二氧化碳排放。采用SCMs已被认为是减少水泥生产排放的最有效策略之一，尤其是在这些材料与高效生产过程结合使用时[27,78]。SCMs通常作为工业副产品产生，具有火山灰质特性，能够增强混凝土的强度、耐久性和可加工性，同时有助于减少二氧化碳排放[79]。常见的SCMs包括粉煤灰（FA）、粒化高炉矿渣（GGBFS）、硅灰（SF）、稻壳灰（RHA）等，由于其较低的碳强度和火山灰质特性而成为波特兰水泥的潜在替代品。表6概述了常用的SCMs、它们的替代程度和二氧化碳减排潜力。表7综合介绍了SCMs、混合系统、无熟料粘合剂和新兴的低碳策略。3.2. 材料回收通过用二次材料替代一次材料可以提高材料效率。这包括一系列加工方法，从回收成更高价值的产品（如SCMs）到生产较低价值的材料（如骨料）。降级利用（即用二次材料用于比原始用途更低价值的应用）是这一过程的关键组成部分[166,167]。表8总结了混凝土使用寿命结束时的降级利用及其排放影响。3.3. 建筑材料替代建筑材料替代是指用另一种具有类似功能的材料替换现有材料。这种替换可能带来环境影响的减少，也可能不会。在某些情况下，例如建筑物结构部件中，水泥和混凝土可以被替代材料部分取代。在比较单位质量和体积的排放量时，混凝土通常比木材和钢材等材料具有更低的排放量[175]。然而，用混凝土建造相同的产品通常需要比木材更多的量[176]。尽管木材的隐含排放量相对较低，但其较低的热质量导致运营过程中的排放量较高[176]。扩大木材作为建筑材料的使用引发了对其可持续性的担忧，特别是在需要大规模替代混凝土的情况下，还需要管理对木材和肥沃土地的竞争性需求。目前，木材仅占建筑材料总质量的约3%，这意味着需要大幅增加供应量才能实现一定程度的混凝土替代[177]。此外，安全和性能标准可能会限制木材替代的程度，因为现有规范可能无法完全适应工程木材产品等创新。研究在考虑用木材替代混凝土的情景时，常常采用保守的假设，例如替代率为5%，并且通常报告到2050年的排放量仅略有减少[178,179]。要显著增加木材的使用，需要实施雄心勃勃的森林和土地管理策略，以及木材基建筑的进步[180]。因此，通过用木材替代混凝土来减少建筑材料生命周期排放的潜力估计不到4%。

3.4. 高性能材料
高性能材料旨在在不改变熟料比例的情况下，通过提高整体水泥性能来减少对普通波特兰水泥（OPC）熟料的依赖。一些关键技术包括：（i）通过先进的研磨技术、使用分散剂（如化学外加剂）、精心选择高质量骨料和加入细填料来优化新鲜砂浆和混凝土的颗粒大小分布[181]；（ii）使用强度促进剂以提高基于水泥的结合剂的初始抗压强度，从而使含有较少PC熟料的水泥能够应用于更广泛的范围；（iii）提高耐久性，例如增加混凝土对氯化物和硫的抵抗能力，这支持其他材料效率措施，如更密集的产品使用、回收利用和混合材料的集成。由于每种方法的复杂性及其相互关联性，这些措施的总减碳潜力尚未确定。然而，一种有效的方法是在预拌混凝土的搅拌和养护过程中注入二氧化碳以促进更快的强度增长。据报道，这一过程可以将混凝土混合物的生命周期排放量减少约4%[182]。

3.5. 材料效率
实现材料效率在推进工业脱碳方面起着关键作用，因为它可以最小化实施节能和减排策略所需的速度、规模和成本。提高材料效率的措施涉及整个混凝土材料循环（CMC）。这些措施可以根据其类型、技术、目标材料以及涉及的利益相关者进行分类。这些措施可以分为两类：按类型（包括材料替代、减少PC熟料和提高可持续性）以及按其在CMC中的位置分类。第二种分类确保了系统视角的一致性。循环中的位置定义如下：（i）在水泥生产过程中减少排放，例如用其他具有较低从摇篮到大门二氧化碳排放的结合剂替代PC结合剂；（ii）减少混凝土中PC熟料的使用，例如通过减少过度配备和使用混合材料（SCMs）；（iii）减少产品中的混凝土使用量，例如通过减少过度配备并利用最新的3D打印技术和预制技术以及后张拉技术；（iv）延长产品的使用寿命，例如通过重复使用和翻新来延长结构和组件的使用寿命；（v）促进回收过程，如将建筑和拆除废物（CDW）转化为混凝土粉末。总体而言，材料效率措施预计可将整个混凝土材料循环的排放量降低约38%[183,184]。

3.6. 回收的OPC粉末（RCPs）
OPC浆料废料可以经过处理并重新用于制造新的水泥，鉴于不同环境中产生的大量基于水泥的废物，这一过程具有相当大的潜力。这些废物可能来自材料的实验室测试以及CDW废物[185]。通常，RCPs是通过热处理废水泥浆料产生的[171,186,187,188,189]，尽管也探索了其他生产技术，如研磨、筛分和破碎硬化浆料[171]。RCPs的关键生产方法、反应机制和应用性能在表9中进行了总结。表9. 回收水泥粉末（RCPs）的要点。

3.7. 整合环保骨料以开发回收骨料混凝土（RAC）
回收各种材料和工业废物以开发环保混凝土已成为可持续建筑中的重要实践。最初，回收混凝土技术被用作普通混凝土（NA）的替代品。目前，回收的环保骨料被用于生产RAC。骨料是混凝土的重要组成部分，占据了其体积的很大一部分，并有助于整体结构完整性。它们通常根据大小分为细骨料和粗骨料。传统上，骨料来自自然来源，如河床或通过破碎石头获得。随着混凝土需求的增加，环境影响加剧，主要是由于水泥生产中的高二氧化碳排放，以及原材料提取和骨料运输中的额外排放。采用可持续骨料在减少二氧化碳排放方面起着重要作用，因为它们可以减少或消除与传统骨料的提取、加工和运输相关的大量隐含碳。这些环保替代品还提供了经济效益，因为它们通常由低价值或无价值的废物材料制成。在美国胡佛水坝的建设中就看到了这种骨料的一个典型应用，其中使用了大量的回收混凝土。在这种情况下，回收骨料来自丹佛的斯塔普尔顿机场[194]。利用CDW废料、玻璃废料、废弃轮胎、陶瓷和大理石等废物作为骨料提供了一种有前景的解决方案，可以减少碳排放并实现可持续的建筑实践[195,196]。例如，英国每年收集约185万吨玻璃碎屑[197]，而澳大利亚每年产生约870万吨RAC和100万吨玻璃废物[198]。中国的快速城市化导致了CDW的显著增加，该国产生的MSW占全球总量的近30%，其中CDW约占40%[199]。研究表明，与标准采石材料相比，回收骨料可使二氧化碳排放量减少22%至46%，每生产一吨材料大约排放4.0公斤二氧化碳[200]。研究发现，RAC的二氧化碳当量约为每吨3.35公斤，而传统混凝土为每吨4.44公斤二氧化碳当量[201]。在道路建设中使用50%的回收骨料可以使材料的隐含能量和温室气体排放量降低约23%[202]。在混凝土中整合RAC不仅提供了显著的环境优势，还有助于资源保护、减少废物和向更可持续的建筑方式转变。要实现这一策略的全部好处，需要研究人员、行业领袖、政策制定者和社会之间的紧密合作，以应对现有挑战并推动更加可持续和有韧性的建筑行业。此外，通过使用碳酸化回收骨料混凝土（CRAC）技术，碳节约潜力可以显著提高。这项技术涉及RAC的碳矿化，也有助于碳封存工作。[202]的作者报告称，对回收骨料（RAs）进行碳处理是一种有效的方法，可以增强碳酸化回收骨料混凝土（CRAC）的机械性能和耐久性。通过将RAC和CRAC与其他废物利用方法相结合，例如将其作为SCMs或GP和AAM系统的前体，可以进一步减少碳排放[203,204]。文献中的大量研究强调了回收混凝土在降低水泥和混凝土行业碳足迹方面的关键作用，使其成为更广泛碳中和策略的关键组成部分。最近的研究还探讨了将废水泥浆料重新用于制造回收水泥的可行性。表10汇总了回收骨料的类型、优点、挑战和环境影响。表10. 混凝土中回收骨料的总结。

4. 替代熟料/结合剂材料
为了应对熟料生产的碳足迹，水泥行业的一种可行脱碳策略是采用活性替代品（ACTs）。研究ACTs是降低与水泥制造相关的碳排放的关键方法。这些创新旨在减少对传统熟料的依赖，而传统熟料是二氧化碳的主要来源之一，从而支持水泥行业在应对气候变化和促进可持续性方面的作用。ACTs由人工矿物材料制成细粉，这些材料可以与水（H2O）（水硬性）、二氧化碳（CO2）（碳酸化）或两者反应（例如，从镁硅酸盐熟料中提取的氧化镁），形成适用于砂浆和混凝土生产的硬化结合剂。这些材料可以实现快速硬化，使其适合于传统上依赖波特兰水泥熟料（PCC）结合剂的建筑应用。表11提供了低碳水泥的替代熟料技术和基于废物的结合剂方法的概述。表11. 低碳水泥的替代熟料技术和基于废物的结合剂方法。

4.1. 富含贝利特的反应性波特兰熟料（RBPCs）
RBPCs的化学成分与PC相似，包括C2S、C3S、C3A和C4AF等化合物。然而，RBPCs含有的贝利特比例超过40%，而PC中的贝利特比例约为35%[214]。由于C3S含量较低，RBPCs需要较低的加工温度，从而降低了能源消耗和二氧化碳排放。生产RBPCs的最佳熟料温度约为1350°C，比OPC生产所需的温度低近100°C。这种温度降低使得使用较低等级的燃料成为可能[214]。石灰石仍然是RBPC生产的主要原料，支持其大规模实施的可行性。此外，RBPC可以在现有OPC工厂中生产，只需对原料配方和燃料输入进行最小程度的修改。值得注意的是，中国已经使用配备预热器的干法回转窑开始了RBPC的生产。这项创新的水泥技术显示出在支持水泥行业碳中和方面的潜力。[214]的研究考察了RBPC的整体性能，包括其物理、化学、机械和环境特性。尽管如此，关于RBPC水泥的减碳潜力，公共领域的研究仍然有限。根据[215]，工业规模的低能耗贝利特水泥测试显示，与OPC生产相比，每公斤熟料可节省500-540千焦的能量。 [214]进行的热力学分析表明，生产含62%贝利特和16%铝酸三钙的RBPC可使二氧化碳排放量比含63%铝酸三钙和15%贝利特的OPC减少约32公斤/吨。此外，RBPC生产带来的能源节约还可以进一步减少总碳排放量10%[214]。研究还表明，通过加入工业副产品，RBPC的环境性能可以进一步增强。表12进一步强调了先进改性技术可以显著提高富贝利特系统的反应性和强度发展。表12. RBPCs的能量、排放和性能特性的总结。

4.2. 油页岩波特兰熟料
先前的研究探讨了将油页岩纳入水泥熟料生产的潜力，主要是利用页岩中的有机成分——主要是“干酪根”，这是一种由细菌改变的动植物残余物制成的固体产品——作为燃料来源，并更可持续地管理页岩废物。据[220]称，在波特兰水泥熟料生产中加入16%的油页岩灰（OSA）可以将熟料烧结温度降低约10%，同时保持所得熟料的基本性能。进一步的研究表明，燃烧油页岩——特别是含有较多有机物的油页岩——会产生富含二氧化硅的灰，这种灰具有火山灰活性。[221,222]的几项研究探讨了将OSA作为砂浆和混凝土混合物中部分水泥替代品的可行性。[223]的全面审查了OSA作为波特兰水泥基混凝土和地质聚合物混凝土中的补充材料的潜力。含有低有机含量的油页岩，通常称为钙质油页岩，通常具有高碳酸盐含量和与OPC熟料相当的氧化物组成。[224]的研究发现，钙质油页岩可以替代高达76%的熟料生产所需原材料，其中贝利特是主要的工业矿物，主要由二钙硅酸盐（Ca2SiO4或2CaO·SiO2）组成，在水泥化学中表示为“C2S”。贝利特（C2S）中的CaO含量低于铝酸三钙（C3S），后者是普通波特兰水泥（OPC）的主要相，是三钙硅酸盐（Ca3SiO5或3CaO·SiO2）的不纯形式。它可以在较低的煅烧温度下生产，从而减少高达10%的碳排放。此外，从油页岩燃烧中获得的能量足以满足回转窑煅烧过程的能源需求，从而替代传统的燃烧燃料并进一步减少二氧化碳排放。然而，现有的大部分文献主要关注水泥生产的技术方面，对所提出技术的环境影响关注有限。因此，未来的研究应该扩展到包括评估基于油页岩的熟料所蕴含的碳足迹，以更好地评估其可扩展性。

4.3. 降低波特兰水泥（PC）熟料的用量
4.3.1. 减少过度设计
通常，为了满足工程标准中规定的具体性能指标，使用的波特兰水泥（PC）熟料量会超过实际需要。这种过度设计主要是由于安全因素和物流优化的应用。工程师通常会预留额外的20%材料用量，以降低性能不足的风险，尤其是在场地条件可能不理想的情况下[183]。另一方面，物流优化旨在通过采用标准化的产品设计和在整个组件中通用混凝土类别来节省时间和减少施工复杂性，而不是为每个项目开发特定的混合设计或分配不同的暴露等级。这些做法在建筑行业中非常普遍，因为简单性和速度往往是优先考虑的因素。然而，这种方法导致PC熟料、水泥、砂浆和混凝土的使用量超过了技术上的实际需求[225]。
可以通过多种策略减少过度设计，包括提高建筑领域的数字化水平（例如3D打印）、精确匹配混凝土性能与暴露条件及材料规格、改进对水泥消耗和强度的监控、更多地使用预制混凝土而不是现场搅拌混凝土，以及实施如建筑信息模型（BIM）之类的规划系统来优化成本、施工可行性和建筑的碳足迹。在英国，估计通过减少过度设计可以将用于混凝土中的胶凝材料的生命周期碳排放量减少6%，对于用于产品的混凝土则可减少高达13%[184]。

4.3.2. 降低熟料比例
降低水泥中的熟料含量是减少水泥制造过程中二氧化碳排放的最有效方法之一，因为它同时减少了原材料煅烧和燃料燃烧过程中的排放。截至2014年，全球平均熟料比例为0.65[6]。中国也在2018年报告了相似的熟料比例，这主要归因于广泛使用了工业副产品如粉煤灰和矿渣[226]。相比之下，德国在2017年的平均熟料比例为0.71[227]，而欧洲的平均比例为0.74[228]。值得注意的是，爱尔兰和丹麦等国家的熟料比例较高，约为0.90[229]，而荷兰则成功将其降低到了约0.46[229]。尽管从技术上可行且有利于环境，但由于地区内合适的替代粘合剂的可用性限制，减少熟料含量可能会受到限制。此外，水泥在结构应用中的预期性能必须与其使用条件和功能要求保持一致。除了降低熟料含量外，混合材料中使用的辅助材料的种类和数量也会影响水泥的整体碳足迹。粒化高炉矿渣（GGBFS）是钢铁生产过程中的副产品，具有很大的潜力。快速冷却后，它会形成非晶结构（占比超过90%），这种结构因其碱性而具有潜在的水硬性。将其掺入水泥中可以改善耐久性和其他性能特性。这种被称为矿渣水泥的配方自19世纪工业水泥生产开始以来就一直在使用。尽管关于GGBFS全球可用性的全面估计数据有限，但国际能源署（IEA）已经提出了预测其供应潜力的方案。

4.4. 低碳替代粘合剂
尽管波特兰水泥作为混凝土的主要粘合剂已经使用了超过一百年，但其制造过程与实现碳中和或“净零”排放的全球目标不符。因此，开发低二氧化碳排放的替代粘合剂是当务之急。为此，开发新型创新的替代粘合剂，特别是那些低碳粘合剂，可能是实现水泥和混凝土行业碳中和的最有希望的解决方案之一。与PC粘合剂相比，这些替代粘合剂由于其化学成分、原材料和性能的差异，有可能降低整体碳排放[230]。这些粘合剂包括通常由铝硅酸盐前体与碱性溶液混合而成的地质聚合物水泥。其他类型的替代粘合剂则使用非波特兰熟料/水泥，例如可碳化的钙氢氧化物和镁氢氧化物与贝利特-耶利米特-铁酸盐的混合物[214]。虽然这些材料具有减排潜力，但它们的减排能力以及技术成熟度和性能存在显著差异，这限制了它们的实际应用。特别是无钢筋的混凝土更容易从这些替代品中受益，因为在使用过程中发生故障的风险较低，因为钢筋混凝土中的钢材腐蚀问题相对不那么严重。据估计，用替代粘合剂取代传统的混合PC粘合剂可以在英国建筑材料循环中减少高达28%的碳排放。这一估计基于2018年欧洲PC熟料替代率约为25%的情况。替代粘合剂必须提供长期的耐久性，确保混凝土结构在自然因素和环境条件下保持稳定。满足这些性能要求具有挑战性，但这对于在水泥和混凝土行业中广泛采用替代粘合剂至关重要。随着传统OPC生产产生的二氧化碳排放量持续上升，开发能够同时满足性能标准并减少碳排放的创新粘合剂对于实现该行业的长期可持续发展目标至关重要。根据IEA的CSI路线图，到2050年，全球对波特兰水泥（混凝土中的主要粘合剂）的消费量预计将增长23%，这主要是由于城市化进程加快和人口增长。这种需求的激增将对生产波特兰水泥所需的自然资源造成巨大压力，并导致更高的二氧化碳排放。为了在满足未来混凝土需求的同时减轻环境影响，探索和使用来自混凝土制造废弃物的替代粘合剂至关重要。在新兴的低碳粘合剂技术中，基于兰基纳特（rankinite）的水泥因其在二氧化碳驱动下硬化以及潜在的较低碳足迹而受到关注。兰基纳特（Ca3Si2O7）是一种非波特兰相，可以通过控制热处理钙硅酸盐前体形成，并在固化过程中与二氧化碳发生反应，生成有助于增强强度的稳定碳酸盐相（如方解石和文石）。研究表明，兰基纳特粘合剂可以在显著降低的煅烧温度下达到与OPC相当的抗压强度，从而降低制造过程中的热能需求和二氧化碳排放。此外，兰基纳特水泥还显示出利用工业副产品（如矿渣和富含硅的废物）作为原料的潜力，进一步降低了粘合剂生产的碳足迹。虽然技术和经济评估仍在进行中，但基于兰基纳特的系统在替代粘合剂类别中显示出广阔的应用前景，值得进一步详细研究。表13显示，与普通波特兰水泥（OPC）相比，地质聚合物系统可以实现高达80-90%的二氧化碳排放减少[1,231]。

4.5. 波特兰石灰石水泥（PLC）粘合剂
PLC最初是在20世纪80年代末开发和引入的[242]。随着人们对混合水泥环境优势的认识逐渐增强，PLC在21世纪初开始受到广泛关注[85,242]。这种水泥通过将OPC熟料、石膏和石灰石共同研磨制成，其中石灰石通常替代了10%到20%的熟料含量[243]。虽然最初的PLC研究主要集中在其机械性能和耐久性上，但其环境优势常常被忽视[244,245,246]。意识到其较低的环境影响后，PLC的采用率在21世纪初有所增加[85,244]。研究表明，PLC的生产过程中二氧化碳排放量比OPC低约10%[247]。通过整合胶凝材料（SCMs）可以进一步减少熟料含量和碳排放[248]。尽管如此，通过加入煅烧粘土作为熟料替代物，PLC的可持续性潜力还可以得到进一步提升。尽管取得了这些进展，但关于各种PLC配方在水泥行业短期脱碳策略中的作用的研究仍然有限。

4.6. 石灰石煅烧粘土水泥（LC3）粘合剂
通过整合胶凝材料（SCMs），可以进一步降低PLC中的熟料比例。LC3作为一种创新的环保替代品，被开发出来作为传统波特兰水泥的有效解决方案[98]。石灰石煅烧粘土水泥（LC3）使用煅烧粘土部分替代OPC熟料。这种创新的粘合剂显著减少了与水泥生产相关的碳排放。LC3的生产过程包括将富含高岭石的石灰石和粘土混合物在约700°至850°C的较低温度下煅烧。富含高岭石的粘土可以使用辊式炉窑、闪速煅烧装置或常规回转窑进行煅烧，因为它们的煅烧温度低于OPC熟料所需的温度[93,249]。在煅烧过程中，粘土的加热会导致化学结合水和其他挥发性物质的去除。石灰石主要由碳酸钙（CaCO3）组成，而粘土含有大量的氧化铝和二氧化硅。这两种材料的结合，加上煅烧粘土的火山灰活性和石灰石的填充作用，产生了协同效应，改善了最终粘合剂的性能。因此，煅烧粘土和石灰石的协同效应使得在混合水泥中大幅替代熟料成为可能。典型的LC3组成包括30%的煅烧粘土、15%的石灰石和5%的石膏，可以替代50%的OPC熟料，同时保持与传统OPC相当的水化动力学、机械性能和耐久性[250]。这种组合产生的胶凝材料具有与波特兰水泥相似的性能。煅烧后的粘土被细磨成粉末。碳酸钙和氧化铝的相互作用，加上煅烧粘土的火山灰反应，实现了更高的熟料替代程度。表14显示，通过部分替代熟料，LC3可以将二氧化碳排放量减少约25-40%[14]。

4.7. 贝利特波特兰水泥（BPC）粘合剂
贝利特波特兰水泥（BPC）是一种低排放、低能耗、高性能的水泥，主要由贝利特和铝酸钙组成，其强度与波特兰水泥相当。这就是为什么BPC在工业和学术研究领域受到广泛关注的原因[215,259]。最近的研究探讨了在贝利特熟料制造中加入稻壳灰、水泥窑粉尘和造纸污泥等工业废弃物作为部分替代原料的可行性。这种替代策略不仅减少了了对天然原料的依赖，还有助于节省能源并降低熟料生产过程中的二氧化碳排放。BPC通常被称为高贝利特水泥，其生产方法类似于OPC，但在原料混合物中使用的石灰石较少，并且在大约1350°C的较低温度下烧结，比OPC熟料的生产温度低约100°C[260]。BPC通常包含约50%的贝利特（2CaO·SiO2）和35%的铝酸钙（3CaO·SiO2）[214]。为了提高贝利特的反应性，在熟料形成前会在原料中加入0.5%到1%的三氧化硫（SO3），然后进行快速冷却。较低的烧结温度（约1350°C）不仅减少了氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）的生成[214]，还使二氧化碳排放量减少了约10%到12%[260]。由于水化热较低，BPC早期强度发展较慢，但在水化约28天后表现出显著的力量提升。[219] 的作者报告称，与 OPC 相比，BPC 的水化热降低了 20% 以上，其 28 天的抗压强度几乎与 OPC 相同；然而，在 90 天的养护后，BPC 的抗压强度超过了 OPC，高出 10 MPa 以上。同样，研究人员 [261] 发现，富含贝利特（belite）的波特兰水泥（BPC）在更长的养护时间内具有更高的抗压强度。他们进一步报告说，提高养护温度可以增强 BPC 的水化作用，而不会对其机械性能产生负面影响。例如，在温度从 20 °C 升高到 70 °C 的条件下，BPC 的抗压强度从 58 MPa 上升到 74 MPa，而 OPC 在相同条件下的强度则从 58 MPa 下降到 46 MPa [261]。

5. 替代/新兴技术
5.1. 硫铝酸钙水泥（CSA）或贝利特-耶利米特粘结剂
CSA 水泥，也称为贝利特-耶利米特粘结剂，其特点是氧化铝含量高，氧化钙含量低，约为 36.8% [262]。它可以通过在较低温度（通常在 1200 °C 到 1300 °C 之间）煅烧石灰石、粘土、石膏和铝土矿来合成，这比传统水泥生产所需的温度低约 100 °C 到 150 °C，从而估计可节省 15% 的煤炭使用量 [263]。CSA 水泥的二氧化碳排放系数约为 0.54 kg CO2/kg，比 OPC 低约 34% [264]。CSA 的主要矿物相包括 20–45% 的耶利米特、45–75% 的贝利特和石膏 [260]。虽然耶利米特相负责早期强度的提高，但贝利特（C2S）对长期机械性能有贡献 [265]。水化过程中，CSA 会形成钙铝硫酸盐水合物(ettringite, C6A3H32)，这决定了基于 CSA 的混凝土的早期凝固行为。自 2004 年以来，CSA 水泥的产量一直保持稳定，平均每年生产 120 万至 130 万吨 [260]，这可能是因为其高铝含量使其比 OPC 更昂贵，限制了其在快速凝固或自应力混凝土等特殊应用中的广泛使用。尽管如此，由于其较高的贝利特含量、出色的化学耐久性和较低的渗透性，CSA 仍然是传统粘结剂的一个可行替代品 [266]。在 [267] 中，通过在原料混合物（包括石灰石、粘土、石膏和铝土矿）中加入粉煤灰和矿渣，并在 1300 °C 下烧结 30 分钟来生产 CSA 熟料 [267]。他们的研究结果表明，含有 10% 矿渣的熟料抗压强度达到了 42 MPa，而含有 15% 粉煤灰、13% 矿渣和 5% 石膏的混合物的抗压强度达到了 43 MPa。通过向原料混合物中添加更多的富铁矿物，开发出了两种新型的 CSA 水泥：贝利特-耶利米特-铁矾石（BYF）和铝酸钙-耶利米特-铁矾石（AYF）[268]。BYF 通常含有 40% 至 60% 的贝利特（C2S）、20% 至 40% 的耶利米特和 5% 至 45% 的铁矾石（C4AF），而 AYF 的铝酸钙含量较高，类似于 OPC [268]。与 OPC 相比，BYF 有潜力将能耗降低多达 25%，石灰石使用量减少 60%，二氧化碳排放量减少约 20% [269]。尽管这些新型粘结剂仍处于开发阶段，尚未在工业规模上大规模生产，但已有几家水泥制造商开始进行试点生产。

贝利特-耶利米特-铁矾石（BYF）水泥主要由贝利特（C2S）、耶利米特（CSA）和铁矾石（C4AF）组成，与传统 CSA 水泥有相似之处。然而，较高的贝利特含量有助于降低原材料成本。[270] 的作者强调了基于耶利米特的水泥的进展，这些水泥可以分为两类：一类是传统的快速凝固 CSA 水泥，其贝利特含量较低；另一类是低碳 BYF 水泥，其贝利特含量较高。BYF 的工业规模开发需要替代的、低成本的氧化铝和硫酸盐来源。研究人员已经研究了多种用于 BYF 和 CSA 熟料生产的替代材料。研究的氧化铝来源包括低钙粉煤灰（FA）、大理石和陶瓷加工废弃物、铝土矿残渣、高岭土和铝阳极氧化污泥。对于硫酸盐来源，已经探索了磷石膏、褐煤衍生粉煤灰和煤炭燃烧副产品等材料。尽管许多研究 [271,272,273,274] 评估了这些替代水泥的机械性能和特性，但它们在实现全球净零碳目标方面具有显著的环境优势。建模研究表明，BYF 熟料形成的所需热能比传统 OPC 更少，有助于降低相关的二氧化碳排放。此外，C3S 含量的减少和石灰石需求的降低进一步有助于减少排放。如 [214] 所报道的，BYF 熟料所需的石灰石比 OPC 少 20–30%，从而在煅烧和燃料使用过程中显著减少二氧化碳排放。他们估计，石灰石使用量减少 20% 可以使每吨熟料的二氧化碳排放量相应减少 20%。[275] 的作者还评估了低耶利米特和高铁矾石 BYF 熟料的环境效益，发现其温室气体排放明显低于 OPC。与 OPC 不同，BYF 熟料的排放更多与能量相关，占总排放量的 34–46%。为了进一步提高 BYF 和 CSA 熟料的可持续性，工业副产品可以用作原材料。例如，[276] 的作者表明，在 CSA 熟料原料中加入粉煤灰和脱硫石膏以及铝生产过程中的 Red Mud，可以在 1250 °C 下进行烧结，从而提供减少二氧化碳排放的可行途径。[277] 的区域分析估计 BYF 熟料的碳强度为 0.62–0.65 kg CO2/kg，比 OPC 熟料低约 28%。虽然关于这些低碳粘结剂的技术知识已经取得了显著进展，但还需要进一步的研究来全面量化其环境性能和生命周期优势。表 15 总结了低碳替代熟料和水泥（如 CSA、BYF 和 Aerther）的组成、优点和局限性。

5.2. 可碳化的硅酸盐水泥和其他替代粘结剂
近年来，可碳化粘结剂因能够同时进行碳化和水化而受到广泛关注，这有助于原材料的硬化 [265]。波特兰水泥是一个典型的可碳化粘结剂示例，其水化过程会产生氢氧化钙 [Ca(OH)2]，后者容易与二氧化碳反应。尽管如此，在大气中二氧化碳浓度约为 0.04%（400 ppm）的条件下，碳化速率相对较慢，这一过程被称为“自然”或“矿物碳化”[214]。历史上，古代建筑中广泛使用的石灰基粘结剂也依赖大气碳化来硬化。这些材料仍然应用于特定的砂浆配方中，通过与周围空气中存在的二氧化碳相互作用来凝固并增强强度。

最近，可碳化硅酸盐水泥（CCSC）在加速工业应用中的碳化硬化过程方面取得了显著进展，且不会消耗过多能量。CCSC 是通过利用加速碳化来硬化硅酸盐制成的。来自硅酸盐来源（如 wollastonite）的水泥在控制温度和湿度的环境下可以快速固化。使用硅酸盐碳酸盐水泥（CCSC）的混凝土产品通常在配备专用二氧化碳养护室的预制工厂中固化 [214]。研究表明，CCSC 的生产过程中排放的二氧化碳比传统 OPC 熟料少约 30%，主要是由于其较低的钙含量 [283]，并且显著降低了与煅烧和能量使用相关的碳排放 [275]。除了主要包含 wollastonite 并通过碳化硬化的 CCSC 外，许多研究还探讨了天然和合成 wollastonite 作为水泥制造中部分替代石灰石或作为混凝土中替代粘结剂的使用 [284,285]。例如，可以用 1400 °C 生产出用 wollastonite 替代 1% 石灰石的新型熟料，从而将能耗降低 4 kcal/kg，并将每吨熟料的二氧化碳排放量减少 0.013 吨 [286]。此外，基于 rankinite 的水泥也通过二氧化碳固化来硬化，是可碳化粘结剂中的一个有前途的替代品，值得进一步研究。除了加速硅酸盐水泥的碳化策略外，基于 wollastonite 的粘结剂代表了一类可以提供超出传统 OPC 的减排效益的可碳化材料。Wollastonite（CaSiO3）是一种天然存在的硅酸盐矿物，在碳化硬化过程中能有效吸收二氧化碳，形成碳酸钙和非晶态二氧化硅相，从而提高机械性能。最近的研究表明，使用 wollastonite 作为石灰石的部分替代品或主要粘结剂成分可以降低煅烧能耗并在不牺牲早期强度的情况下减少熟料生产过程中的二氧化碳排放。此外，富含 wollastonite 的粘结剂可以在受控的二氧化碳养护环境中进行处理，从而加速强度增长并捕获原本会导致大气温室气体负荷的碳。尽管基于 wollastonite 的水泥的实际应用仍在发展中，但它们越来越被认为能够填补传统 OPC 和更激进的碳捕获硬化方法之间的差距。

混凝土行业使用了多种替代粘结剂，从部分替代传统波特兰水泥到完全用碱激活粘结剂替代 [287]。SCM（Silicate-based Modifiers）通常是各种工业过程的副产品，可以替代高达 80% 的波特兰水泥。目前使用的 SCM 有五种类型：硫酸钙（如石膏）、石灰石、天然火山灰、合成火山灰（如煅烧粘土）以及二次副产品（如煤粉煤灰和 GGBFS）。在英国，常见的水泥材料包括石灰石、石膏和各种二次材料（如煤粉煤灰和高炉矿渣），这些材料占水泥总含量的约 20% [184]。在欧洲和全球范围内，细磨石灰石是最广泛使用的材料之一。2018 年，欧洲所有类型波特兰水泥（CEM I-V）的平均熟料替代率为 25%。与 PC 熟料相比，SCM 通常产生的碳足迹要少得多 [230]。因此，通过提高水泥替代率来减少熟料含量可以降低与水泥制造周期相关的碳排放。然而，水泥替代的范围受到 SCM 的可用性和反应性的限制，反应性对早期强度的发展至关重要。据估计，由于石灰石-LC3 等技术的进步，欧洲的平均替代率有可能上升到 50% [93]。增加这类替代品的使用可能会使英国的水泥生产过程中的碳排放减少约 21%。在混凝土中部分替代波特兰水泥使用 SCM 可以带来显著的可持续性优势。这些材料有助于降低水化热，其细化孔隙结构的能力使其特别适合需要增强耐久性的预制混凝土应用 [288]。来自回收玻璃废料的玻璃粉逐渐被用作混凝土中的部分替代品。多项研究证明了在水泥复合材料中使用玻璃粉的可行性，且不会对混凝土产生不利影响 [289]。人们常常担心玻璃粉会导致碱-硅反应，但研究表明，当玻璃粉研磨至 300 μm 以下时，不会对混凝土性能产生负面影响 [290,291]。使用其他 SCM（如粉煤灰、矿渣和硅灰）作为水泥的部分替代品时也观察到了类似的结果，这些材料也不会对长期耐久性产生不利影响。使用 SCM 的一个关键限制是它们可能会延迟混凝土的早期强度增长。除了通过利用废物材料提高可持续性外，SCM 还通过改善孔隙结构来提升混凝土的整体性能，这归因于它们的火山灰活性和填充效果。SCM 在混凝土中的最佳比例因具体材料而异。例如，硅灰通常使用比例为 10% 到 15%，而矿渣和玻璃粉的使用比例分别最高可达 20% 和 10% [292]。在某些情况下，矿渣可以替代高达 50% 或更多的石灰石，从而大幅降低混凝土生产的碳足迹。然而，由于来源不同，SCMs（可持续复合材料）的物理化学性质存在变异性，这对质量控制带来了挑战。例如，矿渣的性质可能因不同的金属生产过程而有所不同。开发针对具体类型SCMs的稳健质量控制措施对于扩展其应用至关重要。混凝土行业的最新发展为GPs（地质聚合物）或AABs（铝硅酸盐基聚合物）的发展做出了贡献，这些材料因其作为混凝土粘合剂的潜力而受到关注[288]。GPs是通过使用碱性溶液激活铝硅酸盐前体（通常是矿渣和粉煤灰等废弃物）来生产的。尽管这些粘合剂具有巨大的前景，但它们仍然相对较新，研究人员正在继续研究以更好地了解它们在不同环境中的强度和耐久性表现。GPs提供了使用本地可获得的废弃物的机会，从而促进了用于多种建筑目的的可持续混凝土混合物的发展[293]。然而，仍然存在一些挑战，包括激活剂的性质、前体组成的变异性以及混合物的新鲜性质，这些限制了GPs在混凝土生产中的广泛采用[293]。预计正在进行的研究将克服当前的挑战，使地质聚合物成为下一代混凝土的有前途的粘合剂。使用替代粘合剂不仅支持环境可持续性，还为工业副产品的有益利用提供了有效的解决方案。

5.3 新兴的熟料技术
5.3.1 由硅酸盐衍生的氧化镁（MOMSs）熟料
近年来，出现了一些创新的熟料技术，这些技术专注于生产碳排放量大幅降低的水泥。其中一种基于氧化镁（MgO）的水泥配方，MgO可以从硅酸盐或某些情况下的碳酸镁来源中获得。这一领域的显著进展是由[294]开发的专利氧化镁氢 carbonate水泥，该水泥证明了其在水化产物中捕获大量CO2的能力。然而，为了使这种水泥成为低碳替代品，必须从不含固有CO2的天然镁矿床中提取MgO。因此，开发从硅酸盐岩中高效生产MgO的技术至关重要。

5.3.2 Solidia熟料技术
2016年，使用Solidia熟料技术生产的一种非水硬性粘合剂获得了专利[295]，其熟料组成与OPC（普通硅酸盐水泥）相似，但CaCO3含量较低，窑温保持在约1200°C，从而将碳排放减少了30%[296]。此外，Solidia水泥的固化过程每1000公斤粘合剂可封存约300公斤CO2，且在高温下CO2的吸收速率加快[296]。然而，由于其需要受控制的碳固化条件，其应用主要限于预制混凝土设施。

5.3.3 Celitement熟料
另一种创新的粘合剂Celitement是由德国巴登-符腾堡州乌尔姆的SCHWENK Zement KG与卡尔斯鲁厄理工学院合作开发的专利水硬性水泥[297]。它是通过合成和稳定短寿命的钙硅酸盐氢氧化物（CSH）前体来生产的，这一过程比传统方法所需能量显著减少，因此导致CO2排放量降低。

5.3.4 X-Clinker
X-Clinker是由CIMPOR和Técnico-Lisbon开发并获专利的水硬性粘合剂[298]，其原料混合物中的CaCO3含量减少了33%，钙硅比也更低，与传统的OPC相比，相关的加工过程CO2排放量减少了约25%。然而，其生产需要在1550°C下对原料混合物进行热处理——比OPC所需的温度高约100°C——这需要在工业窑中做出技术改造以支持熟料生产过程中的完全液相形成[299]。各种替代水泥技术（ACTs）之间的一个关键区别在于它们的矿物相组成。值得注意的是，替代熟料通常不包含熟料中的铝酸钙相，而铝酸钙相是OPC生产中CO2排放的主要来源。尽管这些新兴的熟料技术显示出巨大的潜力，但仍需要进一步研究来评估它们的机械性能、耐久性和长期行为。此外，全面的生命周期评估（LCAs）对于准确量化固碳排放量以及确定这些技术对水泥行业脱碳的总体贡献至关重要。

5.4 镁氧化物水泥
为了应对气候变化问题并减少传统水泥生产中的CO2排放，高镁氧化物（MgO）含量的水泥在过去十年中变得越来越受欢迎[300,301]。与传统水泥相比，基于MgO的水泥具有更强的固碳能力。这种水泥还能够吸收各种工业副产品，因为它对杂质的敏感性较低。氧化镁（MgO）可以通过碳化作用作为一种独立的水硬性材料使用[302]。最早的氧化镁氯化物水泥是由Stanislas Sorel在1867年通过将氧化镁（MgO）与氯化镁（MgCl2）反应制得的，称为Sorel水泥。尽管在建筑中的使用有限，但后续的发展催生了其他基于镁的 cement。最近，业界对基于碳酸镁（MgCO3）和硅酸盐（MgSiO3）的水泥表现出了更大的兴趣[303]。通过在700°C到1000°C之间煅烧MgCO3生产MgO会带来显著的碳足迹，每处理一吨镁矿会排放大约1.08吨CO2[304]。相比之下，硅酸盐的热处理不会产生CO2排放，因为这些材料不含有化学结合的二氧化碳[214]。基于MgSiO3的水泥可以通过将MgO与无定形硅酸盐来源或富含硅酸盐的工业废弃物（如硅灰、粉煤灰、玻璃残渣和稻壳灰）混合来生产[302,305]。MgCO3·3H2O → MgO + CO2 + 3H2O
镁氧化物水泥被归类为一种可在固化过程中捕获和储存CO2的碳化粘合剂[304]。由反应性镁水泥形成的碳化产物包括nesquehonite（MgCO3·3H2O）、artinite（Mg2(OH)2CO3·3H2O）和dypingite（Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O）等矿物，这些矿物有助于提高混凝土的抗压强度和化学耐久性[306]。多项研究表明，这些合成硅酸盐水泥具有显著的CO2封存潜力。例如，在28天的碳化后，这些水泥可吸收重量百分比在22%到26%之间的CO2，这意味着一吨镁硅酸盐水泥可以封存大约220到260公斤的CO2[302]。尽管如此，含有MgO的水泥材料的机械强度和耐久性仍面临挑战[307]。尽管镁氧化物水泥仍处于发展阶段，但仍需关注一些生产相关问题，包括承载能力、长期尺寸稳定性、抗冻融循环性以及水化热、孔隙率、渗透性和耐火性等基本性质[266]。

5.5 Solidia水泥
Solidia Technologies成立于2008年，总部位于美国新泽西州皮斯卡特韦，该公司致力于开发利用CO2生产可持续建筑材料的创新环保解决方案[308]。该公司主要开发两种旨在减少净CO2排放的产品：Solidia水泥和Solidia混凝土。2016年获得专利的Solidia水泥是一种非水硬性粘合剂，其原材料类似于OPC所用的原材料，但CaCO3含量较低，且生产温度约为1200°C，从而将CO2排放减少了30%[296]。这种水泥需要的能量更少，排放的污染物也比OPC少。Solidia混凝土是一种用CO2而不是水进行固化的专用产品，这提高了其相对于传统混凝土的性能[296]。该粘合剂的钙硅摩尔比接近1，主要由 wollastonite 或 pseudowollastonite 组成，同时含有少量 rankinite（约占重量的13%）和 belite（约占重量的3%[309]。钙硅酸相通过碳化作用固化，消除了固化反应中对水的需求[296]。在生产过程中，颗粒状原材料在天然气燃烧的旋转窑中处理，形成粒度通常在1到4毫米之间的熟料颗粒。这些熟料被研磨成平均粒径约为12微米的细粉。在制备混凝土时，将粉末与骨料、沙子和水混合，然后在高CO2浓度（60–90%）的环境中固化，促使粘合剂发生化学反应生成CaCO3和SiO2。该系统的一个显著优势是每吨粘合剂在固化过程中可封存高达300公斤的CO2，主要限制因素是CO2进入粘合剂颗粒的扩散速率[296]。为了加速固化过程，必要时可以施加超过60°C的热量，因为不会形成ettringite[283]。固化过程中产生的碳酸钙填充了混凝土内部的孔隙，从而使内部结构更加致密，而二氧化硅（SiO2）在反应的混凝土颗粒表面形成一层[296]。尽管Solidia水泥不通过传统的水化作用固化，但在过程中水仍然是必不可少的，它确保了适当的可操作性，并通过逆扩散机制促进固化，其中水分子逐渐被CO2分子取代。由于水不会被化学消耗，大约90%的水可以被回收，其余部分则嵌入到硬化后的混凝土中。Solidia混凝土的强度特性与OPC相当，但固化时间较短[309]。此外，碳化反应会释放约87 kJ/mol的热量，这些热量在混合水的蒸发过程中被吸收[283]。与传统混凝土相比，Solidia方法可以通过碳化作用在四十年内吸收高达48%的水泥相关过程排放，因此具有显著降低总体CO2排放的潜力[76,204]。预计该技术每年至少可以节省1.5 Gt的CO2，节约3万亿升的水，减少水泥行业6700万吨的煤炭消耗，并将1亿吨混凝土从垃圾填埋场转移出来。尽管Solidia水泥显示出巨大的潜力，但其应用目前受到限制，因为固化过程需要严格控制CO2浓度。这种控制水平只能在专门的预拌混凝土设施中实现[310]，这限制了其作为OPC实际替代品的广泛应用。然而，在2013年和2015年，美国德克萨斯州圣安东尼奥的Solidia Technologies公司与瑞士苏黎世的Lafarge–Holcim签订了联合开发和商业协议，以扩大其水泥和混凝土解决方案的商业化。这一合作开发了一种使用独特CO2固化技术的创新混凝土，与OPC相比，碳排放减少了多达70%[308]。该公司正在积极推进适用于铺路和非钢筋混凝土结构的解决方案，扩大其应用范围。对两种类型的混凝土产品进行了CO2足迹减少的评估：混凝土铺路板和空心芯板。基于Solidia水泥的混凝土铺路板每吨可捕获236公斤CO2，而空心芯板每吨可捕获220公斤CO2。总体而言，与OPC相比，铺路板的CO2节省量约为59.4%，空心芯板为57.4%[296]。此外，Solidia Technologies从美国能源部获得了210万美元的资金，用于通过直接从烟气中捕获CO2来开发碳化SCMs。这些新型碳化SCMs在性能上优于传统的SCMs，如粉煤灰和GGBFS。实验室规模的混凝土实验表明，这种碳化方法可以作为OPC的低碳替代品[311]。此外，Solidia与全球气体和工程领域的领导者Air Liquide合作，设计了CO2固化设备，并提供了Solidia专利技术所需的CO2及相关系统。这一合作促进了CO2固化技术的开发，不仅提高了产品性能，还减少了环境影响。Solidia和Air Liquide正在共同努力推动创新，并探索新的市场机会，为价值1万亿美元的全球混凝土行业提供可持续替代方案[312]。

5.6 Celitement或钙水硅酸盐水泥
Celitement，也称为钙水硅酸盐水泥，是由德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和SCHWENK Zement KG共同开发的一系列专利水硬性粘合剂[313]。这种材料是通过煅烧类似于OPC所使用的原材料制成的，其CaO/SiO2的比例在1到2之间[278]。Celitement的核心创新在于生成并稳定一种瞬态前体——钙硅酸盐水合物（C-S-H），从而形成一种水硬性粘合剂[314]。制造过程强调创建一个中间相，称为水硬性钙硅酸盐（hCHS），其在结构上类似于C-S-H，但在化学组成上略有不同[315]。这种粘合剂的特点是生产过程中的能耗较低，从而减少了CO2的排放[314]。原材料通常包括CaO或Ca(OH)2，再与石英砂结合[316]。Celitement的生产包括两个主要步骤：首先是煅烧阶段，将富含CaCO3的材料加热到约1000°C，然后在200°C和12巴饱和蒸汽的压力下进行高压釜处理。这一高压釜步骤使得整个过程实现了完全电气化，并产生了α-C2SH，当其与硅酸盐成分混合时，会形成无定形的钙硅酸盐[317]。从高压釜中出来的产品由于强氢键的作用而变得稳定，因此不具备水硬性。在随后的研磨阶段，这些氢键被破坏，促进了新的无定形hCHS相在硅酸盐核心周围的形成[316]。最终产物主要是无定形的，具有高度无序的相结构和较大的比表面积，含有Q0和Q1硅酸盐物种[316]。经过17到20小时的水化后，hCHS转变为有序的C-S-H相，释放出的水化热相对较低（120–150 J/g），并达到了与OPC相当初期的强度[314]。Celitement的一个显著特点是其氧化钙含量较低（约43%），这归因于不含有高度活泼的钙铝酸盐（如C3A），从而减缓了水化过程。Celitement对硫酸盐侵蚀具有很高的抵抗力，并因其耐久性而受到好评[314]。研究表明[314,318]，在水化约15小时后，产品开始形成AFm和C-S-H，20–30小时后生长速度加快。7天后，Celitement释放的热量为约200 J/g，远低于OPC；28天后其抗压强度达到61.1 N/mm2。此外，它在蠕变、收缩和冻融耐久性方面表现出与传统水泥相当的性能。由于其石灰含量低，Celitement的孔结构较为紧密，因此更耐碳化。由于其石灰含量低，它有可能将CO2排放量减少高达50%[265]。尽管Celitement的生产过程与传统波特兰水泥的制造方法有根本不同，这给大规模工业应用带来了挑战，但该技术正在通过示范阶段取得进展。

6. 水泥-混凝土行业中替代燃料的使用
实际上，水泥行业一直在探索替代燃料，以减少熟料生产过程中的CO2排放。燃料转换提供了多种减少CO2排放的机会，尤其是考虑到该过程的排放占了整个行业CO2排放量的近60%。用低碳燃料（如生物质和氢气）替代化石燃料，可以显著帮助减少排放。传统上，水泥窑使用煤炭、石油焦和天然气等化石燃料作为燃料，这些燃料占该行业碳足迹的很大一部分。近年来，常用的替代燃料包括废油、预处理的市政或工业废弃物、塑料、纺织品、纸张废弃物、工业织物、溶剂等。目前，水泥行业利用各种生物质衍生燃料——如废旧轮胎、稻壳、废木料、废油、污泥和其他有机残留物——作为传统化石燃料的部分替代品。虽然这些替代燃料在减少水泥生产碳足迹方面显示出前景，但尚未达到实现行业脱碳目标所需的程度。研究表明，根据燃料组合和所采用的技术，替代燃料可以将水泥生产的总CO2排放量减少多达10%。然而，更根本的解决方案是水泥生产的电气化，特别是当电力来自低碳或可再生能源时。根据CEMBUREAU（欧洲水泥协会）的数据，从化石燃料转向不可回收废物和生物质，并结合使用替代原材料，到2050年有可能将水泥行业的CO2排放量减少15%。尽管如此，由于石灰石脱碳阶段的CO2排放仍然显著，水泥生产的全面电气化仍具有挑战性。替代燃料通常比传统化石燃料和天然气具有更低的碳足迹，因为它们的二氧化碳排放因子较低。这些燃料的一个显著优势在于许多来源于生物质或含有生物质成分。2016年的GNR数据显示（涵盖了全球19%的水泥厂），替代燃料约占水泥行业总热能消耗的10%，其中生物质占这些燃料的约6%。某些地区，特别是欧洲，采用替代燃料的比例更高，平均替代率为41%。奥地利和德国的一些水泥厂甚至实现了完全替代化石燃料。到2050年，如果将化石燃料的依赖度降至24%，热能使用的CO2排放量可以从0.088 t CO2/GJ降至0.058 t CO2/GJ。然而，扩大替代燃料的使用面临诸多障碍，主要与寻找具有足够热值以实现有效燃烧的原料有关。此外，氯含量、微量污染物以及这些燃料的物理特性等因素也起着重要作用。采用这些燃料需要专门的进料和储存系统，以及严格的质量控制措施，包括在进入窑炉前的预处理。在高替代率的情况下，有时还需要对燃烧器进行改造并安装旁路系统来调节窑炉内的氯化物循环。联合国环境规划署的《全球废物管理展望》强调了一种策略，即在2030年前优先考虑废物减少、回收和再利用，同时大幅减少填埋场的使用、露天焚烧和无序废物倾倒。据世界银行报告，到2050年，全球废物产量预计将比2016年增加70%，达到3.40亿吨。在许多低收入国家，超过90%的废物仍然通过未经监管的填埋场或露天焚烧处理，这凸显了改进废物管理和回收系统的紧迫性。未来水泥行业的替代燃料供应将与其废物收集和处理技术的进步密切相关。ECOFYS和CEMBUREAU在2012年的研究表明，欧盟国家约有1.17%的废物在水泥窑中共同处理，其中很大一部分废物用于能源回收。欧盟送往填埋场的废物比例为29%，远低于世界银行报告的全球平均40%。此外，全球仍有大约三分之一的废物通过露天倾倒处理。除了提供热能外，替代燃料还在熟料生产阶段发挥作用。废物燃料产生的灰烬残渣通常成为熟料成分的一部分，例如由塑料、纸张和纤维组成的RDF（废物衍生燃料）。然而，必须确保替代燃料的使用不会影响熟料质量或导致不希望的排放。尽管工艺排放占水泥制造总CO2排放量的约60%，但从化石燃料转向低碳替代能源可以大幅减少与燃料燃烧相关的排放。一种潜在的解决方案是在水泥窑中用废生物质替代煤炭。研究表明，在水泥窑和石灰窑中，最多可以用生物质替代20%的煤炭，而不会影响产品质量[319]。增加生物质的比例通常需要通过热解进行预处理，这是一种在低氧环境下进行的热分解过程，可以降低水分含量并提高固定碳浓度。这种方法产生的生物炭，如果由木质生物质、坚果壳或果核等材料制成，其能量密度可与次烟煤相当。基于生物质的燃料被认为更可持续，因为它们释放的碳最初是从大气中的CO2捕获的。然而，生物炭中的固定碳意味着窑炉的排放可能仍然与传统水泥制造相当。需要进行全面的生命周期评估（LCA），以量化净CO2减排量，包括生物质收集、运输和处理的排放。另一种燃料转换的机会是用氢气替代天然气来加热水泥窑。氢气燃烧仅产生水蒸气，从而消除了燃料燃烧过程中的直接CO2排放。然而，有效实施可能需要修改窑炉燃烧器和配置，以优化燃烧效率、热传递和窑炉材料的寿命。为了评估氢气作为燃料替代品的实际减排潜力，需要进行LCA，考虑各种氢气生产方法，包括蒸汽甲烷重整（SMR）、带CCS的SMR和电解。例如美国马萨诸塞州索默维尔市的Sublime Systems公司开发的创新方法改变了传统的水泥制造方式。该公司采用电化学方法生产氢氧化钙[Ca(OH)2]，消除了传统的热石灰处理过程[320]。随后，这种氢氧化钙与铝硅酸盐一起在氧燃料燃烧窑中加热，生成水泥，为减少水泥生产中的碳排放提供了有希望的途径。全球水泥制造的CO2排放量约为每吨熟料563至831公斤。工艺排放主要来自石灰石的煅烧，每吨熟料产生365至560公斤CO2，而能源使用产生的排放量约为168至476公斤CO2[6,321,322]。根据[323]的数据，2016年水泥行业全球贡献了约2.2亿吨CO2排放，并消耗了11艾焦的能量。研究表明，将水泥生产设施转变为零碳燃料可以将排放量降低25%至40%[322]。已经引入了多种替代燃料技术（AFTs）来减少熟料生产过程中的能源消耗相关的碳足迹，这些技术大致可分为三类。表16总结了水泥生产中用于减少碳排放的替代燃料和能源策略，包括传统燃料、生物质、氢气和废物衍生燃料。

表16. 水泥生产中用于减少碳排放的替代燃料和能源策略
6.1. 氢气（H2）作为水泥窑的燃料
氢气（H2）为减少水泥制造中的碳排放提供了一种可行的替代方案。用氢气替代传统化石燃料可以消除固定燃烧源的CO2排放，因为氢气燃烧仅产生水蒸气（H2O）。然而，在水泥窑中有效使用氢气需要修改燃烧器和窑炉几何结构，以确保高效燃烧、热传递和窑炉材料的寿命，这可能会受到氢气燃烧过程中产生的高温的影响。氢气可以通过不同的途径生产，每种途径对水泥价值链的影响各不相同。灰氢通常通过不进行碳捕获的蒸汽甲烷重整（SMR）产生，与较高的CO2排放相关，因此对脱碳贡献不大。蓝氢通过结合CCS的SMR产生，可以减少净排放，可作为水泥厂的过渡解决方案。绿氢通过可再生能源驱动的水电解产生，几乎零排放，是实现水泥生产脱碳的最可持续选择[337]。因此，氢气的环境效益很大程度上取决于所选的生产路径及其在水泥价值链中的整合方式。水泥行业可以通过两种主要方式利用氢气：直接作为熟料生产的燃烧燃料，或者通过在水泥厂内回收热量间接生产氢气。研究表明，用氢气替代煤炭可以显著减少碳排放：直接用于熟料生产时可减少44%的排放[72]，当集成到基于氢气的能源混合物中时，可减少15–19.6%的排放[332]。在西班牙和英国，由Cemex、San Pedro Garza García（墨西哥新莱昂州）、Heidelberg Cement（德国巴登-符腾堡州海德堡市）等公司领导的试点项目已经在探索将氢气整合到燃料系统中。此外，还提出了结合废气气化和氢气生产的混合系统，以及利用回收的废热生成氢气的方案，以降低成本并提高能源效率[333,334]。尽管氢气具有潜力，但在水泥制造中的应用仍面临技术和经济挑战，包括改造现有基础设施、调整燃烧器和窑炉的设计，以及可靠地获取低碳氢气来源。关于氢气使用的讨论通常涉及燃烧前碳捕获、二次燃料整合和氧气燃料燃烧策略[338]，以及通过电解生产氢气来支持氧气燃料碳捕获与封存（CCS）或灵活电力系统的机会[339]。因此，选择合适的氢气路径对于实现水泥价值链的实质性脱碳至关重要。

6.2. 生物质和废弃物作为替代燃料
在水泥生产中，主要的燃料替代机会之一是用生物质替代煤炭。根据[323]，生物质和废弃物衍生燃料可以来自农业、食品加工、畜牧业、制造业、包装、建筑、家庭、社区和运输等多个领域。许多研究根据这些燃料的成分和较低的 calorific value（LHV）评估了它们的最佳替代比例。农业副产品如稻壳、椰壳和橄榄残渣，其LHV在10.39至29.86 MJ/kg之间，已被有效用于满足水泥窑的热需求[335,336]。虽然农业生物质中的固定碳含量通常低于45%，但由于植物生长过程中吸收了二氧化碳，它通常被认为是碳中性的。生物质已成功替代了水泥制造中高达20%的传统化石燃料，同时保持了燃烧稳定性和熟料性能[340]。Lafarge Canada、Holcim、Cemex、Heidelberg和Italcementi等公司已经将生物质纳入其生产流程，替代了高达25%的传统燃料。此外，[341]的作者报告称，生物燃料有潜力在不需重大基础设施升级的情况下替代水泥制造过程中高达30%的传统化石燃料。运营效率的提高可以进一步增加这一替代率。一个显著的例子是在水泥窑中使用肉骨粉（MBM）作为替代能源，尤其是在欧盟禁止将其用于牛饲料之后。MBM燃烧不仅提供热能，还能有效消除病原体污染物。其加热值在14至28 MJ/kg之间，大约是煤炭能量含量的一半[335]。多个欧洲国家使用MBM作为燃料，替代比例从2%到15%不等，澳大利亚的一些工厂甚至使用MBM替代了高达40%的化石燃料[342]。另一种广泛用于水泥生产的废弃物燃料是污泥。它可以被焚烧并与粉煤混合或在窑中共燃以回收能量。[343]的作者发现，污泥的加热值约为8.3 MJ/kg，适合用于水泥窑。其应用可以替代多达14%的原材料，同时将化石燃料依赖度降低多达70%。此外，固体回收燃料（SRF）和废物衍生燃料（RDF）——来自城市固体废物——也有望显著减少温室气体排放。这些燃料的加热值通常在15至21 MJ/kg之间，可以替代水泥制造中高达30%的传统燃料[344]。报废轮胎和各种塑料废弃物（LHV在28至40 MJ/kg之间）在这种情况下也是高效的能源载体。研究表明，使用轮胎和塑料衍生燃料可能比使用煤炭和天然气更具成本效益，尽管其减排潜力仍需进一步研究。例如，研究人员[345]证明，使用来自不可回收塑料和纸张废物的工程燃料可以将每吨燃料的温室气体排放量减少多达3吨。然而，还需要进一步研究以全面评估其整体减排效果。生物质有可能替代水泥和石灰窑中高达20%的煤炭，而不会影响最终产品的质量。这是可行的，因为生物质中的碳来自生物起源——是在植物生长过程中从大气中吸收的。因此，燃烧时产生的CO2排放被视为自然碳循环的一部分，从而有效减少了净排放。然而，如果 biomass 的替代比例超过20%，通常需要通过热解进行预处理。在这个过程中，生物质在低氧条件下进行热处理，以降低其水分含量并提高固定碳含量。最终产品——即生物炭——具有更高的能量密度，可以作为亚烟煤在水泥制造中的替代品。虽然 biomass 替代有助于减少排放，但需要从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA）来全面评估 CO2 减排效果。LCA 应考虑与生物质收集、运输和预处理相关的所有排放，以确保准确评估净减排量。在欧洲，生物质燃料提供了约14%的粉烧过程中所需的热能；然而，由于与食品生产的土地用途竞争和技术限制（包括其相对较低的能量含量，通常需要进一步处理），其使用受到限制。此外，生物质还可能影响波特兰熟料的生产化学过程[183]。如果不考虑供应限制，从2012年到2050年，生物质可以帮助英国水泥生产减少约11%的排放。然而，这一乐观估计应持谨慎态度，因为供应限制可能会显著限制其影响。水泥设施可以将低级生物质源（如农业废弃物）纳入燃料混合物中，从而同时实现能源生成和有效废物管理[335]。

6.3. 氧气燃料和氧气燃料碳捕获
氧气燃料燃烧系统在富氧环境中燃烧燃料，并结合回收的烟气，而不是环境空气，被认为是水泥制造中碳捕获的主要策略之一[346,347]。这种技术产生的烟气主要由CO2和水蒸气组成，可以通过冷凝直接分离CO2。相比之下，燃烧后捕获需要耗费能量的化学过程来分离CO2。富氧环境还可以支持替代燃料的燃烧以产生热能。在氧气燃料过程中，循环烟气对于维持适当的窑温和服务气体流动动态至关重要[348]。在熟料生产中采用氧气燃料系统需要额外的电力来生成氧气（大约每公斤O2 0.2 kWh）和净化CO2流（每公斤CO2 约0.154 kWh），以便运输和储存[349]。这些修改都包含在氧气燃料碳捕获方案中。完整的氧气燃料概念涉及回收来自熟料冷却器的燃烧气体，以调节窑温并为预热塔中的旋风分离器提供所需的气体流动。然而，烟气循环需要大量的资本和运营投资。第二代氧气燃料技术旨在通过实现几乎纯氧下的燃烧来提高效率，从而取消了对烟气循环回路的需求。该方法比早期的氧气燃料技术更高效，并降低了运营成本[350]。第一代和第二代系统的实验结果和模拟数据都被纳入了不确定性分析中。从水泥制造中捕获的CO2可以重新用于合成电子燃料——这些燃料在运输、化工生产、塑料和食品加工等行业中具有商业可行性。在某些情况下，这种方法可以通过抵消传统制造路径的排放带来环境效益。在氧气燃料模型中，从基于氧气燃料的水泥生产中捕获的CO2与氢气结合生成合成气（H2和CO的混合物），然后通过费托合成（FT）工艺催化转化为液体燃料。这种转化需要通过电解获得氢气，并通过逆水煤气变换反应（一种吸热、基于平衡的反应）从CO2生成CO。FT工艺产生石蜡、柴油和喷气燃料等碳氢化合物。在FT反应器中生产1公斤CO需要大约1.57公斤CO2和0.07公斤氢气[351]。产出取决于温度、压力、催化剂选择和反应动力学等变量[352]。最终的燃料混合物通常包含不同比例的石蜡、柴油和喷气燃料。然而，大约23%的碳原料没有转化为其他产物，而是释放到大气中。任何未反应的碳氢化合物和蒸汽用于共同发电，部分抵消了电解过程的能源需求。

6.4. 电力在水泥生产中的应用
电气化是一种正在探索的方法，旨在最小化与水泥制造相关的碳排放。熟料工艺的电气化需要对水泥窑中使用的技术和所需基础设施进行重大改变。将OPC制造中使用的最佳可用技术（BAT）转换为完全电动的过程面临重大挑战，因为它需要对现有工厂基础设施和运营系统进行重大改造。此外，由于脱碳阶段占水泥生产CO2排放量的60%以上，显然，解决材料组成问题而不是仅仅关注能源供应，对于实现显著减排至关重要。在这种情况下，替代粘结剂和新兴技术将在水泥行业的脱碳过程中发挥重要作用。无论是直接还是间接（如通过氢气生成），水泥窑的电气化都有潜力显著改变水泥生产过程。然而，电气化可能需要大量投资和对熟料生产过程的改造，并可能引发对产品质量和性能的影响，特别是在超过1000°C的温度下，这是熟料生产所必需的。这种方法遇到了极高的煅烧温度带来的重大障碍。为了解决这个问题，一些水泥生产商已经启动了试点项目，研究微波加热、等离子炬和电驱动闪速煅烧等电气化方法。例如，瑞典的CemZero计划正在试验使用热等离子系统生产熟料。[353]的作者指出，水泥、钢铁和化工等行业的电气化面临重大挑战。尽管如此，电力转化为热能的技术为水泥行业提供了潜力，尽管可扩展性仍然是一个关键障碍。不过，电气化可以消除约占水泥生产排放量23%的直接燃烧排放，并且由于电力成本低，可以使直接碳捕获与封存（CCS）更具成本效益[354]。因此，电气化具有显著的脱碳潜力。如果电力来自净零技术，电气化措施可以将水泥生产排放量减少多达23%。通过用电力驱动的系统替代基于化石燃料的窑炉加热，可以降低水泥生产的环境影响。随着太阳能光伏、风能和储能技术成本的持续降低，将电气化与可再生能源结合为水泥行业脱碳提供了可行的途径[355]。电气化已成为水泥生产中越来越可行的替代传统燃烧方法的选择。与燃气炉相比，电炉产生的CO2、NOx和SOx直接排放量很少，尽管其运行寿命可能较短。[353]的研究人员指出，大约36%的水泥制造过程（主要是石灰石的煅烧）可以电气化。然而，目前熟料燃烧阶段的热能需求超过了现有电气化技术的能力。Cementa和Vattenfall在瑞典开展的CemZero项目[356]探索了通过创新技术（如等离子技术）完全或部分电气化水泥生产过程的可能性。该项目的2018年报告指出，虽然电气化水泥生产的成本大约是传统方法的两倍，但仍可与其他激进减排技术竞争[357]。另一个研究电气化的运营项目是比利时（欧盟）的低排放强度石灰和水泥（LEILAC）项目，该项目得到了大型联盟的支持[358]。该项目探讨了使用直接分离方法在煅烧阶段捕获和储存CO2的可行性，该方法生成了高浓度的CO2流。在这个领域，一个有前景的发展是一种电化学方法，该方法可以将CaCO3转化为Ca(OH)2，为减少水泥行业的二氧化碳排放提供潜在的解决方案。这项技术的工作原理类似于电池，通过电解捕获多余的能源，并将石灰石转化为氢氧化钙。实验室规模的测试已经证明了这一过程的可行性，并且它对于大规模、分散式和灵活的水泥厂运营具有前景。Tokheim等人[359]也回顾了结合煅烧和二氧化碳捕获的工艺。

6.5. 电解生产氢氧化钙
另一种创新的脱碳方法是通过电解处理石灰石，从而消除了在石灰石热处理过程中对化石燃料的需求。一家名为Sublime Systems的公司正在引领这种方法。他们没有使用依赖化石燃料的传统高温窑炉，而是通过电解生成氢氧化钙[Ca(OH)2]。随后，生成的氢氧化钙与铝硅酸盐一起在氧燃料窑中处理以形成水泥。这种方法通过避免石灰石的高碳热分解，显著减少了排放量。此外，如果电解过程中使用可再生电力，它还为水泥行业提供了实现碳中和的潜在途径。

6.6. 等离子体和微波技术
等离子体技术能够达到超过2000°C的温度，在废物处理和某些钢铁生产领域已经得到应用[360]。基于等离子体的系统已经显示出在特定水泥制造阶段达到所需高温的能力，运行效率在85%到90%之间[354]。它们在水泥制造中的潜在应用可以通过将二氧化碳回收为等离子气体来实现无二氧化碳水泥生产的目标[361]。尽管等离子体技术具有潜力，但它也存在一些局限性，例如反应环境的过度加热可能会影响熟料的质量，因为这会改变其相组成。此外，电极的运行寿命也相对较短[362]。在CemZero项目中，使用等离子气体作为热源的实验室规模实验表明可以生产出标准质量的水泥熟料。然而，还需要在工业规模上进行进一步研究，特别是评估旋转窑内的热传递动力学[356]。虽然微波技术尚未在全面工业环境中得到广泛应用，但它在较低温度下的应用已经显示出成功率，并且可以将水泥窑的能源效率提高多达40%[354]。

6.7. 电磁加热
电磁加热技术利用电磁波产生高温，效率可达到90%。这些技术的优势在于能够快速加热目标材料，从而显著提高能源效率[363]。
以下是使用电磁能量进行加热的技术示例：
6.7.1. 感应加热
当导电材料暴露在变化的磁场中时，会产生内部分子摩擦并产生热量。为了调节温度，感应炉通常配备了水冷线圈，从而实现熟料炉的快速加热和冷却。虽然这种技术加热迅速且高效——常用于金属熔炼——但如果提供的热能超过煅烧过程的需求，可能会导致过热[364]。
6.7.2. 微波加热
微波加热利用电磁波以辐射的形式传递热量，直接将能量传递给材料。[365]的研究作者探索了使用微波炉进行煅烧的方法，达到了1160°C的温度。他们发现，与传统方法相比，微波加热更快、更节能且排放的污染物更少。涂有氧化铜的耐火陶瓷的应用显著降低了能耗，并将处理速度提高了一倍。尽管微波加热在转化生物质、处理副产品和处理废物方面显示出潜力，但其广泛应用仍然主要局限于实验室实验[366]。尽管它能够快速从内部加热大量材料，但由于其在工业规模上的高运营成本，其广泛采用受到了限制。
6.8. 电阻电加热
“电阻电加热”技术通过电流通过电阻元件来产生热量，该元件通常被包裹在保护罩内。然后通过气体对流、辐射或直接传导/辐射将热量传递给材料，从而实现原料与加热元件之间的接触。这种方法已用于玻璃熔炼，既可以作为燃气炉的辅助加热方式[367]，也可以完全替代传统的加热系统。电玻璃炉通常采用垂直熔炼配置，原材料从顶部投入，熔融产物从底部收集。加热是通过钼电极实现的，电极的布置显著影响运行效率[363]。根据[368]的研究作者的说法，将电极排列成中央纵向排列可以优化空间利用并最大化熔炼性能。这些炉子的效率可高达87%，适用于各种高温应用[363]。

6.9. 提高热能效率
用于熟料生产的燃料燃烧约占水泥制造总二氧化碳排放量的三分之一。因此，优化熟料烧制的热能消耗至关重要。水泥生产过程中的吸热反应——主要是石灰石煅烧、熟料相形成和原料干燥——需要每吨熟料至少1850到2800 MJ的能量输入。这一能源需求高度依赖于原料的含水量及相关干燥要求。由于能源成本占总生产成本的很大一部分，水泥制造商不断寻求提高窑炉的效率。因此，水泥厂中熟料烧制的能源效率相对较高，进一步降低的空间有限[369]。目前没有预计会出现能够大幅提高热效率的颠覆性创新[370]，进步主要是渐进式的。可能的改进措施包括升级冷却器、增加额外的旋风分离阶段或引入助熔剂以促进原料的点燃和燃烧。预煅烧窑代表了最先进和最高效的技术，实现了最低的热能消耗。虽然增加窑炉容量可以提高能源效率，但用更大的窑炉替换较小的窑炉需要大量的资本投资。此外，特定现场因素（尤其是原料的含水量）对干燥过程中的能源消耗有显著影响。由于窑炉的寿命约为50年，现代化改造而非完全替换通常是行业首选的方式。尽管如此，如果水泥行业继续采用尖端技术，到2050年全球平均热能消耗量可能会下降约10%[371]。利用预热器废气和冷却器排放空气中的废热可以进一步降低水泥厂的 overall 热能需求——特别是在干燥原料（如矿渣）的过程中。然而，用于发电的废热回收（WHR）并不会直接提高熟料生产的热效率，因此不会直接降低熟料制造过程中的二氧化碳排放。WHR系统在日本和中国等国家得到最广泛的采用，因为它们提供了经济高效且可靠的能源解决方案，尤其是在电力供应受限的地区[372]。由于水泥生产中的废热通常质量较低，其转换为电能的效率较低——通常在15%到25%之间。有效的实施涉及集成热回收锅炉和基于涡轮机的发电系统。在现有的技术中，蒸汽朗肯循环是全球最普遍的应用。然而，在200–400°C的低温范围内回收热量时，可以使用有机化合物或氨等替代工作流体，采用有机朗肯循环（ORC）或卡利纳循环作为更合适的选择。尽管初始投资成本较高，但WHR的实施有可能将每吨熟料的电能消耗降低10–22 kWh，同时间接减少每吨熟料的二氧化碳排放量5–11 kg[371]。
6.10. 提高电能效率
在水泥制造过程中，大部分电能消耗在原料处理和熟料生产阶段，因为这些阶段占能源总需求的绝大部分。不同研磨系统的功率需求各不相同，选择研磨技术时必须考虑能源消耗以及对目标市场水泥质量的影响[370]。此外，生产高强度水泥需要更细的研磨，这反过来又增加了能源使用量。在熟料生产中，采用格栅冷却器等技术可以帮助降低热能需求；然而，这些进步可能会导致由于需要更先进的处理设备而增加电能消耗。预计到2050年，水泥生产的平均电能需求可以从目前的每吨水泥104–110 kWh降低到约90–95 kWh[370]。尽管某些减排措施（特别是针对氮氧化物和二氧化硫的措施）可能会增加总电能消耗。此外，新兴的碳捕获技术预计也需要大量能源输入。尽管会不断努力提高水泥制造的能源效率，但大幅降低能耗的潜力有限。因此，确保可再生能源的稳定供应对于水泥行业有效减少间接二氧化碳排放至关重要。
6.11. 提高能源和原料效率
任何脱碳策略的一个基本方面是提高系统效率，因为这可以降低燃料消耗、减少运营成本并减少碳排放。传统的水泥制造仍然是热效率最高的工业操作之一，接近理论最大热效率的70%[17]。进一步提高效率的一个潜在途径是将水泥制造与其他行业结合，这些行业可以利用水泥厂排放的废热，从而提高整个工业的能源效率。由于水泥是混凝土的关键成分，混凝土的拆解和回收提供了另一个提高效率的机会。先进的智能破碎技术可能能够分离水化态和非水化态的胶凝相以及骨料，促进材料的更大程度再利用。如果这些回收方法在经济效益上与传统水泥生产具有竞争力，它们可以帮助降低未来建筑项目的整体水泥需求。另一种减少混凝土配方中水泥需求的策略是引入替代燃料（SCMs），如前文详细讨论的那样。此外，用可再生电力替代水泥生产中的化石燃料也是一种有前景的替代方案。虽然工业规模的旋转窑炉可以使用电力驱动，但这种方法往往由于电能转化为热能的效率低下而导致材料处理速率降低。美国奥克兰的Brimstone Energy公司正在开发一种替代材料的方法，旨在用其他富含钙的矿物替代传统石灰石[373]。该方法涉及使用酸浸工艺从各种矿物中提取钙，生成钙盐，然后通过热处理制成胶凝材料。如果成功商业化，这项技术可以为降低水泥制造过程中的温室气体排放提供新的途径。
6.12. 提高水泥生产的能源效率
通过提高工业过程的能源效率进一步减少排放的潜力受到过去几十年已经取得的广泛改进的限制[183]。由于热处理是波特兰水泥生产中最耗能的阶段，能源效率的提升主要集中在水泥窑的运营上。从湿法到干法的转变是最具影响力的升级之一；然而，大约86%的全球PC熟料生产已经采用了干法[184]。其他效率措施包括集成预煅烧炉、氧气富集、预热器和废热回收。据估计，这些基于窑炉的措施可以进一步减少英国水泥制造过程中的排放量约2%[374]。电能效率措施，如电压调节、功率优化和先进设备的应用，为水泥厂提供了成本节约的机会，同时将水泥循环排放量减少约1%[374]。除了水泥生产之外，混凝土本身也可以在建筑设计中提高能源效率。其热质量特性可以降低加热和冷却需求——可能将加热需求降低多达20%，冷却需求降低多达5%[375]。通过作为热能存储的方式，混凝土可以补充波动的可再生能源，使其更好地融入电网。虽然一些研究表明，利用混凝土的热质量可以将每个建筑的排放量减少多达25%，但由于能源生产、储存、材料选择和建筑运行之间的复杂相互作用，很难为这一策略确定一个确切的减排数值。提高水泥生产的能源效率对于减少行业的碳足迹和实现可持续发展目标至关重要。水泥制造是一个能源密集型过程，在原材料准备、熟料形成和研磨等关键阶段会消耗大量能源。实施节能措施不仅能够降低温室气体排放，还能增强该行业的整体经济可行性和竞争力。

7. 用于水泥和混凝土行业脱碳的先进技术
“CCS”指的是二氧化碳的封存，而“CCUS”则包括捕获二氧化碳的利用和储存；实际上，CCUS常被用作碳捕获、利用和储存的统称。鉴于水泥和混凝土生产带来的负面影响，GCCA（海湾国家碳理事会）采取了一系列行动措施，如提高能源效率、使用替代燃料、对原材料和燃料进行脱碳、开发新型材料以及更高效设计的OPC（氧化铝粉）工厂等。然而，实现碳中和的关键在于CCUS技术，即从排放源中分离出二氧化碳，以便将其重新用于工业过程或注入地下深处，从而不再对大气产生影响。目前，迫切需要创新的新技术来减少水泥和混凝土行业的温室气体排放，以解决气候变化问题，并在2050年前实现“净零”目标。以下介绍了一系列支持这些目标的关键技术。

7.1. 碳捕获
CCUS正成为实现2050年水泥和混凝土行业碳中和的关键解决方案。这项技术可以应用于多个阶段，包括水泥生产、混凝土固化过程以及水泥基材料在使用寿命结束后的回收[376,377,378]。根据国际能源署（IEA）的数据，为了达到2030年每年捕获8.4亿吨二氧化碳的目标，碳捕获能力需要扩大20倍以上。碳捕获技术包括吸收、吸附、气体分离膜和低温蒸馏等方法。水泥行业探索碳捕获技术已有15年以上的历史[379,380,381]。这些技术是在考虑到水泥生产独特条件的基础上开发的，从而产生了多种碳捕获方法。碳捕获涉及从工艺流程中去除二氧化碳，通常分为两类：(A) 燃烧前碳捕获（即在燃料燃烧之前）和(B) 燃烧后碳捕获（即在燃料燃烧之后），后者包括吸收、吸附、低温分离和矿化等方法。如IPCC关于CCUS的特别报告所述[382]，二氧化碳捕获方法大致分为四大类：工业分离、燃烧前捕获、燃烧后捕获和富氧燃烧。燃烧前捕获常常与气化技术结合使用以生成基于氢的能源。然而，正如[378]所指出的，水泥行业在实施直接分离、富氧燃烧和燃烧后捕获等方法方面仍有巨大潜力[383,384,385]。这些技术每年能够捕获2.5万至200万吨二氧化碳。一个著名的例子是美国科罗拉多州的Holcim波特兰水泥厂，该厂计划引入一个每年可捕获200万吨二氧化碳的试点系统[378]。捕获后的二氧化碳经过净化和压缩后被输送到合适的长期储存地点——通常是盐水层或枯竭的油气田。一旦注入这些地下储层，二氧化碳可以安全储存数千年[386]。或者，捕获的二氧化碳可以被重新用于工业用途，从而促进循环经济的发展[9,387,388]。然而，“碳捕获”通常是整个流程中最昂贵和最耗能的部分。由于排放物的性质，将燃烧前捕获技术应用于工业过程往往较为困难。CCUS是一种减缓二氧化碳排放的策略，涉及从工业来源捕获二氧化碳，然后将其永久储存起来或转化为各种碳基产品。由于水泥制造过程中会释放大量二氧化碳，实施碳捕获及其储存或利用对于实现净零排放目标至关重要。此外，捕获生物质或其他替代燃料（称为生物源二氧化碳）产生的二氧化碳可以实现净负排放。这种方法通常被称为Bio-Energy with Carbon Capture and Storage (BECCS)。尽管技术成熟度不尽相同，但碳捕获在水泥生产中的可行性已通过原型测试和示范得到验证，大规模工业应用也在开发中。表17总结了水泥行业CCS技术的概况。

7.2. 碳捕获与储存（CCS）
CCS包含三个基本阶段：二氧化碳的提取、运输和储存。通常情况下，当二氧化碳浓度较高时，其分离成本较低，这使水泥烟气特别适合用于CCS应用，因为其中约含有30%的二氧化碳[403]。据估计，90%和98%二氧化碳捕获的成本分别为56-60美元/吨和58-66美元/吨[404,405]。由于工艺排放的原因，水泥厂受益于较高的二氧化碳浓度，并且它们只有一个烟气排放口，这简化了与附近碳提取设施的连接过程。对于有多个排放源的工厂，建议将CCS重点放在二氧化碳浓度最高的原料上。捕获并加压后的二氧化碳可以被运输到使用或储存地点。对于每年排放量低于50万吨的情况，卡车或铁路运输仍然具有成本效益；而对于每年超过75万吨的排放量，管道基础设施则更为实用和经济。这对于有多个二氧化碳排放源的工业区尤其有利，因为可以共享基础设施，降低管道建设的经济负担。潜在的二氧化碳储存地点包括地质储层（如枯竭的油气田、盐水层和玄武岩构造）。在监管严格的储层中，预计二氧化碳可以长期稳定储存超过10,000年，二次捕获机制可进一步降低泄漏风险，最坏情况下泄漏率可达78%[406]。通过增强采油（EOR）方法，已在油气田成功实现了二氧化碳的储存，尤其是在美国二叠纪盆地[405,407]。自北海的Sleipner项目以来，沉积岩中的大规模二氧化碳储存已投入运营[408]。玄武岩构造的有效性也在冰岛的Carbfix项目和华盛顿州的Wallula项目中得到验证[409,410]。限制二氧化碳运输和储存广泛应用的其中一个障碍是管道基础设施不足，需要大幅扩建才能支持工业规模的部署[411]。目前，美国能源部支持的CO2MENT项目正在一家水泥厂开展商业规模的CCS示范。该项目吸引了LafargeHolcimZug（瑞士）、Svante Burnaby（加拿大不列颠哥伦比亚省）和Oxy Low Carbon Ventures Houston（美国德克萨斯州）等合作伙伴的投资，获得了3亿美元的资金。到2022年底，该项目实现了1000小时的连续运行，捕获效率达到85%，纯度达到95%，使用了Svante的金属有机框架（MOF）技术。此外，瑞典哥特兰岛的海德堡材料公司的工厂正在推进Brevik项目，目标是在2030年前实现净零水泥生产，计划安装一个每年可捕获180万吨二氧化碳的装置[412]。同样，美国宾夕法尼亚州Allentown的Lehigh Cement公司与Mitsubishi Heavy Industries America Schaumburg（伊利诺伊州）及国际CCS知识中心合作，试验了一个捕获系统，并计划在全球13个生产基地推广该技术[413]。随着技术的成熟，预计通过改进系统设计和规模经济降低成本。表18概述了水泥行业中的CCS技术。

7.3. 水泥厂中的碳捕获与储存（CCS）
CCS为显著降低水泥制造相关的碳排放提供了一条可行的途径。水泥生产涉及化石燃料燃烧和石灰石煅烧，这些过程会向大气中释放大量二氧化碳。CCS的主要目标是捕获和储存二氧化碳，防止其排放，从而有助于缓解气候变化。在水泥制造中，可以采用多种策略来实现CCS。最常用的方法是燃烧后捕获，它针对的是水泥生产过程中产生的烟气中的二氧化碳[429,430]。这种方法通常依赖于化学溶剂或吸附剂来选择性捕获二氧化碳。烟气通过吸收单元时，二氧化碳被化学吸收到溶剂中形成富二氧化碳溶液。随后加热再生溶剂，释放出捕获的二氧化碳，然后进行净化、压缩并准备运输和储存。如[346]所述，冷却氨工艺（CAP）是一种适用于水泥厂的燃烧后捕获技术。在CAP中，冷却氨作为吸附剂选择性捕获烟气中的二氧化碳。首先，烟气在直接接触冷却器（DCC）中冷却以降低温度并通过氨洗涤去除硫氧化物（SOx）。冷却后的气体进入吸收柱，二氧化碳溶解到氨溶液中。通过溶剂循环系统，吸收器温度保持在12-13°C。在水质洗涤阶段从烟气中脱除氨，释放出清洁的烟气。氨在解吸柱中再生。富二氧化碳的氨溶液在专用的“二氧化碳解吸器”中在约25巴的压力下再生，产生可用于运输的二氧化碳流。该过程需要热量用于溶剂再生和氨回收，以及能量用于冷却、泵送和压缩。废热回收可以满足工厂约7-8%的热量需求。另一种方法是燃烧前捕获，在燃料燃烧前去除二氧化碳[431]。水泥厂可以通过蒸汽甲烷重整或煤气化等过程将化石燃料（如煤或天然气）转化为富含氢的气体。通过压力摆动吸附或膜技术从这种合成气混合物中分离出二氧化碳，得到浓缩的二氧化碳流用于储存或利用。这种方法适用于煤、油和天然气，不过煤和油需要额外处理以去除灰分和硫化合物等杂质。通常，该过程包括合成气生成、二氧化碳分离、压缩、发电（在天然气的情况下还包括氧气供应）等关键单元。燃料与氧气和/或蒸汽反应生成主要由一氧化碳（CO）和氢（H2）组成的合成气。一氧化碳在变换转化器中转化为二氧化碳，随后通过吸附技术去除二氧化碳。剩余的高氢气体可用作清洁燃料。这两种捕获方法各有优缺点。燃烧后捕获可以最小限度地改造现有水泥设施，但需要大量的能量输入以再生溶剂，可能影响整体能源效率。燃烧前捕获能够实现更高的二氧化碳去除率，并能生产氢气，满足多种工业需求[433]。不过，这种方法需要额外的处理单元，可能需要对燃料供应系统和燃烧过程进行修改。表19概述了水泥行业中二氧化碳捕获、运输、储存和CCS实施的概况。

7.4.氧燃料燃烧与碳捕获与封存（CCSA）相结合是一种有前景的策略，旨在提高CCSA的效率。该过程用富氧环境替代了燃烧过程中使用的空气。其优势在于，在纯氧中，甲烷和石灰石的燃烧产生的烟气主要由二氧化碳（CO2）和水（H2O）组成，这使得CO2的分离更加经济高效，因为二氧化碳易于冷凝。与将烟气排放到主要以氮气（N2）为主的空气中相比，这种方法降低了资本支出，并具有更高的技术成熟度（TRL）。氮气的缺失简化了CO2与其他气体成分的分离过程，使其更具成本效益。拉法基霍尔西姆（Lafarge Holcim）、空气液化公司（Air Liquide）和F.L.史密特公司（F.L. Smidth）已经展示了在试点规模上使用氧燃料燃烧的水泥窑[448]。研究表明，这种方法不存在安全问题，也不会影响水泥质量。此外，现有的水泥窑也可以改造以支持氧燃料燃烧[448]。一个主要的障碍是现场生产纯氧的成本较高，但可以通过将设施设在工业空气分离装置或氢电解厂附近来缓解这一问题。与此同时，海德堡水泥公司（Heidelberg Cement）和蒂森克虏伯公司（Thyssenkrupp）也在积极开发用于水泥窑的氧燃料燃烧技术[26]。

氧燃料技术[26]的工作原理是在燃烧过程中使用纯氧代替普通空气。这一改变消除了燃烧过程中的氮气，使窑内主要包含O2和CO2。需要一个靠近工厂的空气分离装置（ASU）或专用的氧气管道来供应所需的氧气。切换到氧燃料燃烧后，烟气中的CO2浓度可提高到80-90%（体积比），从而提高了二氧化碳捕获的效率。氧燃料燃烧与传统操作有所不同，特别是在能量平衡以及窑内气体焓流与化学和矿物转化所需能量之间的相互作用方面。最佳的氧气供应取决于窑的设计以及系统是改造还是有新建设的。氧燃料燃烧可以通过循环部分烟气来实现，而不必改变工厂的结构布局，便于在传统空气燃烧和氧燃料燃烧模式之间切换。另一种称为“纯氧燃料”[449]的变体不需要烟气循环，可以在窑内使用更少的气体量，因此相对于同等容量的标准设计，可以建造直径更小的窑。这种方法更适合新工厂，并且废气中的CO2浓度更高。不过，这两种配置都需要对冷却系统进行调整，以处理不同的气体流，并防止可能导致空气渗透或CO2泄漏的情况。为了捕获二氧化碳，烟气需要经过净化和压缩处理，以确保其符合运输、储存或进一步使用的规格。虽然空气分离起着关键作用，但净化过程与传统工艺相比会显著增加电力需求。烟气中的CO2浓度受到进入系统的假空气量的强烈影响，可以通过改进维护措施和密封技术来减少这一影响。两种氧燃料燃烧配置都能实现90%至95%的碳捕获效率。在部分氧燃料系统中，煅烧炉采用富氧燃烧，需要进行一些设备改造，这种方法可以捕获大约75%的水泥窑排放的CO2。

7.5. 直接分离技术
使用直接分离煅烧炉是降低水泥制造过程中二氧化碳排放的一种有前景的策略，比利时Lixhe-les-Visé的LEILAC（低排放强度石灰和水泥）项目对此进行了研究。该技术包括在原料进入专用煅烧室之前，在预热器中对其进行间接加热，从而释放出高浓度的CO2。在此过程中，原料首先在间接热交换器中加热，然后进入煅烧炉内部，在那里继续加热而不与燃烧气体直接接触[450]。随着原料在系统中的移动，发生煅烧反应，并释放出纯CO2流。固体与气体的分离使得高纯度的CO2可以被捕获并压缩以便运输和储存。煅烧炉的外壳通过间接方式提供所需的热量，可以利用多种能源，包括可再生能源、天然气或其他热源。当使用清洁能源运行时，该系统有望实现接近零二氧化碳排放[7.6]。

7.6. 燃烧后的二氧化碳提取（通过物理技术）
用于二氧化碳提取的低温和吸附方法发展迅速，可能在未来不久具备商业可行性[451,452]。基于吸附的二氧化碳捕获依赖于“物理吸附”——即分子或原子从固体、液体或气体的大体积相转移到固体或液体材料（如沸石、碳基材料、金属有机框架MOFs、铝磷酸盐等）的表面。在反应器内，二氧化碳的捕获通过吸附和脱附的交替阶段进行。吸附基于分子间的弱相互作用（范德华力），使中性分子附着在气体、液化气体和凝结相（包括有机固体和液体）的表面。脱附可以通过提高温度（温度摆动吸附TSA）或改变压力（压力摆动吸附PSA或真空摆动吸附VSA）来触发。总体而言，基于吸附的方法通常比化学后处理技术（如胺基洗涤）具有更低的能耗。然而，这项技术的成熟度很大程度上取决于所使用的吸附材料，这些材料正在不断改进，以提高对杂质的敏感性、提高二氧化碳捕获率并实现更高的二氧化碳纯度。可以采用多种反应器设计进行吸附过程。一个值得注意的例子是Svante公司在2019年安装的试点TSA系统，该系统的二氧化碳捕获能力为每天1吨。Svante公司的Veloxotherm旋转吸附器能够使用多种固体吸附材料。这种方法通常比传统的化学后处理技术具有更小的碳足迹。根据试点规模的成功验证，温度摆动吸附（TSA）系统已达到七级技术成熟度（TRL）。吸附剂再生所需的热量因材料而异，通常每捕获一吨二氧化碳需要1.7至3.5吉焦。研究继续致力于降低该过程的能耗。目前，独立压力摆动吸附（PSA）系统的二氧化碳回收效率受串联排列的床层数的影响。此外，将PSA或膜分离技术与低温方法结合使用（后者利用不同气体组分的沸点差异来冷凝二氧化碳并排放其他气体），可能比单独使用任何一种技术进一步降低能耗。这项技术已在其他工业领域（如氢气生产）得到应用。“前端工程设计研究”（FEED studies）正在进行中，即概念设计或可行性研究完成后进行的初步工程设计研究，但迄今为止这些研究的成熟度尚未超过六级[7.7]。

7.7. 燃烧后的矿物碳酸化
矿物碳酸化是一种二氧化碳减排技术，通过二氧化碳与含钙和镁的硅酸盐矿物（如橄榄石、蛇纹石和滑石）反应生成稳定的碳酸盐来实现。该方法可以在地下（原位）或在受控环境（异位）中进行[453,454]。在原位技术中，二氧化碳被注入适当的地下地层中，随时间自然反应；而在异位方法中，则在地面反应器中进行反应。这些反应所需的碱性通常来自富含镁或钙的天然硅酸盐岩石[455]。工业废弃物（如水泥窑粉尘、粉煤灰或高炉渣）也可以用作反应物。矿物碳酸化的一个主要优点是不需要纯化的二氧化碳，从而提供了更大的操作灵活性。生成的碳酸盐非常稳定，可以重新用于建筑材料或安全储存，从而减少二氧化碳的重新排放。在单步直接碳酸化过程中，反应在高压下进行，可能需要机械研磨或热处理以提高反应活性。该过程可以在干燥或水介质中发生，类似于自然风化过程。研究表明，工业副产品具有更高的反应性，使得碳酸化过程在较温和的条件下进行。尽管仍处于研究和开发阶段，但矿物碳酸化尚未在工业规模上用于烟气中的二氧化碳捕获。为了捕获1吨二氧化碳，需要1.8至3吨的相对纯净的矿物。这意味着水泥厂要进行大规模采矿以实现高效捕获。总体能源需求显著影响矿物碳酸化的生命周期评估（LCA）[456]。为了捕获一吨二氧化碳，大约需要1.8至3吨的相对纯净的矿物原料。然而，使用碱性材料的矿物碳酸化的整体效果受到多种限制，包括反应动力学、材料可用性和碳酸盐产品的市场可行性。一种有前景的方法是对混凝土细粉进行碳酸化，这符合循环经济理念，并有助于减少排放[457]。

7.8. 基于吸附的燃烧后二氧化碳捕获
基于吸附的系统通常作为二氧化碳减少的下游策略，能够捕获高达95%的排放二氧化碳。捕获后，二氧化碳被净化至浓度超过99%，然后压缩以便运输到指定的储存或利用设施。一种广泛采用的方法是化学吸收，使用含有羟基和胺基的烷醇胺类有机分子。这种方法在化学加工和天然气处理等领域已经得到广泛应用，因为其效率得到验证。然而，对于水泥行业来说，由于水泥生产涉及的烟气量较大和吸收剂循环次数较多，需要进行调整。在化学工业中，单乙醇胺（MEA）[390]是最常用的二氧化碳洗涤溶剂。目前已有更先进的胺类溶剂，旨在减少溶剂再生的能耗[458]。正在开发更高效的溶剂，例如基于活化碳酸钾或氨的溶剂。冷冻氨工艺（CAP）提供了一个很好的解决方案，但尚未在水泥生产环境中进行测试。由于溶剂成本较高，捕获二氧化碳后必须对其进行再生和重新使用[346]。所谓的能量或二氧化碳损失取决于这种高能耗的再生过程。二氧化硫（SO2）和氧气会加速溶剂的降解，尽管这些溶剂设计时要具有耐久性和稳定性。因此，在应用基于吸附的二氧化碳捕获方法之前，需要降低烟气中的SO2和颗粒物水平，通常通过湿法洗涤器和先进过滤系统来实现。此外，还需要控制氮氧化物（NOx）排放，因为尽管NOx仅占水泥窑排放总量的5-10%，但它可能会导致溶剂降解。基于吸附的二氧化碳捕获已在电力行业中进行试点[459]。例如，安徽海螺水泥公司（Anhui Conch）在中国芜湖的工厂成功应用了胺基洗涤技术，自2018年以来每年能够捕获高达50,000吨二氧化碳[460]。这种方法的主要限制是需要大量的热能来再生溶剂。这些能量可以通过现场生成蒸汽（涉及资本和运营成本）或外部购买来获取。为了帮助降低捕获成本，人们提议使用熟料生产过程中产生的废热作为溶剂再生的补充能源。然而，可回收的废热量会根据当地条件而变化，例如原材料的含水量、预热器系统的配置以及已有多少废热被用于其他干燥过程[461]。7.9. 燃烧后CO2捕获的膜基方法膜技术越来越多地被视为管道末端CO2减排的潜在解决方案[462]，其能够捕获超过80%的CO2排放量。捕获过程之后，CO2必须经过净化和压缩，才能被运输到指定的储存或利用地点。在这一领域的主要障碍之一是提高膜对二氧化碳等气体的选择性。目前正在探索两类主要的膜技术用于碳捕获：气体分离膜（气体/气体相）和气体吸收膜（气体/液体界面）。一种新兴策略是将膜基分离技术与化学吸收技术结合使用，类似于胺洗涤。气体分离膜通过利用不同气体与膜材料之间的物理和化学亲和力差异来实现选择性渗透，从而有效地分离气体。这一过程利用了气体分子的扩散性和膜两侧的压力差。目前有多种类型的气体分离膜可供选择，包括陶瓷膜、聚合物膜以及陶瓷/聚合物复合膜。大多数商业上可行的CO2捕获膜基于聚合物材料。另一类是气体吸收膜，它们是微孔固体膜，可以促进气体流与吸收液体之间的接触，从而选择性地吸收烟气中的某些成分。在这种情况下，控制选择性的因素是吸收液体而非膜本身。用于气体分离的膜通常制成平板形式或中空纤维形式。平板膜通常被组装成螺旋缠绕模块，而中空纤维则被组合成束状，类似于壳式和管式换热器中的使用方式。膜组件紧凑、易于操作，可以垂直或水平放置，并且在投入运行后几乎不需要维护。此外，它们不需要再生能量，也不会产生废物流。尽管膜技术具有潜力，但仍存在一些限制，例如对含硫化合物和微量污染物的敏感性、在某些情况下分离性能不佳（可能需要多次处理或循环利用），以及许多基于聚合物的膜无法承受高温。已经使用真实水泥窑烟气在实验室规模上进行了实验。例如，一个配备聚乙烯平板膜的单一阶段模块在六个月内进行了测试，实现了60%至70%的CO2回收率[417]。实验结果证实了该膜对水泥窑烟气的适用性。在MemCCC项目框架下，一个基于膜的CO2捕获装置在中试规模上进行了评估，用于水泥排放的捕获。该中试报告称，每捕获一吨CO2的能量需求为1.2 GJ，实现了80%的回收率和95%的纯度。此外，CEMCAP项目探索了一种膜辅助的CO2液化概念[462]，在90%的回收率下捕获CO2所需的净功率约为1.5 GJ/t CO2。7.10. 通过固体吸附剂去除二氧化碳：碳酸盐和钙循环方法钙循环（CaL），也称为碳酸盐循环，是一种利用含氧化钙材料（如石灰石或原始水泥原料）作为固体吸附剂从水泥窑烟气中提取CO2的技术[26]。该过程受可逆化学平衡的控制，在特定的热和压力条件下，碳酸钙（CaCO3）分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO2）：CaCO3 ? CaO + CO2 (2)。在碳化单元内，氧化钙（CaO）与烟气中的CO2发生反应。这些气体可能直接来自回转窑（集成配置），也可能来自更广泛的水泥生产系统（末端设置），通过反应生成碳酸钙（CaCO3）：CaO + CO2 → CaCO3。这个碳化步骤是放热的，通常发生在600°C至700°C的温度范围内。生成的CaCO3随后被转移到基于氧燃料的煅烧炉中，在900°C以上的温度下通过吸热煅烧过程（CaCO3 → CaO + CO2）分解，产生浓度较高的CO2流（体积占比超过95%）。捕获并加压后的CO2可以用于长期储存或潜在再利用。部分再生后的吸附剂会被循环回碳化单元，从而完成反应循环。煅烧步骤需要额外的燃料和氧气，后者通常由空气分离单元（ASU）提供——这进一步增加了CO2净化和CaL过程本身的总能量需求。尽管如此，循环过程中产生的多余热能可以通过蒸汽朗肯循环（TP No. 9）用于发电。在某些运行条件下，末端CaL系统甚至可以作为净电力生产者，具体取决于能量平衡。采用这种配置的设施通常使用两个煅烧反应器——原始工厂的煅烧炉和专用于CaL的氧燃料煅烧炉——从而增加了热能需求。这两个反应器通常设计为循环流化床（CFB）反应器。为了确保有效的流化，所使用的石灰石吸附剂颗粒较大（100至300 μm），而熟料生产所需的颗粒大小通常为10至20 μm。随着时间的推移，过程中使用的氧化钙（CaO）会失活或衰减，逐渐降低其反应性。因此，必须从氧燃料煅烧炉中清除一部分CaO丰富的材料，将其研磨后重新投入熟料生产线，部分替代原始原料中的石灰石成分。2013年，台湾水泥公司与工业技术研究院（ITRI）合作启动了一个中试规模的钙循环项目，成功每小时捕获了超过1吨的CO2。最近的发展是在水泥生产系统中采用携带流反应器的技术。这种设计相比末端方法降低了热能需求。在这种配置中，现有的水泥厂煅烧炉同时承担主要煅烧炉和CaL过程的煅烧炉功能。氧燃料煅烧炉产生的部分煅烧材料直接送入回转窑，其余部分则送入碳化单元，从而完成反应循环。目前，这种集成CaL的系统正在欧盟资助的CLEANKER项目下进行技术成熟度级别7（TRL7）测试，测试地点位于意大利Vernasca的一家水泥制造厂。7.11. 间接煅烧作为一种碳捕获策略间接煅烧是一种旨在从水泥生产煅烧阶段分离CO2排放的方法。虽然这种方法通常能捕获大约60%的总过程相关CO2排放量，但煅烧流本身的捕获效率可达到95%[463]。为了增强整体CO2减排效果，这项技术可以与其他捕获技术（如化学吸收、物理吸附或氧燃料燃烧）结合使用，以处理燃料燃烧产生的排放[463,464]。该系统依赖于间接加热的煅烧炉，它将燃烧气体与石灰石热分解过程中产生的富含CO2的流体分离。在这种配置中，传统的窑煅烧炉被替换为一个由高级钢制成的管式反应器，原材料在其内部移动时被加热。由此产生的气体流含有高浓度的CO2（体积占比通常超过95%），可以进一步精炼以满足下游利用、运输或储存的标准。这一概念已在欧盟资助的LEILAC项目下，由Calix Ltd.设计的一个试点工厂中得到验证，该工厂位于比利时Lixhe的水泥厂。该工厂每小时处理约8-10吨材料，相当于反应器设计容量的大约70%。2019年和2020年进行的试验操作证实了煅烧水泥生料和石灰石的可行性。遇到的问题包括颗粒团聚、物料流动堵塞和加热管的稳定性问题，并已得到解决。由于热量传递依赖于管材的表面积，反应器的放大受到管径的限制。为了解决这个问题，正在进行的LEILAC 2项目正在探索在共享燃烧区内使用多根管子的模块化方法。8. 混凝土中的碳吸收将碳封存与混凝土固化结合提供了一种降低其碳足迹的机会，通过捕获CO2并将其转化为稳定的碳酸钙。初步研究和应用已经显示出令人鼓舞的结果[465]。许多创新的碳捕获、利用和储存（CCUS）方法已被开发用于混凝土行业，例如使用碳酸化的再生骨料和在工程水泥基材料中矿化CO2。尽管这些新兴的CCUS技术在减少碳排放方面显示出潜力，但它们对整体环境和效率的影响仍有待探讨。例如，将GGBFS（粒化高炉矿渣）掺入水泥可以提高CO2吸收能力，同时保持抗压强度，但仍存在与水消耗和实现材料完全碳酸化相关的问题[466]。一些研究甚至提出了关于CCUS增强型混凝土是否真正实现净CO2减排的疑问，强调了持续研究以提高能源效率和改善CO2固化过程中抗压强度的重要性[467]。彻底的实验评估和全面的生命周期评估对于准确确定各种CCUS方法在混凝土行业的碳减排效果至关重要。其中，来自生物质热解的生物炭因其显著的碳封存能力而成为一个有前途的候选材料，其封存能力可达每吨材料2.6吨CO2[468]。研究表明，掺入少量生物炭可以增强水泥的水化作用并提高抗压强度。尽管对其对混凝土机械性能和耐久性的影响已有广泛研究，但其长期在碳储存中的作用仍需进一步研究。总体而言，掺入生物炭符合循环经济原则，并有助于降低混凝土的碳足迹[469,470]。生物炭在捕获CO2方面的有效性取决于活化过程和生产技术等因素[469,470]。最近的研究表明，将生物炭与SCMs（固体碳载体）结合使用有可能使混凝土实现碳负排放。然而，仍需要进一步研究来评估这些复合材料的性能并优化其混合设计。虽然生物炭在减少混凝土环境影响方面具有巨大潜力，但全面的生命周期评估对于完全理解其效果至关重要。8.1. 碳固化混凝土将碳封存纳入混凝土固化过程中，作为一种有效的降低建筑业碳排放的方法受到关注。含钙材料可以捕获CO2，并将其转化为稳定的碳酸钙（CaCO3）[471]。该方法的一个开创性应用是在预制混凝土组件的碳固化中。研究表明，暴露在99%纯度CO2气氛中的预制混凝土能够吸收相当于 binder 质量9%至16%的CO2。混凝土行业正在积极研究各种CCUS创新，例如再生骨料混凝土的碳酸化（CRAC）、在氧化镁（MgO）粘合剂中矿化CO2、在工业副产品填料和SCMs中储存CO2，以及溶解在拌合水中的CO2。尽管这些技术的发展取得了显著进展，但其整体环境效益仍在讨论中。例如，有研究表明，在超高性能混凝土（UHPC）中用粉煤灰（GGBFS）替代30 wt%的水泥可以使每立方米混凝土吸收80 kg的CO2，同时不损害抗压强度。其他研究人员进行的生命周期评估（LCA）表明，工业副产品（如黄磷渣（YPS）和碱性氧气炉渣（BOFS）的水相碳酸化可以减少碳排放，但同时也引发了关于水使用的担忧。然而，混凝土中的碳封存相关挑战仍然存在。[377]的作者回顾了碳化固化技术，并指出，尽管低二氧化碳排放的粘结剂是一个有前景的解决方案，但混凝土内部的碳化不完全仍然是一个重大限制。根据[467]的研究结果，在99个实验数据集中，有56%到68%的数据表明，含有碳捕获和利用（CCU）技术的混凝土并没有带来净二氧化碳减排效果。作者建议，通过减少碳化过程中的电力消耗和提高抗压强度，可以增强CCU在混凝土中实现的二氧化碳减排效果。因此，需要进行更广泛的实验研究和生命周期评估（LCA），以全面评估CCUS技术降低混凝土制造相关二氧化碳排放的有效性。

8.2. 生物炭混凝土
生物炭是从生物质废弃物热解中获得的碳密度较高的物质，在碳封存方面显示出巨大的潜力，每吨生物炭能够捕获多达2.6吨的二氧化碳[468]。研究人员已经证明，用生物炭替代少量水泥（约5%的重量）可以改善混凝土的水化过程并提高其抗压强度[473]。这种水化的改善可以降低低水灰比混凝土混合物（如超高性能混凝土UHPC）中的水泥用量，从而减少相关的碳排放。生物炭在混凝土中的应用已被广泛研究其对工程性能的影响[474]，一些研究人员还探索了将其作为混凝土生产中的额外碳捕获材料的可能性[469]。这种方法不仅有潜力降低混凝土的碳足迹，还能通过回收废弃物促进循环经济实践[475]。生物炭在碳封存方面的有效性取决于多个因素，包括热解条件和生产过程中使用的活化技术。研究表明，将生物炭加入混凝土中有潜力将温室气体排放量减少多达25%[470]。生命周期评估分析表明，生物炭的加入可以使混凝土实现碳中和甚至碳负排放。例如，[476]的作者报告称，加入30%生物炭以及其他可持续碳源材料（SCMs）可以生产出碳负排放的混凝土，每吨混凝土大约捕获59公斤的二氧化碳。此外，将生物炭与碳酸钙基水泥混合可能会使混凝土生产达到碳中和状态，尽管还需要进一步研究以完全了解这些复合材料的机械性能和耐久性特征[477]。总之，虽然生物炭在混凝土中的应用显示出降低材料碳足迹的巨大潜力，但仍需要全面的生命周期评估来准确量化其整体的碳减排效益。

8.3. 增强再碳化
基于水泥的材料能够通过自然再碳化过程重新吸收大气中的二氧化碳，这可以在其整个生命周期内减少约7%的总排放量[478,479]。虽然IPCC等组织已经认可了这一现象，但截至2020年，这一过程尚未被纳入国家排放清单[33]。优化结构设计可以增强混凝土在使用寿命期间的二氧化碳吸收能力。在生命周期末期，二氧化碳的再吸收程度很大程度上受到材料处理方法的影响。如果将这类材料丢弃在垃圾填埋场中，其再碳化潜力很小，仅能捕获总水泥基材料排放量的大约1%。然而，如果将其破碎并重新用作基层材料，吸收率可能会增加到大约10%[479]。通过改进废物处理策略来最大化再碳化，可以显著减少水泥基材料的总二氧化碳排放量。

9. 生物矿物化水泥和工程化活性建筑材料（LBMs）
生物水泥技术利用微生物的生物矿化过程，成为提高创新建筑材料可持续性的有前景的方法。在他们的综述中，[480]的作者讨论了多种诱导碳酸钙生物矿化的方法及其在建筑中的实际应用。其中，工程化活性建筑材料（LBMs）作为一种新颖的方法，利用生物活性为建筑材料提供多功能性。LBMs使用能够促进微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的微生物，如Synechococcus sp.和大肠杆菌，在砂-明胶支架内进行生物矿化，从而形成活性材料[481,482,483]。重要的是，LBMs无需依赖传统水泥粘结剂即可获得机械强度。这项技术因其潜在的碳封存能力而受到关注，因为在光合作用过程中固定的二氧化碳通过与水的后续反应转化为生物矿物碳酸钙。[482]的作者强调，LBM技术能够通过生物机制将传感、适应性和自我修复功能集成到建筑材料中。然而，由于LBM技术仍处于早期阶段，因此需要大量的研究来解决与规模化相关的问题，并探索进一步的应用，如增强碳捕获能力。其他生物矿化应用还包括利用细菌处理水泥基废弃物材料以及提高水泥复合材料的自我修复性能。例如，[484]的作者研究了使用生物矿化菌Synechococcus sp. PCC 7002和Sporosarcina pasteurii的LBMs的自修复潜力，发现受损的LBMs在七天内由于水凝胶支架的物理重新交联而恢复了全部抗压强度。总体而言，生物矿化技术通过创建无水泥的LBMs或促进生物诱导的碳酸钙沉淀来支持自我修复、修补和水泥基复合材料的再生，为减少水泥需求提供了实质性希望。由于这一领域仍在发展中，需要进一步的研究来充分评估其未来实现净零碳混凝土生产的潜力。

10. 电网脱碳
2019年，电力生产产生的间接排放占总水泥基材料相关排放量的大约5%[374]。然而，由于许多脱碳策略依赖于增加电力消耗，向更清洁的能源电网转型对于防止间接排放增加至关重要。这突显了在致力于水泥基材料生命周期脱碳时，需要采取一种全面的方法，考虑各个行业之间的相互关联性。在英国，实现完全脱碳的电网可能会使水泥基材料的总排放量减少约5%。

11. 减少温室气体的尖端技术进步
碳捕获和存储（CCS）的采用率正在以惊人的速度增长。虽然最初的CCS项目针对的是容易获取的排放源，但未来在能源转型中的应用必须解决更复杂和成本更高的温室气体排放问题。技术进步对于提高经济可行性和在难以治理的排放领域应用CCS至关重要。需要多种创新技术来解决全球变暖这一巨大挑战。其中一个关键的前沿进展是开发了新的和改进的二氧化碳捕获技术。一些新技术使用了钙循环技术和MOFs（即金属-有机框架）。新技术揭示了扩展安全、优化的运输和存储基础设施所需的设计和监控方法，以提高能源效率、降低成本和基础设施性能。全人类都期待在未来看到CCS技术的进一步发展和进步，以实现2050年的“净零”目标，以对抗气候变化的威胁。近年来，多项工业举措专注于通过碳利用、替代粘结剂以及碳捕获、利用和存储（CCUS）技术来减少水泥和混凝土生产过程中的二氧化碳排放[485,486,487,488,489,490,491,492,493,494,495,496,497,498,499,500,501,502,503,504,505,506,507,508,509,510]。这些方法包括直接向新鲜混凝土中注入二氧化碳以增强其强度的同时降低水泥需求[485,486,487,488,489]，开发在较低窑温下生产的低熟料复合水泥和贝利特-钙硫铝酸盐-铁矾石系统[490,491,492,493,494]，熟料优化和可再生能源辅助的煅烧过程[495,496]，为潜在的碳中和或碳负排放设计的镁基和碳化反应性粘结剂[497,498,499,500,501,502,503,504]，以及通过加速碳化生产的钢渣基碳化混凝土块[505,506,507,508]，以及结合工业副产品（如矿渣、粉煤灰和γ-C2S）的二氧化碳固化系统[428,498,509,510]。尽管这些技术在试点或控制条件下展示了有希望的二氧化碳减排效果，但仍需要进一步的独立生命周期评估和大规模验证，以确认其长期耐久性、经济可行性和可扩展性。

12. 通过创新技术实现混凝土行业的脱碳
12.1. 建筑技术
快速建筑方法的进步对于在建筑过程中最小化碳排放至关重要。其中一种技术是喷射混凝土，它使用高压设备将混凝土或砂浆喷射到表面上，既经济又高效。这种方法加速了施工进度，同时确保了结构的耐久性。其他几种创新的建筑技术也有助于提高可持续性和减少碳排放，具体如下所述。
12.2. 预制和模块化建筑的循环经济
循环经济强调“四个R”的原则——减少、再利用、回收和再循环材料——以提高效率和成本效益。全球范围内，像澳大利亚这样的国家正在转向循环经济模式，以减少废弃物产生、排放、污染和垃圾填埋依赖，同时促进环境友好的经济发展[511]。模块化建筑增强了设计的灵活性，使得选择和采购材料更加创新。此外，这种方法允许控制施工过程，从而减少能源消耗和劳动力需求。通过设计可重复使用和可回收的模块化组件，行业可以显著减少建筑废弃物并提高可持续性。此外，现场施工时间大幅缩短，从而显著降低碳排放。在Mendis教授的带领下，ARC预制住宅先进制造中心（ARC CAMPH）开创了模块化建筑的新方法，包括开发轻质混凝土以便于运输和安装[512]。[513]的作者还参与设计了几种模块化结构，例如墨尔本的44层Latrobe塔，其中集成了创新的建筑技术。预制和模块化建筑中循环经济的日益采用为开发成本效益高、资源利用效率高的结构提供了机会，同时最小化环境影响。为解决监管挑战，先进制造增长中心的一份中期报告探讨了模块化建筑政策和实施障碍的解决方案[513]。
12.3. 数字技术的应用
人工智能（AI）、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等数字技术的整合正在改变建筑行业的所有阶段，从设计、施工到运营和生命周期管理。这些技术促进了利益相关者之间的协作环境，使得决策更加快速和有效。建筑行业中采用最广泛的数字工具之一是建筑信息模型（BIM），它促进了协作项目规划和设计。BIM通过减少错误、避免昂贵的返工和防止项目延误，确保了精确和高效的施工。时间延误和成本超支等问题——通常由返工、规划不周、文件审批延迟、施工可行性问题和恶劣天气条件引起——在行业中普遍存在。[514]的作者通过对多个建筑案例的研究指出，许多问题可以通过有效实施BIM来缓解。此外，自动化和机器人技术的进步显著提高了效率，降低了成本，并改善了施工过程的准确性。这些技术在澳大利亚的制造和建筑领域得到了越来越多的应用，带来了显著的生产力和质量提升。
12.4. 替代混合解决方案
混凝土行业对淡水的高需求使其成为全球最大的淡水消费者之一，每年估计使用约十亿立方米的水[515]。这种过度的用水不仅消耗了淡水资源，还导致了大量废水的产生。在淡水资源有限的内陆地区，从远处运输水到建筑工地会进一步加剧环境影响。减少淡水消耗和二氧化碳排放的一个潜在解决方案是再利用混凝土搅拌车冲洗产生的灰水[516]。据报道，仅冲洗混凝土搅拌车每次就需要大约1000升水[517]，这导致全球每年产生数百万立方米的处理过的灰水。这种灰水可以重新用作混凝土生产的混合液，从而减少运输淡水的需求，降低行业的碳足迹。然而，替代混合溶液中的杂质可能会影响混凝土的性能，因此在将其应用于混凝土之前评估灰水的化学成分至关重要[518]。如果存在污染物，可以采用处理工艺来提高灰水的质量。[519]的作者成功地在混凝土搅拌中用处理过的灰水替代了传统淡水，证明了适当处理的灰水不会影响混凝土性能。通过采用替代混合解决方案，如灰水再利用，混凝土行业可以贡献于水资源保护、降低二氧化碳排放并提高建筑实践的环境可持续性。更绿色的建筑流程

与混凝土生产相关的能源消耗始于配料阶段，并贯穿混合和浇筑过程。这些过程由于依赖于高能耗的操作，因此对二氧化碳排放有显著贡献。近年来，混凝土行业优先考虑可持续的解决方案来优化生产并减少其环境足迹。其中一个进展是开发了自密实混凝土（SCC），它消除了浇筑过程中对机械振动的需要[520]。通过去除振动步骤，SCC减少了能源消耗，降低了劳动力需求，并减少了建筑现场的噪音污染。尽管SCC技术起源于六十年前的日本，但随着建筑行业对可持续性的重视程度增加，其全球应用范围也在扩大。例如，到2005年，自密实混凝土在丹麦的预拌混凝土市场中占比达到了约25%[521]。另一个可持续建筑领域的变革性技术是三维（3D）混凝土打印，这属于增材制造技术。这种技术在医学和航空航天等领域已被广泛应用，现在也逐渐进入建筑行业。三维混凝土打印具有多种环境和经济优势，包括减少材料使用量、最小化废物产生以及降低二氧化碳排放[522]。与需要压实、模板和大量人工的传统方法不同，3D打印省去了这些高能耗工艺，从而显著降低了成本和排放[523,524]。随着对低碳建筑需求的增长，像SCC和3D打印这样的技术可以在提高可持续性、提升效率以及促进灵活和适应性强的建筑方法方面发挥关键作用。将这些创新整合到主流建筑实践中，将有助于推动混凝土行业的脱碳，并为更绿色、更可持续的基础设施发展铺平道路。

12.6. 高性能和特种混凝土的进步

高性能和超高性能混凝土（UHPC）的发展在混凝土行业中势头正在增强，这是为了减少二氧化碳排放。这类先进的混凝土具有良好的使用寿命，可能减少了重建和材料开采的需求。例如，在海洋环境中使用寿命为150年的UHPC可以显著降低替换传统混凝土（设计寿命为50年）所带来的排放和成本。通过优化混凝土成分并加入纤维和纳米材料等成分，高性能混凝土提高了耐久性、韧性和可持续性[525,526]。具有改进热性能的特种混凝土也成为节能建筑的一种解决方案。这些混凝土通常集成轻质材料，这些材料通常来自回收或废弃物，以增强隔热效果[527]。例如，膨胀蛭石被用作轻质骨料，每年可减少5.6千瓦时的热量需求，同时降低能源消耗和二氧化碳排放[528]。此外，将椰子纤维等农业副产品作为混凝土的增强材料使用，也显示出在隔热和减少能源使用方面的改进。在混凝土中使用轻质和回收材料是一种有价值的策略，可以减少混凝土行业的环境影响。

12.7. 其他方法

为了在使用和寿终阶段的二氧化碳吸收方面进行改进，监管机构可以实施拆除废弃物管理协议，以加速碳化过程并完善现有的碳化模型[11]。虽然波特兰水泥熟料将继续主导水泥生产，但有一些新兴的替代品可以部分取代传统水泥。贝利特熟料主要由贝利特（40-90%）组成，含有少量铝酸钙，通过在传统水泥窑中调整原料配比来维持较低的石灰饱和系数，从而在生产过程中减少二氧化碳排放。与OPC生产相比，贝利特熟料可使二氧化碳排放减少约6%到8%[529]，尽管其磨碎难度较大，导致电耗增加。贝利特丰富的水泥具有较低的水化热和较慢的强度发展速度，适用于需要控制低水化热的大规模混凝土应用。钙硫铝酸盐（CSA）熟料主要由ye’elimite（Ca4(AlO2)6SO3）、贝利特和石膏组成，是另一种替代粘结剂。CSA水泥以其快速凝固时间和显著的速度发展强度而著称[99]。然而，使用新的原料铝土矿会增加生产成本。尽管如此，CSA熟料的二氧化碳排放量仍然远低于PC熟料。在新型的基于贝利特的钙硫铝酸盐（BCSA）水泥中，ye’elimite被贝利特替代，从而在生产过程中减少了20%到30%的二氧化碳排放[99]。目前，CSA水泥主要应用于需要快速强度发展和收缩控制的细分市场。全球CSA水泥的年产量约为200万吨，其中大部分产自中国[370]。GP粘结剂是通过用碱性溶液激活活性铝硅酸盐制成的[99]。这些粘结剂经常使用常见的混合水泥原料，如天然火山灰和GGBFS，以减少熟料含量。为了实现全球二氧化碳排放的显著减少，探索目前尚未作为SCM使用的替代矿物是有益的。煅烧粘土[279]为碱性活化粘结剂提供了一个有前景的选择，尽管仍需要像硅酸钠这样的碱性活化剂。为了实现更广泛的商业应用，还需要进一步改进原材料和活化剂。目前，碱性活化粘结剂主要在澳大利亚、巴西、加拿大、俄罗斯、印度和中国等国家的非结构性用途中生产和应用[371]。此外，还有两类替代粘结剂——碳酸钙硅酸盐和预水合钙硅酸盐——仍处于试验阶段。碳酸钙硅酸盐是在富含二氧化碳的条件下，在受控的压力、温度和湿度下固化原料形成的，允许在固化过程中重新吸收二氧化碳[371]。它们的原料组成类似于波特兰水泥熟料，但生产过程中释放的二氧化碳预计会被重新吸收。与CSA水泥类似，碳酸钙硅酸盐水泥不能为钢构件提供防腐保护，因此通常限于非加固应用或需要采取替代加固措施。预水合钙硅酸盐在较低温度下生产，并通过与富含硅的添加剂共同研磨进行活化[371]。这些新型粘结剂有可能取代部分波特兰水泥熟料，但由于需要进一步的研究和大量投资，大规模生产仍面临障碍。加大对研究、试点项目及标准制定的投资对于促进这些新兴材料的采用和全面评估至关重要，以便更清楚地了解它们的二氧化碳减排能力和整体效果。

13. 在水泥和混凝土行业减少碳排放方面的关键进展

各种行业主导的努力展示了水泥和混凝土领域如何有效降低碳排放并朝着可持续性方向发展。这些案例强调了尖端技术、合作项目以及取得显著减排成效的计划的影响，凸显了脱碳的实际潜力。由欧洲水泥研究学院领导的LEILAC（低排放强度石灰和水泥）倡议，在将碳捕获技术应用于水泥生产方面代表了重要进展[530]。该项目采用Calix公司的直接分离工艺从窑炉烟气中选择性提取二氧化碳，然后通过矿物碳化制备合成石灰石[531]。这种方法不仅降低了温室气体排放，还产生了一种有价值的副产品，突显了碳捕获和利用（CCU）在推动水泥行业脱碳中的重要性。拉法基Holcim公司积极采用替代能源，替代化石燃料[335]。该公司在生产中使用了废弃物衍生的燃料和生物质以及不可回收的塑料。这一策略不仅减少了對化石燃料的依赖，还减少了填埋场的塑料废物，支持了废物管理原则。拉法基Holcim公司的持续创新和对替代燃料优化的承诺，体现了其在水泥生产方面迈向环境可持续性的重大步骤。GCCA在团结水泥和混凝土行业方面发挥了关键作用，鼓励合作推进可持续性和脱碳工作。通过“2050气候雄心”等倡议，GCCA联合各方利益相关者降低二氧化碳排放，努力实现全球气候目标。该平台促进了知识交流，推动了低碳技术的发展，并鼓励整个行业采纳循环经济原则。2021年，拉法基Holcim、海德堡水泥和赛梅克斯等领先的水泥制造商承诺支持“零碳竞赛”活动，这一全球性努力旨在到2050年实现净零碳排放[532]。这表明水泥行业在应对气候变化方面采取了积极的态度。这些公司采用低碳方法，如替代燃料和创新的生产技术，以减少整个水泥制造过程中的排放。LEED、BREEAM和DGNB等认证体系为评估建筑可持续性提供了结构化的框架[533]。这些认证强调能源效率和使用低碳材料，从而创造了对环保水泥和混凝土的需求。它们鼓励建筑者选择可持续材料，提高了对碳减排策略和废物管理的认识。对技术、研究的持续投资以及支持性的政策框架将使行业进一步迈向低碳未来，证明可持续性和创新能够成功应对环境挑战。

14. 脱碳技术的经济性和技术可行性

脱碳技术的经济可行性是决定其在水泥和混凝土行业大规模应用的关键因素之一。尽管诸如熟料替代、废热回收、替代燃料、碳捕获、利用与储存（CCUS）以及绿色氢集成等多种技术路径在技术上具有可行性，但其实施受到资本密集度、运营成本、市场波动性和政策不确定性的强烈制约。最近的技术经济研究表明，这些路径的成本效益在整个水泥价值链中差异显著，取决于工厂规模、燃料可用性、地区电价和碳定价机制[534,535]。从资本支出（CAPEX）的角度来看，近期的措施如流程优化、窑炉升级、先进磨粉系统和废热回收相对具有吸引力，因为它们提供了直接的燃料节省和较短的回收期。相比之下，包括CCUS和基于氢的熟料生产在内的深度脱碳路径需要在捕获单元、氢生产系统、储存基础设施和可再生电力集成方面进行更高额的前期投资。文献报告显示，水泥厂中的碳捕获可能会使工厂能源需求增加25-40%，显著影响CAPEX和OPEX[534]。运营支出（OPEX）同样重要，特别是对于高能耗路径而言。电气化和绿色氢的经济性高度依赖于可再生电价、电解槽效率和利用率。一项关于零碳熟料生产的近期技术经济评估表明，当绿色氢的盈亏平衡价格达到2.407美元/千克时，基于氢的水泥生产在经济上变得具有竞争力[536]。同样，将水泥窑捕获的二氧化碳与绿色氢结合用于合成燃料生产可以通过产品增值来改善整体工艺经济性。最近的研究表明，在最佳情况下，当绿色氢的成本低于1欧元/千克时，基于二氧化碳的合成燃料在经济效益上具有吸引力[537]。从价值链的角度来看，了解政策如何在正面或负面方面影响脱碳经济性至关重要。上游干预措施包括对可再生电力部署的激励、生物质和废物衍生燃料的物流以及补充性胶凝材料供应链。中游措施集中在窑炉电气化、流程整合和CCUS改造上，而下游机制包括绿色公共采购、低碳水泥认证和碳边境调整措施。这些干预措施可以显著改变脱碳路径的成本竞争力[535,538]。南非推广绿色氢产业生态系统是一个相关的政策示例，该国的工业脱碳政策越来越与可再生电力的扩展、碳税收、氢能中心和电解槽部署相一致。此类机制可以直接支持氢燃烧水泥窑、二氧化碳的利用和合成燃料路径，从而提高深度脱碳技术的经济可行性[539]。类似的基于政策的氢成本降低措施也在全球范围内得到报道，其中补贴和低成本可再生电力显著降低了氢的成本[540]。技术经济证据表明，没有一种路径在经济效益上具有普遍优势。相反，最可行的策略是基于组合的阶段性过渡，短期内优先考虑低成本效率措施和减少熟料用量，随后随着可再生电力和碳市场的发展，逐步引入CCUS和氢的集成。因此，未来的工业部署应基于特定工厂的技术经济分析、区域政策框架和完整的价值链优化来进行，以确保同时实现脱碳目标和产业竞争力 [534,535,536,537,538,539,540]。

15. 实现深度脱碳的策略
深度脱碳涉及大幅减少温室气体（GHG）排放，需要采取全面的跨部门方法，涵盖能源、交通、工业和建筑环境。其中一个根本途径是转向太阳能、风能、水能和地热能等可再生能源，这有助于降低电力生产过程中的排放。此外，通过采用电动汽车（EVs）等方式增加关键领域的电气化程度，如电加热系统和交通及供暖，也可以减少对化石燃料的依赖，前提是可再生能源的装机容量持续扩大。提高能源效率是另一个关键方面，需要在建筑物、工业和交通网络中部署先进技术并优化运营实践。整合分散式能源解决方案，包括分布式太阳能电池板、小型智能电网技术和风力涡轮机，也可以提高系统的韧性并提升能源效率。对于难以直接电气化的工业部门，碳捕获与封存（CCS）技术将至关重要。除了技术解决方案外，采用可持续的土地管理实践、实施循环经济原则以及培养更可持续的消费模式，也能显著减少排放。实现深度脱碳需要根据不同地区和行业的独特挑战和机会，结合这些策略。有效实施取决于政府、产业、研究机构和社区之间的协调努力，这凸显了推进低碳未来的合作和系统性方法的必要性。

16. 研究与创新重点
推动可持续水泥和混凝土制造的发展，需要集中研究开发替代性胶凝材料和低排放技术，以及提高工艺效率 [541,542]。强调循环经济原则，如回收工业副产品和利用二次原材料，可以显著减少建筑行业的碳排放 [543]。此外，改进生命周期评估（LCA）方法对于准确评估水泥和混凝土在整个生命周期内的环境影响至关重要，特别是对于新兴的低碳胶凝材料和电气化工艺路线 [544]。整合数字技术，包括人工智能（AI）和自动化，为优化制造过程、提高资源效率和通过预测控制、智能混合设计及工艺优化来减少废物提供了新的机会 [545]。为了加速创新，应扩大促进学术机构、行业领袖和政策制定者之间合作的知识共享平台。有效传播研究成果有助于弥合科学进步与实际建筑应用之间的差距。从政府机构、学术机构和行业伙伴那里获得足够的财政支持对于长期维持研发活动至关重要。公私合作伙伴关系在促进可持续技术的商业化方面可以发挥关键作用，确保其可扩展性和广泛采用 [542,543]。
成功推进这些研究与创新重点预计将为水泥和混凝土行业带来多重环境、技术和经济效益。这些效益包括大幅减少二氧化碳排放、提高耐久性和长期结构性能、更紧密地符合净零和可持续发展目标、通过减少废物产生改进循环经济整合，以及通过降低熟料消耗和与可持续性相关的激励措施实现潜在的生命周期成本节约 [541,542,543,544,545]。

17. 在水泥和混凝土行业采用多样化脱碳途径中的挑战和障碍
减少水泥和混凝土制造中的碳排放面临各种挑战，这些挑战阻碍了向可持续方法的转型。现有的技术限制和不足的研究为推进和扩展碳捕获、替代性胶凝材料和节能技术等方法带来了障碍，这表明需要增加对研究和创新的关注和资金投入。阻碍减少温室气体排放和提高能源节约的主要挑战如下：
(A) 尽管混合水泥基材料（SCMs）具有诸多优势，但其广泛采用仍存在挑战。在水泥配方中使用高比例的SCMs可能导致早期强度发展缓慢，从而影响需要快速凝固时间的建筑项目的混凝土性能。可以用SCMs [546] 或非石灰基胶凝材料 [183] 替代熟料；然而，它们的缓解潜力有限或仅适用于特定领域。此外，含有高比例SCMs的混凝土的长期耐久性仍存在争议，因为化学稳定性降低和收缩增加等问题可能会影响混凝土结构的寿命。此外，尽管SCMs具有显著的环境效益，但其可用性通常受到原材料供应的限制，从而给大规模实施带来物流挑战。
(B) 供应和可用性有限：并非世界各地都能轻松获得用于混凝土生产的替代材料和/或SCMs，例如工业副产品如火山灰（FA）、粉煤灰（SF）、矿渣粉（GGBFS）等。
(C) 规制和标准化障碍：现有规则可能不充分支持新材料的应用。
(D) 行业阻力：许多公司不愿采用新技术。
(E) 需要更多的研究和试点项目：为了更广泛地采用上述几乎所有节能方法并减轻水泥和混凝土行业的碳足迹，还需要进一步的研究和测试。

18. 未来趋势和建议
- 增加对碳捕获与利用（CCU）的投资：扩大CCU技术以减少排放。
- 更广泛地使用SCMs、地质聚合物、纳米技术和3D打印技术：增加对可持续替代方案的采用。
- 政策和激励措施：政府鼓励使用低碳材料。
- 加强行业合作：分享知识以推动创新和采用。
- 持续开发可持续材料：为建筑行业开发新的环保解决方案。
降低水泥和混凝土制造相关的碳排放的未来充满希望，但需要有针对性的策略和合作努力。实现大幅减排需要多方面的努力，包括技术创新、支持性政策和全行业范围内的合作。关键建议包括制定雄心勃勃的减排目标、实施碳定价政策，并提供激励措施以促进低碳技术和可持续实践的广泛采用。为了取得进展，研究和创新工作应优先考虑在替代材料、能源高效生产方法和先进碳捕获技术方面的突破。此外，促进行业领袖、研究机构和政策制定者之间的合作对于促进知识交流、推广最佳实践和加速创新至关重要。通过实施这些措施，水泥和混凝土行业可以在实现全球气候目标的同时，为创建更加可持续和有韧性的建筑环境发挥作用。

19. 结论
本综述强调，水泥和混凝土行业的脱碳需要一个多维和综合的方法。研究结果表明，混合水泥基材料（SCMs）是最实际且可立即应用的解决方案，具有通过替代熟料来大幅减少二氧化碳排放的巨大潜力。此外，提高能源效率和使用替代燃料也有助于减少排放；然而，仅依靠这些策略不足以达到长期气候目标。因此，碳捕获、利用和储存（CCUS）被认为是解决过程相关排放的关键途径，尽管存在成本和大规模实施方面的挑战。新兴技术如地质聚合物胶凝材料、LC3系统、纳米技术和数字优化工具提供了有前景的未来选择，尽管其广泛应用目前受到技术、经济和标准化障碍的限制。综述还指出了关键挑战，包括原材料供应、高资本投入以及需要更强的政策和监管支持。总体而言，到2050年实现净零排放将取决于材料创新、工艺优化和碳管理技术的综合应用。未来的研究应侧重于可扩展的、特定地区的解决方案、基于生命周期的性能评估，以及加强技术开发与政策框架之间的整合，以加速向可持续和低碳水泥行业的转型，并实现“绿色出行、绿色生活”，从而实现“净零”排放！