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水泥是地球上用量第二大的材料(僅次於水)，每年全球約生產超過40億噸的水泥，約佔全球7~8%的二氧化碳總排放量(相當於航空業碳排的4倍)，隨著人類經濟活動有增無減，水泥需求量持續增加，淨零減碳勢在必行，先進國家都已開始投入水泥產業減碳之相關技術開發。幾項減碳作法包含:提高製程效率與餘熱回收、使用替代燃料、開發水泥或混凝土新材料、以及碳捕獲、利用和封存等。此外，國際水泥大廠也開啟異業合作之路，試圖在大量投入成本支出淨零減碳時，藉由碳利用獲得新財源。同屬排碳大戶的石化產業其減碳路徑與水泥產業相當大程度的相似，也成為國際水泥大廠尋求合作的首要對象。

一、全球水泥產業減碳作法

全球水泥生產過程中的碳排濃度各不相同，影響碳排的主要因素是所使用的窯燒技術(濕法、半濕法、乾法、預分解爐或預熱器的半乾法)、熟料與水泥的比例，以及工廠使用的燃料組合，以下針對目前水泥，混凝土產業減碳方式做說明:

(一)提高製程效率與餘熱回收

由於水泥熟料生產的最低理論熱能值為1.59~1.84 GJ/t熟料，而2023年全球平均水泥熟料生產熱能平約為3.3~3.6 GJ/t熟料。故仍有部分能耗損失。為減少能耗，水泥製程發展出具有多級(multistage)預熱和預煅燒的乾法窯(設有預熱和預煅燒的乾法窯需要3.51 GJ/t熟料，濕法或豎窯則需要5.51 GJ/t 熟料)。在這種裝置中，廢熱亦可作為煅燒原料在進入窯爐之前的預熱，可減少高達10%的能源消耗。

另外，也可利用窯爐煙氣的一部分中溫(200-400℃)餘熱來發電(餘熱回收，waste heat recovery，WHR)。雖然餘熱回收不會減少水泥廠的用電量，但可將原本浪費的多餘熱量用來發電，供廠房使用或輸出到電網，供水泥廠外部使用與供暖。

水泥製程中，水泥與添加劑的研磨、窯爐，及其附屬設備運作亦需要電力(研磨或粉碎過程佔整個水泥生產中所需電能70%)，所以大廠會利用改善研磨技術，如:助磨劑，以提高電力效能。

(二)使用替代燃料

水泥是一個能源密集型行業，需要高溫燃料燃燒加熱(熱過程)，水泥產業正試圖將熱過程燃料組合多樣化:廢棄物(如:城市廢棄物或工業廢棄物)和生物質(如:農業剩餘物)的使用已有相當進展，水泥大廠(如:HOLCIM)替代燃料已達28%，2030年更將達到50%，另外使用綠電(如:太陽能加熱、氫氣等)和電氣化是正在研究的其他途徑。

(三)水泥或混凝土新材料

水泥凝固/硬化時，會聚集並將砂子與石礫鎖定在固體結構(即砂漿或混凝土)中。水泥可以是水硬化(即與水混合時硬化和增加強度)或非水硬(通過其他過程硬化，如用二氧化碳碳酸化)。水凝水泥根據歐盟標準分為三種，第一種普通水泥，根據其波特蘭熟料含量和添加劑(高爐礦渣、矽粉、火山灰、粉煤灰、燒頁岩、石灰石)，依照不同熟料重量比例又可分為五類；第二種為鋁酸鈣水泥或高鋁水泥，幾乎完全由鋁酸鈣熟料(Calcium aluminate)組成，第三種為超硫酸鹽水泥(SSC)，其中可能含有不超過5%波特蘭熟料和至少 75% 的粒化高爐礦渣。波特蘭熟料至少含有三分之二的矽酸鈣(阿利特和貝利特，主要相)和鋁酸鈣(鋁酸三鈣和鋁鐵酸四鈣，次要相)，而鋁酸鈣水泥中，含有35%~58% 的氧化鋁和鋁酸鈣(主要相)。

由於水泥製程碳排主要來自碳酸鈣的煅燒，故標竿廠商開發含有較少量熟料水泥，如:類SCM或地質聚合物(Geopolymer)等輔助膠凝材料，減少熟料使用；或新熟料配方(如:取代CaCO3)；水泥替代材料(如:廢棄混凝土，建材等，減少混凝土中水泥使用量)，以避免碳酸鹽的煅燒，降低CO2排放量或鍛燒溫度。主要做法說明如下:

1. 降低熟料比-矽酸鹽(波特蘭)熟料的替代材料

降低碳酸鈣含量即可減少鍛燒過程中的碳排，目前以粒化高爐礦渣(CaO、MgO、SiO2組成)、火山灰(SiO2、Al2O3、及少部分Fe2O3)、矽粉(85%的SiO2)、飛灰(SiO2、Fe2O3 、與部分CaO)、燒頁岩(含有熟料相，主要為矽酸二鈣和鋁酸一鈣)、石灰石(CaCO3)或地質聚合物(為水泥無熟料替代品，固體鋁矽酸鹽材料或天然存在的偏高嶺土與鹼性溶液反應的產物)，取代波特蘭水泥中的熟料，並作為輔助膠凝材料。在歐盟標準中，普通水泥的規範即是利用上述材料以不同比例製造，並且會以粉碎或化學活化的方式強化後續水合硬化反應。

2. 新熟料配方-負碳熟料

由於固化水泥在整個生命週期中仍有碳酸化過程，所以會持續的吸收CO2，但整體而言量不大，所以也有廠商以負碳材料以強化碳固化作用。譬如:基於MgO的熟料可以使用超基性岩石(由矽酸鎂組成並富含鹼性MgO)代替石灰石。除了避免石灰石煅燒產生的CO2排放，同時能夠將CO2捕獲為碳酸鎂，並永久封存。

3. 水泥替代材料

在混凝土中使用外加劑作為水泥替代品，進一步降低水泥(熟料)使用量，包括建築廢棄物與拆除廢物(Construction and Demolition Waste，CDW)的再利用、回收使用，使用混凝土廢料作為新拌混凝土的骨料。廢棄混凝土可進一步分解成礫石、砂子和水泥漿，而水泥漿可以作為水泥生產的原材料或回收利用成水泥替代品。在2024年的相關研究文章(MDPI期刊Sustainability)更指出，已有分離技術，可有效地從廢棄混凝土中回收出高品質的砂和骨料。

(四)碳捕獲、利用和封存

1. 水泥高效率碳捕獲

由於碳排放來源不同，使得減碳技術變得複雜，一般認為短期來看，生產後解決排放可能比直接由排放源消除或減少排放源更容易或(和)更便宜，也從而強化了水泥產業投入CO2捕獲和封存的理由。歐盟發布的綠色新政中，說明將於2050年達到淨零碳排，亦開始啟動幾個大型的科研專案，其中與水泥低碳主題相關專案(如CEMCAP專案、CLEANKER專案以及LEILAC專案)，都有CCUS應用於高碳排水泥產業的相關技術。CEMCAP專案以富氧燃燒、冷凍氨技術、膜輔助液化技術以及鈣迴路技術為主，CLEANER專案為CEMCAP專案鈣迴路的延伸，而LEILAC專案則瞄準於直接分離法以及可提取更高CO2純度的合併間接加熱法。

(1)富氧燃燒(Oxyfuel combustion)

燃料在高氧低氮的環境進行燃燒，使後續產生煙氣以CO2與H2O為主，通過煙氣再迴圈燃燒系統，可進一步提高煙氣中CO2純度。富氧燃燒因提供氧氣濃度不同，又分成純氧氣燃燒(oxyfuel combustion)、空氣與氧氣燃燒(air-oxygen / fuel combustion)以及微富氧氣燃燒(air enriched combustion)三種，由於純氧燃燒技術，水泥廠除了熟料生產程序改變，其它與原來的設施相同。

(2)冷凍氨技術(Chilled ammonia process, CAP)

傳統使用胺類 (amine)吸收劑乙醇胺(monoethanolamine, MEA)捕獲CO2，胺類會與雜質如: SOx和NOx，形成有毒的降解產物(toxic degradation products)並具腐蝕性，而冷凍氨則是以液態氨(aqueous ammonia)為溶劑，相較下較為穩定不易與雜質發生反應。氨溶劑在經過幾次的吸收CO2，解離與純化後，最終即可得到高純度的CO2。

(3)膜輔助液化技術(membrane-assisted CO2 liquefaction,MAL)

膜輔助液化技術，主要是組合兩種不同的分離技術，以高分子聚合物薄膜分離中級純度的二氧化碳，再以低溫分離(純化)二氧化碳，尤其氣、液體中含有較高濃度的二氧化碳，以二氧化碳冷凝及相分離移除揮發成分如氮氣、氧氣等，可以得到高濃度的二氧化碳。

(4)鈣迴路技術(calcium looping,CAL)

鈣迴路技術，主要是當石灰石經過煅燒，成為石灰CaO，接續以此CaO作為CO2吸附劑(sorbent)捕捉CO2，再生成碳酸鈣(飽和吸附劑)。生成之碳酸鈣(石灰石，CaCO3)隨後離開碳酸化爐，送入煅燒爐(calciner)進行再生，經約 900℃(850℃-950℃)高溫脫附生成氧化鈣，再形成吸附劑吸收CO2，開始下一個循環。碳酸鈣可經過高溫煅燒再生為氧化鈣。碳酸鈣經鍛燒，脫碳形成CO2吸附劑，經過CO2捕獲再形成碳酸鈣，作為水泥原料，成本具有競爭力，有相當優勢。另外，吸附劑與CO2反應為放熱反應，若製程中的高溫廢熱，有效地進行熱回收，以廢熱產生蒸氣，用於增加發電量，亦可降低能耗。

(5)直接分離(與間接加熱)法

直接分離法(Low Emissions Intensity Lime and Cement)是LEILAC計畫的開發重點。Calix的直接分離反應器(DSR)是該項目的重點。分解爐管壁加熱，讓石灰石或水泥原料顆粒從反應器壁受熱，不斷釋放CO2，再掉落到煅燒爐底部，分離出純度極高之CO2。間接加熱法是LEILAC計畫的第二階段，和第一階段相較，增加了石灰石經過細磨，先在別的腔室中進行煆燒，以得到更高濃度CO2的過程。

2. 碳利用

目前應用在水泥產業的碳利用大致分為，生物封存 (algae bio-sequestration)、CO2合成化學品(chemicals)、CO2合成燃料(synthetic fuels)，以及CO2礦化(mineralization)或碳化(carbonation)混凝土。

3. 碳封存

碳捕獲後的碳利用與封存是促使淨零減碳成功的關鍵要素，幾個專案計畫如ACCSESS以低成本CO2運輸技術為主(如北海船運為基礎的離岸CO2運輸)；Greensand項目預期以CO2液化並通過船運輸到封存地點。CLEANKER 項目致力於對整個 CCUS 鏈的成本進行建模和量化。盡管參與的計畫包含多種運輸方式(管道、渡輪、卡車、火車)，但”管道”(pipeline)是在井(well)和槽(sink)之間的唯一選擇。建立天然氣管道基礎設施被認為是CO2天然氣管道最具經濟價值的途徑。CLEANKER專案則是著重在儲存地點的位置，潛在CO2封存位置是在歐洲大規模部署CCS的重要先決條件。值得注意的是，歐盟水泥廠與潛在地質 CO2封存地點，72%的產能距離合適的地質構造不到70公里，13% 的產能(24個水泥廠中)即位於可能的CO2封存地點。只有20%的容量(在33個水泥廠中)距離潛在的CO2封存地點超過100公里。

二、結論_石化與水泥產業合作契機

綜觀水泥產業減碳路徑，提高製程效率與餘熱回收、使用替代燃料以碳捕獲與利用是目前是石化產業也正積極推動的，譬如:台灣中油提出優油、減碳、潔能三大轉型主軸，優油意旨透過調整原油種類、操作模式及設備；減碳透過發展碳捕捉與封存技術；潔能則是加速地熱與氫能技術，提升綠能比例。而台塑在最近一期2022年永續報告書中提及，將以綠色工廠、綠色能源及綠色創新三大方向作為開創產業新發展路徑，除了初期以廠區，行政區節能，包含製程優化，廢水、廢氣再利用等，較中、長程的技術發展規劃以廢塑料與廢油回收再煉製、氫能發電，氫燃料電池，混氨燃料與碳利用等。

目前歐盟國家水泥廠的原生化石燃料比逐年下降，2030年替代燃料目標更設定為50%。而台灣水泥廠的替代燃料比例約10~11%，仍有進步空間。這與石化產業目前積極提升混燒廢棄物衍生燃料的方向相同，因此建議產業攜手與政府溝通協調，以提升廢棄物衍生燃料混燒比例，增加替代燃料比例。

另研究報告(Decarbonisation options for the cement industry)提出了歐盟碳利用的主要市場評估，如表1。根據市場大小來看水泥產業應用占有最大的市場規模，且減碳潛力最高，雖產品價格不高。另以CO2合成化學的附加價值為最高，國際標竿水泥廠也已經有與化學大廠合作的案例，譬如:德國的Rohrdorfer以捕捉到的CO2合成甲酸 (formic acid)，Heidelberg Cement利用RECODE project，與化學廠合作CO2合成化學等，故建議石化產業可循此模式，與水泥產業合作，不但減碳更可藉由CO2合成化學另闢營收市場。
 

資料來源：JRC Technical report (Decarbonisation options for the cement industry)
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)