周子琪、張名惠 / 工研院材化所
因地球暖化日益嚴重，國際間陸續簽訂了巴黎協定、格拉斯哥氣候協定等合約來減緩地球暖化速度，2021年國際能源署發布淨零路徑建議圖，讓各國、各領域、各企業可依循此路徑制定適合的法規或策略。本文簡述了水泥的製程，並盤點可能減碳的步驟；再介紹全球水泥和混凝土協會(GCCA)、歐洲水泥協會(CEMBUREAU)、美國波特蘭水泥協會(PCA)，以及水泥產量大國—中國在淨零減碳路徑的做法，並整理台灣政府與業者於水泥減碳的現況與成效；最後介紹低碳原料開發、餘熱再利用、能源轉換與CCU等四種推動淨零的低碳新關鍵技術。
【內文精選】
前 言
水泥業因有採礦權、土地成本、大型機械設備建置以及運輸等費用，需要龐大的資本支出，屬資本密集工業，在投入門檻頗高的情況下，產業相對穩定，為寡占型市場。其產業鏈如圖三(a)所示，可分為：上游的水泥原料供應商、中游的水泥製品與預拌混凝土廠，以及下游的營造商與公共工程。要了解水泥減碳，就必須先了解水泥的生產過程，其製程如圖三(b)分為四個步驟：①原料開採與破碎；②生料研磨配置；③熟料燒結；④研磨混合熟料與水泥產出。第一步驟，由礦場中開採所需原料如石灰石、黏土、矽砂、鐵渣等，並將其運輸至壓碎設施，再提煉成精細複合物；在第二步驟中，可採用濕法或乾法兩種工序，前者將碾碎的材料與水和成混合物漿料，再轉入窯內處理，後者將材料依比例混合碾碎成生料後，直接投入窯中；漿料和生料於巨型旋轉窯中加熱至約1,450˚C，經一連串複雜的物理及化學反應，生成熟料，此為第三步驟；最後，依水泥生產型號，將冷卻的熟料及其他骨料，按適當比例混合，然後將該混合物研磨至所需細度，即可包裝出貨。熟料添加石膏，可產出水泥製品，依工程設計，混合砂與碎石，則為混凝土。
圖三、(a)水泥產業鏈圖示；(b)水泥混凝土製程流程圖
各水泥協會或產國的減碳目標、策略與現況
1. 全球水泥和混凝土協會(GCCA)
GCCA成員含近四十個全球知名水泥企業，其中如中國建材、Holcim Group、HeidelbergCement、UltraTech Cement、台灣水泥、亞洲水泥等，皆是2020年產能占全球前二十名的大廠，且其成員國占全球除中國以外水泥行業產量的80%，所制定的「GCCA 2050年水泥和混凝土行業淨零混凝土路線圖」，是協會成員為建設可持續發展的明日世界做出的集體承諾，也是全球水泥界共同努力的行動目標。
5. 台灣
我國於2022年3月發表「台灣2050淨零排放路徑及策略總說明」，將水泥業減碳分為三策略(圖八)：製程改善、能源轉換與循環經濟。在製程改善方面，短期將以設備汰舊更新及導入智慧化能源管理系統為優先的製程減碳策略；在能源轉換方面，持續擴大生質燃料的使用率、提高燃料替代，輔以餘熱再利用來減少廢排；在循環經濟方面，近期以添加煤灰、轉爐石、爐碴等來進行原料替代減碳，並投資新型水泥膠結材、二氧化碳捕集(CCU)等前瞻技術的研發，長期則擴大替代原料取代石灰石，並將前期所研發的創新技術推廣至產業化。
圖八、台灣水泥業淨零轉型策略及路徑
減碳技術介紹
1. 低碳材料開發：
在水泥原燒結製程中，需在800~900˚C下進行石灰石脫除CO2的預熱脫酸反應，接著再於1,400˚C的高溫下生成水泥所需的晶相，因高溫而導致高碳排量。若能以工業副產物與廢棄物為原料，於鹼性條件下進行常溫膠結反應，使轉換出水泥材料的晶相與配比，再控制材料活化率與反應結晶速率，來增強產品結構強度，將可開發常溫反應、無須高溫煅燒、不使用石灰石的新型低碳水泥粉，除了可去化事業廢棄物之外，碳排放量將可降至原製程的一半以下。
2. 餘熱再利用：
目前的餘熱發電，是以回收高溫廢熱為主，若能擷取<250˚C的低階餘熱，將可與高溫系統互補，提升熱能總體回收比例。工研院使用「溫差」發電技術，製作結構簡單、空間要求少的模組，使熱電轉換效率在3~12%之間，可應用於照明、空調或製程監控用感測器等裝置---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》430期，更多資料請見下方附檔。