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水泥生產是能源消耗和碳排放大戶，在建筑材料領域，其碳排放量僅次于鋼鐵行業，約占中國總碳排放量的10%。1月6日，記者從山東大學核科學與能源動力學院了解到，該院李英杰教授團隊創新性地將綠氫引入水泥生產中的石灰石分解環節，通過石灰石加氫制備氧化鈣的工藝構建了低碳水泥生產系統。他們采用大型通用流程模擬系統Aspen Plus軟件對上述系統進行了模擬分析，結果顯示此舉顯著降低了能耗和碳排放。

據了解，水泥行業碳排放主要源于生產過程中的化學反應和能源消耗。在李英杰看來，碳排放集中在熟料生產環節，其中石灰石煅燒分解產生的排放占比約60%，化石燃料燃燒產生的排放占比約35%，兩者合計超過90%。

為了實現水泥生產的低碳化，李英杰團隊探索新的工藝技術。一方面，他們在石灰石分解階段引入綠氫，即石灰石加綠氫，不僅能使分解溫度降低200攝氏度以上，而且使分解產生的二氧化碳與綠氫反應轉化成一氧化碳，為后續制備高附加值化工產品（如甲醇）奠定了基礎；另一方面，他們將綠氫引入水泥回轉窯替代煤炭燃燒，為高溫熟料燒成反應供熱，消除了燃料碳排放。

“以上兩個方面實現了源頭上的碳減排，符合我國‘雙碳’目標。”李英杰說。另外，他們發現加入適量赤泥能提高綠氫與石灰石的反應速率，通過密度泛函理論計算揭示了反應機理，即赤泥中鐵團簇使氫氣的解離能壘降低了94.8%，該發現為赤泥的資源化利用提供了新思路。

“我們的計算結果表明，與采用單乙醇胺捕集二氧化碳的傳統水泥生產系統相比，基于石灰石加綠氫制備氧化鈣的低碳燃氫水泥生產系統在能耗、二氧化碳排放量和生成量方面分別降低了37.65%、47.76%和87.42%，具有顯著的技術優勢。”李英杰說。

不過，鑒于當前綠氫價格高昂，如何降低成本實現商業推廣？李英杰表示，盡管綠氫的使用增加了成本，但合成氣的高利潤可抵消這一影響。

“具體而言，在碳價為74.67元/噸二氧化碳、合成氣價格為3.21元/千克的條件下，當綠氫成本降低至約14.67元/千克時，低碳水泥生產系統綜合成本可低于傳統系統，為工業應用提供了理論依據。”李英杰說，石灰石加綠氫制備氧化鈣技術在產業適配性方面表現出顯著優勢，不僅能與現有水泥工業體系有效銜接，而且具備向鋼鐵、化工、煤電等行業推廣的潛力，對高能耗、高排放行業的綠色低碳升級均具有重要價值。

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