利用大规模参数化生命周期评估（LCA）模型研究硫铝酸钙水泥的生态效率与环境trade-offs（即生态效益与环境影响之间的权衡）

《Resources, Conservation and Recycling》：Eco-efficiency and environmental trade-offs of calcium sulfoaluminate cement using a large-scale parametric LCA model

钙矾石水泥替代波特兰水泥的参数化生命周期评估与经济分析显示，低叶里米特含量（≤40%）的CSA水泥可降低碳足迹并提升生态效率，尤其在现有工厂改造中与碳捕获结合更具经济可行性，但存在矿物资源消耗和化石能源依赖等权衡。

　　

José-Luis Gálvez-Martos | Aya Al-Hashimi | Ammar Elhoweris | Omnya Abdalla | Roneta Chaliulina | Yousef Al-Horr | Marcus N. Bannerman

Tecnalia, 巴斯克研究和技术联盟（BRTA），Astondo Bidea，700号楼，比斯开亚科技园，48160，Derio，西班牙

摘要

本研究对钙硫铝酸盐（CSA）熟料的生产进行了大规模的参数化环境生命周期和经济分析，作为波特兰水泥（PC）熟料的替代品。通过结合熟料配方、燃料组合、碳捕获策略、工厂配置和区域背景的变化，共评估了20,448种方案。该方法采用基于Python的从摇篮到大门的生命周期评估（LCA）和成本模型，创建了一种能够考虑不同脱碳策略的大规模参数化方法。结果表明，低ye’elimite含量（40%或更低）的CSA熟料相比PC熟料可以减少碳足迹，同时提高或保持相当的生态效率，并确保碳捕获的更高效实施。然而，在矿物和金属消耗、化石能源使用等方面存在权衡。这种深度参数化方法能够更全面地理解环境和经济性能，而不仅仅是气候影响，同时也对当前的脱碳策略提出了挑战。

引言

到2050年实现水泥行业的全面脱碳需要在整个水泥生产价值链中实施多种互补的缓解措施（Cembureau, 2024; Nehdi et al., 2024; Olsson et al., 2024; Pisciotta et al., 2023）。水泥行业被认为只有长期脱碳才是可行的，在十年内实现显著减排的机会很少（MSCI Institute, 2023）。然而，新兴技术有可能在短期内实现比当前行业路线图所建议的更显著的减排。尽管如此，这些方法的技术多样性、成本影响和固有风险需要一个广泛的采用和标准化过程。总体而言，实现水泥行业2050年的净零目标将取决于整合创新、具有商业可行性和成本效益的解决方案。

大多数水泥生产商遵循类似的脱碳路径，主要集中在使用辅助胶凝材料（SCMs）替代熟料，以及通过碳捕获利用和储存（CCUS）和替代燃料等措施减少熟料制造的影响（Olsson et al., 2024）。然而，未来在脱碳路线图中过度依赖SCMs可能是不可行的，因为几乎所有标准化的SCMs都是碳密集型行业的副产品。这些行业本身也在经历变化，使得某些SCMs的未来供应变得不确定（Pisciotta et al., 2023）。

此外，水泥生产商协会最依赖CCUS，Cemsuisse在其2050年目标中将71%的CO?减排量分配给CCUS技术，而Cembureau和GCCA分别分配了50%和36%（Cembureau, 2024; Cemsuisse, 2021; GCCA, 2025）。CCUS对于水泥行业来说是一个有吸引力的选择，因为水泥厂烟气中的高CO?浓度使得捕获更加高效和经济，捕获的CO?可以作为其他行业的原料（Goldman et al., 2023; Pisciotta et al., 2023）。然而，与替代缓解方案相比，CCUS需要更高的投资，并且仍然是最昂贵的途径，其减排成本引发了对其盈利能力和当前脱碳策略依赖程度的担忧（Chen et al., 2023; WEF, 2023）。

尽管行业主要参与者明确表示致力于脱碳，但所提出的策略忽视了石灰石的大量消耗，并将熟料替代工作推迟到价值链的后期阶段，从而削弱了减少熟料生产本身化学成分的脱碳目标。相比之下，替代熟料（如钙硫铝酸盐（CSA）可以直接减少约30%的CO?排放，同时结合了降低煅烧需求和降低窑炉能耗的优势（Gálvez-Martos et al., 2021）。Cembureau认识到新熟料配方的缓解潜力，但由于应用和市场接受度的限制，预计到2050年仅能减少5%的工艺相关CO?排放（Cembureau, 2024）。同样，Nakhle等人估计瑞士水泥行业也有类似的5% CO?减排潜力（Nakhle et al., 2022），而GCCA则预测在PC替代率为5%的情况下，总体CO?排放量可减少0.5%，尽管在最近的报告中这一数字提高到了9%（GCCA, 2025）。这些预测的差异可能归因于替代熟料的应用和规模化方面的不确定性，包括技术成熟度的延迟、制定相关标准所需的时间以及生产商改变运营和商业模式的意愿。此外，引入新原材料可能带来的供应链风险和短期经济约束也会增加系统的复杂性。

尽管存在对替代熟料缺点的担忧，但生产这些低碳替代品可以作为关键里程碑，减少对当前胶凝材料家族的依赖，同时降低实现脱碳目标所需的投资规模和对CCUS的依赖（Gartner and Sui, 2018）。在开发具有竞争力的低碳替代品（如LC3水泥）的背景下，这种替代熟料因其所需的窑炉操作技术变革而脱颖而出（Scrivener et al., 2018）。这种替代熟料已经展示了其减少温室气体（GHG）排放的潜力，因为其对石灰石和燃料的需求较低，而且可以通过结合其他脱碳技术（如CCUS）进一步提高这一效果（Gálvez-Martos et al., 2021）。与PC相比，它可能更具能源效率，因为它避免了产生铝酸钙（alite）这一需要更高煅烧温度（超过1400°C）和更多石灰石的阶段，后者会产生ye’elimite（4CaO·3Al?O?·SO?）。ye’elimite在熟料成分中引入了两种成分：通常来自铝土矿的氧化铝和通常来自石膏的硫酸盐。

在这项研究中，我们对CSA熟料生产的生态效率、技术经济性和生命周期性能进行了全面且完全参数化的评估，以证明替代粘合剂可以在熟料制造脱碳策略中发挥作用。我们的方法引入了一个创新的建模框架，能够评估广泛的参数，包括地理范围、技术选项、原材料来源和燃料供应链。通过分析大量方案，我们可以对CSA制造的经济和环境性能获得可靠的见解，特别是当与CCUS技术结合使用时。总体而言，结果表明，在适当条件下，CSA水泥可以显著扩展可行的脱碳策略范围。

方法论

本研究使用LCA和生产成本建模，评估了数千种CSA和PC熟料制造方案的环境和技术经济性能，并将结果整合到生态效率指标中。这个庞大的数据集是通过对地理范围、原材料来源、生产规模、技术选择、水泥配方等关键参数进行广泛参数化工作的结果——具体细节如下所示

环境和经济性能概述

如预期，当从波特兰水泥转向CSA熟料并引入碳捕获时，所评估方案的环境和经济影响有明显变化。图2展示了从20,000多种方案中选出的九种方案的整体影响。每个堆叠条形图分别显示了燃料供应、原材料来源、工厂运营和直接排放的贡献。此比较中的条件是固定的：使用石油焦作为燃料

讨论

本研究的结果表明，CSA熟料配方作为一种技术上可行且更经济的途径，具有实现水泥生产脱碳的潜力，尤其是在与碳捕获技术结合使用时。CSA的可行性在地理上主要集中于铝土矿资源丰富的地区，限制了其全球适用性。低ye’elimite含量（≤40%）的方案与传统PC相比显示出更高的生态效率，在某些配置中，CSA能够实现更

结论

本研究对钙硫铝酸盐（CSA）熟料作为低碳替代品进行了大规模的参数化评估，通过综合生命周期和经济建模评估了20,448种方案。低ye’elimite含量的CSA水泥（例如40%）在减少碳足迹和经济性能方面提供了有吸引力的平衡，特别是在改造后的工厂中实施时。在这种配置下，CSA可以促进更经济的碳集成

CRediT作者贡献声明

José-Luis Gálvez-Martos：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Aya Al-Hashimi：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理。Ammar Elhoweris：撰写——审稿与编辑，监督，资源管理，项目行政，方法论，调查，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢卡塔尔国家研究基金对这项研究的支持（奖项编号：NRP12S-0322-190433, NRP12S-0319-190413, NPRP10-0216-170475）。