碳中和下水泥行業(yè)低碳發(fā)展技術(shù)路徑及預(yù)測研究

羅 雷，郭旸旸*，李寅明，張增壽，朱廷鈺*

1. 中國科學(xué)院過程工程研究所，濕法冶金與清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100190

2. 北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室，北京 100041

CO2是主要的溫室氣體，大氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)從1750 年的278×10—6升至2020 年的412×10—6，增長了近50%，預(yù)計21 世紀(jì)末大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)最高將近700×10—6，溫室效應(yīng)成為當(dāng)今人類社會面臨的重大全球性挑戰(zhàn)[1-3]. 2015 年達(dá)成的《巴黎協(xié)定》將目標(biāo)定位于努力使溫度升幅限制在1.5 ℃以內(nèi)[4]，為實現(xiàn)這一目標(biāo)，國際能源署(IEA)提出，全球與能源相關(guān)的CO2排放量需要在2060 年降至2014 年的25%[5].2020 年習(xí)近平總書記在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論會上向國際社會做出中國CO2排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和的莊嚴(yán)承諾[6]，明確了我國積極應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略定位及方向.

現(xiàn)階段我國CO2排放量仍較高，電力、鋼鐵、水泥等行業(yè)是主要的排放來源[7]，2020 年我國水泥行業(yè)CO2排放量達(dá)13.75×108t，約占全國總排放量的13.5%，水泥行業(yè)的低碳發(fā)展對我國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)至關(guān)重要. 根據(jù)2018 年IEA、水泥可持續(xù)發(fā)展倡議行動組織(CSI)和世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(WBCSD)三家機(jī)構(gòu)發(fā)布的《水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖》[8]，預(yù)測2050 年我國水泥產(chǎn)量為7.5×108t，相比2017 年減少68.8%，噸水泥CO2排放量為0.267 t，相比2017年減少46.7%，估算我國水泥行業(yè)2050 年CO2排放總量為2.0×108t，與2020 年的CO2排放量相比，要實現(xiàn)11.75×108t 的CO2減排量，CO2減排比例近85%.水泥行業(yè)是高能耗、高CO2排放的行業(yè)，噸水泥熟料的綜合能耗約為113.5 kg (以標(biāo)準(zhǔn)煤計)，排放約0.8 t CO2[9]，其中55%來自原料的分解，32%來自燃料的燃燒，13%來自電能的消耗[10]. 一半以上的CO2排放來源于原料石灰石中碳酸鈣等的分解，這部分CO2排放難以通過燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整或能效提升而避免，因此水泥行業(yè)也是典型的難減排行業(yè).

國外已開展針對水泥行業(yè)低碳發(fā)展的研究，國內(nèi)相對滯后，且相關(guān)研究主要集中在電力及煤化工行業(yè)，低碳技術(shù)主要針對碳捕集材料[11]、碳捕集技術(shù)[12]、能效提升技術(shù)[13]和原燃料替代技術(shù)等[14-15]，針對水泥行業(yè)特有的低碳技術(shù)開展較少，同時在碳中和愿景下水泥行業(yè)低碳發(fā)展更需要結(jié)合我國國情及行業(yè)發(fā)展，基于行業(yè)及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對符合我國水泥行業(yè)實際發(fā)展的低碳路徑進(jìn)行分析及預(yù)測，以期為我國水泥行業(yè)的碳中實現(xiàn)路徑提供技術(shù)參考.

1 水泥行業(yè)低碳技術(shù)路徑分析及預(yù)測

根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝特點及國外水泥行業(yè)發(fā)展歷程，水泥行業(yè)CO2減排主要通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及低碳技術(shù)實現(xiàn)，其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)減排主要通過錯峰停窯、淘汰落后壓減過剩產(chǎn)能等方式，低碳技術(shù)減排主要通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高余熱利用、使用替代原燃料、發(fā)展低碳產(chǎn)品、發(fā)展CCUS (CO2捕集、利用與封存)技術(shù)等方式[16].

1.1 水泥產(chǎn)能壓縮預(yù)測

根據(jù)2019 年美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，我國人均水泥年產(chǎn)量為1.65 t，約是德國的4 倍，美國的6 倍，世界人均水平的3 倍，這與我國城鎮(zhèn)化發(fā)展密切相關(guān)，未來隨著需求量的下降，根據(jù)IEA 預(yù)測2050 年我國水泥年產(chǎn)量將減至7.5×108t，通過產(chǎn)量壓縮可減少約8.6×108t 的CO2排放(見圖1).

圖 1 IEA 對水泥產(chǎn)量預(yù)測結(jié)果[8]Fig.1 Forecast data of cement output by IEA[8]

根據(jù)我國歷年水泥產(chǎn)量和熟料占比(見圖2)發(fā)現(xiàn)：近年來，我國水泥年產(chǎn)量基本穩(wěn)定在24×108t 左右，2020 年為23.94×108t[17]；但水泥熟料占比卻呈增加趨勢，2018—2020 年我國水泥熟料占比均不低于65%，相比2012 年增加了10.7%～12.1%. 熟料生產(chǎn)作為CO2排放的主要環(huán)節(jié)，熟料占比的降低有利于CO2的減排，但近年來并沒有出現(xiàn)CO2排放量降低的趨勢，所以在符合水泥機(jī)械和耐久性等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)前提下，通過添加其他組分來降低熟料占比是未來CO2減排的研究方向，但總體上水泥熟料產(chǎn)能壓縮形勢依然嚴(yán)峻.

圖 2 2012—2020 年我國水泥產(chǎn)量及熟料占比Fig.2 Cement output and clinker cement ratio in China from 2012 to 2020

1.2 水泥行業(yè)低碳技術(shù)路徑

根據(jù)《水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖》，在壓縮產(chǎn)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行低碳技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用是全球水泥行業(yè)低碳發(fā)展的必然趨勢. 通過技術(shù)預(yù)測，2050 年中國噸熟料CO2排放強(qiáng)度將由2020 年的0.472 t 降至0.267 t，因此需要通過低碳技術(shù)實現(xiàn)43.4%的CO2減排量才能實現(xiàn)碳中和目標(biāo). 但目前各低碳技術(shù)存在技術(shù)就緒度(對特定技術(shù)的成熟性進(jìn)行比較的系統(tǒng)性的度量方法，技術(shù)就緒度最高為9 時表示已達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平)不高、減排成本高等限制，實現(xiàn)碳中和的難度較大.

水泥行業(yè)低碳技術(shù)主要包括能效提升、CCUS、替代原燃料、低碳水泥和流程變革等(見圖3). 根據(jù)模型計算預(yù)測[18]，2050 年全球水泥行業(yè)CO2排放總量將由2020 年的36.06×108t 降至20.82×108t，實現(xiàn)15.24×108t 的減排量，其中能效提升對CO2減排的貢獻(xiàn)率為6.7%，替代原燃料對CO2減排的貢獻(xiàn)率為54.0%，CCUS 對CO2減排的貢獻(xiàn)率為39.3%，因此原燃料替代、CCUS 及流程變革等技術(shù)是水泥行業(yè)低碳技術(shù)突破的關(guān)鍵.

圖 3 水泥行業(yè)低碳技術(shù)路徑Fig.3 Low-carbon technical paths for cement industry

1.2.1 能效提升技術(shù)

水泥行業(yè)的總能耗約占全球工業(yè)能耗的7%[19]，生產(chǎn)1 t 水泥的平均能耗高達(dá)4 GJ[20]，生產(chǎn)過程的能耗主要來自熱能和電能的消耗，其中熱能的消耗主要來自生料預(yù)熱和熟料煅燒環(huán)節(jié)，而電能的消耗主要來自水泥粉磨、熟料生產(chǎn)和物料輸送等環(huán)節(jié)[21-22]. 據(jù)預(yù)測，2040 年我國水泥工業(yè)將達(dá)到最佳技術(shù)水平，通過能效提升技術(shù)可使噸熟料的綜合能耗降至85 kg (以標(biāo)準(zhǔn)煤計)[23]，實 現(xiàn)CO2減排約1.19×108t/a (基 于2020 年熟料產(chǎn)量數(shù)據(jù)).

水泥生產(chǎn)的能效提升主要為燒成系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，如通過對預(yù)熱器系統(tǒng)進(jìn)行改造來提高換熱效果，將原有的5 級預(yù)熱轉(zhuǎn)變?yōu)? 級預(yù)熱，預(yù)熱器出口溫度可從320 ℃降至260 ℃以下；對回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行筒體余熱再回收系統(tǒng)[24]，改造為兩檔短窯技術(shù)，可減少約20 kJ/kg 熟料的熱量損失，可實現(xiàn)CO2減排286.7×104t/a(基于2020 年熟料產(chǎn)量數(shù)據(jù))；對現(xiàn)有篦冷機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用新型第四代篦冷機(jī)可實現(xiàn)每千克熟料減少61.9～92.8 kJ 的熱量損失，實現(xiàn)CO2減排887.2×104～1 330.1×104t/a (基于2020 年熟料產(chǎn)量數(shù)據(jù)).

1.2.2 原燃料替代技術(shù)

1.2.2.1 替代燃料技術(shù)

選用高熱值、低碳排的材料是替代燃料可行之策，目前水泥工業(yè)已知的應(yīng)用于燃料替代的材料超過100 種，如輪胎、廢油及溶劑、固體回收燃料、城市生活垃圾等[25]. 根據(jù)CSI 和WBCSD 發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球水泥行業(yè)替代燃料率從1990 年的2%增至2014 年的14.8%，但各地區(qū)替代燃料率存在較大差異，歐盟整體替代燃料率高達(dá)39%，尤其是荷蘭、奧地利和挪威等國家，替代率均在60%以上. 出現(xiàn)這種差異的原因，一方面是替代燃料供應(yīng)的問題，如荷蘭、德國等國家有對可回收資源的填埋禁令，廢棄物燃料的可獲得性是決定替代率的前提；另一方面是技術(shù)問題，如德國初期采用可燃廢棄物預(yù)處理系統(tǒng)，處理量小、不經(jīng)濟(jì)，難以大面積推廣，于是出現(xiàn)了專業(yè)回收可燃廢棄物制備垃圾衍生燃料(RDF)技術(shù)，推動了替代燃料的快速發(fā)展[26-27].

《中國水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》中對幾種替代的燃料給出了熱值的參考量，常規(guī)替代燃料如廢油、廢輪胎等廢棄物，可實現(xiàn)15%～25%的CO2減排量. 2019 年，我國水泥行業(yè)耗煤量達(dá)2.95×108t，而當(dāng)前我國每年廢舊輪胎的產(chǎn)生量為2 000×104t，廢礦物油的產(chǎn)生量為760×104t，市政污泥的產(chǎn)生量為840×104t，合計僅為0.36×108t，依靠可燃廢棄物替代燃煤的比例有限. 因此，替代可燃廢棄物分類及來源是制約我國水泥行業(yè)替代燃料技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵.

1.2.2.2 替代原料技術(shù)

利用氧化鈣含量較高的物質(zhì)來替代現(xiàn)有碳酸鹽原料，可有效降低CO2排放量. 《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃(2014—2020 年)》中也針對性地指出“水泥行業(yè)要鼓勵采用電石渣、造紙污泥、脫硫石膏、粉煤灰、冶金渣尾礦等工業(yè)廢渣和火山灰等非碳酸鹽原料替代傳統(tǒng)石灰石原料”[28]. 據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生約40×108t 的鋼渣、硅鈣渣、電石渣、堿渣等固體廢棄物[29]，因此進(jìn)行水泥原料替代是我國水泥行業(yè)CO2減排的重要抓手. 水泥生料中電石渣的配料比為60%時可實現(xiàn)40%的CO2減排量[30]，2019 年我國電石渣產(chǎn)生量約為2 600×104t[31]，全部替代可實現(xiàn)CO2年減排量938.8×104t，減排效果顯著；我國每年鋼渣產(chǎn)生量約1.49×108t，水泥生料中鋼渣的配料比為4%時可實現(xiàn)噸熟料CO2排放量降低4.4 kg. 可見，我國替代原料的來源及CO2減排潛力均高于替代燃料. 但部分可用替代原料由于成分復(fù)雜，會對水泥產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響，并且相關(guān)替代原料的預(yù)處理、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)會額外增加水泥的生產(chǎn)成本. 因此，現(xiàn)階段我國水泥行業(yè)替代原料的CO2減排應(yīng)重點關(guān)注替代原料的可用性匹配以及低成本處理技術(shù)的提升和應(yīng)用.

1.2.3 CCUS 技術(shù)

CCUS 技術(shù)可以顯著減少水泥行業(yè)CO2排放，是水泥行業(yè)實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵. CCUS 技術(shù)種類較多，目前常見技術(shù)的發(fā)展水平及應(yīng)用現(xiàn)狀如表1 所示，其中，最成熟的為化學(xué)吸收技術(shù)，鈣循環(huán)技術(shù)等也處于較快的研發(fā)示范階段，整體呈多種技術(shù)路徑并存的研發(fā)態(tài)勢.

表 1 全球水泥行業(yè)CCUS 主要技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀[32]Table 1 CCUS technologies and application status for global cement industry[32]

1.2.3.1 捕集技術(shù)

對于碳捕集技術(shù)來說，捕集技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性是衡量技術(shù)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，圖4 為CO2捕集技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較，其中，采用膜分離法捕集CO2的熟料成本最高，噸熟料成本達(dá)927.6 元，其余3 種技術(shù)的噸熟料成本介于810.4～830.8 元之間. 從技術(shù)成本構(gòu)成來看，4 種技術(shù)的投資成本均占比較高，在26.8%～40.9%之間，固定運(yùn)行成本次之. 從能耗成本構(gòu)成來看，一乙醇胺(MEA)吸收法和冷卻氨法所需的蒸汽消耗量分別占總成本的18.0%和11.0%，膜分離法的電耗和鈣循環(huán)法的煤耗均達(dá)20.0%. 因此，要實現(xiàn)低熟料成本的目的，除了降低建設(shè)成本和固定運(yùn)行成本外，技術(shù)能耗的降低也是需要重點考慮的方面[33].

圖 4 不同CO2 捕集技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較Fig.4 Economic comparison of different CO2 capture technologies

水泥行業(yè)CO2捕集技術(shù)中化學(xué)吸收、鈣循環(huán)及固體吸附等技術(shù)就緒度較高，下面主要對這幾種技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹.

a)化學(xué)吸收技術(shù)：化學(xué)吸收技術(shù)的原理是利用堿性的醇胺溶液對酸性的CO2氣體進(jìn)行吸收，吸收后在高溫條件下進(jìn)行解析，分離出高濃度的CO2，并進(jìn)行CO2捕集的過程[34]. 挪威、加拿大、印度和中國等國家均開展了相關(guān)技術(shù)工程放大研究[35]，如中國在2018 年建成世界首條水泥煙氣CO2捕集示范線(見圖5)，吸收劑以羥乙基乙二胺(AEEA)為主要成分，實現(xiàn)了工業(yè)級CO2年捕集量5×104t，食品級CO2年捕集量3×104t[36-37]，CO2捕集成本約為300 元/t (以CO2計)，低成本、低能耗是該技術(shù)未來的主要研發(fā)趨勢[38-39]. 此外，海德堡水泥預(yù)期2024 年將在挪威Brevik 水泥廠建設(shè)全球水泥行業(yè)第一條全尺寸碳捕集和封存項目，預(yù)計每年可以捕集40×104t 的CO2，并永久封存.

圖 5 化學(xué)吸收法工藝流程及白馬山水泥煙氣CO2 捕集純化示范Fig.5 Process flow of chemical absorption method and demonstration of CO2 capture and purification demonstration in Baimashan

b)鈣循環(huán)技術(shù)：鈣循環(huán)技術(shù)主要是利用氧化鈣的碳化反應(yīng)(CaO+CO2=CaCO3)和碳酸鈣的分解反應(yīng)(CaCO3=CaO+CO2)進(jìn)行循環(huán)吸脫附，實現(xiàn)CO2的富集提純[40]. 鈣循環(huán)技術(shù)最先于1999 年由Shimizu等[41]開始研究，目前已持續(xù)20 余年. 由于鈣循環(huán)失活吸收劑可以作為水泥生料使用，同時可以與分解爐進(jìn)行技術(shù)集成，因此鈣循環(huán)技術(shù)被認(rèn)為是最適合水泥行業(yè)生產(chǎn)工藝的碳捕集技術(shù)[12]. 德國Stuttgart 大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究及放大驗證[42-45]，2017 年中國臺灣和平水泥廠新建了CO2捕集規(guī)模為1 t/h 的示范工程，可實現(xiàn)85%的CO2捕集效率，未來預(yù)計綜合捕集成本約為25 美元/t (以CO2計)(見圖6).

c)固體吸附技術(shù)：固體吸附技術(shù)主要是利用吸附劑對吸附質(zhì)的選擇性吸附特性，達(dá)到分離提純的目的，其中變壓吸附(PSA)進(jìn)一步利用了吸附劑對吸附質(zhì)在不同分壓下的選擇性吸附，提高吸附容量. 北京金隅琉水環(huán)?？萍加邢薰拘陆藝鴥?nèi)首條水泥窯尾煙氣CO2變壓吸附工程(見圖7)，該工藝流程為以CO2體積分?jǐn)?shù)為8%的回轉(zhuǎn)窯煙氣為原料氣，原料氣經(jīng)冷卻汽水分離后進(jìn)入PSA-1 段(吸附溫度為40 ℃、吸附壓力為0.2 MPa)進(jìn)行粗提濃，得到體積分?jǐn)?shù)為20%的CO2中間氣；然后，中間氣進(jìn)入PSA-2 段(吸附溫度為40 ℃、吸附壓力為0.2 MPa)進(jìn)行提濃；最后，氣體降壓至15 kPa 得到體積分?jǐn)?shù)約為40%的CO2產(chǎn)品氣(最高可達(dá)59%). 富集后的高濃度CO2氣體用于飛灰的水處理，CO2氣體用于飛灰的水處理可節(jié)約碳酸鈉和鹽酸的用量，日節(jié)約資金在3 000 元以上[46].

圖 6 鈣循環(huán)技術(shù)工藝流程及中國臺灣和平水泥廠鈣循環(huán)示范Fig.6 Process flow and demonstration of calcium looping in Taiwan Heping Cement Plant

圖 7 變壓吸附工藝流程及北京金隅琉水環(huán)?？萍加邢薰咀儔何绞痉禙ig.7 Process flow and demonstration of pressure swing adsorption in Beijing Jinyu Liulihe Environmental ProtectionTechnology Co., Ltd.

1.2.3.2 CO2利用技術(shù)

除大規(guī)模封存外，工業(yè)生產(chǎn)過程捕集的大量CO2如何利用是CCUS 技術(shù)面臨的另一難題，目前已有的CO2利用途徑主要包括物理利用、化學(xué)利用和生物利用等，物理利用中的混凝土礦物固碳是一種極具發(fā)展前景的CO2碳利用技術(shù). CO2可以將水泥水化產(chǎn)物中的Ca 或固體廢棄物中的游離氧化物轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定性高的無機(jī)碳酸鹽，從而在提高混凝土材料品質(zhì)的同時實現(xiàn)封存CO2的目的. 目前，我國已完成萬噸級CO2養(yǎng)護(hù)混凝土技術(shù)示范，每千克混凝土礦物在高壓下可實現(xiàn)0.05 kg 的固碳量，對水泥行業(yè)CO2利用和封存具有較大的潛力.

利用CO2制備化學(xué)品也是CO2的重要利用途徑，按照不同化學(xué)轉(zhuǎn)化品技術(shù)就緒度的不同，目前除了聚碳酸酯、水楊酸和尿素達(dá)到商用規(guī)模外，大部分還處于基礎(chǔ)研發(fā)和發(fā)展階段，從技術(shù)未來發(fā)展的預(yù)測來看，3～5 年可達(dá)到商業(yè)規(guī)模的主要為碳酸二甲酯和甲烷，6～10 年可達(dá)到示范規(guī)模為乙醇、碳酸鈉和合成氣等，而CO2制醋酸、丙烯酸和氨基甲酸鹽等約需20 年以上才能到達(dá)示范規(guī)模[47-48].

1.2.4 低碳水泥

據(jù)預(yù)測，我國石灰石資源僅可供使用約30 年[49]，水泥行業(yè)無疑是需求大戶，常規(guī)的硅酸鹽水泥主要由硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、鋁酸三鈣(C3A)和鋁酸四鈣(C4AF)組成，其中C3S 礦物含量高(60%左右)，燒成所需溫度在1 400～1 500 ℃之間，因此整個熟料燒成系統(tǒng)的總能耗較高，降低C3S 的占比可明顯實現(xiàn)CO2減排. 目前，低碳水泥主要分為兩類，一類是在不改變現(xiàn)有硅酸鹽水泥的原材料構(gòu)成體系上添加部分其他材料來減少CO2排放的水泥[50-53]，另一類是替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的新型高效水泥[54-56]. 兩種水泥通過減少原料分解和燃料使用的兩種途徑來達(dá)到CO2減排目的.

現(xiàn)階段開展相關(guān)研究的國家主要集中在美國、德國、法國、中國和日本等國家. 典型的低碳水泥主要有高貝利特水泥、低溫合成活性貝利特水泥、Porsol 水泥、Aether 水泥、BCT 水泥和日本生態(tài)水泥等，其中高貝利特水泥主要是在常規(guī)硅酸鹽水泥原料的基礎(chǔ)上添加重晶石、黃鐵礦、銅尾礦等外加穩(wěn)定劑來穩(wěn)定高活性的C2S 礦物，燒成溫度可降低約100 ℃，可實現(xiàn)約10%的CO2減排量. 我國低溫制備的活性貝利特水泥將C2S 含量提高了50%～55%[57]. 由德國海德堡公司發(fā)明的BCT 水泥，將硫硅鈣石和硫鋁酸鈣作為熟料礦物來源，實現(xiàn)約30%的CO2減排量，可節(jié)約10%～15%的能耗. 引入低能耗和低鈣等原材料是低碳水泥發(fā)展的必要前提，但目前低碳水泥在發(fā)展上還存在工藝要求高、應(yīng)用范圍窄等問題，每年低碳水泥產(chǎn)量不足我國水泥總產(chǎn)量的5%[57]，未來應(yīng)在提高相應(yīng)工藝技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)具有通用性的水泥產(chǎn)品，提升低碳產(chǎn)量生產(chǎn)及使用占比.

1.2.5 流程變革技術(shù)

水泥自1824 年誕生以來，生產(chǎn)工藝經(jīng)歷了多次變革，從立窯、回轉(zhuǎn)窯、懸浮預(yù)熱器再到預(yù)分解窯，均以提高能效為核心，整體工藝耗煤量降低了54%，在未來工藝能效提升空間有限的情況下，水泥生產(chǎn)流程的變革將主要以燃燒/煅燒方式的變革為主，實現(xiàn)“過程減碳”.

以富氧燃燒技術(shù)為例(見圖8)，爐窯內(nèi)氣氛由“O2/N2”變革為“O2/CO2”，通過煙氣再循環(huán)燃燒系統(tǒng)，將煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)提至90%. 目前，水泥行業(yè)尚未有全氧燃燒技術(shù)投運(yùn)的案例，分解爐全氧燃燒法已完成了CO2捕集規(guī)模2～3 t/h 的小試試驗，分解爐出口干基CO2體積分?jǐn)?shù)為66%～75%；同時對3 500 t/d水泥生產(chǎn)線改造的投資運(yùn)行成本進(jìn)行了測算，CO2捕集成本為62 歐元/t[58].

圖 8 水泥富氧燃燒工藝流程Fig.8 Process flow of oxy-fuel combustion

以外旋式燃燒技術(shù)為例(見圖9)，煙氣與生料之間由“直接換熱”變革為“間接換熱”，通過將碳酸鹽分解和燃料燃燒過程分離，從而得到富CO2煙氣. 該技術(shù)已在氧化鎂行業(yè)完成CO2捕集規(guī)模為5 t/h 的工業(yè)應(yīng)用，分解爐出口CO2干基體積分?jǐn)?shù)100%. 目前，海德堡水泥公司已開展LEILAC (low emissions intensity lime & cement)項目，該項目預(yù)計2025 年在德國漢諾威(Hanover)完成CO2捕獲規(guī)模為10×104t/a 的示范工程.

圖 9 外旋式燃燒技術(shù)示意Fig.9 Schematic diagram of externalrotation combustion technology

由于我國大部分電力來自燃煤發(fā)電，所以水泥生產(chǎn)過程中電力的消耗成為最大的CO2間接排放來源，早期由于可再生能源發(fā)電價格較煤炭等化石能源高，造成可再生能源利用發(fā)展受阻. 目前，一方面在化石能源發(fā)電成本幾乎不變的情況下，可再生能源的發(fā)電成本降幅巨大，其中太陽能和風(fēng)能發(fā)電成本在10 年內(nèi)分別降低了89%和70%，在我國碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)驅(qū)動下，其發(fā)展前景勢必更大；另一方面，水泥企業(yè)一般分布在煤炭、石灰石等原燃料產(chǎn)地附近，可充分利用礦山、原燃料堆場等空間開發(fā)太陽能和風(fēng)能發(fā)電. 所發(fā)電能除用于水泥生產(chǎn)系統(tǒng)外，富余電能還能結(jié)合水泥生產(chǎn)的流程變革來進(jìn)行水泥熟料煅燒，從而進(jìn)一步減少煤炭消耗，可見加大可再生清潔能源的利用是實現(xiàn)CO2減排的又一可靠途徑.

除了CO2減排技術(shù)路徑外，碳交易也是另一個需要密切關(guān)注的方面，2021 年7 月16 日，全國碳市場上線交易正式啟動，首批納入全國碳市場覆蓋范圍內(nèi)的電力企業(yè)CO2排放量超過40×108t. 預(yù)計水泥行業(yè)作為高耗能行業(yè)預(yù)計將在“十四五”期間被納入碳交易市場[59]. 現(xiàn)階段CO2的交易價格約為8 美元/t，而碳捕集等低碳技術(shù)的噸CO2減排成本為200～300元，導(dǎo)致水泥企業(yè)傾向于交易而不是采用低碳技術(shù)，對低碳技術(shù)的發(fā)展形成沖擊. 但據(jù)專家預(yù)測，隨著碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，中國經(jīng)濟(jì)全尺度的CO2減排成本也會有所增加，碳價還有上升空間. 預(yù)計“十四五”期間，中國碳市場的碳價可能在8～10 美元/t之間；“十五五”期間，碳價可能進(jìn)一步升至15 美元/t[60]，所以未來隨著碳價的逐步上升，低碳技術(shù)仍是實現(xiàn)碳中和的必然途徑.

2 水泥行業(yè)CO2 減排預(yù)測

由于生產(chǎn)線固定資產(chǎn)迭代的規(guī)律，我國大部分水泥生產(chǎn)線的服役年限未超過15 年，距離40 年壽命期限仍有較長時間，因此產(chǎn)量的削減需要結(jié)合行業(yè)消費(fèi)需求以及固定資產(chǎn)等因素進(jìn)行分析，也是未來我國水泥行業(yè)實現(xiàn)碳中和的重要組成部分，但要對行業(yè)CO2排放進(jìn)行預(yù)測具有較大的不確定性，尤其目前低碳技術(shù)路徑尚未得到大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化驗證，故將產(chǎn)量削減規(guī)律、低碳技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的應(yīng)用發(fā)展趨勢相結(jié)合來進(jìn)行CO2的減排預(yù)測. 基于上述行業(yè)發(fā)展及技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀分析，以2020 年水泥行業(yè)排放基準(zhǔn)測算，初步預(yù)計到2060 年，通過產(chǎn)能削減可以實現(xiàn)CO2減排量約6.2×108t，通過能效提升及節(jié)能技術(shù)可實現(xiàn)CO2減排量約1.2×108t，替代原燃料可實現(xiàn)CO2減排量約1.7×108t，低碳水泥及流程再造技術(shù)可實現(xiàn)CO2減排量約1.3×108t，剩余 約2.2×108t 的CO2減排量仍需依靠CCUS 技術(shù)實現(xiàn). 結(jié)合固定資產(chǎn)壽命及技術(shù)發(fā)展階段，通過情景分析以每5 年為時間節(jié)點對我國水泥行業(yè)CO2減排進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖10 所示.

圖 10 我國水泥行業(yè)CO2 減排預(yù)測Fig.10 Prediction of CO2 emission reduction in cement industry in China

3 結(jié)論

a) 產(chǎn)能削減是水泥行業(yè)實現(xiàn)碳中和的有效途徑，但我國水泥行業(yè)體量大、集約化程度低，水泥熟料生產(chǎn)線平均服役年限不超過15 年，距離40 年的壽命期限仍有較長時間，產(chǎn)能減量政策的推薦和實施需要依靠合理的規(guī)劃和政策推進(jìn).

b) 通過能效提升及節(jié)能技術(shù)可使噸熟料的綜合能耗降至85 kg (以標(biāo)準(zhǔn)煤計)，實現(xiàn)CO2減排約1.19×108t/a.

c) 替代燃料的供應(yīng)不足和預(yù)處理技術(shù)的欠缺是提升我國水泥行業(yè)燃料替代率的主要障礙，我國替代原料的來源及CO2減排潛力均高于替代燃料，但替代原料的可用性、匹配性及低成本處理技術(shù)仍有待提高.

d) 低碳水泥對水泥行業(yè)CO2減排意義重大，但需要注意高品質(zhì)水泥的推廣與水泥熟料占比提升之間的平衡關(guān)系. 目前低碳水泥在發(fā)展上還存在工藝要求高、應(yīng)用范圍窄等問題，每年產(chǎn)量不足水泥總產(chǎn)量的5%，未來仍需要通過產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新來提高其生產(chǎn)及使用占比.

e) CCUS 及流程變革技術(shù)是水泥行業(yè)實現(xiàn)碳中和的必要路徑，在技術(shù)路徑的選擇上呈多樣化特征，我國水泥行業(yè)CO2減排技術(shù)處于起步階段，在規(guī)模化放大過程中仍存在諸多挑戰(zhàn)，但與電力等行業(yè)不同，混凝土固碳、鈣循環(huán)等技術(shù)在水泥行業(yè)具有典型的行業(yè)優(yōu)勢，可與生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合，是未來水泥行業(yè)CCUS 技術(shù)的重要發(fā)力點.

f) 短期內(nèi)我國水泥行業(yè)降碳主要思路為控制源頭排放，包括流程智能化、余熱利用、原燃料替代和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等路徑，實現(xiàn)碳達(dá)峰及減碳；中期隨著生產(chǎn)線服役年限臨近及低碳水泥制備技術(shù)的發(fā)展，以支撐行業(yè)碳的大幅度削減；后期通過CCUS、富氧燃燒、可再生能源利用等技術(shù)來實現(xiàn)水泥行業(yè)碳中和的目標(biāo).