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    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

    2022-06-22 08:32:56郭旸旸李寅明張增壽朱廷鈺
    環(huán)境科學(xué)研究 2022年6期
    關(guān)鍵詞:熟料燃料水泥

    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).

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