碳排放相關的法律法規及歐美水泥工業碳捕獲活動進展

建筑材料工業技術情報研究所 王新頻

前 言

自1994年《聯合國氣候變化框架公約》生效后，全球正式進入低碳減排時代。2015年12月通過的《巴黎協定》是繼《聯合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》之后，人類歷史上應對氣候變化的第三個里程碑式的國際法律文件，將為2020年后全球應對氣候變化行動做出安排。我國“十三五”期間，單位國內生產總值二氧化碳排放和單位國內生產總值能耗將分別下降18%和15%，非化石能源占一次能源消費比重將提高至15%，于2017年啟動碳交易市場，逐步削減氫氟碳化物的生產和消費。

科學家們預測，本世紀全球平均氣溫將上升2℃～4℃，可能引發干旱、洪水、冰川融化和海平面上升等多種自然災難（又稱厄爾尼諾現象）。CO2排放量超限被公認為是全球變暖的主要因素。水泥行業是一個主要的工業溫室氣體排放源，約占全球人為溫室氣體排放的5%。國際能源署（The Internationa1 Energy Agency,IEA）研究表明，按照現行的政策和預測市場需求，從目前的水平到2050年CO2排放量減少一半，水泥行業需要將CO2排放量從2.34Gt/a減少到1.55Gt/a[1]。在減排方面，雖然采取了提高能源效率、使用替代燃料、替代原材料和降低水泥中熟料摻量等措施，但依然還有減排潛力。從中長期發展考慮，碳捕獲和封存技術（Carbon Capture and Storage，簡稱為CCS）將在實現全球CO2減排中起著至關重要的作用。到現在為止，還沒有在水泥回轉窯使用任何碳捕獲技術的工業應用，水泥工業碳捕獲還處在理論研究與有限的工業試驗階段。本文將主要介紹碳排放相關的法律法規及歐美在碳捕獲領域的相關活動。

一、碳排放相關的法律法規

1. 國際碳排放相關的政策法規

（1） 國際公約《聯合國氣候變化框架公約》[2]

1992年聯合國政府間談判委員會就氣候變化問題通過了《聯合國氣候變化框架公約》。該公約于1994年3月21日生效，是世界上第一個全面控制二氧化碳、甲烷和其他溫室氣體排放，以應對全球氣候變暖給人類經濟和社會帶來不利影響的國際公約，也是國際社會在應對全球氣候變化問題上進行國際合作的一個基本框架。目前已有192個國家（稱為“締約國”）批準了該公約。為實現《框架公約》目標確立了五個基本原則：

1）“共同而區別”的原則，要求發達國家應率先采取措施，應對氣候變化；

2）要考慮發展中國家的具體需求；

3）各締約國應當采取必要措施，預防和減少引起氣候變化的因素；

4）尊重各締約國的可持續發展權；

5）加強國際合作，應對氣候變化的措施不能成為國際貿易的壁壘。

1997年12月，《框架公約》第3次締約國大會在日本京都舉行，會議通過了具有法律約束力的《京都議定書》，對2012年前主要發達國家減排溫室氣體的種類、減排時間表和額度等做出了具體規定，同時確立了三個實現減排的靈活機制，即：聯合履約（JI）、排放貿易（ET）和清潔發展機制（CDM）。其中，清潔發展機制同發展中國家關系密切，其目的是幫助發達國家實現減排，同時協助發展中國家實現可持續發展，是由發達國家向發展中國家提供技術轉讓和資金，通過項目提高發展中國家能源利用率，減少排放，或通過造林增加二氧化碳吸收，碳排放的減少和增加的二氧化碳吸收計入發達國家的減排量。《京都議定書》于2005年開始生效。根據這份議定書，從2008年～2012年間，主要工業發達國家的溫室氣體排放量要在1990年的基礎上平均減少5.2%，其中歐盟將6種溫室氣體的排放量削減8%，美國削減7%，日本削減6%。

2007年12月，《框架公約》第13次締約國大會在印度尼西亞巴厘島舉行，會議著重討論“后京都”問題，即《京都議定書》第一承諾期在2012年到期后如何進一步降低溫室氣體的排放。12月15日，聯合國氣候變化大會通過了“巴厘島路線圖”，啟動了加強《框架公約》和《京都議定書》全面實施的談判進程，致力于在2009年年底前完成《京都議定書》第一承諾期2012年到期后全球應對氣候變化新安排的談判并簽署有關協議。

2009年12月7日～19日，《框架公約》第15次締約方會議暨《京都議定書》第5次締約方會議在丹麥哥本哈根舉行。經過談判，大會分別以《框架公約》及《京都議定書》締約方大會決定的形式發表了不具法律約束力的《哥本哈根協議》。該協議維護了《框架公約》及《京都議定書》確立的“共同但有區別的責任”原則，就發達國家實行強制減排和發展中國家采取自主減排行動做出了安排，并就全球長期目標、資金和技術支持、透明度等焦點問題達成廣泛共識。大會授權《框架公約》及《京都議定書》兩個工作組繼續進行談判，并在2020年年底完成工作。

2015年世界氣候大會于11月30日在法國巴黎召開，在經歷了長達13天的艱難談判后，終于于2015年12月12日簽訂《巴黎協定》首份具有法律約束力的全面氣候變化協議，標志著哥本哈根會議之后“減排裸奔時代”的終結。《巴黎協定》確立了2020年后，以“國家自主貢獻”目標為主體的國際應對氣候變化機制安排。已有184個國家提交了應對氣候變化“國家自主貢獻”文件，涵蓋全球碳排放量的97.9%。《巴黎協定》涵蓋了全球一致減排的目標、措施、資金補償、技術援助、透明減排、減排核查等29大類內容，此協議將在2020年正式運作。該協定的主要內容是：1）確定長期目標：全球氣溫在工業化時期控制在升高2℃以內，到2050年后實現碳排放與碳吸收的平衡（凈零排放）；2）共同但有區別的責任原則：2020年之前發達國家每年對發展中國家提供1000億美元共同資金；3）“自上而下”方式：各國將以“國家自主貢獻（INDC）”的方式參與全球應對氣候變化行動；4）全球盤點的約束機制：建立從2023開始，每5年將對各國行動總體進展進行一次盤點的約束機制。

（2）國際自愿減排機制[3]

國際上除強制性減排機制外，還有一些基于項目的自愿減排機制，不受法律強制性約束，允許企業和個人購買碳抵消量實現其“碳中和”。該機制具有項目審批周期短、申請費用低、總體要求較寬松，通常作為強制碳減排交易市場的前身或補充形式存在。

國際自愿減排機制主要有以下幾個優點：1）可以使沒有簽署《京都議定書》的國家參與到減排交易市場中來；2）對標準、方法和政策管理進行創新與實驗；3）為將來發展強制碳減排交易市場積累經驗；4）提升企業或個人的公眾信譽。

國際上較為有影響力的七個自愿減排標準主要有：黃金標準（The Go1d Standard，GS），核查碳標準（Verified Carbon Standard，VCS），核查減排標準（The Standard for Verified Emission Reductions，VER+），芝加哥氣候交易標準（Chicago C1imate Exchange，CCX），氣候行動儲備方案（C1imate Action Reserve，CAR），氣候、社區和生物多樣性標準（The C1imate, Community& Biodiversity Standards，CCB）和維沃計劃（The P1an Vivo Standards，P1an Vivo），并將各自愿減排標準所包含的核心要素分為基本信息、項目信息、核算方法、可持續性要求、審定核查與注冊五大項進行比較研究，鑒于自愿減排標準和清潔發展機制（C1ean Deve1opment Mechanism，CDM）標準同為基于項目減排開發的標準，所以將部分標準信息同CDM標準進行類比分析。

2.歐盟碳排放貿易機制（EU-ETS）

為了兌現《京都議定書》承諾，歐盟于1998年3月23～24日召開了成員國環境部長理事會，通過了《歐盟關于氣候問題戰略》文件，提出了歐盟應對氣候變化的基本立場和戰略方針，建立了歐盟碳排放交易體系（European Umission Trading Scheme, EU-ETS）。

歐盟應對氣候變化措施需要在歐盟各成員國不同水平上制定和實施，其協調手段為法規、指令、決定和建議。應對政策包括：排放貿易、標準、財政手段等，其中，對排放貿易的期望值最高，鼓勵各成員國使用《京都議定書》提出的靈活運行機制作為各成員國減排行動的補充。減排措施將針對主要的排放源和減排潛力大且成本低的領域，重點是能源、民用和服務業、工業、交通等領域。

歐盟在2003年10月13日正式頒布《排放交易指令》（Directive 2003/87/EC），指令規定歐盟27國的廠商必須符合EU-ETS規定的二氧化碳減排標準，如減排量超標，就可賣出稱為“歐盟排碳配額”（EUA）的二氧化碳排放權；反之，如果減排沒達標，就必須從市場購買相應配額的排放權。

3.英國《氣候變化法案》

英國2008年通過的《氣候變化法案》（C1imate Change Act, 簡稱CCA）使英國成為世界上第一個為減少溫室氣體排放、適應氣候變化而建立具有法律約束性長期框架的國家。《氣候變化法案》提出的碳預算體系是英國為了達到減排目標而采取的行動。作為《氣候變化法案》的一部分，英國政府要求氣候變化委員會為碳預算提出可供參考的目標。《氣候變化法案》設定了具有法律約束力的全國性目標：以1990年為基準，到2050年前溫室氣體排放至少要減少80%，2020年前至少要減少20%。現在，英國的中期目標已從20%改為34%。《氣候變化法案》提出的碳預算體系要求，以5年作為一個減排周期，每個周期要做3個預算，以設定英國到2050年時的減排路線。

4.法國“碳關稅”

碳關稅由法國提出，用意是希望歐盟國家應針對未遵守《京都協定書》的國家征收商品進口稅，否則在歐盟碳排放交易機制運行后，歐盟國家所生產的商品將遭受不公平的競爭，特別是境內的鋼鐵業及高耗能產業。征收“碳關稅”違反了世界貿易組織的基本規則，是以環境保護為名，行貿易保護之實。這種做法違反了WTO基本規則，也違背了《京都議定書》確定的發達國家和發展中國家在氣候變化領域“共同而有區別的責任”原則，嚴重損害發展中國家利益。

5.美國《清潔能源安全法案》

2009年6月26日，美國通過了旨在降低溫室氣體排放、減少對外國石油依賴和建立能源節約型經濟的《清潔能源安全法案》，這是美國歷史上第一次以法案的形式限制其國內溫室氣體排放。該法案的核心是限制碳排放量，通過設定碳排放上限，對美國的發電廠、煉油廠、化學公司等能源密集型企業進行碳排放限量管理。該法案要求美國到2020年時溫室氣體排放量要在2005年的基礎上減少17%，到2050年減少83%。并引入名為“總量控制與排放交易”的溫室氣體排放權交易機制，該法案允許各企業通過植樹和森林保護等手段抵消自己的溫室氣體排放量。

6.日本《阻止全球變暖措施指南》

日本于1990年制定了阻止全球變暖行動計劃，設立了減少溫室氣體排放的國家目標；在簽署《京都議定書》后，承諾要更嚴格地履行減排義務。2009年提出到2020年在1990年基礎上減排25%的目標。2010年再次通過了《阻止全球變暖措施指南》，明確了日本中長期溫室氣體減排目標。為促進溫室氣體減排目標的實現，又提出通過科學分析各行業的溫室氣體減排潛力，確定各行業減排目標，將減排對國際競爭力的影響減至最小的行業減排新機制。

《阻止全球變暖措施指南》作為日本的氣候變化政策方案，給所有的部門和國際合作指出了有章可循的行動方法，既關心環境，又關心經濟，目的是使制定的政策和措施能夠帶來氣候和非氣候方面的收益。指南中列出的步驟說明了怎樣隨著時間的推移監視計劃進展，確保日本在履行《京都議定書》義務方面路線正確。

7 .我國相關法規和政策

(1) 我國應對氣候變化國家方案

我國是最早制定實施《應對氣候變化國家方案》的發展中國家。作為履行《氣候公約》的一項重要義務，我國在2007年制定了《中國應對氣候變化國家方案》。該方案明確到2010年中國應對氣候變化的具體目標、基本原則、重點領域及其政策措施。中國國家發展和改革委員會于2014年9月19日發布了中國應對氣候變化領域首個國家專項規劃《國家應對氣候變化規劃（2014-2020年）》，明確了2020年前中國積極應對氣候變化的指導思想和主要目標，從控制溫室氣體排放、適應氣候變化影響等方面提出政策措施和實施途徑。到2020年，單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，非化石能源占一次能源消費的比重增加到15%左右，森林面積和蓄積量分別比2005年增加4000萬公頃和13億立方米。抑制高碳行業過快增長，推動傳統制造業優化升級并大力發展戰略性新興產業，優化能源結構，合理控制煤炭消費總量、加快石油天然氣資源勘探和開發力度，安全高效發展核電，大力開發風電，推進太陽能多元化利用，發展生物質能源等。

(2) 節約能源法及可再生能源法

化石能源消耗是溫室氣體排放的主要來源。我國在2005年和2007年先后通過了《中華人民共和國可再生能源法》及《中華人民共和國節約能源法》，在節能和可再生能源使用方面為減少碳排放提供了法律保障。

(3) 關于發展低碳經濟的指導意見

政府方面開始探索開展碳排放交易的管理和指導方案。2009年8月26日國家發改委副主任解振華表示，發改委正在研究制定《關于發展低碳經濟的指導意見》，從我國國情和實際出發，開展低碳經濟試點示范，試行碳排放強度考核制度，探索控制溫室氣體排放的體制機制，在特定區域或行業探索性地開展碳排放交易。

二、碳捕獲活動

1.相關行業對碳捕獲和碳封存（CCS）的看法及相關的活動調查

國際能源署溫室氣體研發計劃機構（The IEA Greenhouse Gas R＆D Programme，IEAGHG）通過問卷調查，對不同地區的公司、不同企業規模和不同的行業進行了調查。調查的結果見圖1[1]。

圖1 問卷調查結果統計

從圖1及相關調查統計可以看出，大多數被調查者都知道CCS技術，但中東和亞洲被調查對象相比歐洲關于CCS和在這一領域的活動的了解要少很多；大約82%的受訪者認為CCS是一個相關的問題，或者將成為與他們相關的一個問題；中小型水泥生產商和設備制造商認為與CCS是不相關的，技術可行性和經濟風險規避的不確定性，使他們更喜歡傳統的二氧化碳減排方法；近一半的被調查者，尤其是來自歐洲，希望參與CCS的活動；近90%的被調查者認為，碳捕獲技術在水泥行業有潛力，如果可能，會采用該技術；超過一半的被調查者愿意提供財政援助，但由于成本高，只有約35%的被調查者表示愿意提供試點或示范廠；大約40%的被調查者認為有替代CCS的CO2減排新技術的出現，其中有10%的被調查者對排放控制技術發展持不確定性觀點。

2. 碳捕獲技術及相關領域的研究活動

根據二氧化碳的產生過程，碳捕獲技術可以分為燃燒前捕獲、富氧燃燒技術和燃燒后捕獲。

(1) 燃燒前捕獲

燃燒前捕獲又稱預燃燒技術（Precombustion techno1ogies），是指在燃料燃燒前，將其進行氣化處理，得到可燃氣體和含碳固體，可燃氣體用于水泥熟料的燒成，含碳固體再作為其他燃料用，分離出燃料中的碳，從而減少水泥碳排放。最后，從CO2和H2的混合物中除去CO2。當CO2濃度在15%～60%（干基），溫度為500℃～600℃，壓力為2MPa～7MPa時即可分離出CO2，并進行存儲。此方法同樣適用于固體化石燃料。

由于水泥熟料燃燒工藝特點，燃燒前CO2捕獲的一個顯著的缺點是僅分離出燃料燃燒產生的CO2，而石灰石原材料煅燒產生的約60%的CO2隨著煙氣排放了。此外，預燃燒技術相比于其他捕獲技術熟料煅燒過程對氫燃燒的條件非常苛刻。因此該技術在水泥行業中應用效果不被看好，基本可以被排除[1]。

(2) 富氧燃燒捕獲

富氧燃燒技術是水泥窯的CO2捕獲的又一種方法。其原理是利用空氣分離裝置（Air Separation Unit，簡稱ASU）將空氣分離為O2和N2，利用高濃度的O2（大于空氣中的濃度21%）進行熟料的燒成。用這種高濃度的O2代替空氣會得到較純凈的CO2，只需要再經過凈化和壓縮后，即可以進行儲存。為了維持適當的火焰溫度，將一定量的富含CO2的煙氣再循環。該集成系統將對熟料燒成過程會產生較大影響，主要是由不同氣體性質以及煙氣的熱焓與熟料煅燒所需的能量比造成的。此時可以通過優化操作，改變O2濃度來改善熟料燒成過程。由于水泥窯的富氧燃燒，可以提高窯的生產能力，增加替代燃料使用比例。該技術已在熱電廠成功使用，水泥窯可以借鑒。

富氧燃燒在水泥熟料生產中又分為全富氧燃燒和局部富氧燃燒。全富氧燃燒是指分解爐和窯都采用富氧燃燒；局部富氧燃燒是指只對分解爐采用富氧燃燒。表1列出了從2006年以來已公開的在水泥工業中的富氧燃燒技術領域的研究活動[2]。

表1 在富氧燃燒技術領域的研究活動

(3) 燃燒后捕獲

燃燒后捕獲又稱為煙氣脫碳技術，就是指在燃燒后的煙氣中進行捕獲或者分離出CO2。該技術是目前最佳燃煤和燃氣機組大裝機容量的脫碳技術，通過1臺捕獲裝置將CO2有選擇性地去除。燃燒后捕獲技術不僅適用于新建生產線，也適用于現有生產線的改造。煙氣脫碳技術主要有吸收法、吸附法、膜分離法、鈣循環法和礦物碳化法等。

1) 化學吸收法

一般認為化學吸收是一種較成熟的CO2碳捕獲技術，因為有長期的試驗經驗，可從不同的工業部門得到求證，如電力部門的試點項目。在大多數情況下，采用胺的水溶液作為吸收劑。然而，化學吸收技術在水泥窯煙氣的應用僅處在初期的試驗階段，即試驗室試驗或小規模的工業試驗研究階段。

化學吸收法的一個重要過程就是解吸，解吸過程中需要大量的熱量。由于窯系統60%的熱量用于熟料燒成，大部分的余熱用于原料的干燥和余熱發電，這時就要引入再沸器，用水泥廠附近的電廠的低壓蒸汽從吸附劑中解吸CO2。粗略估計，解吸增加的能耗可能會使水泥熟料能耗增加一倍。

2) 吸附法

吸附法是指在一定的條件下（溫度、壓力等）利用吸附劑對CO2進行有選擇性地吸附，然后通過改變條件將CO2解吸，從而達到分離CO2的目的。吸附法按照吸附條件可以分為變溫吸附法和變壓吸附法。該法主要依靠范德華力將CO2吸附在吸附劑的表面，其吸附能力主要取決于吸附劑的比表面積以及操作的溫度差或壓力差條件。由于溫度調節控制速度較慢，效率較低，需要大量的吸附劑，導致此種技術的成本較高,在工業中一般較少采用變溫吸附法[4]。

3) 膜分離法

膜分離法是指在一定的條件下，通過膜對氣體的滲透有選擇性地將CO2分離出來。膜分離技術具有投資少、能耗低、占地少以及維修方便等優點，在CO2捕獲領域頗受關注。我國在膜分離法捕獲CO2技術上已經取得了一定進展。大連化學物理研究所研制的CO2膜分離裝置，已經能夠實現低品位天然氣燃燒時CO2的捕獲。按照膜材料的不同，主要有無機膜、聚合體膜以及正在研究的混合膜等[4]。

4) 鈣循環法

鈣循環過程（也稱為碳酸鹽循環）是一個有發展前景的碳捕獲技術。碳酸化過程是在一定的溫度和壓力下碳酸鈣與氧化鈣和二氧化碳的平衡為基礎的。在碳酸化過程中，氧化鈣與富含CO2的煙氣接觸，在放熱反應中產生碳酸鈣。在隨后的煅燒過程的鈣碳酸鹽再分解生成二氧化碳和氧化鈣。碳酸化器安裝在熟料生產的下游。

關于燃燒后碳捕獲技術在水泥窯中的應用研究大多集中于鈣循環技術。此外，也有一些是關于化學吸收和個別的化學吸附的研究。具體見表2[1]。

表2 燃燒后捕獲領域的研究活動

(4) 混合捕獲

混合捕獲技術是指不同的捕獲方法的組合，一般是富氧燃燒技術結合其他的燃燒技術。如燃燒前捕獲結合富氧燃燒；燃燒后捕獲結合富氧無煙氣再循環；燃燒后捕獲結合富氧燃燒與部分煙氣再循環；燃燒后捕獲結合全富氧操作包括煙氣再循環等。在水泥行業的混合捕獲技術目前還沒有相關的文獻和資料報道。

(5) 水泥廠和電廠之間的聯合碳捕獲

化學吸收技術在水泥熟料燒成過程中的應用，需要一個額外的電廠提供低壓力蒸汽進行溶劑再生。除蒸汽生產外，發電廠也可以滿足水泥廠的電能需求，或產生一個可用于二氧化碳壓縮或剩余電能可以并入電網，而且現在一部分水泥廠也同時有余熱發電或電廠存在，所以水泥廠和電廠之間的聯合碳捕獲已成為可能，也可以利用電廠和水泥生產之間的其他協同效應。例如，電廠采用鈣循環過程捕獲CO2，產生的碳酸鈣又可以重復使用作為水泥熟料燒成過程的替代原料。最佳的方案是如果電廠和水泥廠可以作為集成的工廠也能為吸附劑的大量使用減少運輸成本，降低二氧化碳排放，降低熟料燒成過程的能耗。此外，在使用鈣循環的過程中，不需安裝額外的減排措施（如脫硫、脫硝，此法兼具脫硫、脫硝功能），從而降低投資和運行成本。

三、 結束語

從國際國內與碳排放相關的法律法規入手，重點介紹了歐美水泥工業CO2捕獲潛在的幾種方式和相關領域的研究活動。雖然水泥工業CO2的排放量相對較少（5%），但由于全球變暖趨勢的高壓，世界各國都在采取措施限制CO2的排放。我國從2017年開始正式啟動碳交易市場，通過CO2配額來控制其排放。歐美一些發達國家也在積極采取應對措施，努力尋求減少CO2排放的策略，CCS在CO2減排中承擔80%的任務。盡管美國最近宣布退出《巴黎協定》，給美國溫室氣體減排增加了不確定性，但不會改變絕大多數國家減緩氣候變暖的決心和行動。

參考文獻：

[1]IEAGHG.Deployment of CCS in the Cement Industry[R].2013,9.

[2]http://wenku.baidu.com/link?url=OQU43wEvon4hkxtnmYMTiB8fNVZvz auBuJhUDbZS6yiRmiXgB4UgwVYo74D bYwotBZ9mhg NbVU VXW3JxCx13LguIxS nhVuTlC8ouscEsde.

[3]錢政霖,馬曉明.國際自愿減排標準比較研究[J].生態經濟，2012（5）：39-42+48.

[4]韓東升，任吉萍，吳干學，等.碳捕獲與封存技術綜述[J].四川化工，2012,15（2）:17-21.