水泥行業碳減排實施途徑的思考

丁美榮

我國力爭2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”，是以習近平同志為核心的黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策。實現“碳達峰”、“碳中和”，是我國實現可持續發展、高質量發展的內在要求。水泥是國民經濟建設重要的基礎原材料，在國民經濟建設中發揮著重要作用。水泥行業作為高碳排放行業，其二氧化碳排放額度即將納入全國碳排放權交易市場進行交易，這將對我國水泥工業的發展產生重大而深遠的影響。

當前，水泥行業正面臨著非常嚴竣的碳減排壓力，每生產1t水泥的過程中，煅燒生料所需石灰石分解產生的CO2約376.7kg，煤炭燃燒產生的CO2約193kg，噸水泥綜合耗電（扣除水泥窯余熱發電量）折算排放的CO2約46.9kg，熟料生產過程中，碳排放約占水泥碳排放的92%左右[1]。由于水泥產品的生產特點和巨大的生產量，水泥行業碳減排工作的難度極大。

水泥行業通過節能及替代石灰石原料技術（因消耗量巨大且替代資源很有限）降低碳排放的空間有限，大概率預計，未來五年關鍵窗口期，單位水泥碳排放平均降幅需達到5%，任務十分艱巨。2030年實現有關國際機構擬定的“520～524kgCO2/t水泥”的目標有難度[2]，水泥工業如果要實現碳中和或“單位水泥減碳40%”的目標，需期待顛覆性技術的出現[3]。

業內探討通過節能技術減碳的文獻較多。本文結合水泥及混凝土工業發展方向和我國國情，探討并總結提出了以下水泥行業碳減排主要對策與措施：加強頂層設計，完善生產者、消費者碳排放責任核算方法和各類責任分攤法等政策，通過工程應用促進生產方降碳；科學高效利用水泥，調整水泥產品結構，降低水泥熟料使用量，重點推廣低熟料用量的商品混凝土專用混合水泥和“較高C2S、適中C3S、低C3A”熟料制備的通用水泥[4]。目前，降碳措施預期效果遠好于節能技術改造。

1 強化消費側責任，通過工程應用促進水泥生產方降碳

1.1 盡快出臺消費側碳排放責任核算與控制方法等政策

我國房屋及基礎設施建設、固定資產投資、終端能源消費等所承擔的碳排放責任超過總量的80%。

建議加強頂層設計，盡快制訂與完善建筑工程應用主體（消費側）碳排放責任核算與控制方法等政策，并按行業及產品制定實施細則，強化消費者對自己的消費行為負責，調整消費結構，減少高碳產品的消費量，避免過度消費與浪費。科學合理的碳排放責任評價方法輔以針對性的減碳政策，可以建立正確的價值導向，有效促進各方采取減碳行動；同時也有利于各利益相關方接受并承擔自身相應的減排義務。

因此，水泥的高效科學應用與有關法規的制訂，必將大幅度減少建筑領域的碳排放，同時有力推進水泥等行業的碳減排。此外，還需要通過優化、細化工程管理，強化工程控制與責任，促使水泥熟料用量下降。

1.2 建筑領域大幅減少碳排放的潛力很大

我國人口眾多，仍然是發展中國家，人均收入遠低于發達國家，但十幾年來人均水泥消費量達1.65t/年左右，遠遠超過一些發達國家高速發展時期人均消耗0.70t/年左右的水平。由此預計，未來我國人均水泥需求量應會有很大降幅。

造成我國水泥消費量過高的主要原因包括：水泥利用率及價格低，部分地方浪費與過度消費現象較為嚴重；受傳統習慣思維影響，片面以強度高低作為評判水泥和混凝土質量優劣的標準，誤認為摻用摻和料的水泥質量差；在科學選用水泥方面存在種種認識誤區；規劃及其長期性觀念淡薄；住房及公路等工程設計與實際使用壽命短（城市上世紀八十年代以前的住房基本上要拆除重建，農村住房十幾年即拆除重建現象很普遍，公路等設施翻建及維修量大）；機制體制存在一定問題。

1.3 加快修訂工程設計與應用技術標準規范

現代混凝土已普遍使用高效外加劑及摻和料，高效外加劑和摻和料已成為配制高性能混凝土不可或缺的重要組分和功能性材料，而不僅僅是降低成本。在高性能混凝土的定義及其“高耐久性、高工作性和高體積穩定性”要求中，并沒有包含高強度。混凝土如不使用摻和料，其耐久性的問題將難以保證。

C30及高性能混凝土中水泥熟料系數在0.5以下，推廣高性能混凝土、提高建筑物壽命與發展低碳建筑、大摻量應用混合材技術方向一致。為提高水泥使用效率，減少單位投資（建、構筑物面積）水泥熟料的使用量，應加快修訂工程設計、施工、應用技術標準規范等，提升低碳建筑標準，加大推廣應用低熟料用量通用水泥的力度，并制訂相應配套政策措施。

2 適應現代混疑土技術與低碳要求，調整水泥產品結構

2.1 水泥企業應對思路與措施

如果國家向水泥企業下達了碳排放的配額，即鎖定了水泥行業排放總量。各企業在碳排放指標的約束下，如何運作碳資產與用好碳配額，如何降低單位產品碳排放，提高企業效益，這些是水泥企業急需思考的問題。

筆者提出了以下水泥工業碳減排的實現途徑和通用水泥產品結構調整的思路：開發推廣低熟料用量的預拌混凝土及砂漿、農村建房現場拌制混凝土專用混合水泥，以及“較高C2S、適中C3S、低C3A礦物”熟料制備的通用水泥[4]，盡可能滿足低水膠比、長齡期、強度高和低水化熱等要求，以利于改善混凝土開裂與耐久性，提高建筑物壽命與社會經濟效益，推進碳減排。轉變思維方式，以推行團體標準及領跑者企業標準作為切入口，提高產品適用性，擴大差異化產品市場。

覆膜試驗待啤酒大麥出苗后，每天觀察生長情況并記載，同時記載各物候期。成熟后，每小區隨機選取10株進行考種，測量其株高、穗長、穗粒數、分蘗數等指標。收獲時，將不同處理分開單收、單脫、單計產，最后折合單位面積產量。

2.2 歐美通用水泥標準發展趨勢及其啟示[5，6，7]

美國通用水泥標準由ASTM C 150《波特蘭水泥》、ASTM C 595《混合水泥》和ASTM C 1157《水泥標準性能規范》組成，由供需雙方選擇執行。美國這三大水泥標準均不以強度高低作為依據來劃分水泥等級，系根據水泥某些性能的主要特征與混合材摻量、種類等劃分品種。ASTM C 150針對混合材摻量＜5%的通用硅酸鹽水泥（相當于我國標準的P·Ⅰ、P·Ⅱ硅酸鹽水泥）單列成一個標準；ASTM C 595-2018規定了摻加混合材的二元、三元組分硅酸鹽水泥的要求，其中混合材最高摻量可達95%。ASTM C 1157包含了ASTM C 150和ASTM C 595的所有水泥品種，將通用硅酸鹽水泥化分為6個品種。ASTM C 1157僅對普通型、低熱型水泥等規定了28d強度指標，對大多數通用水泥品種只規定1d或3d、7d強度，沒有規定28d強度要求，并且對水泥組分、化學指標、礦物組成和細度沒有任何要求及限制。

歐盟水泥標準EN197-1將通用水泥分為6大類，混合材摻量允許最高達80%，水泥品種包括波特蘭混合水泥（CEMⅡ）及復合水泥（CEMⅥ）。該標準于2017年1月進行了修訂，新增了低熟料用量的兩個復合水泥品種，最低熟料用量僅為35%，比我國標準32.5級水泥規定的最低熟料用量還低20%左右。

歐美通用水泥標準如此寬松的要求，為大摻量應用混合材、改善混凝土后期性能及耐久性保留了很大的余地，為供需雙方提供了很大的自由度，有利于碳減排。ASTM C 1157直接而簡潔地體現了水泥標準的本質和功能，較好地克服了標準滯后性的缺點，能夠開放性地包容材料和技術發展。

2.3 減少熟料用量與用混合材替代部分熟料是水泥混凝土工業發展趨勢

國際能源機構（IEA）和水泥工業可持續發展委員會（CSI）制定的《2050世界水泥工業可持續發展技術路線圖》[8]，提出了水泥發展最重要的方向：“由生產普通波特蘭水泥轉向生產混合水泥，用混合材替代部分熟料，其重點是研究采用具有水硬性或膠凝性潛質的各種工業廢料、生產混合水泥”。吳中偉院士曾提出我國水泥工業發展的目標[9]：“用50%的混合材替代熟料，既能滿足建設與改善混凝土耐久性的需要，又能降低CO2的排放。多組分與用混合材替代部分熟料、減少熟料用量是水泥混凝土工業發展趨勢，也是實現水泥工業低碳綠色發展和提高建筑物壽命的根本途徑”。

清華大學閻培渝教授在《對中國水泥產品結構調整的一點看法》[10]中指出：“大多數歐洲國家預拌混凝土強度等級大多在C15～C35之間。現在混凝土對工作性能要求很高，要求漿體含量高，用水量較低，目前國內使用量最大的C30混凝土中水泥熟料用量僅為150kg/m3左右，熟料系數在0.5以下，不同強度的水泥很容易通過調整混凝土配比來制備不同標號的混凝土”。

目前國內混凝土早期開裂、強度倒縮等導致其耐久性差的問題非常普遍，造成巨大經濟損失的同時增加了碳排放量。造成以上問題的主要原因更多地與使用普通水泥等早強高強水泥有關，這也是導致混凝土工程質量問題多發的主要因素。清華大學廉慧珍教授[6，11]極力主張摻合料由水泥廠摻加，有利于工程質量，由攪拌站摻加摻和料有很多弊端。廉教授指出：“當前水泥質量問題是多方面的，很多問題恰恰是盲目追求強度的結果”。張大康指出[12]：“熟料的C3S提高，水泥的強度特別是早期強度提高，水泥細度過細，堿含量提高，出廠水泥溫度高，過多地強調水泥熟料用量是導致混凝土開裂的重要因素”。筆者在《混凝土》[13]、《水泥》[14]、《中國水泥》[4，7]等期刊發表的多篇文章中對上述問題進行了分析探討。

我國水泥企業基本上采用了新型干法水泥生產技術，整體處于國際先進水平。水泥是由水泥熟料摻加礦渣、粉煤灰、石灰石等混合材與少量石膏混合粉磨制成。分析單位水泥碳排放強度及其構成，水泥工業碳減排潛力及重點在于熟料的生產與使用，即減少熟料生產碳排放和水泥中熟料用量是發展低碳水泥的最關鍵技術。

3 水泥工業碳排放現狀、核算

3.1 噸水泥、噸水泥熟料CO2排放量的核算

有關參數與取值為[15，16]：標準煤排放因子2.66，電力消耗排放因子0.853；煅燒1t石灰石排放CO2為440kg（排放因子0.44）；生料中石灰石配比82%，生熟料折算系數1.54；國內噸熟料耗標煤平均值取107kg，干法生產線配有余熱發電裝置，噸熟料綜合電耗（包括了生料電耗但扣除了余熱發電）平均值取30kW·h，噸水泥綜合電耗（扣除了余熱發電）平均值取55kW·h。

（1）我國水泥中熟料用量平均占比（2020年）

（2）生產1t熟料CO2排放量（2020年）

（3）生產1t水泥CO2排放量（2020年）

2020年，我國水泥產量24億噸，約占全球55%，CO2排放總量約24×0.612 6=14.7億噸，約占全國碳排放總量的14.41%。

3.2 我國水泥消費平臺期拐點

歐洲及美日韓等國家水泥消費高位平臺期有七、八年時間，規律基本相同，到了需求拐點后，總需求量大幅下降。目前發達國家水泥產銷量約為高峰期的一半，甚至有的國家僅略超高峰期消費量的三分之一。我國從2011年至2020年，十年來的平均年水泥消費量為23.08億噸。2020年，我國熟料產量15.79億噸，進口熟料3 337萬噸，熟料消費總量＞16億噸，創下歷史新高。

2021年，湖南省水泥市場需求明顯疲軟，加之雨天多，5月水泥企業用電量大幅下降，環比下降9.2%，同比下降5.5%，5月、6月水泥銷售量及價格雙雙大幅下滑。某大型商品混凝土企業集團反映，1～6月，月平均商品混凝土銷售量比往年同期減少20%左右；某大型水泥企業集團上半年營業收入同比下降約22.0%。10月，各地因限電而導致水泥價格大幅上漲，但普遍反映銷售量大減，部分沒有限電正常生產的企業水泥銷售量僅為產能的一半左右。11月是傳統的銷售旺季，但很多企業因滿庫而停窯。預計2021年湖南省水泥產量將減少1 000萬噸以上。

從2011年起，我國水泥消費總量處于高位平臺期已達十年，筆者認為我國水泥消費總需求即將步入平臺后期，水泥產銷量將步入下降通道，三年后可能會有較大幅度下降。若下降到發達國家高峰時期人均年消費700kg的水平，我國水泥產銷量約為10億噸。