淺析水泥行業“碳達峰、碳中和”的有效途徑

李文旭，唐麗英，汪思敏，李春洪

(四川省建材工業科學研究院有限公司，四川 成都 610036)

0 前 言

碳排放實質是關于溫室氣體排放總量的一個簡稱，其中CO2是最主要的組成部分，占到溫室氣體排放的70%以上[1]。2019年全球CO2排放量為341.7億t，我國的CO2排放量為101.7億t，約占全球的30%[2]。研究數據顯示，目前空氣中的CO2濃度相比工業化前增加了60%[3]，表明工業發展帶來了大量的CO2排放，其中大部分來自于化石燃料的燃燒以及水泥生產等工業活動。我國作為發展中國家，既要大力發展工業，又要控制CO2的排放，這對于我國的工業發展是一次大考驗。

2008年，我國首家環境權益交易平臺北京環境交易所掛牌，將排放權等市場化運營；2011年，國家發改委部署在北京等7個省市進行碳排放權交易試點。李若男等[4]基于1999—2017年多個地級市碳排放平衡面板數據分析，結果表明碳排放交易可有效促進當地以及周邊地區CO2減排。我國為積極應對全球的氣候變化，要推動以CO2為主的溫室氣體減排，提出CO2排放力爭2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和[5]。

1 水泥行業推動“碳達峰、碳中和”的意義

為應對全球氣候變化，推動“碳達峰、碳中和”關系到我國能否順利實現工業轉型、經濟綠色復蘇和高質量發展。目前我國處于工業化和城鎮化高速發展的進程中，基礎建設所需要的原材料大多來自高耗能的產業，如鋼鐵、玻璃、水泥等。要想平衡發展與生態兩者之間的關系，實現高質量發展，盡早推動“碳達峰、碳中和”是必經之路。

建材行業CO2排放量占全國碳排放總量的18%，而水泥行業的CO2排放占建材行業約65%。2021年，中國建筑材料聯合會倡議建材行業在2025年前實現碳達峰，水泥行業CO2排放在2023年實現提前達峰[6]。水泥行業作為建材行業最主要的排放單元，采取措施降低行業CO2排放刻不容緩。

2 我國的水泥產量變化

圖1是我國近十年的水泥產量變化圖，由圖1可知，我國的水泥產量在2013年迎來了一次快速增長，2016年后又逐漸降低，2019年又迎來了一次增長，2020年我國的水泥產量達23.95億t。水泥行業的發展在一定程度上反映國民經濟的發展，其主要受基礎設施建設、重大民生工程建設、城鎮化進程等方面的影響。在“十四五”期間，我國將進一步完善基礎設施建設、加快城鎮化建設進程，對水泥的需求量預估不會減少。水泥行業采取舉措實現“雙碳”目標，對我國積極應對氣候變化具有十分重要的戰略作用。

圖1 近十年全國水泥產量變化圖

3 水泥生產CO2排放途徑

水泥生產CO2排放主要是原材料加熱分解、燃煤釋放和使用一次能源發電產生的排放。

1)原材料分解釋放CO2。水泥生產的原材料主要為石灰石和黏土質原料。天然采集的原材料以碳酸鹽礦物為主，其加熱分解的反應式為CaCO3=CaO+CO2↑，市面上使用的鈣質原礦中CaO的含量約為50%，則每使用1 t鈣質原材料將最少產生0.39 t CO2排放。

近年來，各企業在政策引導和節約成本的驅動下，開始利用固廢渣替代部分原材料。四川某企業使用固廢渣替代原材料的比例可達到30%。

2)燃煤釋放CO2。煤炭作為燃料用在水泥熟料燒成工序，是水泥生產最主要的能源消耗，約占水泥生產能源消耗總量的90%。水泥行業以煤作為主要燃料是暫時不能改變的現狀。目前部分企業探索使用生物質能源代替燃料煤，最高可替代20%的燃煤，但并不可實現全部替代燃煤。四川省2020年熟料水泥生產線實際產能約33.07萬t/d，以無煙煤作為燃料(低位發熱值為26.7 GJ/t、單位熱值含碳量為27.6×10-3t C/GJ)，窯爐碳氧化率為98%，《水泥單位產品能源消耗限額》(GB 16780—2012)中可比熟料綜合煤耗限定值112 kgce/t，按式(1)計算燃料燃燒CO2排放量。

(1)

以上述數據估算可得，四川省2020年水泥生產燃燒排放的CO2約為3.21×1010t CO2/a。

3)使用一次能源發電產生的CO2排放。四川省是水力發電大省，2020年四川省的總發電量為3 980.8億kW/h，水電占比達84.13%。四川省在使用水電上具有優勢，全省使用的電力大部分為清潔的水電。

綜上分析，四川省水泥生產CO2排放主要是原材料加熱分解和燃煤釋放。每使用1 t鈣質原材料將最少產生0.39 t CO2。水泥行業作為支撐基礎建設必不可少的物資，在全國縮減煤炭產能和CO2減排的壓力下，積極探索CO2減排路徑、工藝節能改造才能突破目前制約發展的瓶頸問題。

4 水泥行業減排CO2途徑及有效性

目前對于水泥行業CO2減排措施可以大致分為兩大類，一是技術措施，包括原料替代、節能改造、碳捕集技術等；二是監管措施，包括碳排放額度分配和清繳制度、碳排放第三方核查制度等。

1)水泥行業CO2減排技術措施。原材料替代技術目前已被大多數水泥企業所接受，原材料替代不僅可以節約原材料、減少成本，而且可以協同處置部分城市固廢，向政府申請一定的補貼。目前水泥原材料替代技術研究較成熟，通常研究順序是先分析物質的成分是否會影響水泥強度、初凝時間等，若前兩項條件滿足則可進行試驗，制備樣品后測定相關參數是否滿足水泥要求。目前可用于水泥原材料替代的固廢渣種類較多，按要求比例制備還可制備出性能優越的水泥產品。但是，原材料的替代只能減少部分的原材料使用，對于提前實現“碳達峰、碳中和”所需要的減排量還遠遠不夠。

節能改造是行業長期發展必不可少的措施，同時也是國家為應對我國工業蓬勃發展帶來的能耗負荷和污染物排放逐漸增加現象而制定的一項政策引導。我國從2019年開始在全國推行工業節能診斷，由財政撥款支持該項工作，由此可以看出我國對節能工作的重視。節能診斷工作發現問題，提出節能措施，企業進行節能改造后所獲得的節能成效將會長期影響企業的能源消耗。同時，先進的節能改造經驗還可進行推廣，促進行業其他企業能效提升。節能改造間接地實現CO2減排，其效益具有長久性。

碳捕集技術目前在理論研究層面已相對成熟，但在實際應用中發現了部分問題，如技術不夠成熟、經濟可行性差、下游市場需求不足等問題[7]。2018年海螺集團建成世界首條水泥窯煙氣CO2捕集純化生產線，以化學吸附為核心技術[8]。2020年9月馬延和研究員帶領團隊在實驗室實現了從CO2到淀粉的全合成，為CO2到淀粉生產的工業車間制造開創了一種可能[9]，該成果為解決水泥行業碳捕集到產品的轉化提供了思路。水泥行業碳捕集技術若能夠得以推廣應用，將解決水泥生產65%以上的CO2排放。

2)水泥行業CO2減排監管政策。碳排放額度分配和清繳制度，從政策監管層面限制了企業無限度的排放，超出排放額度的排放需要通過購買，同時盈余的碳排放量也可以通過市場交易而獲得利益。該種監管模式反向促使企業為了滿足監管要求和節約成本進行CO2減排。

碳排放核查制度主要對年度溫室氣體排放量達到2.6萬t CO2當量的重點排放單位。主管部門通過政府購買第三方服務的形式進行碳核查。表1～2分別列舉了部分省市對第三方核查機構資格和人員要求。分析可知，對第三方核查機構的相關業務經歷、專職核查員的學歷和近3年的工作經驗的要求較嚴格。政府通過對核查單位和人員的嚴格要求來對第三方核查機構進行篩選，更加有效地保證碳核查結果的真實性和準確性。

表1 部分省市對于第三方核查機構的資格要求

通過政府的CO2減排監管政策，可有效地監管企業，督促企業不斷綜合提升CO2減排能力。

表2 部分省市對于第三方核查機構核查人員的要求

綜上分析，水泥行業CO2減排的技術措施中，原材料替代技術已發展較成熟。節能改造技術需要在工程環境下發現具體的工藝能耗問題，根據實際情況進行整改，需要培養一批技術精湛的人才以及開發更高效的檢測設備。碳捕集技術在實際應用上存在經濟性差等問題，需要不斷探索和提高。政府的監管政策對于實現“雙碳”目標有強制作用，有效實施后能夠不斷推進“雙碳”目標實現。

5 總 結

1)我國當前仍處于工業化和城市化發展階段中后期，未來基礎設施建設等對水泥的需求量仍不會減少，水泥行業采取措施實現“碳達峰、碳中和”有十分重要的戰略作用。

2)四川省水泥生產CO2排放主要是原材料加熱分解和燃煤釋放。每使用1 t鈣質原材料將最少產生0.39 t CO2排放。

3)水泥行業CO2減排的技術措施中，原材料替代技術目前已發展較成熟。節能改造技術提高需要培養一批技術精湛的人才以及開發高效的檢測設備。碳捕集技術要不斷探索和提高。政府的監管政策對于實現“雙碳”目標有強制作用，有效實施后能夠不斷推進“雙碳”目標實現。

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