水泥工業(yè)碳減排的技術(shù)路徑

編者按：齊冬有等3位業(yè)內(nèi)人士撰寫了“水泥工業(yè)碳減排的技術(shù)路徑”專業(yè)文章。碳減排是水泥行業(yè)所必須要面對(duì)和解決的課題。碳減排一是如何減；二是如何計(jì)算減。這就需要明白碳來(lái)源、數(shù)值，潛在減排空間大小。減排不能只盯通用水泥，要從發(fā)展低碳膠凝材料更寬視野研究減排主要方向和技術(shù)路徑。與此同時(shí)，需要碳減排數(shù)據(jù)正確，并具可比性，即俗稱口徑一致，以正確計(jì)算減排了多少和客觀評(píng)價(jià)減排效果。作者所提觀點(diǎn)值得業(yè)內(nèi)外參考。

水泥工業(yè)是世界第三大能源消耗行業(yè)，占據(jù)工業(yè)能源消耗的7%，也是世界第二大CO₂排放行業(yè)，占全球CO₂排放的7%^[1]。我國(guó)水泥工業(yè)2020年碳排放約12.3億噸，約占建材工業(yè)的84.3%^[2]，約占全國(guó)的13.5%。水泥工業(yè)是我國(guó)工業(yè)全面實(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)影響重大。

水泥工業(yè)的碳排放主要來(lái)源是生產(chǎn)電耗、燃料燃燒和原材料碳酸鹽分解^[3-9]。按照水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)^[10,11]先進(jìn)值計(jì)算^[12,13]，可比水泥的CO₂排放約為675kg/t。其中，生產(chǎn)電耗間接排放的CO₂占10.82%，燃料燃燒直接排放的CO₂占31.45%，原材料碳酸鹽分解直接排放的CO₂占57.73%。水泥綜合電耗、熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗取GB 16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》先進(jìn)指標(biāo)上限值，分別為103 kgce/t、85 kW·h/t，水泥中熟料占比取0.75；熟料工藝排放CO₂按照政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）默認(rèn)值（5000t/d生產(chǎn)線噸熟料工藝排放CO₂取520kg）；電力排放因子和標(biāo)煤排放因子按照HJ2519-2012《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求水泥》，分別取值0.86kg/kW·h和2.75t/t。計(jì)算如下：Q_可比水泥=0.75×2.75×103+0.86×85+0.75×520≈675kg/t。未考慮余熱發(fā)電、余熱利用、替代燃料等CO₂減排，未考慮鈣質(zhì)替代原料和介質(zhì)原料非碳酸鹽形式存在的CaO因素，未計(jì)算生料有機(jī)碳和水泥窯粉塵煅燒排放的CO₂。

針對(duì)水泥工業(yè)的碳排放主要來(lái)源，碳減排技術(shù)路徑主要有提高工藝水平、使用替代燃料、降低熟料系數(shù)、降低原材料碳酸鹽分解排放的CO₂等方面，其潛在的減排空間也不盡相同。

1.提高工藝技術(shù)水平，降低水泥單位能耗

自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，我國(guó)水泥工藝技術(shù)水平不斷提升，水泥單位能耗不斷降低^[5,14]。表1是我國(guó)GB16780《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》2007版和2012版的水泥單位產(chǎn)品能耗先進(jìn)值，聯(lián)合國(guó)《水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖》2050年全世界指標(biāo)值^[1,4]，以及當(dāng)前我國(guó)5000t/d生產(chǎn)線先進(jìn)值的對(duì)比。按照GB16780《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》，使用“可比熟料”、“可比水泥”能耗值的相關(guān)計(jì)算才具有可比性，因此，本文中熟料和水泥的CO₂排放值都按此原則計(jì)算。

由表1可見(jiàn)，可比水泥綜合能耗GB 16780-2012比GB 16780-2007降低了約5.4%，減少水泥CO₂排放的貢獻(xiàn)率為2.07%；當(dāng)前5000t/d先進(jìn)值相比GB 16780-2012降低約4.5%，減少水泥CO₂排放的貢獻(xiàn)率為1.72%。水泥單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)的進(jìn)步體現(xiàn)了水泥工藝裝備技術(shù)的進(jìn)步，也反應(yīng)了工藝裝備技術(shù)對(duì)水泥碳排放的貢獻(xiàn)程度。進(jìn)一步通過(guò)節(jié)能技術(shù)改造和加強(qiáng)節(jié)能管理，推動(dòng)我國(guó)水泥企業(yè)普遍達(dá)到《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》標(biāo)準(zhǔn)要求十分必要。同時(shí)，也應(yīng)清楚的認(rèn)識(shí)到我國(guó)當(dāng)前水泥工藝技術(shù)水平已經(jīng)遠(yuǎn)超世界平均水平，通過(guò)降低水泥綜合能耗來(lái)降低水泥CO₂排放的空間不大^[4,15]。

2.使用替代燃料，降低化石燃料

水泥生產(chǎn)過(guò)程中可以使用替代燃料來(lái)減少CO₂的排放，替代燃料可以分為固態(tài)替代燃料、液態(tài)替代燃料和氣態(tài)替代燃料。固態(tài)替代燃料主要有木屑、塑料、農(nóng)業(yè)殘余物、廢棄輪胎、石油焦等；液態(tài)替代燃料主要有礦物油、液壓油等；氣態(tài)替代燃料主要有焦?fàn)t氣、煉油氣、裂解氣、埋填的廢物產(chǎn)生的氣體等^[16,17]。廢油、廢輪胎、污泥等用作替代燃料較為普遍，其中，廢油熱值最高、碳排放因子最低。按照HJ2519-2012《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求水泥》，廢油CO₂排放因子取值0.074kg/MJ，廢輪胎CO₂排放因子取值0.085kg/MJ，烘干污泥CO₂排放因子取值0.11kg/MJ，熟料綜合熱耗按GB 16780-2012先進(jìn)限值3019kJ/kg計(jì)算，當(dāng)熟料燒成對(duì)煤所需熱值替代率達(dá)到聯(lián)合國(guó)《水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖》2050年30%的要求時(shí)，分別能夠降低熟料燃料燃燒CO₂排放6.34%、2.82%和-5.17%，降低水泥CO₂排放1.99%、0.89%和-1.63%；當(dāng)熱值替代率達(dá)到我國(guó)2050年70%的要求時(shí)，分別能夠降低熟料燃料燃燒CO₂排放14.80%、6.59%和-12.06%，降低水泥CO₂排放4.65%、2.07%和-3.79%。我國(guó)目前替代燃料使用率約1.2%^[4]，替代燃料發(fā)展空間較大。但污泥、木材、生活垃圾等發(fā)熱量低，CO₂排放因子高，反而會(huì)增加水泥的CO₂排放。如果不考慮替代燃料自身的CO₂排放，只考慮對(duì)化石燃料的替代減排，則減排效果十分顯著。

3.提高熟料質(zhì)量，降低熟料系數(shù)

在保證相同水泥性能的條件下，熟料質(zhì)量越好，摻入的混合材可以越多。而當(dāng)混合材用量增加1%時(shí)，水泥熟料用量就可減少1%。根據(jù)GB 16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》水泥單位產(chǎn)品能耗先進(jìn)值，如果水泥中熟料占比超過(guò)或低于75%，每增減1%，水泥綜合能耗先進(jìn)值應(yīng)增減1.10kgce/t，由此簡(jiǎn)便計(jì)算可使水泥減少CO₂排放1.22%。但是現(xiàn)代水泥生產(chǎn)技術(shù)十分成熟，熟料質(zhì)量提升空間有限^[4,15]，因此，對(duì)水泥碳減排作用很小。通過(guò)其他技術(shù)提高水泥中混合材的摻加量，單從水泥行業(yè)的角度看是降低了熟料使用量，減少了水泥的CO₂排放，但是從水泥的全生命周期來(lái)看，同等條件下會(huì)降低混凝土摻合料的用量，增加水泥用量，實(shí)際上并未減少單位工程用水泥的CO₂排放。

4.降低原材料碳酸鹽分解的CO₂排放

4.1使用鈣質(zhì)替代原料

水泥生產(chǎn)中碳酸鹽分解產(chǎn)生57.73%的CO₂，用鈣質(zhì)工業(yè)固廢來(lái)替代石灰石可以顯著減少碳酸鹽分解排放。通?？衫玫墓I(yè)固廢有電石渣、高爐礦渣、鋼渣及粉煤灰等。當(dāng)水泥生料中添加了60%的電石渣替代石灰石，單位熟料CO₂排放減少227.5kg，減排約43.11%，折合水泥減排約24.89%；當(dāng)生料中添加3.98%的鋼渣替代石灰石，單位熟料CO₂排放減少4.4kg，并且煤耗降低3公斤^[15]，綜合減排2.33%，折合水泥減排約1.35%。

歐洲水泥協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)2030年使用鈣質(zhì)替代原料可以減少CO₂排放3.5%，到2050年將減少8%^[17]。由此可見(jiàn)，使用鈣質(zhì)替代原料能夠顯著的減少CO₂排放，具有較大的推廣應(yīng)用空間。但鈣質(zhì)替代原料存在來(lái)源不足，成份不穩(wěn)定，且對(duì)水泥質(zhì)量有影響等問(wèn)題。

4.2發(fā)展低碳膠凝材料

硅酸鹽水泥具有高能耗、高溫室氣體（CO₂）排放的缺陷，且隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)和基建的不斷發(fā)展，水泥需用量逐年增加，對(duì)地球生態(tài)環(huán)境和氣候變化的負(fù)面作用逐漸明顯^[5]，發(fā)展低碳膠凝材料體系，科學(xué)的部分取代硅酸鹽水泥十分必要。低碳膠凝材料主要有低鈣水泥、低熟料水泥和堿激發(fā)材料等。低鈣水泥體系主要有高貝利特硅酸鹽水泥、硫（鐵）鋁酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥等，不同水泥體系具有不同的熟料礦物組成，常見(jiàn)熟料礦物形成時(shí)碳酸鹽分解的CO₂排放差別明顯，見(jiàn)表2。鋁酸鹽水泥主要用于耐火材料不能普遍應(yīng)用于建筑工程，本文不作對(duì)比分析。

（1）高貝利特硅酸鹽水泥

高貝利特硅酸鹽水泥（低熱硅酸鹽水泥）相對(duì)普通硅酸鹽水泥碳排放更低。按照GB200-2003《中熱硅酸鹽水泥低熱硅酸鹽水泥低熱礦渣硅酸鹽水泥》，高貝利特硅酸鹽水泥的C₂S含量應(yīng)不小于40%，通常為（40~55）%，C₂S含量越高熟料碳酸鹽分解CO₂排放越低，典型值按實(shí)際工廠控制值50%計(jì)，則高貝利特硅酸鹽水泥相對(duì)普通硅酸鹽水泥降低熟料碳酸鹽分解CO₂排放約8%，降低水泥的CO₂排放約4.6%，見(jiàn)表3。高貝利特硅酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥燒成溫度也低（50~100）℃，還能夠降低燃料燃燒直接排放的CO₂。高貝利特硅酸鹽水泥于2006年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，它水泥具有水化熱低的突出優(yōu)點(diǎn)，但也存在早期強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于大壩工程（超大體積混凝土）。

（2）硫（鐵）鋁酸鹽水泥

硫（鐵）鋁酸鹽水泥具有顯著的低碳特點(diǎn)。硫（鐵）鋁酸鹽水泥熟料中不含高鈣礦物C₃S，生料中石灰石等鈣質(zhì)原料配入量比硅酸鹽水泥約低30%，燒成溫度比硅酸鹽水泥低（100~150）℃^[18,19]，因此，它的熟料燒成過(guò)程中自身碳酸鹽分解直接排放的CO₂要比硅酸鹽水泥約低40%（見(jiàn)表3），同等工藝條件下，燃料燃燒直接排放的CO₂要比硅酸鹽水泥約低30%，水泥CO₂減排約35%。

硫（鐵）鋁酸鹽水泥是我國(guó)自主發(fā)明的水泥品種，它包括硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥兩個(gè)系列，上世紀(jì)八十年代曾分別獲得兩項(xiàng)國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)。我國(guó)是世界上唯一連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)硫（鐵）鋁酸鹽水泥的國(guó)家。硫（鐵）鋁酸鹽水泥具有快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)、抗凍、抗?jié)B、耐腐蝕、耐磨等優(yōu)異性能，近40年的海堤、碼頭、市政橋梁、高層商業(yè)建筑等工程實(shí)例表明，它可以普遍應(yīng)用于各種工程建設(shè)，特別適合海洋和鹽堿等腐蝕環(huán)境工程、低溫環(huán)境工程、搶修搶建工程以及免蒸養(yǎng)混凝土部品部件等領(lǐng)域的應(yīng)用。但是硫（鐵）鋁酸鹽水泥的最大問(wèn)題是主要原材料之一鋁礬土沒(méi)有硅酸水泥的粘土那樣普遍，它的成本是硅酸鹽水泥的1.5~2倍。但是硫（鐵）鋁酸鹽水泥可以使用硅酸鹽水泥不能用的含鋁、含硫、含鐵的工業(yè)廢渣作為原材料，這不但可以大幅度降低原材料的成本，而且解決了許多工業(yè)固廢資源化利用的問(wèn)題，對(duì)我國(guó)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。

*該數(shù)值為政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）默認(rèn)值。

（3）堿激發(fā)材料

堿激發(fā)材料是指不用或使用少量水泥熟料，主要由鋁質(zhì)或硅質(zhì)固體原料（如?；郀t礦渣、粉煤灰、火山灰、鋼渣等）和堿激發(fā)劑，按比例直接混合磨細(xì)而成的具有一定水硬性的膠凝材料^[20,21]。相比硅酸鹽水泥，堿激發(fā)材料的CO₂排放降低了約80%^[19]。堿激發(fā)材料具有顯著的資源化利用工業(yè)廢渣的優(yōu)勢(shì)，特別是目前水泥混凝土不能使用的工業(yè)廢渣，但是堿激發(fā)材料普遍存在凝結(jié)時(shí)間短，早期強(qiáng)度低，抗凍性較差，易風(fēng)化，不宜長(zhǎng)期貯存等問(wèn)題，并且激發(fā)條件對(duì)需水量很敏感，以及多數(shù)堿激發(fā)劑具有高腐蝕性等。堿激發(fā)材料可用于地下、水中和潮濕環(huán)境中的一般性工程，以及市政道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；不適用于凍融交替頻繁、要求早期強(qiáng)度較高、長(zhǎng)期處于干燥地區(qū)的建筑工程^[17]。因此，基于堿激發(fā)材料CO₂排放低和利用工業(yè)廢渣的特點(diǎn)，在特定的輔助性工程中合理的推廣應(yīng)用堿激發(fā)材料具有較大的意義。

5.結(jié)論和展望

水泥工業(yè)碳減排的主要技術(shù)路徑有：降低生產(chǎn)能耗、使用替代燃料、提高熟料質(zhì)量和降低原材料碳酸鹽分解的排放量。從當(dāng)前到2050年各技術(shù)路徑減排空間如下：

（1）提升工藝技術(shù)水平，降低水泥單位能耗，預(yù)計(jì)能夠減少水泥CO₂排放（1~3）%。

（2）使用替代燃料，降低化石燃料的CO₂排放，折合到水泥可降低CO₂排放高達(dá)20%以上。若計(jì)算替代燃料自身的CO₂排放，則對(duì)水泥CO₂減排的空間小于5%；使用低熱值、高排放因子的替代燃料反而會(huì)增加水泥的CO₂排放。

（3）提高熟料質(zhì)量，降低熟料系數(shù)，可以減少水泥CO₂排放（1~3）%。不是基于熟料自身質(zhì)量的提高而降低熟料系數(shù)，從水泥全生命周期看，對(duì)碳減排沒(méi)有貢獻(xiàn)。

（4）使用鈣質(zhì)替代原料能夠顯著的減少CO₂排放，可以減少水泥CO₂排放8%以上，但存在來(lái)源不足、對(duì)水泥質(zhì)量有影響等問(wèn)題。

（5）在大體積混凝土中推廣應(yīng)用高貝利特硅酸鹽水泥，相對(duì)于使用普通水泥可以減少CO₂排放（5~10）%。

（6）在海洋工程、部品部件等應(yīng)用領(lǐng)域中普遍推廣應(yīng)用硫（鐵）鋁酸鹽水泥，相對(duì)于使用普通水泥可以減少CO₂排放（30~40）%。

（7）在限定的輔助工程中推廣應(yīng)用堿激發(fā)材料，可以減少水泥用量，從而減少水泥工業(yè)的CO₂排放。

綜上所述，降低原材料碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO₂排放是水泥工業(yè)最有效的碳減排技術(shù)路徑。發(fā)展低碳膠凝材料是水泥工業(yè)減少CO₂排放的主要方向。硫（鐵）鋁酸鹽水泥是工程應(yīng)用前景最好，CO₂減排效果極為顯著的低碳水泥品種。根據(jù)水泥的具體工程使用環(huán)境，科學(xué)、合理的發(fā)展和使用不同水泥品種和膠凝材料對(duì)水泥工業(yè)的碳減排具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Technology International Energy Agency.Roadmap-Low-Carbon Transition in the Cement Industry[EB/OL].https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/Technology RoadmapLowCarbonTransitionintheCementIndustry.pdf,2018

[2]中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì).中國(guó)建筑材料工業(yè)碳排放報(bào)告（2020年度）[R].2021.3.25

[3]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所課題組.中國(guó)2050年低碳發(fā)展之路[M].北京:科學(xué)出版社,2009.9.1

[4]高長(zhǎng)明.2050年我國(guó)水泥工業(yè)低碳技術(shù)成效的研究[N].中國(guó)建材報(bào),2010.8.5

[5]高長(zhǎng)明.我國(guó)水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)途徑分析[EB/OL].數(shù)字水泥網(wǎng),2019.1.14

[6]高長(zhǎng)明.水泥工業(yè)如何向低碳轉(zhuǎn)型[EB/OL].中國(guó)水泥網(wǎng).2019.03.26

[7]汪瀾.肩負(fù)起水泥工業(yè)零碳流程再造的重任[N].中國(guó)建材報(bào).2021,4,17

[8]李琛.中國(guó)水泥行業(yè)可提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,去產(chǎn)能是關(guān)鍵[EB/OL].數(shù)字水泥網(wǎng).2021,1,12

[9]趙建安,魏丹青.中國(guó)水泥生產(chǎn)碳排放系數(shù)測(cè)算典型研究[J].資源科學(xué),2013,35（4）：800-808

[10]GB16780-2012,水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額[S]

[11]HJ2519-2012,環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求水泥[S]

[12]GB/T32150-2015,工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則[S]

[13]GB/T32151.8-2015,溫室氣體排放核算與報(bào)告要求第8部分水泥生產(chǎn)企業(yè)[S]

[14]王燕謀,劉作毅,孫鈐.中國(guó)水泥發(fā)展史[M].第二版.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2017.10:198-248

[15]劉晶,汪瀾.應(yīng)用替代原料減少水泥行業(yè)CO2排放實(shí)例分析[J].新型建筑材料,2017.7：97-118

[16]王新頻,梁樹(shù)峰,趙嬌,等.國(guó)外水泥工業(yè)替代燃料的應(yīng)用進(jìn)展[J].水泥技術(shù),2016（5）：40-46

[17]王新頻.水泥工業(yè)碳達(dá)峰與碳中和前景展望.建材工業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)[R],2021（1）

[18]王燕謀,蘇慕珍,張量.硫鋁酸鹽水泥[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,1999.12

[19]齊冬有,高宇,等.中國(guó)硫（鐵）鋁酸鹽水泥發(fā)展藍(lán)皮書[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2017.10

[20]路來(lái)軍,朱效榮,孫功軒.無(wú)熟料水泥混凝土的研究與應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2002,33(1):32-33.

[21]John L.Provis,Jannie S.J.van Deventer.堿激發(fā)材料[M].劉澤,彭桂云,王棟民,王群英,等譯.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2019.1

附注：

齊冬有：建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)所特種工程材料研究中心主任

張標(biāo)：中國(guó)國(guó)際工程咨詢有限公司建材處副處長(zhǎng)

羅寧：中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)科技部副主任