[原創(chuàng)]汪瀾：水泥工業(yè)零碳流程再造

我國在聯(lián)合國大會(huì)上明確提出，力爭于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為碳排放大戶的水泥行業(yè)來說，加快低碳轉(zhuǎn)型、確保盡早碳達(dá)峰不僅是行業(yè)自身發(fā)展的內(nèi)在需要，對于實(shí)現(xiàn)國家碳達(dá)峰目標(biāo)與碳中和愿景更具有重要作用。

我國水泥工業(yè)未來的低碳轉(zhuǎn)型之路怎么走？它將給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來哪些影響？

在此背景下，中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建材國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汪瀾教授在“2021中國水泥產(chǎn)業(yè)峰會(huì)暨TOP100頒獎(jiǎng)典禮”上以《水泥工業(yè)零碳流程再造》為主題展開了分享。

他表示，我國發(fā)展的能源需求不斷增加，要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、能源低碳轉(zhuǎn)型以及碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，難度很大。降低燃煤消耗、提高替代燃料的使用比例，是水泥生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)減少直接排放的重要技術(shù)。碳中和是水泥工業(yè)中長期發(fā)展目標(biāo)，必須以抓鐵有痕的勁頭，實(shí)現(xiàn)這一重大歷史使命。

氣候變化是全球面臨的重要挑戰(zhàn)

氣候變化溯源——最早可以追溯到180年前的溫室效應(yīng)，氣候變化是指氣候平均值和氣候極端值出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)意義上的顯著變化，而近年來全球氣候出現(xiàn)了以變暖為主要特征的系統(tǒng)性變化。

以2019年為例，全球大氣中CO₂平均濃度為410ppm，比工業(yè)革命前增加近50%，大氣中溫室氣體增加造成的有效輻射強(qiáng)迫達(dá)到3.14瓦/平方米，是全球氣候變暖最主要的影響因子。

在全球氣候變暖背景下，近百年來我國地表氣溫呈顯著上升趨勢，上升速率達(dá)1.56°C/100年，平均年降水量也有較大年際波動(dòng)，重大自然災(zāi)害有增加趨勢。

減緩的要求及途徑

1.人類應(yīng)對氣候變化可以依靠減緩?fù)緩?，通過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等各項(xiàng)政策措施，控制溫室氣體排放，增加溫室氣體匯量。

2.為保證氣候變化在一定時(shí)間段內(nèi)不威脅生態(tài)系統(tǒng)、糧食生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，將大氣中溫室氣體的濃度穩(wěn)定在防止氣候系統(tǒng)變到危險(xiǎn)的人為干擾的水平上，以期通過減緩氣候變化的政策和技術(shù)措施來控制或減少溫室氣體的排放。

3.減緩?fù)緩街饕ǜ淖兡茉唇Y(jié)構(gòu)，控制化石燃料使用量，以及封存等固碳技術(shù)。

碳達(dá)峰、碳中和的概念及途徑

碳達(dá)峰、碳中和是實(shí)現(xiàn)減緩氣候變化階段性的重要目標(biāo)。碳達(dá)峰是指主體單位的碳排放在由升轉(zhuǎn)降的過程中，碳排放的最高點(diǎn)即碳峰值。我國目前碳排放增速放緩，但仍呈現(xiàn)增長態(tài)勢，尚未達(dá)峰。碳中和是指人為排放源通過碳捕集與封存（CCS）技術(shù)等人為吸收匯達(dá)到平衡。

碳中和

作為世界上最大的發(fā)展中國家，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)依然面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。從排放總量看，我國碳排放總量巨大，約占全球的28%，實(shí)現(xiàn)碳中和所需的碳減排量遠(yuǎn)高于其他經(jīng)濟(jì)體。

從發(fā)展階段看，我國發(fā)展的能源需求不斷增加，要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、能源低碳轉(zhuǎn)型以及碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，難度很大。

我國從碳達(dá)峰到碳中和時(shí)間跨度僅有30年左右，比歐美國家時(shí)間更緊迫，需要付出更大的努力加快速度。此外，我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，需在30年內(nèi)快速淘汰化石能源實(shí)現(xiàn)零碳排放，這是一場真正的能源革命和工業(yè)革命。

碳中和、碳達(dá)峰是能源革命、工業(yè)革命，各行各業(yè)都在向科技界要成果、要技術(shù)。這對于科技界是極大的挑戰(zhàn)，也可能會(huì)轉(zhuǎn)變成難逢的機(jī)遇，即會(huì)催生出重大科技成果的出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致全新工業(yè)體系的產(chǎn)生。

水泥行業(yè)發(fā)展趨勢：

水泥工業(yè)是我國重要的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)中具有重要的地位和作用。

水泥生產(chǎn)流程及電耗：

水泥生產(chǎn)燃煤消耗：

水泥生產(chǎn)原料碳排放：

水泥生產(chǎn)碳排放核算：

清潔電能利用：

水泥企業(yè)采用余熱發(fā)電可提供水泥生產(chǎn)用電的50%，利用風(fēng)力、光伏等清潔電能可實(shí)現(xiàn)電力消耗自給自足。

替代燃料技術(shù)：

由于替代燃料、生物質(zhì)燃料及衍生燃料大多為碳中性，代替燃煤可產(chǎn)生顯著的CO₂減排；降低燃煤消耗、提高替代燃料的使用比例，是水泥生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)減少直接排放的重要技術(shù)。

國外替代率已接近100%，國內(nèi)平均僅2%，預(yù)計(jì)2030年可達(dá)到10%，可減少二氧化碳排放26kg/t水泥。

全氧燃燒技術(shù)：

傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)工藝產(chǎn)生煙氣中CO₂濃度約為25%，全氧燃燒技術(shù)可提高煙氣中CO₂濃度至90%。

氫能源在水泥窯應(yīng)用：

采用氫能燒成技術(shù)，CO₂降低約30%，窯尾廢氣CO₂濃度可提高至90%。

低鈣水泥熟料技術(shù)：

低熟料水泥技術(shù)：

提高混合材活性，降低水泥中熟料摻量，噸水泥碳排放可降低約26%；摻加納米改性材料，提高混凝土性能，降低熟料用量。

CO₂在水泥混凝土制備過程中的應(yīng)用：

水泥窯煙氣捕集CO₂→水泥混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)→碳酸化膠凝材料工藝研究→碳酸化養(yǎng)護(hù)性能調(diào)控→CO₂碳化混凝土規(guī)?；a(chǎn)。

綜上所述，大氣污染防治是近期水泥工業(yè)必須完成的目標(biāo)，節(jié)能脫硝是發(fā)展方向。碳中和是水泥工業(yè)中長期發(fā)展目標(biāo)，必須以抓鐵有痕的勁頭，實(shí)現(xiàn)這一重大歷史使命。