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，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，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，通過降低水泥綜合能耗來降低水泥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)過程中可以使用替代燃料來減少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，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)替代原料存在來源不足，成份不穩(wěn)定，且對(duì)水泥質(zhì)量有影響等問題。

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，常見熟料礦物形成時(shí)碳酸鹽分解的CO₂排放差別明顯，見表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題是主要原材料之一鋁礬土沒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（如粒化高爐礦渣、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，但存在來源不足、對(duì)水泥質(zhì)量有影響等問題。

（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。

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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