肩負(fù)起水泥工業(yè)零碳流程再造的重任

編者按 近日，科學(xué)技術(shù)部主辦了“香山科學(xué)會(huì)議”，各學(xué)科院士專(zhuān)家齊聚一堂，研討碳中和科技創(chuàng)新路徑選擇。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司教授汪瀾應(yīng)邀作“水泥工業(yè)低碳/零碳流程再造”的專(zhuān)題報(bào)告。碳達(dá)峰、碳中和是黨的大事、國(guó)家的大事，也是科技界的大事。為此記者邀請(qǐng)汪瀾撰寫(xiě)“肩負(fù)起水泥工業(yè)零碳流程再造的重任”一文，以饗讀者。

2021年3月，習(xí)近平總書(shū)記主持召開(kāi)中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議并發(fā)表重要講話(huà)強(qiáng)調(diào)：實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰，2060年前碳中和的目標(biāo)。碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候的國(guó)策，也是基于科學(xué)論證的國(guó)家戰(zhàn)略，它更清晰了“能源革命”的階段目標(biāo)，要求各行各業(yè)為低碳能源轉(zhuǎn)型做出更為扎實(shí)積極的努力，也要求行業(yè)的科研工作者肩負(fù)起工業(yè)零碳流程再造研究工作的重任。

氣候變化是人類(lèi)社會(huì)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。自從十八世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)燃燒化石能源、工業(yè)過(guò)程等排放的大量CO2滯留在大氣中，這是造成氣候變化的主要原因。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(lái)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(lái)我國(guó)地表氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，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(shì)。

人類(lèi)應(yīng)對(duì)氣候變化可以依靠減緩?fù)緩?，通過(guò)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。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(guò)減緩氣候變化的政策和技術(shù)措施來(lái)控制或減少溫室氣體的排放。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(guò)程中，碳排放的最高點(diǎn)即碳峰值。我國(guó)目前碳排放增速放緩，但仍呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，尚未達(dá)峰。碳中和是指人為排放源通過(guò)碳捕集與封存（CCS）技術(shù)等人為吸收匯達(dá)到平衡。

盡管通過(guò)強(qiáng)化政策引導(dǎo)，我國(guó)有可能在近幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，為碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)打好基礎(chǔ)，但作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)從碳達(dá)峰到碳中和時(shí)間跨度僅有30年左右，比歐美國(guó)家時(shí)間更緊迫，需要付出更大的努力加快速度。此外，我國(guó)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(chǎng)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(duì)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。

水泥是我國(guó)重要的基礎(chǔ)原材料，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)中具有不可替代的重要作用。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)水泥工業(yè)得到了快速發(fā)展，從1978年水泥產(chǎn)量約0.6億噸，增長(zhǎng)至2020年約24億噸。有預(yù)測(cè)水泥工業(yè)將在近一兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰；然而，到2060年仍需有約9億噸的水泥產(chǎn)量，水泥工業(yè)碳中和任重道遠(yuǎn)。

水泥生產(chǎn)是典型的流程工業(yè)，包括原料開(kāi)采、生料粉磨、熟料煅燒、水泥制備及包裝（散裝）發(fā)送等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前，水泥生產(chǎn)主要工藝環(huán)節(jié)大多采用了立磨、輥壓機(jī)等高效粉磨技術(shù)和預(yù)分解窯熟料燃燒技術(shù)。按生產(chǎn)噸水泥計(jì)，生料粉磨、熟料燒成及水泥制備的電耗分別為36kWh、22 kWh和38 KWh，而生產(chǎn)噸水泥總電耗約為90 kWh。水泥熟料煅燒是將煤粉噴入到回轉(zhuǎn)窯和分解爐中進(jìn)行燃燒。研究分析表明，按生產(chǎn)噸熟料計(jì)，熟料煅燒的理論熱耗約為59千克標(biāo)準(zhǔn)煤，而由預(yù)熱器排出煙氣帶出的熱量、由出回轉(zhuǎn)窯熟料帶出的熱量及由窯爐筒體表面散發(fā)的熱量則分別約為22千克標(biāo)準(zhǔn)煤、17千克標(biāo)準(zhǔn)煤和7千克標(biāo)準(zhǔn)煤，小計(jì)約為46千克標(biāo)準(zhǔn)煤，接近水泥熟料煅燒煤耗的一半。水泥熟料生產(chǎn)配料是石灰質(zhì)原料為主，生料典型的配比中石灰石約為85%，煅燒的水泥熟料中3CaOSiO₂約為65%，2CaOSiO₂約為20%，即硅酸鹽相約占85%，而水泥中水泥熟料的摻量約為65%。

根據(jù)電力消耗排放因子0.8kg/kWh，標(biāo)準(zhǔn)煤消耗CO₂排放因子2.49 kg/kWh以及石灰石消耗CO₂排放因子0.44 kg/kWh。粗略計(jì)算，噸水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的電力消耗間接CO₂排放量為77.6kg，燃煤消耗直接CO₂排放為171.8kg，石灰石消耗過(guò)程CO₂排放為391.1kg，噸水泥生產(chǎn)CO₂總排放量約為640kg。由此也可以粗略算出：我國(guó)水泥工業(yè)近一兩年碳達(dá)峰時(shí)，產(chǎn)生的CO₂排放約為15.7億噸，到2060年碳中和時(shí)，產(chǎn)生的CO₂排放約為8.5億噸。可見(jiàn)，水泥工業(yè)的碳中和需要付出巨大的努力，更需要重大革命性的科學(xué)技術(shù)支撐。

事實(shí)上，長(zhǎng)期以來(lái)，水泥生產(chǎn)節(jié)能減排受到普遍重視，窯爐余熱發(fā)電技術(shù)也得到普遍應(yīng)用。噸水泥熟料發(fā)電量可高達(dá)45kWh，即可補(bǔ)償噸水泥生產(chǎn)電耗的約三分之一；提高余熱發(fā)電效率，采用超低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電，可以進(jìn)一步增加余熱發(fā)電量。另一方面，清潔電能的利用也將會(huì)占有更大的比例。例如，1萬(wàn)平方米面積的光伏發(fā)電約為1.5兆瓦/年。水泥生產(chǎn)企業(yè)包括礦山用地可達(dá)百萬(wàn)平方米，采用光伏發(fā)電也可達(dá)到150兆瓦/年，相當(dāng)于5000t/d水泥生產(chǎn)企業(yè)全年用電量的約67%。國(guó)外還早有報(bào)道，水泥生產(chǎn)企業(yè)直接采用風(fēng)力發(fā)電；目前，單臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)電功率約為150kWh，20臺(tái)套風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以基本滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)的電力供給?？梢?jiàn)，近期清潔電能的應(yīng)用完全可以滿(mǎn)足水泥生產(chǎn)的電力消耗。

使用碳中性的替代燃料可代替煤炭用于水泥熟料的煅燒。例如，農(nóng)作物秸稈熱值可達(dá)13000kJ/kg，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)挝粺嶂档?4%。目前，歐洲一些水泥生產(chǎn)企業(yè)的替代燃料率已達(dá)95%以上，我國(guó)水泥生產(chǎn)替代燃料率不到2%，仍有很大的發(fā)展空間，預(yù)計(jì)到2030年，替代燃料率可達(dá)10%，屆時(shí)噸水泥CO2排放量可減少26千克。

水泥熟料煅燒及煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣量約為1800m³/t，煙氣中CO2濃度平均約為23%。為提高煙氣中CO2濃度，滿(mǎn)足后續(xù)的利用或處理要求，歐洲水泥研究院等機(jī)構(gòu)提出了全氧燃燒的技術(shù)方案，即采用氧氣全部代替空氣助燃，并將煙氣循環(huán)，可使排放煙氣中CO₂達(dá)到80%，歐洲數(shù)家水泥企業(yè)正在嘗試進(jìn)行工程應(yīng)用研究。更具挑戰(zhàn)性的是，行業(yè)專(zhuān)家提出了采用綠氫直接燒制水泥熟料的工藝技術(shù)方案，這不僅可以使排放煙氣中CO₂達(dá)到95%以上，而且可以減少?lài)嵥嗌a(chǎn)CO₂排放量約27%。綠氫的發(fā)展已成為國(guó)家能源革命的重要方向。目前，綠氫直燃技術(shù)正進(jìn)行初步的小型試驗(yàn)。

水泥熟料生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的過(guò)程CO₂排放，即是由于原料中石灰石分解釋放出CO₂，這是水泥工業(yè)區(qū)別于其他工業(yè)部門(mén)碳排放的一個(gè)特點(diǎn)和難點(diǎn)。如何減少水泥生料中石灰石的配比，或是減少水泥熟料中總CaO含量，或是減少高鈣硅酸鹽礦物的含量，國(guó)內(nèi)外都有大量的研究報(bào)道，國(guó)家科技部也多次立項(xiàng)支持相關(guān)的研究，但由于種種原因，研究工作進(jìn)展不顯著。低鈣水泥的研究應(yīng)突破傳統(tǒng)水泥熟料體系的窠臼，同時(shí)也應(yīng)與特種水泥有區(qū)別；應(yīng)尋找新的四元或五元硅酸鹽類(lèi)水泥新體系，在現(xiàn)有水泥生產(chǎn)工藝裝備條件下，在滿(mǎn)足建筑工程質(zhì)量要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低碳水泥發(fā)展的真正創(chuàng)新。

碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)深刻的能源革命和工業(yè)革命，水泥行業(yè)應(yīng)是關(guān)注各學(xué)科的理論研究成果和各交叉技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，研究清潔能源開(kāi)發(fā)對(duì)水泥生產(chǎn)帶來(lái)的影響和變革，同時(shí)更要做好過(guò)程CO₂減排及低碳水泥的研究和發(fā)展工作。正如科技部部長(zhǎng)王志剛在此次香山科學(xué)會(huì)議總結(jié)發(fā)言中指出的：碳達(dá)峰、碳中和是黨的大事、國(guó)家的大事、也是科技界的大事。水泥行業(yè)的科研人員，尤其是青年科研人員，一定要投入到這場(chǎng)重大的變革中，研究水泥工業(yè)流程再造的前沿和顛覆性技術(shù)，肩負(fù)起水泥工業(yè)零碳流程再造的重任，為我國(guó)水泥工業(yè)及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，為全球應(yīng)對(duì)氣候變化作出較大貢獻(xiàn)。

“力爭(zhēng)在2030年前碳排放達(dá)峰、努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展指明方向。水泥行業(yè)作為碳排放大戶(hù)，在碳達(dá)峰、碳中和背景下面臨哪些的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，又將如何去做？為此，2021年4月20-21日，中國(guó)水泥網(wǎng)將在杭州舉辦 以“同使命·謀創(chuàng)新·共發(fā)展”為主題的“2021中國(guó)水泥產(chǎn)業(yè)峰會(huì)暨T0P100頒獎(jiǎng)典禮”，誠(chéng)邀業(yè)內(nèi)人士前來(lái)共同深度探討當(dāng)前水泥及相關(guān)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)。