高長明：水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和的模擬推演與研討

一、前言

為了積極應(yīng)對全球氣候變化的嚴(yán)峻形勢，保護(hù)人類的共同家園——地球村，許多負(fù)責(zé)任的國家都制定了實現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的規(guī)劃，宣布了相應(yīng)的莊嚴(yán)承諾。歐盟在上世紀(jì)90年代已達(dá)到碳峰值（45億噸/a），2019年已承諾2050年將實現(xiàn)碳中和。美國2007年達(dá)到碳峰值（59億噸/a）。我國最近宣布，將在2030年前達(dá)到碳峰值，力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和。

2019年歐洲水泥協(xié)會Cembureau已宣布，其所屬的水泥企業(yè)2030年將使其噸水泥的碳排放降到472 kgCO2（2019年是590 kgCO2）。2020年德國海德堡Heidelberg水泥集團(tuán)以及瑞士拉法奇豪瑞LH水泥集團(tuán)已成立了專門的基金委員會，保證屆時完成上述承諾。緊接著墨西哥Cemex、巴西Votorantim、愛爾蘭CRH、意大利Italcementi和Buzzi Unicem等知名水泥集團(tuán)也都紛紛響應(yīng)，發(fā)布了各自相應(yīng)的承諾。

連續(xù)榮登2018和2019年度世界水泥企業(yè)7強(qiáng)榜（TOP 7）前列的我國海螺水泥集團(tuán)和中國建材集團(tuán)也應(yīng)加緊部署，做好有關(guān)碳達(dá)峰、碳中和各方面的規(guī)劃工作，盡快向國家和世界表明各自的擔(dān)當(dāng)。我國水泥工業(yè)更要努力向世界一流水泥強(qiáng)國邁進(jìn)，履行相應(yīng)的國際責(zé)任和義務(wù)，表明我國的承諾和立場，為世界水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和做出貢獻(xiàn)。2021年2月，中國建材聯(lián)合會向全行業(yè)發(fā)出《推進(jìn)建材行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和行動倡議書》，其中提出水泥行業(yè)要在2023年前全面實現(xiàn)碳達(dá)峰。這是一個良好的開端，更重要的是在于實際行動，希望全國水泥行業(yè)積極響應(yīng)這個倡議，砥礪奮進(jìn)身體力行，早日實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。

碳中和聯(lián)盟是聯(lián)合國發(fā)起，由承諾在2050(或2060)年達(dá)到碳中和的國家所組成。目前簽署加入該聯(lián)盟的國家占全球經(jīng)濟(jì)總量和溫室氣體排放總量均為65%。聯(lián)合國希望在2021年11月召開COP26以前能將這個數(shù)值擴(kuò)大到90%。號召G20、世界主要碳排放國家和行業(yè)必須身先士卒，形勢嚴(yán)峻，各方協(xié)力共同應(yīng)對全球氣候變化問題的實際行動迫在眉睫。

水泥工業(yè)的碳排放，在全球人為二氧化碳排放中占7%，在全球工業(yè)排放中占12%，份額較大。無論從企業(yè)碳核算ISO 15014064標(biāo)準(zhǔn)或者從產(chǎn)品碳足跡ISO 15014067標(biāo)準(zhǔn)來衡量。水泥工業(yè)在重化工產(chǎn)業(yè)中確實是碳排放名列前茅的行業(yè)。因而在這場爭取早日實現(xiàn)碳中和的全球共同行動中，水泥工業(yè)的作為備受世界各界的極大關(guān)注，壓力較大。我們應(yīng)該本著勇于擔(dān)當(dāng)?shù)木?，努力承?dān)并完成實現(xiàn)碳中和的艱巨歷史使命。

2019年初，歐洲水泥協(xié)會Cembureau承諾，歐洲將在2050年實現(xiàn)碳中和。其主要技術(shù)途徑就是聯(lián)合國3大機(jī)構(gòu)分別在2009年和2018年發(fā)布的兩個水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型路線圖報告中提出的四大措施:

1. 推廣替代燃料RDF的應(yīng)用，實現(xiàn)全行業(yè)熱量替代率TSR達(dá)100%；

2. 推廣應(yīng)用低熟料含量的CEM II/C、CEM VI（32.5）水泥以及各種低碳含量的膠凝材料SCM，少用高標(biāo)號水泥，降低熟料系數(shù)CF，降低熟料熱耗，減少二氧化碳的“直接“排放；

3. 降低水泥綜合電耗，減少二氧化碳的”簡接“排放；

4. 改進(jìn)完善使之能經(jīng)濟(jì)實用的推廣應(yīng)用的碳捕集利用CCS/U技術(shù)。2019年5——6月間，全球水泥與混凝土協(xié)會GCCA、世界水泥協(xié)會WCA也相繼發(fā)布了內(nèi)容與其雷同的路線圖，茲不贅述。

筆者預(yù)測水泥工業(yè)，歐洲或許在2050年前將率先達(dá)到碳中和。 我國現(xiàn)已接近碳峰值(預(yù)測為2023年達(dá)峰值14.5億噸/a），2050年有望實現(xiàn)碳中和。樂觀的估計，全球水泥工業(yè)可能在2070年前實現(xiàn)碳中和，但其不確定性較大。

本文將對我國和歐盟水泥工業(yè)進(jìn)行碳中和模擬推演，分析研究減碳工作的重點和難點，明確主攻方向和目標(biāo)，提高減碳效率，以利早日實現(xiàn)水泥工業(yè)的碳中和。

二、水泥工業(yè)二氧化碳排放的基本原理與數(shù)據(jù)

眾所周知，硅酸鹽水泥（OPC）熟料的碳排放是最高的，各種不同標(biāo)號的水泥，隨著其中混合材摻入量的增加，熟料系數(shù)CF的下降，水泥的碳排放量也呈下降之勢。如表1和表2所列。

表1: 熟料及各種不同標(biāo)號水泥的碳排放 kg CO₂/t.cl. (或kgCO₂/t.c.)

表2: 中國噸水泥加權(quán)碳排放量kg CO₂/t.c. (計算值）

因為現(xiàn)今我國32.5水泥的占比高達(dá)55%，熟料系數(shù)CF低到0.65。加之我國許多水泥廠都是近10年來新建的大型廠，技術(shù)裝備較先進(jìn)，單位熟料和單位水泥能耗都較低。而歐盟32.5水泥的占比僅為22%，熟料系數(shù)CF為0.75，而且還有不少二、三十年前的老水泥廠。故其熟料和水泥單位二氧化碳排放量都比我國的偏高。全球水泥工業(yè)的情況更是這樣。

熟料煅燒過程中。其中占生料組成80%以上的石灰石原料中的碳酸鈣(CaCO₃₎將分解排放二氧化碳(CO₂₎ 520——550 kg/t.cl.，視生料的組成及各種原料化學(xué)成分的不同而異。本文將取用其中位值535 kg/t.cl.。這就是所謂的“工藝“CO₂排放。水泥窯的燃料（煤炭）燃燒時所產(chǎn)生的二氧化碳則稱之謂“燃燒”CO₂排放。這兩項“工藝”和“燃燒”所產(chǎn)生的二氧化碳統(tǒng)稱為“直接”排放。水泥生產(chǎn)過程中所消耗的全部電能，折算成火力發(fā)電廠生產(chǎn)等量的電能須要燃燒相應(yīng)數(shù)量的煤所產(chǎn)生的二氧化碳kgCO₂/t.c.則謂之“簡接”排放。這兩項“直接‘和“簡接”排放之和就是水泥廠的二氧化碳排放總值。因而全行業(yè)噸水泥的碳排放量是與各種標(biāo)號水泥消費占比、熟料系數(shù)CF、替代燃料的熱量替代率TSR、熟料熱耗、水泥綜合電耗，甚至與發(fā)電廠的效率以及煤炭的質(zhì)量等諸多因素密切相關(guān)的。為了便于對比，表3——表6中所有數(shù)據(jù)均已折算成全行業(yè)噸水泥的碳排放值kgCO₂/t.c.。

本文采用模擬推演的方法計算出各種碳中和狀態(tài)下噸水泥碳排放kgCO₂/t.c.數(shù)值，供業(yè)界同好參考探討。

三、我國水泥工業(yè)碳中和的模擬推演

我國水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和的模擬推演結(jié)果,如表3和表4所列。這里列舉了理想和假設(shè)兩種狀態(tài)下的碳排放與碳中和數(shù)據(jù)，以資比較鑒別。

表3: 中國水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和的模擬推演

注：① 這是科學(xué)合理的狀態(tài)，也是筆者設(shè)計推薦的狀況。

② 這是假設(shè)取消全部32.5水泥并向高標(biāo)號化發(fā)展的狀態(tài)。

表4: 中國由現(xiàn)狀轉(zhuǎn)型為兩種碳中和狀態(tài)的推演。

注：① 這是科學(xué)合理的狀態(tài)，也是筆者設(shè)計推薦的狀況。

② 這是假設(shè)取消全部32.5水泥并向高標(biāo)號化發(fā)展的狀態(tài)。

③ 從水泥構(gòu)筑物建成—使用--拆除--廢棄混凝土再利用整個產(chǎn)業(yè)鏈的全生命周期按100年計。

前提、闡述與觀點：

1）本文的前提是：在現(xiàn)今預(yù)分解窯水泥技術(shù)體系的大范疇內(nèi)，假定某一種顛覆性生產(chǎn)工藝創(chuàng)新技術(shù)體系尚未實際應(yīng)用(如果有所萌芽的話)的條件下進(jìn)行推演。

2）我國目前平均熟料熱耗770 kcal/kg.cl.與平均水泥綜合電耗88 kWh/t.c.處于國際較先進(jìn)水平。模擬達(dá)到碳中和時，兩者分別將降低到600 kcal/kg.cl.和70 kWh/t.c。這已十分接近在上述前提條件下實際可能達(dá)到的最低值了。

3）在未來的15——20年之內(nèi)，我國替代燃料RDF的TSR從現(xiàn)今的5%上升到100%，應(yīng)該是完全可以實現(xiàn)的。這樣就可以完成23.2%的減排任務(wù)（表4）。實際上這項減碳措施我國已經(jīng)正在積極推進(jìn)之中，前景可期。

4） 我國目前余熱發(fā)電對全行業(yè)減碳的影響很小，僅為1.5%（按平均噸熟料余熱凈發(fā)電量31 kWh, 余熱發(fā)電普及率70%計）。而且日后達(dá)到碳中和時，熟料熱耗將降到600 kcal/kg.cl.，水泥窯可用于發(fā)電的余熱銳減。屆時余熱發(fā)電的因素或可基本上忽略不計，故在推演中對其減碳功能未于計入。

5）我國現(xiàn)今32.5水泥占比太高，應(yīng)由55%下調(diào)到30%為宜。相應(yīng)的熟料系數(shù)CF將從0.65上升為0.70。

6）我國從現(xiàn)狀轉(zhuǎn)型為假設(shè)狀態(tài)下的碳中和時，在其他條件相同的情況下，因其全部取消了32.5水泥，52.5水泥占比上升到30%，熟料系數(shù)CF上升為0.85，全行業(yè)噸水泥的碳排放由576,8 kgCO₂/t.c.上升為660 kgCO₂/t.c.，增加了81.2 kgCO2/t.c.。結(jié)果是非但未能減碳，反而增加了碳排放18.6%，CCS/U的減碳任務(wù)陡增到66.7%（表4）。

7) 現(xiàn)今我國水泥工業(yè)碳排放最主要源于”工藝”排放（表3），占60%（347.8/576.8）：其次是“燃燒“排放，占30%（178.8/576.8）；”簡接“排放最少，占10%（50.2/576.8）。削減”工藝“排放的途徑主要是，研發(fā)并適當(dāng)推廣應(yīng)用低標(biāo)號水泥以及各種低碳含量的膠凝材料SCM。例如國際上正在加緊研發(fā)應(yīng)用的Solidia水泥、LC3煅燒粘土水泥、鐵(硫)鋁酸鹽CFSA水泥、低鈣Belite水泥、活性氧化鎂Navocem水泥、低碳Aether水泥、Persal(BCSA)水泥、堿激發(fā)地礦膠凝材料Geopolymers, 等等。因為這一類新型膠凝材料國際上仍在試驗應(yīng)用之中,尚不很成熟，更未列入正式規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。又因這種技術(shù)在我國幾乎接近空白，或者只是鳳毛麟角。故本文推演中暫不考慮這項因素的影響。然而，隨著時間的推移和技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，這方面的減碳空間和潛力，我國必須要有足夠的遠(yuǎn)見，與時俱進(jìn)，徹底糾錯“平反”對低標(biāo)號水泥不科學(xué)的歧視性說辭，現(xiàn)在更要不失時機(jī)的部署相應(yīng)的研發(fā)工作，特別要警惕防止在國際競爭中被擴(kuò)大差距而“掉隊“。

8）我國水泥工業(yè)要在2050年達(dá)到碳中和，加緊研發(fā)改進(jìn)完善使之能經(jīng)濟(jì)合理的采用CCS/U技術(shù)是不可或缺的措施。而且它必須要承擔(dān)總量51%的減碳任務(wù)才行（表4）。CCS/U在我國基礎(chǔ)較弱，剛起步，所以必須加大投入，抓緊研發(fā)完善。力爭2040年能經(jīng)濟(jì)合理的投入實用。同時我們應(yīng)該認(rèn)識到，CCS/U是一種兜底的措施，其承擔(dān)的減碳占比不宜太大。水泥工業(yè)的碳中和應(yīng)該依靠自力更生，以自我減碳為主。

9) 國際實踐業(yè)已充分證明，利用混合材深加工和混凝土外加劑等多項最新技術(shù)，等量的32.5水泥（CEM II/C, CEM VI）所制備的混凝土具有與42.5水泥制備的同樣性能而毫不遜色，但其每立方混凝土的碳排放卻比42.5水泥的減少20%。 我國應(yīng)該充分認(rèn)識到這一新動向的苗頭和潛力，加緊這方面的研發(fā)工作，決不能“自廢武功”，主動放棄這一個重要的國際競爭領(lǐng)域。

四、歐盟水泥工業(yè)碳中和的模擬推演

表5和表6列舉了歐盟水泥工業(yè)現(xiàn)今的基本狀況以及模擬碳中和的推演結(jié)果。

表5: 歐盟EU27 水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和的模擬推演

表6： 歐盟由現(xiàn)狀轉(zhuǎn)型為碳中和狀態(tài)的推演

注：①從水泥構(gòu)筑物建成—使用==拆除--廢棄混凝土再利用整個產(chǎn)業(yè)鏈的全生命周期按100年計。

比較表3表4和表5表6的數(shù)據(jù)可知，我國和歐盟水泥工業(yè)碳排放、碳中和之間的主要差別為：

1）我國現(xiàn)今在熟料系數(shù)CF、熟料熱耗和水泥綜合電耗方面都較低。故噸水泥的碳排放也較低。但總體上我國與歐盟的差別不大，585.3-576.8=8.5kgCO₂/t.c.，占總量僅1.5%（表5和表3）。

2）我國現(xiàn)今替代燃料TSR太低，僅5%，而歐盟TSR已達(dá)50%，德國為72%，從而在碳排放方面彌補了其熱耗電耗較高的弱點。

3）歐盟在低碳含量膠凝材料 SCM和CCS/U領(lǐng)域的研發(fā)采用工作比我國領(lǐng)先一步，已經(jīng)積累了一些經(jīng)驗教訓(xùn)，也有若干初步成果，正在改進(jìn)完善階段。而我國在CCS/U方面剛起步，在低碳含量膠凝材料 SCM方面幾乎是空白。所以應(yīng)該加大投入，重視加強(qiáng)這兩方面的研發(fā)完善推廣應(yīng)用工作。

4）國際上有幾位專家對歐盟水泥工業(yè)的碳中和也進(jìn)行過模擬推演。其結(jié)果一致認(rèn)為，CCS/U 必須承擔(dān)42%的減碳任務(wù)才能在2050年實現(xiàn)碳中和。而筆者推演的結(jié)果是48.8%（表6），高出他們的約6個百分點，估計是他們適當(dāng)計入了各種SCM的減碳功能之故。還有就是我國水泥窯余熱發(fā)電的1.5個百分點的減碳功能未計入，而這在歐盟原本就應(yīng)用極少的。然而無獨有偶，最近GCCA水泥部主席Ms. Claude Lorea在一個報告中提出的該數(shù)據(jù)為48%，恰巧與筆者的48.8%，不謀而合。

五、結(jié)語

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，水泥工業(yè)的碳中和問題。首先，這完全取決于整個國家政治、經(jīng)濟(jì)、科技、制造、工業(yè)……等各方面的綜合實力，沒有整個國家的全面發(fā)展和足夠強(qiáng)大的綜合實力，以及全國各方面的綜合協(xié)同行動，單獨一個水泥工業(yè)想要實現(xiàn)碳中和是很不現(xiàn)實的。其次，這是一項十分艱巨復(fù)雜的大系統(tǒng)工程，要有幾十年長期奮斗的思想準(zhǔn)備，任重道遠(yuǎn)！對于我國這樣的水泥大國而言則更甚！

水泥工業(yè)減碳尚存有的最大空間和潛力在于“工藝“減排，因其占排碳總量的60%。所以從長遠(yuǎn)來看，最終的發(fā)展趨勢將是：從大量采用碳酸質(zhì)（鈣質(zhì)）原料逐漸向釆用硅酸質(zhì)、鋁酸質(zhì)、鐵硫鋁酸質(zhì)（硅質(zhì)、鋁質(zhì)、鐵質(zhì)）等原料轉(zhuǎn)移：從采用較高標(biāo)號水泥制備高強(qiáng)高性能混凝土逐漸向采用較低標(biāo)號水泥或低碳含量膠凝材料SCM制備高強(qiáng)高性能混凝土轉(zhuǎn)移；從主要依賴CCS/U技術(shù)(占40%——50%)逐漸向自力更生，自我減碳為主(CCS/U占20%)轉(zhuǎn)移。

主要參考文獻(xiàn)

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2.VDZ: Environmental Date of the German Cement Industry. Feb.2019

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4. Cembureau: Cementing the European Green Deal-Reaching climate neutrality along the cement and concrete value chain by 2050. May 2020

5. Stripple, H., et al: CO₂ uptake in cement-containing products – Background of calculation module for IPCC implementation. IVL Swedish Environmental Research Institute. 2018

6.ONESTONE CONSULTING LTD.: Cement Industry Challenges in the new decade. ZKG Jan. 2021 P.18-27

7.Chang-Ming Gao: China’s path to green growth. ICR March 2021 P.19-21

8.VDZ: German cement industry on course for a carbon-free future. ZKG Jan.2021 P.6

（轉(zhuǎn)載自《中國水泥》2021年第4期）