蔣明麟：水泥行業(yè)實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的路徑與措施

2020年5月20日習(xí)近平主席在75屆聯(lián)合國大會一般性辯論會上提出：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO₂排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。（即所謂“雙碳目標(biāo)”和“3060目標(biāo)”。）

這是我國在“巴黎協(xié)定”中堅持“共同而有區(qū)別”的原則的基礎(chǔ)上，積極主動提出的完成碳達峰碳中和的時間表，體現(xiàn)了我國作為世界最大發(fā)展中國家和世界第二大經(jīng)濟體是一個負(fù)責(zé)任的大國形象，做出了建立世界命運共同體的大國擔(dān)當(dāng)。

水泥行業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)原材料行業(yè)，是國家的基本建設(shè)、國防建設(shè)、城鄉(xiāng)居民住房建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的重要建筑材料。

我國自1985年起就成為世界第一水泥生產(chǎn)和消費大國。進入新世紀(jì)，隨著國民經(jīng)濟與社會的發(fā)展，水泥產(chǎn)量也隨之增長，到2014年達到24.9億噸的高峰值，隨后在國家控制總量，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和國民經(jīng)濟進入新常態(tài)的歷史新的高質(zhì)量發(fā)展階段，水泥產(chǎn)量也逐步降低。2020年我國水泥產(chǎn)量23.8億噸，占全球水泥產(chǎn)量的60%以上。

與此同時，水泥行業(yè)也是各個工業(yè)門類中的CO₂排放大戶。由于我國水泥產(chǎn)量占到全球水泥產(chǎn)量的近60%，這就導(dǎo)致我國水泥行業(yè)碳排放量巨大。據(jù)介紹，2019年全球二氧化碳排放量達347.1億噸，其中中國碳排放總量達98.3億噸，其中建材行業(yè)排放量約占全國排放量的16%。水泥行業(yè)碳排放占建材行業(yè)的80%以上，也就是說水泥行業(yè)碳排放量占全國碳排放量的12%。有資料顯示，水泥工業(yè)在全球工業(yè)排放中占12%，在全球人為CO₂排放中占7%左右?？梢娝喙I(yè)在重化工業(yè)中確實是CO₂排放的大戶。因而，對于如何促進水泥工業(yè)的碳減排、碳達峰、碳中和將成為實現(xiàn)我國提出的“雙碳目標(biāo)”的重要工作。

與其他重化工行業(yè)碳排放不同，在于目前生產(chǎn)水泥產(chǎn)品的過程中，除了與其他重化工行業(yè)一樣，通過燃燒化石類燃料（煤炭、重油、天然氣等）排放CO₂氣體（稱之為直接排放）和消耗電能（稱之間接排放）外，還因為生產(chǎn)水泥過程中，使用碳酸鹽類原料（碳酸鈣、碳酸鎂等原材料：如石灰石、白堊土等）在高溫下分解過程排放CO₂氣體和生成CaO、MgO等物質(zhì)。

由此，我們可以得出水泥產(chǎn)品的碳排放由三個部分組成。

燃燒直接排放：目前，我國生產(chǎn)水泥熟料主要燃料仍然以煤炭為主。由于每種煤的C含量均不相同，因此若通過檢測煤的C含量進行計算，則非常麻煩。為此，IPCC（政府間氣候變化專門委員會）提出采用排放因子的計算方法。其中，2006年提出的燃料煤碳排放因子為 94.6 kgCO₂/GJ，折算下來就是：燃燒1kg標(biāo)煤CO₂排放量為2.77 kgCO₂。如果不追求準(zhǔn)確，保守計算可以用每Kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒排放3KgCO₂。

以當(dāng)前平均先進水平，當(dāng)噸熟料標(biāo)煤耗為105 kg時，因化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO₂排放量為：105 kg/t熟料× 2.77 kgCO₂/kg標(biāo)煤= 291kgCO₂/t熟料。也可近似用300KgCO₂/t熟料來計算。

用電間接排放：電力消耗屬于間接排放的范疇。與化石燃料碳排放類似，在計算電力消耗產(chǎn)生的CO₂排放量時，也是采用電力碳排放因子的計算方法。

不過，由于不同時間、不同省區(qū)的電力碳排放因子各不相同，這主要是因為不同時間、地區(qū)的電力來源、燃煤發(fā)電效率等各不相同，造成其CO₂排放因子也不相同。與火電相比，水力發(fā)電、核電等清潔能源的發(fā)電的CO₂排放因子顯然會更低。

為了計算簡便，我們選擇0.68 kgCO₂/kWh作為電力CO₂排放因子。按照當(dāng)前平均先進水平，單位熟料電耗為60 kWh/tcl，則其CO₂排放量為40.8 kgCO₂/t熟料。為了計算方便也可按40KgCO₂/t熟料考慮。

原料分解排放：由于生產(chǎn)原料配料不同，生產(chǎn)的水泥熟料的標(biāo)號和成分也不同。以單位熟料計，熟料中CaO含量也不相同。為說明問題，以CaO含量為65%計，MgO含量從1%-4%不等，平均取2%。碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO₂排放量為：

650 g/1kgcl / 56 g/mol × 44 g/mol + 20 g/1kgcl / 40 g/mol × 44 g/mol = 533 g/kgcl = 533KgCO₂/t熟料

為了計算方便，可按原料分解排放為540KgCO₂/t熟料。

由此，我們可以得出生產(chǎn)一噸水泥熟料的CO₂的排放量為300KgCO₂/t熟料+40KgCO₂/t熟料+540KgCO₂/t熟料=880KgCO₂/t熟料

由此，可以得出燃料燃燒直接排放CO₂占34.1%，用電間接排放占4.5%，原料分解排放占61.4%。

至于按每噸水泥計算CO₂的排放量，由于不同水泥品種和不同水泥標(biāo)號所摻入的混合材的數(shù)量和種類也不同。因此，每噸水泥的CO₂排放量是各不相同的。由水泥熟料加入緩凝劑（石膏）和各類不同數(shù)量和種類的混合材生產(chǎn)不同品種和標(biāo)號的水泥產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程主要的消耗電能也不相同。

有資料顯示:我國32.5水泥CO₂排放量為520KgCO₂/t.c; 42.5水泥為624KgCO₂/t.c; 52.5水泥為744KgCO₂/t.c 。因為現(xiàn)今我國32.5水泥的占比較高，大致為總產(chǎn)量的55%左右，因此熟料系數(shù)CF也較低為0.65左右。因此，可以得出我國每噸水泥CO₂排放量大致為580KgCO₂/t.c。（32.5、42.5、52.5三種標(biāo)號水泥用量比例按55、35、10考慮）

在分析了生產(chǎn)水泥過程碳排放的各種主要因素，我們據(jù)此可以提出今后水泥工業(yè)減排的路徑和措施。

2021年2月中國建材聯(lián)合會向全行業(yè)發(fā)出《推進建材行業(yè)碳達峰碳中和行動倡議書》，并在《倡議書》中明確水泥行業(yè)要在2023年前全面實現(xiàn)碳達峰。據(jù)前面分析，我國水泥產(chǎn)量在2014年水泥產(chǎn)量已達到高峰（24.9億噸）之后，逐年波動式下降。從我國經(jīng)濟發(fā)展原動力的調(diào)整和變革的發(fā)展趨勢看，今后，我國水泥年產(chǎn)量不會高于24.9億噸的產(chǎn)量。因此，水泥行業(yè)到2023年達到碳達峰應(yīng)當(dāng)是可以實現(xiàn)的。問題是，到2023年我們將以怎樣的CO₂排放總量確定碳達峰。筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加大水泥行業(yè)節(jié)能減排的工作力度，以一個盡可能低的CO₂排放量達到碳達峰，為今后碳中和創(chuàng)造較好的條件。

為此，我們應(yīng)當(dāng)進一步采取有效措施，加大水泥生產(chǎn)的節(jié)能減排工作。

主要措施有：

降低水泥熟料熱耗。對標(biāo)同類型水泥熟料生產(chǎn)線的國內(nèi)、國際先進熱耗指標(biāo)，改進和優(yōu)化工藝設(shè)備和優(yōu)化控制運行操作軟件，引入人工智能專家系統(tǒng)。

熟料熱耗除了為生成水泥熟料所必須的理論熱能外，其余熱能消耗：1.熟料從篦冷機排除時帶走的熱能；2.從篦冷機經(jīng)收塵器排出的廢氣中的熱能；3.窯尾1級預(yù)熱器排除的廢氣中的熱能；4.從整個燒成系統(tǒng)各個設(shè)備散發(fā)的熱能；

第2和3項的熱能，目前國內(nèi)水泥企業(yè)絕大部分均已采用水泥窯純余熱發(fā)電設(shè)施，及時轉(zhuǎn)化為電能加以回收和利用。取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。今后要進一步優(yōu)化余熱發(fā)電的熱力循環(huán)系統(tǒng)，提高發(fā)電效率。第3項的熱能的一部分，目前絕大部分水泥生產(chǎn)線還用于生料粉磨的烘干熱能，使這部分熱能得到充分利用。第1項熱能的減少，需要采用回收熱能更高熱效率的篦冷機設(shè)備和優(yōu)化操作。如：將輥式破碎機放在篦冷機中段，優(yōu)化篦冷機各段風(fēng)機的風(fēng)壓風(fēng)量控制等，降低水泥熟料從篦冷機排除時的溫度與廢氣溫度，加大進入分解爐的三次風(fēng)溫和進入回轉(zhuǎn)窯頭的二次風(fēng)溫的措施，提高熱能有效利用，降低熱耗。第4項熱能的減少，需要加強回轉(zhuǎn)窯窯頭和窯尾密封裝置的性能，減少漏風(fēng)；改進整個燒成系統(tǒng)每個設(shè)備的隔熱材料和方式，積極探索采用微晶玻璃等新型隔熱保溫材料作為預(yù)熱器、分解爐、大型風(fēng)管、窯尾斜坡、篦冷機外殼的隔熱材料。從而提高隔熱和耐沖擊、耐磨的性能，達到減少熱損耗和提高系統(tǒng)運轉(zhuǎn)周期。

目前水泥熟料生產(chǎn)主要以化石燃料為主，為了降低CO₂排放，要積極探索新的燃料替代，如氫氣作燃料。

目前，水泥熟料煅燒煤炭，空氣作為助燃氣體。應(yīng)開發(fā)富氧做為煤炭的燃燒劑，減少氣體流量。從而減低生產(chǎn)水泥熟料的熱耗和風(fēng)機的電耗。

有關(guān)媒體報道，關(guān)于大幅度提高利用工業(yè)廢棄物和生活垃圾制成的替代燃料（RDF）,降低生產(chǎn)水泥熟料時的CO₂排放量，可能還需要進一步商榷。

但提高生產(chǎn)水泥熟料時的化石燃料的熱量替代率（TSR）,對于節(jié)約資源，提高廢棄物資源利用率，改善環(huán)境，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益。對于水泥企業(yè)也會有良好的經(jīng)濟效益。值得大力推廣此項技術(shù)。

降低水泥產(chǎn)品電耗。與降低水泥產(chǎn)品熱耗一樣，應(yīng)當(dāng)對標(biāo)國內(nèi)、國際同規(guī)模、同品種的水泥生產(chǎn)線的先進指標(biāo)，改進工藝設(shè)備和運轉(zhuǎn)操作水平，進一步降低水泥產(chǎn)品的電耗。

水泥產(chǎn)品的電耗主要發(fā)生在原料粉磨、水泥成品粉磨、煤粉制備。大約占水泥產(chǎn)品電耗的70%左右。為此，要突出重點，進一步采取有效措施減低這三種粉磨的電耗。一是采用先進的料層擠壓粉磨裝置，如：具有烘干功能輥式磨、輥壓機、用于水泥熟料粉磨的輥式磨。二是采用高效選粉設(shè)備。三是優(yōu)化粉磨工藝流程和優(yōu)化操作控制軟件。四是采用性能先進的各類收塵設(shè)施。五是對于系統(tǒng)中各種設(shè)備（輥式磨、輥壓機、球磨機）殼體、風(fēng)管和下料管的耐磨、耐沖擊的內(nèi)襯，采用更加耐久效果更好的材料如：微晶玻璃等，以提高系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率，減少系統(tǒng)停車和啟動次數(shù)，降低水泥產(chǎn)品的電耗。

預(yù)分解水泥生產(chǎn)系統(tǒng)中使用了大量的風(fēng)機和泵類產(chǎn)品。為了調(diào)節(jié)流體的壓力和流量，配備了許多調(diào)節(jié)閥門。為了降低電耗，應(yīng)當(dāng)為這些風(fēng)機配備變頻電機和軟啟動裝置，以減低系統(tǒng)電耗和啟動時對供電系統(tǒng)的沖擊。

水泥產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，將配置大量的物料運輸設(shè)備。為了節(jié)約電耗，我們應(yīng)當(dāng)盡可能采用機械輸送裝置替代耗費電能的空氣輸送裝置。

至于系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)的設(shè)計、裝置的配備和優(yōu)化系統(tǒng)運行降低電耗的措施，專業(yè)性較強，在此不再詳述。但，這部分的工作絕不可忽視。

降低原料分解排放。如前所述，不同水泥品種和標(biāo)號，CO₂排放量是不同的。

我們應(yīng)當(dāng)積極推廣應(yīng)用熟料含量較低的水泥品種，少用高標(biāo)號水泥，降低水泥的熟料系數(shù)CF值。從而降低熟料熱耗，減少CO₂燃料燃燒排放和原料分解排放。眾所周知，水泥僅僅是一個工業(yè)半成品，其最終作為混凝土的成分加入混凝土，才能在建筑物和構(gòu)筑物發(fā)揮其功能。因此，我們要從提高混凝土的性能的角度，來分析采用何種水泥品種和標(biāo)號。我們不能簡單地認(rèn)為水泥高標(biāo)號就是高質(zhì)量的唯一性能指標(biāo)。

我們可以通過混合材的深加工和當(dāng)前混凝土產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研發(fā)成果，特別是各種性能的混凝土外加劑的研發(fā)，使得混凝土的性能對于各種氣候環(huán)境、施工條件和混凝土性能要求都有了顯著的改善和提高，完全可以實現(xiàn)上述的水泥產(chǎn)品的CO₂的減排目標(biāo)。

為了減少水泥生產(chǎn)中的CO₂排放，應(yīng)當(dāng)研發(fā)并推廣各種低碳含量的膠凝材料。如：鐵鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、低碳高貝利特水泥、低碳Aether水泥、堿激發(fā)地礦膠凝材料，等等。

采取綜合措施減少水泥消費量。

首先，做好城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展規(guī)劃。讓規(guī)劃具有嚴(yán)肅的法律權(quán)威，一張?zhí)m圖，一代接一代干到底，避免規(guī)劃隨意更改，造成城鄉(xiāng)現(xiàn)有建筑物的“大拆大建”；

努力提高建筑物構(gòu)筑物的使用壽命。從其全壽命周期考慮提高質(zhì)量的措施，如：設(shè)計工作采用BIM系統(tǒng)，施工采用裝配式建筑施工方法，加強建筑物和構(gòu)筑物運行的維護和保養(yǎng)，壽命終結(jié)時的建筑廢棄物的回收和再利用等等。這些措施將相應(yīng)地得到減少水泥的消費量的效果，取得良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

適度推進鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，在工業(yè)和民用建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)在施工進度快、適應(yīng)的建筑物類型多，建筑物壽命終止時，鋼結(jié)構(gòu)便于回收再利用等優(yōu)點。

關(guān)于水泥行業(yè)碳中和的策略與技術(shù)路線。筆者認(rèn)為目前最重要的任務(wù)仍是水泥產(chǎn)品的CO₂減排。只有把水泥產(chǎn)品的CO₂的排放進一步降低，才能為水泥行業(yè)的碳中和創(chuàng)造有力的條件。

積極研發(fā)先進實用具有推廣應(yīng)用的碳捕集利用CCS/U技術(shù)。因為它所承擔(dān)水泥產(chǎn)品CO₂減排任務(wù)是要占到水泥產(chǎn)品CO₂減排任務(wù)較大比重（目前約占50%左右，待到單位水泥產(chǎn)品CO₂排放量進一步減少，可使其所占比重降為25%——20%左右）。我國在這方面起步較晚，但也取得了實質(zhì)性進展，已有實際在水泥工業(yè)中的應(yīng)用的范例。目前從水泥生產(chǎn)過程中捕集的CO₂氣體的用途大致有三種:其一，通過凈化、壓縮和化工處理成為工業(yè)級和食品級CO₂產(chǎn)品；其二，通過凈化和化工處理，作為水質(zhì)酸堿度調(diào)節(jié)劑，使水質(zhì)達到螺旋藻的養(yǎng)殖的要求，養(yǎng)殖用途廣泛的螺旋藻。以螺旋藻為原料進一步發(fā)展保健品產(chǎn)業(yè)和食品工業(yè)；目前也在積極探索利用捕集的CO₂氣體改變水質(zhì)，養(yǎng)殖其他類型的藻類，作為后備的能源的研究試驗。其三，就是將水泥生產(chǎn)過程的排放的CO₂氣體經(jīng)過處置后，在適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的條件下進行地下封存。

未來水泥行業(yè)的碳中和工作僅僅依靠水泥行業(yè)本身的工作還是不夠的，必須與其它行業(yè)聯(lián)手如：化工行業(yè)、林業(yè)等）共同努力才能通過CCS/U技術(shù)和增加森林碳匯，完成水泥行業(yè)的碳中和任務(wù)。

實現(xiàn)水泥行業(yè)的“雙碳目標(biāo)”，任務(wù)艱巨、時間緊迫，需要加強頂層設(shè)計，認(rèn)真制定路線圖和時間表，做好降低CO₂排放的各項基礎(chǔ)性工作，充分發(fā)揮運用政府“有形的手”和市場“無形的手”的手的作用，以時不我待的精神，腳踏實地落實水泥行業(yè)的降低CO₂排放的各項措施，積極研發(fā)先進適用的碳捕集和利用技術(shù)，增加森林碳匯的能力。只有綜合改變國家和行業(yè)發(fā)展理念，以新發(fā)展理念為指導(dǎo)、創(chuàng)造新發(fā)展格局、繼續(xù)擴大改革開放，廣泛開展國際合作，主動承擔(dān)碳達峰碳中和的行業(yè)責(zé)任，為我國“雙碳目標(biāo)”的實現(xiàn)，做出水泥行業(yè)應(yīng)有的貢獻！