陶從喜:水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)與實踐探索
近日,華潤建材科技控股有限公司首席專家陶從喜在中國水泥網(wǎng)召開的“2024第十三屆中國水泥產(chǎn)業(yè)峰會主論壇暨TOP100頒獎典禮”上為大家分享了水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)與實踐探索。
陶從喜主要從水泥工業(yè)碳排放現(xiàn)狀、國內(nèi)外碳減排技術(shù)路徑、水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)、水泥工業(yè)“3C”碳中和實踐案例等幾個方面進行了詳細分析。
1、水泥工業(yè)碳排放現(xiàn)狀
近年來,中國承諾2030年實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和,并從中央到地方制定了一系列政策。中國水泥碳減排迫在眉睫!
從量上來看,中國水泥產(chǎn)量會逐漸下降,世界水泥產(chǎn)量反而逐漸上升,第三世界國家產(chǎn)量明顯增加。近十年在22-24億噸上下波動,進入平臺期。中國水泥工業(yè)進入平臺期,隨著國家碳中和到來,未來水泥供給量將逐漸下降進入綠色低碳經(jīng)濟時代。
但中國水泥碳排放強度高。國家發(fā)改委要求“中國2025年水泥行業(yè)能效標(biāo)桿水平以上的熟料產(chǎn)能比例達到30%”。而在2020年,水泥行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能僅占5%。2022年水泥工業(yè)排放CO2約13.2億噸,約占我國工業(yè)排放總量的13%。所以,中國水泥行業(yè)碳減排刻不容緩。
2、國內(nèi)外碳減排技術(shù)路徑
國際技術(shù)路徑:
從歐洲水泥協(xié)會得知:2050年水泥工業(yè)碳中和之路——基于全產(chǎn)業(yè)鏈的減碳技術(shù)路線。2030年實現(xiàn)熟料減碳61kg;水泥減碳35kg;混凝土減碳28kg;建筑減碳71kg。2050年實現(xiàn)熟料減碳160kg;水泥減碳117kg 混凝土減碳59kg;建筑減碳51kg。
國際能源署IEA要求2050水泥工業(yè)低碳路線圖——基于水泥工藝的減碳技術(shù)路線。提高水泥生產(chǎn)效率和能源效率,減碳約3%;替代燃料技術(shù)(協(xié)同處置等),減碳約12%;降低熟料系數(shù)(混合材替代熟料),減碳約37%;碳捕集與利用技術(shù),2030年減碳13%,最終達到減碳48%。
德國海德堡水泥圍繞著CO2減排、碳捕捉與存儲(CCS)、 CO2再利用(CCU)三大目標(biāo)方向,形成從原料、技術(shù)到產(chǎn)品的全價值鏈布局。
2020-2030年通過提高能源效率、使用替代燃料原料和新粘合劑減少熟料碳排放強度;通過使用具有低碳排放的熟料、優(yōu)化混凝土配比新水泥種類減少水泥和混凝土碳排放強度;與此同時再應(yīng)用碳捕集和利用項目(CCUS)進行工藝集成二氧化碳捕集、再生混凝土的再碳化、循環(huán)經(jīng)濟中二氧化碳的使用和工業(yè)規(guī)模新技術(shù)推廣。
2030-2050年繼續(xù)提高能效、替代水泥材料、增加低碳/零碳產(chǎn)品、使用氫氣作為燃料和窯電化、支持新技術(shù)的長期研發(fā)。最終在2050年實現(xiàn)碳中和。
國內(nèi)技術(shù)路徑是基于中國水泥高位產(chǎn)量下的降碳思路。根據(jù)模型推演,2060年中國水泥工業(yè)要實現(xiàn)碳中和,水泥產(chǎn)量應(yīng)控制在7.5億噸以下;但依據(jù)中國社會經(jīng)濟發(fā)展需求,2060年中國水泥產(chǎn)量還將維持在10億噸以上高位。
總體思路:源頭控制+減少碳排放+末端捕集
原料:減少石灰石用量;制備低碳膠凝材料
燃料:替代燃料;清潔燃料替代煤
生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能減碳:工藝、裝備能效提升
水泥高效利用(混凝土):水泥助磨劑、減少混凝土中水泥用量、延長服役壽命;固碳型混凝土制品
CO2捕集和利用:捕集純化和高效利用
碳排放市場:建立評價體系(標(biāo)準(zhǔn))與碳匯(交易)
在中國與國際水泥能耗對標(biāo)中發(fā)現(xiàn),立足技術(shù)現(xiàn)狀,進一步提高能效空間有限,已處世界先進水平;熟料系數(shù)優(yōu)于國際目標(biāo)值,大幅度降碳空間“有限” 。鼓勵發(fā)展替代原燃料技術(shù)及裝備,從能源消耗上降低碳排放!鼓勵發(fā)展新型能源技術(shù)及裝備,從能源結(jié)構(gòu)上降低碳排放!鼓勵發(fā)展低碳水泥混凝土技術(shù),從材料及應(yīng)用降低碳排放!
3、水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)
“3C”碳中和技術(shù),即源頭低碳、過程減碳、末端去碳。該理論體系契合水泥生產(chǎn)礦山、水泥熟料燒成系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)、混凝土等產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié),制定節(jié)能減碳技術(shù)路線,系統(tǒng)解決行業(yè)降碳難題。
通過源頭控制、過程控制、末端控制三者結(jié)合,是水泥制造企業(yè)實現(xiàn)碳達峰、碳中和的重要途徑。
全產(chǎn)業(yè)流程下不同工藝節(jié)點的減碳路徑及能力如下:(以先進生產(chǎn)線836 kg CO2/t.cl為基準(zhǔn)計算)
4、水泥工業(yè)“3C” 碳中和實踐案例
(1)源頭低碳實踐案例
原料替代案例1:多重固廢循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園
技術(shù)路線-1:崗石污泥和邊角料作生料的開發(fā)及應(yīng)用。崗石污泥和邊角料含有一定量的樹脂,預(yù)處理后用于配料可改善生料易磨性,從而降低粉磨電耗和配料成本。陽光堆棚預(yù)處理脫水及經(jīng)過調(diào)配后,崗石污泥可替代12.5%的石灰石。
技術(shù)路線-2:濕煤渣作低熱值生料的開發(fā)及應(yīng)用。 濕煤渣具有高鋁低硅的性質(zhì),預(yù)處理后作為生料硅鋁質(zhì)校正原料可改善生料活性;利用煤渣含熱值及煤渣在熟料形成過程中晶核作用,開展低能耗水泥生料配制技術(shù),有利的促進熟料礦物的形成。
依托多重固廢一站式協(xié)同處置項目,華潤水泥申報的《工業(yè)固廢制備優(yōu)質(zhì)膠凝材料關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用》獲得2021年度廣西科技進步一等獎。
原料替代案例2:廢渣利用
華潤JS:從水泥原材料出發(fā),以黃磷渣、電石渣為例研究水泥行業(yè)碳減排方案,直接減少碳排放源。在利用廢渣后,2020年熟料標(biāo)煤耗較2015年降低13.78 kgce/t.sh,目前系統(tǒng)標(biāo)煤耗小于80kg.ce/t.cl(替代原料+替代燃料)。
燃料替代案例1:市政污泥協(xié)同處置
技術(shù)路線:“污水廠內(nèi)干化+水泥窯焚燒”協(xié)同處置。污泥干化減量后利用水泥窯焚燒處置,大幅度節(jié)約填埋用地;無灰渣排放,實現(xiàn)礦物質(zhì)和有機質(zhì)100%減量化處置;重金屬穩(wěn)定固化在水泥熟料礦物;高溫焚燒實現(xiàn)有機污染物全消解;配置廢水、廢氣處理工藝實現(xiàn)污染物的零排放。
燃料替代案例2:城鄉(xiāng)生活垃圾協(xié)同處置
華潤建材科技對協(xié)同處置的探索從未止步
HP基地旋迴爐示范項目:旋迴爐處置15——20 t/h RDF試燒試驗,分解爐喂煤可以降低40%以上;目前生產(chǎn)情況看對產(chǎn)量無不良影響,節(jié)煤效果優(yōu)于其他協(xié)同處置熱工設(shè)備。
燃料替代案例3:輕質(zhì)固廢。利用周邊資源,選用廢碎布、樹皮、燃料棒等多重輕質(zhì)固廢作為替代燃料。
低碳熟料體系案例1:低品位石灰石生產(chǎn)高貝利特水泥
華潤CJ:優(yōu)質(zhì)石灰石資源枯竭,于是開發(fā)了一種綜合利用低品位石灰石制備優(yōu)質(zhì)通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)及控制方法,實現(xiàn)變廢為寶并降低能耗及碳排放。
低碳熟料體系案例2:多功能環(huán)保摻合料開發(fā)應(yīng)用
華潤HSH:利用高鎂廢石、水淬錳渣、爐底渣等多種固廢,通過單形設(shè)計方法自主研發(fā)活性微粉,可降低水泥的熟料用量或混凝土中的水泥用量。
低碳熟料體系案例3:solidia水泥
原材料為石灰石及石英砂,可直接只用干法窯煅燒,理論煅燒溫度——1200℃;或直接開采硅灰石礦,不經(jīng)煅燒。熟料結(jié)粒3——4cm。
新型能源案例1:綠色可再生能源
太陽能、風(fēng)能零購電項目建設(shè):零購電項目最佳運行方式為“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”。以6000tpd項目為例:光伏發(fā)電:光伏發(fā)電面積67049m2 ;25年年均發(fā)電8986MWh。風(fēng)力發(fā)電:風(fēng)機組10組;20年年均發(fā)電:93593MWh??偘l(fā)電量:102579MWh。其中70%自用供電,剩余30%余電發(fā)電上網(wǎng)??偼顿Y: 33108萬元;投資回收期:約11年。
新型能源案例2:綠氨燃料在水泥生產(chǎn)線替代煤炭
綠氨燃料作為水泥生產(chǎn)的替代燃料已應(yīng)用于山東淄博東華水泥5000噸熟料生產(chǎn)線。該項目第一階段實現(xiàn)了6%的煤炭替代,同時還把水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氮氧化物降到了50mg以下,第二階段實現(xiàn)煤炭替代率達20%。
新型能源案例3:氫能燃料在水泥生產(chǎn)線替代煤炭
氫能(部分)替代煤粉:噸熟料消耗約21kg H2,以5000tpd熟料生產(chǎn)線為例,年可減少碳排放約37萬噸;英國ETP 清潔能源技術(shù)指南:將在Tarmac and Hanson Cement測試氫能等替代燃料的應(yīng)用。
(2)過程減碳實踐案例
過程減碳技術(shù)路徑分析重點從燒成系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)工藝及技術(shù)裝備優(yōu)化,水泥減排助磨劑研發(fā)三個方面介紹“3C”過程減碳應(yīng)用成效。
(3)末端去碳實踐案例
水泥工業(yè)屬于最難脫碳的行業(yè),要實現(xiàn)碳中和需要大規(guī)模部署碳捕集、利用和封存(CCUS)項目!從中國已布局的CCUS項目來設(shè)計水泥工業(yè)末端去碳技術(shù)路徑,大規(guī)模碳利用是促進碳捕集商業(yè)化落地的直接手段。
總的來看,中國水泥行業(yè)碳中和路線依賴多種節(jié)能減排降碳技術(shù)相輔相成。水泥行業(yè)需持續(xù)開展工藝裝備能效提升、替代原燃料技術(shù)應(yīng)用、清潔能源研究及應(yīng)用,中遠期以碳利用(CCUS)為主。
低碳水泥發(fā)展總規(guī)劃:運用“3C”節(jié)能減碳理論,通過低碳技術(shù)、減碳技術(shù)、去碳技術(shù)三大減排路徑,將目前生產(chǎn)上排放的685 kgCO2/t水泥實現(xiàn)中和。
編輯:梁愛光
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