高長明：我國水泥工業實現碳中和的五大減碳技術路徑及其權重

在廣泛搜集匯總歸納參考借鑒全球各頂級水泥企業、世界諸多一流水泥科技機構、世界和發達國家的水泥（混凝土）協會等2019年以來相繼發布的各自實現碳中和的近20份路線圖的基礎上，經過慎審的分析研究，緊密結合我國水泥工業的實際情況，筆者謹對我國水泥工業實現碳中和的戰略部署提出五大減碳技術路徑，并對其各自可能達到的減碳效果與權重進行了科學推演和測算。茲以2021年我國水泥實際單位碳排放（14億噸二氧化碳/23億噸水泥=610 kgCO2/t.c.）為基準,?將推演思路和測算結果闡述之。與業界同好分享,?歡迎共同研討。

第1條路徑——大幅調整水泥品種構成，由傳統的以單一的普通硅酸鹽水泥 OPC為主,?轉型為以多元的各種品種/性能水泥兼容并蓄的構成。少用碳排放高達935 kgCO2/t.cl.的熟料，少用碳排放852kgCO2/t.c.的高標號水泥，提升低標號低碳水泥的使用占比。必要條件具體為：

1)??PC 32.5+PO 32.5水泥占比,?由2021年的23%上升到2050年的40%。意在充分發揮低標號32.5水泥的減碳效能。

2)??煆燒粘土水泥LC3,?低熟料含量水泥LCC, 新型低碳膠凝材料SCMs, 高貝利特水泥,?硫(鐵)鋁酸鹽水泥,?地礦膠凝材料 Geopolymers，Solidia水泥，Celitement水泥，FUTURECEM水泥，Vertua水泥；等等的占比由2021年的3%上升到2050年的25%。其增幅很大，這正是我國今后必須拓展創新研發的重點所在。各種類型低碳水泥的創新和突破是主要的攻關課題。

3)??PO 42.5水泥的占比由2021年的48%下降到2050年的20%。意在降低OPC的占比。

4)??PO?52.5水泥的占比由2021年的26%下降到2050年的15%。意在減少高標號水泥的占比。

5)??總計熟料系數CF由2021年的0.64降低到2050年的0.50以下。 貫沏少用熟料，多用深加工的混合材替代部分熟料的減碳方針。

采取這些措施可以使水泥單位碳排放減少176.9 kgCO2/t.c.，占總29%（權重）。

必須指出，采取以上各項措施以后，總體的水泥實物強度將會有所下降。但各種水泥可以更好的滿足各種工程的實際需求。片面的追求水泥實物強度，有害無益，實不可取。我國自己和國際上的經驗教訓應該吸取和借鑒。

第2條路徑——采用生物質廢棄物用作替代燃料,以及綠/灰氫（H2）煆燒熟料，全部取代化石燃料。必要條件是熱量替代率TSR由2021年的6%上升到2050年的100%。

這樣水泥單位碳排放可減少128.1 kgCO2/t.c.， 占總21%（權重）。

第3條路徑——進行全面技改創新，盡可能降低水泥生產的單位能耗。必要條件為：

1）?熟料單位熱耗由2021年的3198 kJ/kg.cl. (765 kcal/kg.cl.)降到 2050年的2508 kJ/kg.cl.(600 kcal/kg.cl.)或以下。

2）?水泥綜合電耗由2021年的87 kWh/t.c.降到2050年的52 kWh/t.c.或以下。

3）?水泥窯余熱凈發電量由2021年的31 kWh/t.cl.提升到2050年的43 kWh/t.cl.或以上。

這樣可以使水泥單位碳排放減少109.8 kgCO2/t.c..占總18% (權重)。

第4條路徑——采用二氧化碳捕集與利用CCU技術。將水泥窯廢氣中的二氧化碳捕集后，作為一種原料資源銷售給有關的化學企業、食品（飼料）企業、 光伏企業等用于生產甲醇甲酸、藻類養殖、生產人造生物質燃料、化學產品、干冰、納米碳酸鈣、光伏級EVA樹脂、人工淀粉、或用于制冷、發泡工序、或用于水泥制品和商混構件的養護 ；等等。因為二氧化碳的開拓利用技術已經顯現成效,?而且正在繼續擴大開創之中。CCU不僅有利于水泥企業降低捕碳成本,?還能增加銷售二氧化碳的經濟收益 ,投資回報比較快,?助力水泥企業轉型為同時生產水泥和二氧化碳兩種產品的聯合工廠。

以上前三條減碳路徑的研發主要依賴于水泥工業自力更生的創新開拓。CCU的研發則主要來自其他有關行業的開拓創新,?水泥工業可發揮協同配合作用。

根據目前世界各國CCU的技術進展情況,?適當估計其進一步開拓的空間。筆者預計,?2050年我國水泥工業CCU對減碳的貢獻可達100 kgCO2/t.c.左右,?占總16.4% (權重)。

第5條路徑——采用石油和煤電工業已有較多實際應用的二氧化碳捕集與儲存CCS技術。實際上這是一個比較消極的為了實現水泥工業碳中和,?最后不得不采取包圓兜底的辦法。意即將剩余的二氧化碳全部捕集,?設法運到廢油井或海底巖層裂隙中封存。還需長期的管理, 防止外泄;?短期內又無法將這些二氧化碳銷售出去。 所以CCS的成本遠大于 CCU的，而且回報周期很長。 因此水泥工業要爭取的理想情況是，在保證達到碳中和的前提下,?適當的做到?CCU “最大化”?和CCS?“最小化”。

根據前述的計算可知,?我國水泥工業2050年實現碳中和所需要的CCS為610-(176.9+128.1+109.8+100)=95.2 kgCO2/t.c., 占總15.6% (權重)。

應該指出,?這項CCS的預測值是目前為止世界上最樂觀的數據?，F今國際上,?多數學者專家的預測約250 kgCO2/t.c.左右。不過他們都是把CCU和CCS兩項合并為CCUS一項來計算的。然而如前所述,?無論在技術上或者是經濟上,?CCU和CCS是有很大差異的。筆者認為,?兩者予以分別研究計算是比較科學合理之策。

最后還有兩個必須特別提出的重要情況。

一是水電風電光伏電等可再生的零碳能源在水泥工業的推廣應用問題。尤其是光伏電的發展,?現今在我國水泥工業推廣十分迅猛。筆者估算，按照我國現有綜合技術裝備水平，一條日產熟料5000t的水泥生產線，利用其礦山空地和廠區車間表面安裝風電和光伏電設備后，可提供其全部生產用電70%左右的電量，加上水泥窯的余熱發電，可達90%以上。看來2040年前,?我國水泥工業所需的全部電能被可再生的零碳電能全覆蓋是大概率的事件。 屆時單位水泥的碳排放量還將再減少55 kgCO2/t.c.左右，所需要的CCS也將相應地由95.2降為40.2 kgCO2/t.c.左右。

二是水泥混凝土構筑物和制品在其整個生命周期的服役和拆棄后的全過程中對二氧化碳具有吸收固碳作用，即所謂的碳匯問題。按照現有資料.?保守估計其碳匯值約為100 kgCO2/t.c.。如果我們將該碳匯因素一并計入。 那么水泥工業實現碳中和所需要的CCS將有可能呈現負值（40.2-100=-59.8 kgCO2/t.c.）。說明依靠不斷的開拓創新,?水泥工業由傳統的高碳排放行業轉型為零碳甚至負碳排放行業,?理論上是賦有其現實可能的。

?結論：第1條減碳技術路徑非常重要，其權重高達29%, 任務十分艱巨,?是掌控全局的重要抓手。決策層面必須高度重視,?砥礪前行。我國要加強戰略性原創研發和核心技術創新的科技投入。引領世界水泥工業實現碳中和是我國應有的擔當和貢獻。

我國應該徹底摒棄那個所謂“水泥要高標號化”的過時主張，樹立對PC?32.5和PO?32.5等低標號水泥科學全面的正確認知。在滿足各種工程實際需求的前提下，大力研發拓展諸多品種的低標號低碳水泥。這可能是我國水泥工業得以順利實現碳中和的進程中最重要最關鍵的須要統一認識的一項決策和行動。

期盼我國水泥界全體同仁學者專家，在中國建材聯合會正確引導和支持之下，加緊抓準時代潮流和發展趨向，審時度勢，深刻總結經驗教訓，做出科學的抉擇和全面的部署。 筆者滿懷信心，2030年,?我國將名至實歸的躋身世界一流水泥強國之列;?2050年,?我國水泥工業將圓滿實現碳中和,?登上一個更高效率更高質量可持續發展的新臺階,?開創零碳或負碳的新紀元。

水泥企業節能、降碳不僅是成本問題，更是生死問題！一場以提升資源利用率，建立健全綠色低碳循環發展經濟體系為核心的時代浪潮正在滾滾襲來！為此，中國水泥網將于2022年9月1-2日，在安徽蕪湖海螺國際大酒店舉辦以“節能降碳 創新增效 綠色升級”為主題的“第九屆中國水泥節能環保技術交流大會暨水泥‘雙碳’大會”。會上，高長明將為大家帶來精彩演講。會后將組織參觀蕪湖海螺水泥有限公司國家重點研發智能工廠項目。敬請期待！

編輯：梁愛光

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