水泥工業碳達峰與碳中和前景分析

付立娟 楊勇 盧靜華

（國家建筑材料展貿中心，北京 100037）

0 前言

中國向世界做出了2030年碳排放力爭達到峰值、2060年前實現碳中和的承諾。中國建筑材料聯合會向全行業發布了減排目標，要在2025年提前實現碳達峰，水泥行業更是計劃于2023年率先實現碳達峰。水泥作為工業領域的第二大碳排放行業，面對“雙碳”國家目標的要求，未來面臨巨大的挑戰和新的發展機遇。

1 全球水泥工業碳排放形勢

全球水泥工業產量2020 年達到4.2Gt，其中中國占53.84%，印度占7.83%，分別排前兩名。根據全球人口城市化趨勢及基礎設施建設需求，預計到2050年，未來市場還將增長12%-23%。由于水泥生產的規模及其生產過程的特點，水泥工業被認為CO2排放的主要來源之一，屬于難減行業，每生產一噸水泥熟料可釋放高達0.8853噸CO2。全球水泥產量分布見圖1[1]。

圖1 2020年全球水泥產量各國占比Fig.1 Proportion of countries in global cement production in 2020

為實現碳減排、碳中和目標，水泥企業削減CO2排放勢在必行，而全球有很多水泥企業已做出諸多努力，進行綠色生產并制定了減碳或碳中和目標。

2 我國水泥工業碳排放形勢

我國水泥行業是耗能大戶，CO2排放量占比很高，水泥生產工藝中水泥窯煅燒、原材料烘干、粉磨等過程消耗大量能源，煅燒過程中碳酸鈣分解CO2排放量占整個生產過程中總排放量的60%-70%。水泥熟料產量越大，碳排放越多。據初步統計，2009年-2020年，水泥熟料產量增長導致水泥產業碳排放值從9.71億噸增加到了13.75億噸[2]。

隨著提高工藝及裝備技術，提升原材料及燃料利用率，嚴格執行國家環保、減排政策及質量標準創新、低碳技術的應用，以及嚴禁新增產能、產能置換、錯峰生產、淘汰落后產能等供給側改革的實施，中國水泥行業“十四五”期間年熟料產量預計在14-16億噸，年水泥產量預計在22-24億噸，年碳排放預計在達到14.5 億噸后開始下降[3]，在“十四五”期間就能實現碳達峰。

2.1 水泥工業碳排放現狀

水泥工業是燃料、礦石等原材能消耗大戶，水泥生產工藝全過程中CO2排放量很大，占全國CO2總排放量的13%以上，實現中國建材行業于2025年提前碳達峰的目標還面臨嚴峻挑戰。同時，由于水泥行業較早開展了原燃料替代、節能降碳和行業自律等減排政策與技術的貫徹實施，水泥行業的CO2減排具有全產業鏈條減碳、低碳技術、裝備、工程、產品研發等優勢，對持續改善能源、資源和環境質量做了大量的技術研究，更增強了水泥行業的高質量可持續發展潛力的挖掘?！笆濉逼陂g水泥行業已實現CO2減排量達17.2億噸。

2020年我國水泥熟料產量已達16億噸，水泥產量已達23.8億噸，每生產1噸水泥熟料排放約0.86噸CO2（其中碳酸鹽分解碳排放量約0.56噸CO2/噸熟料，燃煤碳排放約0.30噸CO2/噸煤），由此測算出2020年水泥工業CO2排放量已達12.3億噸，同比上升了1.8%，其中煤等燃料排放量同比上升了0.2%，生產工藝過程排放量同比上升了2.7%，同時電力消耗可折算出8955萬噸左右的CO2當量[4]。據初步預測，我國水泥熟料消費峰值量約為16.5億噸，以當前水泥行業平均碳排放水平測算，行業碳排放量約為14.2億噸/年。峰值預計在“十四五”中期出現，2025年、2030年、2050熟料消費規模預計分別在15.5億噸、12億噸、10億噸左右[5]。

2.2 影響水泥碳排放量的主要因素

水泥工業不同于其他工業，其CO2排放分為直接碳排放（水泥生產過程中化石燃料燃燒排放和熟料生產過程中的排放）和間接排放（水泥生產過程中消耗的電力產生的排放）。間接排放主要源于我國水泥工業電力主要靠火力燃煤發電，這也是CO2的主要排放源，其碳排放因子約為0.46噸CO2/MW·h。

水泥行業碳排放量的主要影響因素有單位水泥碳排放強度和水泥熟料的產量，單位水泥碳排放強度又與原燃材料、能源效率、生產效率等有關。因此，要實現碳達峰和碳中和，必須從原材料和燃料的選擇等方面實現源頭控制，從提高能源效率、提高生產效率等方面實現過程控制的減碳技術，從實行碳捕獲、（再）利用與封存等方面實現末端治理技術。

2.3 水泥工業碳減排、碳中和核算

水泥工業碳足跡研究開展較早，從水泥生產全生命周期核算CO2排放，為水泥工業碳減排技術打下了基礎，對全社會實現碳中和目標有很大貢獻。

1）水泥工業可再生能源、易燃廢棄物綜合利用中的碳核算

水泥工業可再生能源、易燃廢棄物綜合利用主要包括固態和液態沼氣、工業垃圾（包括燃料的煤矸石）、城市垃圾等，可再生能源和易燃廢棄物碳排放可按零排放核算。

2）水泥工業煅燒余熱和余壓循環回收利用量和余熱發電量核算

按照國家工業企業現行能源統計核算的規定，計算綜合能耗時余熱和余壓循環回收利用量可適當扣減。水泥工業余熱發電量核算按照當年火力發電標準煤耗計算水泥工業CO2的減排量。

3）水泥熟料消納固廢量的CO2減排量核算

水泥工業采用電石渣、冶煉渣和硫酸渣等非碳酸鹽鈣質工業廢渣為原料的，計算固體工業廢渣的消納量，核算水泥熟料生產過程中所替代灰巖量的CO2減排量。

3 我國水泥行業碳減排實施路徑

3.1 能效提高技術

水泥工業能量消耗主要源于生產過程中的熱耗和電耗。隨著研究并應用水泥生產中的降耗技術，熱耗和電耗持續下降，CO2排放量相應減少。水泥企業通過技術改造，應用先進工程設計的節能設備，可提高熱效率。同時，注重節能設備維護，可進一步提升設備運轉效率，是提高能效、減少碳排放的管理措施之一。

近年來，新型干法窯水泥生產工藝系統不斷優化、應用高效節能技術，提升了水泥工業能效水平。目前，水泥熱耗國際先進指標約為2842kJ/kg熟料，綜合電耗為82kW·h/t水泥。對新型干法窯水泥生產工藝，根據CSI-“把數據搞準”（GNR）中的數據，1990年熟料燒成熱耗全球加權平均值為3605kJ/kg熟料，2006 年為3382kJ/kg，16 年來燒成熱耗降低了222kJ/kg熟料（約6%）。目前水泥窯生產規模已達14000t/d，預計2030年-2050年間熟料燒成熱耗會有小幅下降，約減排5%。1990年水泥電耗為115kW·h/t，2006年下降為111kW·h/t，預計2030年-2050年間水泥綜合電耗下降幅度有限。

3.2 熟料替代技術

這是目前公認的水泥行業減排最直接和有效的方法。熟料生產過程中會產生CO2排放，因此水泥中少用熟料或混凝土中少用水泥無疑會減少CO2的排放。?；郀t礦渣、粉煤灰、石灰石或火山灰等礦物質成分，通過單摻或混摻的配料方案可替代熟料來生產各種水泥。近年來，國際上出現煅燒粘土復合石灰石替代熟料的新型低碳水泥，主要是為應對未來歐洲清潔能源技術實施后將出現的粉煤灰、礦渣類混合材短缺問題。根據“十三五”重點項目對此的研究結果[6]，所制備的熟料系數0.50的石灰石煅燒粘土新型低碳水泥的28d抗壓強度與參比純硅酸鹽水泥相當，而混凝土耐久性更優。此外，還有少熟料水泥品種或采用堿激發礦渣、堿激發粉煤灰或納米材料（納米SiO2、納米CaCO3、碳納米管等）來改性水泥或混凝土制品。水泥制品中應用膠凝性或有潛在膠凝性的混合材也可實現低碳排放。

水泥熟料替代技術是低碳排放的重要選擇。通過減少水泥中熟料占比，可顯著降低水泥生產過程中與熟料生產產生的碳排放。

目前我國水泥工業熟料替代總量居世界首位。2006年GNR數據中世界平均熟料系數為78%，預計2030年熟料系數可降到70%-75%，預計2050年可降到65%-70%。隨著我國水泥工業應用工業固體廢物等可替代水泥熟料材料技術的不斷提升，平均熟料系數約為0.66，水泥工業每年利用固體廢物等替代熟料約7億噸，節約了大量能源、資源，保護了生態環境。

3.3 替代原材料及燃料技術

水泥工業生產熟料工藝中CO2排放直接占比為1/3，采用可替代燃料可減少CO2排放。應減少煤或焦炭等傳統化石燃料及生物質燃料，更多使用焚燒垃圾和廢棄物等來替代化石燃料。水泥窯適用替代燃料的原因是其能源組成與化石燃料相近，且其無機成分部分可與熟料相結合。

目前，從技術層面可實現水泥生產中使用100%的替代燃料，但實際應用中還達不到這個比例，原因是大多數替代燃料的物理和化學性質與傳統燃料不同，許多使用起來有困難，如熱值低、含水量大、高氯或其他微量元素含量高的物質。有些如汞、鎘、鉈揮發性金屬須嚴格管理和預處理，以確保均一的化學成分和最佳燃燒。此外，替代燃料綜合利用與政策和法規推動力不足等多種因素有關。

水泥工業全生命周期分析表明：1）如果水泥生產中的燃料以廢棄物焚燒替代，還需用化石燃料來焚燒它們，總體上會排放更多CO2；2）使用替代燃料可減少垃圾填埋，減少填埋排放產生的甲烷，其相對氣候變化影響指數是CO2的21倍。

預計到2030 年，傳統燃料替代率在發展中國家可達10%-20%，發達國家可達50%-60%，平均可達30%；到2050年，傳統燃料替代率在發展中國家可達20%-30%，發達國家仍為50%-60%，平均可達35%。這些傳統燃料替代目標必須在法律、技術、經濟各方面保障下才能實現。

我國水泥工業的燃料替代尚屬初期，水泥窯協同處置、替代化石能源利用方面有待加大力度，目前替代燃料比例不足2%，未來減排潛力較大。

3.4 低碳熟料水泥技術

典型的中國特色技術和產品包括20世紀七八十年代開發應用的硫鋁酸鹽水泥、“九五”和“十五”期間開發的現已在水電行業廣泛應用的高貝利特水泥，以及后續研發的貝利特硫鋁酸鹽水泥等。這些產品盡管目前產量不大，但隨著市場的不斷開拓，其節能減排潛力會不斷提高。

3.5 余熱發電技術

這是中國水泥工業節能減排的特色。我國水泥窯85%以上采用余熱發電技術，5000tpd及以上規模的大型水泥窯幾乎100%采用余熱發電技術。這對于提高能源利用效率、降低水泥生產間接CO2排放有重要意義。

3.6 水泥碳捕集利用技術（CCUS）

水泥工業減排難度大，其碳中和離不開水泥生產中CO2捕集和利用技術。按全球水泥低碳技術路線圖分析，未來至2050年，水泥行業CO2減排潛力約50%依賴碳捕集利用技術[7]。目前，典型的碳捕集技術有燃燒后捕集技術、全氧燃燒技術、間接換熱技術、鈣循環技術等，其中，全氧燃燒技術在燃燒過程中實現煙氣CO2的自富集，不論是直接封存利用，還是進一步捕集提純，其投資、運行成本是四種技術中最經濟的。即使如此，全氧燃燒捕集技術仍面臨一次性投資高、碳捕集利用成本居高不下的問題。

4 水泥工業CCUS技術

水泥工業收集高濃度CO2可直接利用(CCUS技術)。目前，油田注入是最大規模的CO2直接利用，可提高采油效率，并對CO2進行地質封存。全球首個CO2封存項目是北海Sleipner油氣田，每天可注入2700噸CO2，自1996年來已累積封存CO22000×104 噸。加拿大Weyburn油田的強化采油工程(Enhanced Oil Recovery，EOR)也應用了CO2封存技術，每天有1000噸CO2注入油田以提高油田采收率。我國吉林大情字油井于2008年6月注入CO2，提高氣井采收率10%，到2009年11月累積注入CO2104噸，初步試驗取得了一定經驗[8-9]。此外，較大規模的CO2利用方法還有用驅氣原理進行甲烷水合物的開采，也可考慮在海上建設平臺發電廠，以開采的海底甲烷為燃料，將發電電流輸往陸上，燃燒產生的CO2注入海底的甲烷水合物礦層，在20個大氣壓、0℃左右條件下CO2可形成穩定的CO2水合物存于海底，而分解的甲烷水合物可收集用于發電，這種方法發展潛力較大[10]。

CO2直接利用總量有限，利用量分配估計如下：40%用于合成化學品，35%用于三次采油，10%用于制冷，10%用于焊接保護、養殖等，剩下5%用于制造碳酸飲料。

CO2合成化學品的主要途徑有：

1）如尿素、二氧化硅、羰基化一氧化碳等無機化學品。

2）CO2+環氧乙烷合成碳酸乙烯酯有機化學品可用于紡織、印染、電化學高分子合成等溶劑、鋰電池等；CO2+甲醇或+尿素合成碳酸二甲酯等有機化學品可用于制備醫藥、農藥、染料等；CO2可合成水楊酸用于阿司匹林等藥劑中間體、防腐劑、染料等；CO2可合成雙氰酸用于酒石酸、檸檬酸、固色劑、促進劑、黏合劑等。此外，CO2還可用作超臨界萃取劑、發泡劑、制冷劑、膨化劑、焊接保護氣體、消防滅火劑、儲存保鮮劑，也可用于溫室藻類養殖，可使微藻生長快，適應性強，油脂含量高達70%。一些經特殊培植的微藻可固定CO2量是陸生植物的10～50倍。其他應用目前難以解決億噸級的CO2利用問題[11]。

5 水泥工業碳封存技術

由于CO2是大型工業排放源，排放量大，是典型的溫室氣體，對環境構成一定威脅，應永久儲存，也稱封存。CO2經過捕獲和壓縮處理后經管道輸送到特定地點長期封存，不能直接排放到大氣中。目前，化學封存、礦物碳化封存、地質封存、海洋儲存和生態封存等是CO2主要的封存方式。

5.1 化學封存

在CO2的捕獲技術中，化學吸收法的SkyMine?工藝是一種典型的化學封存，其將CO2轉化為NaHCO3，使之成為一種日用化工品。此外，在CCRS碳捕獲技術與再利用技術中也有很多以CO2為原料，通過廉價氫或碳等還原劑使CO2轉化為可再利用的產品，如甲醇、二甲醚、乙烯、丙烯等。這種將CO2通過化學反應轉換為其他物質的封存方法即為化學封存。

5.2 礦物碳化封存

CO2與金屬氧化物反應形成礦物碳酸化的不溶性碳酸鹽，如CaO和MgO，這在自然界稱為硅酸鹽風化。捕獲的高濃度CO2被金屬氧化物，如礦渣或粉煤灰等堿性工業廢渣，固定為碳酸鹽的過程為礦物碳化。礦物碳化熱量大部分來自上游燃燒過程CO2產生釋放的熱量（393.8kJ/mol CO2）。礦物碳化原理是天然硅酸鹽礦物吸收CO2的化學反應及放熱量[12]。

通過礦物碳化捕獲固碳技術目前也有工業應用，其中較典型的是采用外燃式旋窯高溫煅燒碳酸鹽礦物質，其基本技術原理是利用石灰石（CaCO3）、菱鎂石（MgCO3）、白云石（CaMg(CO3)2）或其他碳酸鹽固體礦物質物料（加熱分解溫度需在910℃以下）在一定溫度下可分解為CO2氣及石灰（CaO）產品、氧化鎂粉（MgO）產品、鎂鈣（或鈣鎂）粉產品或其他碳酸鹽固體礦物質分解后形成不含CO2的固體物料或產品的特點，在加熱分解前述礦物質物料所需的燃料燃燒（火焰及煙氣）不與物料接觸的條件下，形成CO2氣及不含CO2的固體物料或產品。加熱分解前述礦物質物料采用旋窯，燃料燃燒在窯外，礦物質物料在窯內，礦物質物料CO2分解在窯內完成，窯內礦物質物料分解產生的CO2氣自窯內抽出后進一步加工成為CO2產品、礦物質物料分解后產生的不含CO2的物料自窯內排出后形成CaO、MgO等產品[13]。

5.3 地質封存

其類似自然界中地質封存天然氣的原理。這種地質封存可達到2000Gt CO2的封存能力，是未來CO2主要的封存方式。

CO2地質封存技術有如下幾類：①CO2封存于石油天然氣枯竭處；②利用強化采油技術EOR和強壓氣體回收技術將CO2封存于石油天然氣儲層；③利用強化煤田甲烷回收技術ECBM將CO2封存于不可開采煤層；④深部咸水含水層封存；⑤封存于玄武巖、油頁巖層及其他巖層。

CO2地質封存是當前最有前途的技術方案。利用強化采油技術作為CO2地質封存技術，能部分補償CO2的封存成本，在短期內顯著減少CO2排放量，但其受限于油田地理分布不均勻，開采量有限，且泄漏可能性也是一個主要障礙。利用強化煤田甲烷回收技術封存CO2也有一定的潛力[14]。

5.4 海下封存

將CO2封存于深海是一個更安全的封存方式，可將氣態、液態或固態的CO2排放到深海中。目前CO2海下封存主要有兩種方法，一種是以高于5MPa壓力將CO2注入1500米以下的海水，使液體CO2與海水混合溶解，另一種是將CO2注入3000米以下的海水，高壓下液態CO2的密度遠高于海水的密度。

6 我國實現碳達峰、碳中和前景展望

6.1 邊界探討

從歐洲2050年低碳路線圖可以看出，歐洲碳減排與碳中和采用5C計劃，說明其碳減排與碳中和邊界也包括熟料、水泥、混凝土、建筑及再碳化。我國水泥行業碳減排與碳中和是否也采用此邊界范圍，要從水泥上下游生產全產業鏈來考量。只有確定好邊界，才能采取更有效措施來實現碳達峰與碳中和目標。

6.2 碳達峰

1）從需求層面看

①基建工程方面：2021是“十四五”規劃的開局之年，基建工程要保持投資合理增長，隨著含綠色建筑、綠色建材的基礎設施和市政工程以及新型城鎮化、交通水利等重大工程的推進，預計基建投資可維持增長。②房地產工程方面：“房子是用來住的，不是用來炒的”深入人心，限制投資型房產政策出臺后，對房地產商融資的限制措施更加嚴格，導致房地產新開工項目進度遲緩，影響了對水泥的需求量，但隨著人們對美好生活的向往，房地產商也在減少融資依賴，所以預計房地產對水泥影響有限。

2）從供給層面看

生態環保要求越來越嚴格，水泥企業錯峰生產常態化、生產限電、碳核查等綜合因素影響水泥的供給。除云南、廣西等區域的新增產能對市場有一定沖擊外，其他區域水泥產能總體保持與2020年持平的態勢。

3）從市場價格和經營效益角度看

2021年水泥市場價格將繼續保持穩定，除個別區域市場價格有下行風險外，水泥主流市場價格會保持堅挺，經營效益有望保持穩定。

4）從產業政策層面看

水泥產能減量和置換、水泥企業錯峰生產常態化、限產、污染物排放總量控制、市場反壟斷力度加大等政策的出臺，對控制新增產能、動態供給平衡、行業自律規范、市場有序競爭等都有利。

5）從科技創新層面看

大型企業集團加大了對科技創新的投入，更加追求提升能效水平和資源綜合利用能力，隨著數字化信息化技術的應用，水泥企業向智能化轉型發展，環保和安全生產標準等進一步提高。2021年，中國建材聯合會啟動了水泥行業碳達峰和碳中和實施技術與碳核算等工作，為水泥行業“十四五”高質量可持續發展帶來新的格局[15]。

因此，根據市場需求、經濟狀況及宏觀政策調控等，我國水泥工業在“十四五”期間熟料需求量將保持15.5～16.5億噸/年的規模，至2030年需求規模在12億噸左右，預計2050年仍可保持在10億噸左右。我國水泥行業碳達峰應在“十四五”期間完成，熟料峰值大約為16.5億噸。

6.3 碳中和

1）做好碳減排、清潔生產工作

從原料替代、燃料替代、熟料或水泥替代、能源替代等方面做好低碳生產，從提高能源效率、清潔生產做好節能減排工作，既有助于碳達峰，又為碳中和減輕壓力，加快水泥行業碳中和步伐。

2）綠色工廠建設有助于碳中和

綠色制造是工業轉型升級的必由之路。作為制造大國，我國尚未擺脫高投入、高消耗、高排放的發展方式，資源能源消耗和污染排放與國際先進水平仍存在較大差距，加快推進制造業綠色發展刻不容緩。水泥工業要從全生命周期推動綠色工廠建設，水泥產品應符合綠色性能要求，生產環境符合環境管理體系與要求。水泥工廠要向著資源集約化、材料無害化、生產清潔化、工業廢物利用率高及低碳技術應用的方向發展。水泥工業綠色工廠建設有利于碳中和。

3）CCS/CCUS/CCRS

實現碳中和可分三步走：1）盡快采取碳減排措施，盡早實現碳達峰，碳達峰有助于碳中和；2）采取碳捕獲、利用與封存（CCUS）與碳捕獲、再利用與封存（CCRS）的方式實現碳中和；3）最終采用碳捕獲與封存（CCS）方式快速實現碳中和。

對我國水泥行業而言，實現碳中和的難度不小，無論是配套的法律法規、政策支持、經濟利益，還是技術研發等，都與歐美等發達國家有一定差距，但可以借鑒其他行業或開展行業間甚至國際合作。

7 結語

溫室氣體排放已成為重大全球性問題，各國要積極行動，利用國際間合作共同治理，客觀、全面核算各國的碳排放總量和人均碳排放量，明確各國不同發展階段產生的本土排放和轉移性排放。

我國承諾的碳達峰和碳中和目標已明確，水泥工業必須加快步伐將低碳技術提升到新高度，建設資源節約型、環境友好型水泥企業，充分發揮水泥工業處置工業、城市固廢的綜合優勢，強化與冶金、化工等產業科技融合，提升資源利用率，協同降低溫室氣體排放量，實現低消耗、低排放、高效益發展的新型工業化道路，加快實現碳中和目標。