浅析水泥行业“碳达峰、碳中和”的有效途径

李文旭，唐丽英，汪思敏，李春洪

(四川省建材工业科学研究院有限公司，四川 成都 610036)

0 前 言

碳排放实质是关于温室气体排放总量的一个简称，其中CO2是最主要的组成部分，占到温室气体排放的70%以上[1]。2019年全球CO2排放量为341.7亿t，我国的CO2排放量为101.7亿t，约占全球的30%[2]。研究数据显示，目前空气中的CO2浓度相比工业化前增加了60%[3]，表明工业发展带来了大量的CO2排放，其中大部分来自于化石燃料的燃烧以及水泥生产等工业活动。我国作为发展中国家，既要大力发展工业，又要控制CO2的排放，这对于我国的工业发展是一次大考验。

2008年，我国首家环境权益交易平台北京环境交易所挂牌，将排放权等市场化运营；2011年，国家发改委部署在北京等7个省市进行碳排放权交易试点。李若男等[4]基于1999—2017年多个地级市碳排放平衡面板数据分析，结果表明碳排放交易可有效促进当地以及周边地区CO2减排。我国为积极应对全球的气候变化，要推动以CO2为主的温室气体减排，提出CO2排放力争2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和[5]。

1 水泥行业推动“碳达峰、碳中和”的意义

为应对全球气候变化，推动“碳达峰、碳中和”关系到我国能否顺利实现工业转型、经济绿色复苏和高质量发展。目前我国处于工业化和城镇化高速发展的进程中，基础建设所需要的原材料大多来自高耗能的产业，如钢铁、玻璃、水泥等。要想平衡发展与生态两者之间的关系，实现高质量发展，尽早推动“碳达峰、碳中和”是必经之路。

建材行业CO2排放量占全国碳排放总量的18%，而水泥行业的CO2排放占建材行业约65%。2021年，中国建筑材料联合会倡议建材行业在2025年前实现碳达峰，水泥行业CO2排放在2023年实现提前达峰[6]。水泥行业作为建材行业最主要的排放单元，采取措施降低行业CO2排放刻不容缓。

2 我国的水泥产量变化

图1是我国近十年的水泥产量变化图，由图1可知，我国的水泥产量在2013年迎来了一次快速增长，2016年后又逐渐降低，2019年又迎来了一次增长，2020年我国的水泥产量达23.95亿t。水泥行业的发展在一定程度上反映国民经济的发展，其主要受基础设施建设、重大民生工程建设、城镇化进程等方面的影响。在“十四五”期间，我国将进一步完善基础设施建设、加快城镇化建设进程，对水泥的需求量预估不会减少。水泥行业采取举措实现“双碳”目标，对我国积极应对气候变化具有十分重要的战略作用。

图1 近十年全国水泥产量变化图

3 水泥生产CO2排放途径

水泥生产CO2排放主要是原材料加热分解、燃煤释放和使用一次能源发电产生的排放。

1)原材料分解释放CO2。水泥生产的原材料主要为石灰石和黏土质原料。天然采集的原材料以碳酸盐矿物为主，其加热分解的反应式为CaCO3=CaO+CO2↑，市面上使用的钙质原矿中CaO的含量约为50%，则每使用1 t钙质原材料将最少产生0.39 t CO2排放。

近年来，各企业在政策引导和节约成本的驱动下，开始利用固废渣替代部分原材料。四川某企业使用固废渣替代原材料的比例可达到30%。

2)燃煤释放CO2。煤炭作为燃料用在水泥熟料烧成工序，是水泥生产最主要的能源消耗，约占水泥生产能源消耗总量的90%。水泥行业以煤作为主要燃料是暂时不能改变的现状。目前部分企业探索使用生物质能源代替燃料煤，最高可替代20%的燃煤，但并不可实现全部替代燃煤。四川省2020年熟料水泥生产线实际产能约33.07万t/d，以无烟煤作为燃料(低位发热值为26.7 GJ/t、单位热值含碳量为27.6×10-3t C/GJ)，窑炉碳氧化率为98%，《水泥单位产品能源消耗限额》(GB 16780—2012)中可比熟料综合煤耗限定值112 kgce/t，按式(1)计算燃料燃烧CO2排放量。

(1)

以上述数据估算可得，四川省2020年水泥生产燃烧排放的CO2约为3.21×1010t CO2/a。

3)使用一次能源发电产生的CO2排放。四川省是水力发电大省，2020年四川省的总发电量为3 980.8亿kW/h，水电占比达84.13%。四川省在使用水电上具有优势，全省使用的电力大部分为清洁的水电。

综上分析，四川省水泥生产CO2排放主要是原材料加热分解和燃煤释放。每使用1 t钙质原材料将最少产生0.39 t CO2。水泥行业作为支撑基础建设必不可少的物资，在全国缩减煤炭产能和CO2减排的压力下，积极探索CO2减排路径、工艺节能改造才能突破目前制约发展的瓶颈问题。

4 水泥行业减排CO2途径及有效性

目前对于水泥行业CO2减排措施可以大致分为两大类，一是技术措施，包括原料替代、节能改造、碳捕集技术等；二是监管措施，包括碳排放额度分配和清缴制度、碳排放第三方核查制度等。

1)水泥行业CO2减排技术措施。原材料替代技术目前已被大多数水泥企业所接受，原材料替代不仅可以节约原材料、减少成本，而且可以协同处置部分城市固废，向政府申请一定的补贴。目前水泥原材料替代技术研究较成熟，通常研究顺序是先分析物质的成分是否会影响水泥强度、初凝时间等，若前两项条件满足则可进行试验，制备样品后测定相关参数是否满足水泥要求。目前可用于水泥原材料替代的固废渣种类较多，按要求比例制备还可制备出性能优越的水泥产品。但是，原材料的替代只能减少部分的原材料使用，对于提前实现“碳达峰、碳中和”所需要的减排量还远远不够。

节能改造是行业长期发展必不可少的措施，同时也是国家为应对我国工业蓬勃发展带来的能耗负荷和污染物排放逐渐增加现象而制定的一项政策引导。我国从2019年开始在全国推行工业节能诊断，由财政拨款支持该项工作，由此可以看出我国对节能工作的重视。节能诊断工作发现问题，提出节能措施，企业进行节能改造后所获得的节能成效将会长期影响企业的能源消耗。同时，先进的节能改造经验还可进行推广，促进行业其他企业能效提升。节能改造间接地实现CO2减排，其效益具有长久性。

碳捕集技术目前在理论研究层面已相对成熟，但在实际应用中发现了部分问题，如技术不够成熟、经济可行性差、下游市场需求不足等问题[7]。2018年海螺集团建成世界首条水泥窑烟气CO2捕集纯化生产线，以化学吸附为核心技术[8]。2020年9月马延和研究员带领团队在实验室实现了从CO2到淀粉的全合成，为CO2到淀粉生产的工业车间制造开创了一种可能[9]，该成果为解决水泥行业碳捕集到产品的转化提供了思路。水泥行业碳捕集技术若能够得以推广应用，将解决水泥生产65%以上的CO2排放。

2)水泥行业CO2减排监管政策。碳排放额度分配和清缴制度，从政策监管层面限制了企业无限度的排放，超出排放额度的排放需要通过购买，同时盈余的碳排放量也可以通过市场交易而获得利益。该种监管模式反向促使企业为了满足监管要求和节约成本进行CO2减排。

碳排放核查制度主要对年度温室气体排放量达到2.6万t CO2当量的重点排放单位。主管部门通过政府购买第三方服务的形式进行碳核查。表1～2分别列举了部分省市对第三方核查机构资格和人员要求。分析可知，对第三方核查机构的相关业务经历、专职核查员的学历和近3年的工作经验的要求较严格。政府通过对核查单位和人员的严格要求来对第三方核查机构进行筛选，更加有效地保证碳核查结果的真实性和准确性。

表1 部分省市对于第三方核查机构的资格要求

通过政府的CO2减排监管政策，可有效地监管企业，督促企业不断综合提升CO2减排能力。

表2 部分省市对于第三方核查机构核查人员的要求

综上分析，水泥行业CO2减排的技术措施中，原材料替代技术已发展较成熟。节能改造技术需要在工程环境下发现具体的工艺能耗问题，根据实际情况进行整改，需要培养一批技术精湛的人才以及开发更高效的检测设备。碳捕集技术在实际应用上存在经济性差等问题，需要不断探索和提高。政府的监管政策对于实现“双碳”目标有强制作用，有效实施后能够不断推进“双碳”目标实现。

5 总 结

1)我国当前仍处于工业化和城市化发展阶段中后期，未来基础设施建设等对水泥的需求量仍不会减少，水泥行业采取措施实现“碳达峰、碳中和”有十分重要的战略作用。

2)四川省水泥生产CO2排放主要是原材料加热分解和燃煤释放。每使用1 t钙质原材料将最少产生0.39 t CO2排放。

3)水泥行业CO2减排的技术措施中，原材料替代技术目前已发展较成熟。节能改造技术提高需要培养一批技术精湛的人才以及开发高效的检测设备。碳捕集技术要不断探索和提高。政府的监管政策对于实现“双碳”目标有强制作用，有效实施后能够不断推进“双碳”目标实现。

[ID:013220]