高长明：推荐水泥厂和化工厂共同组成的碳中和联合体
水泥 中国水泥网高级顾问 高长明 2022-12-28
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瞻望我国CCF/CNC 项目成功与推广
——推荐水泥厂和化工厂共同组成的碳中和联合体
为了叙事清晰方便，CCF/CNC是笔者起名的《 水泥厂和化工厂共同组成的碳中和联合体》 英文名称 ”Cement plant and Chemicals plant Formed Carbon Neutralization Complex” 的简称。通过最近10来年的调查分析和研究，本人发现并看好CCF/CNC，认为这是水泥工业高质量实现碳中和的一条有效途径。特撰写此文，郑重推荐给我国政府主管部门和建材水泥龙头集团及其掌门人士。现将其主要技术经济内涵及效益阐述如下。
中国水泥网高级顾问 高长明
大家知道，水泥工业要实现碳中和，首先是水泥生产的全过程本身必须深入研发创新，从品种、原料、燃料 、工艺、装备、数字化、智能化等.全方位审视改进研发创新，尽最大可能把水泥单位能耗和单位碳排放降到最低。其次是采用二氧化碳捕集利用和封存技术CCU/S，并爭取 CCU(利用)最大化，CCS(封存)最小化。因为前者的技经效益比后者的优越许多。组建CCF/CNC是一个高效高质利用水泥厂二氧化碳废气生产清洁人造汽油的整体解决方案。它可以充分发挥水泥厂和化工厂各自的特点，优势互补。既可帮助水泥厂减碳，实现CCU，还给化工厂提供生产汽油所须的原料——二氧化碳，为两者共同实现碳中和的目标创造了有利条件。同时，这个联合体给全社会提供的最终产品主要是绿色零碳水泥、绿氢和人造清洁汽油。这些都是国民经济建设不可或缺的重要资源和材料，尤其是汽油，对我们这个缺油国家来说，其意义更为显著。
2014年美国海军研究院成功实现了从海水中获取氢气H2的实验室电解试验，与氢气共存的还有一种低碳氢原子组成的所谓合成气体Syngas。进一步的基础研究发现，往一定比例的氢气和合成气所组成的混合气体中注入二氧化碳，在一定的温度和压力下，进行催化耦合反应可以生成某些化学产品(甲醇等)或人造燃料(汽油)。这是一项十分重大的科技发现。为了把这项实验室的成果转化为工业规模生产应用的大量后续研发试验工作，诸如深入的基础研究、半工业性中试、工业生产示范试验等，一直在包括中国在内的世界一些国家不懈的努力探索之中，现在已经进入最后的逐步收官阶段。这对水泥工业或许可以说是来得正当时。
我国中科院大连化学物理研究所位健、孙剑、葛庆杰团队2015年立项开展利用二氧化碳生产汽油的试验研发工作。2017年获得实验室研究试验成功。之后该所和珠海市福沺能源科技有限公司合作，在山东济宁邹城工业园区建设了一套年产汽油1000吨(相当于日产3吨)的半工业性中试装置。2020年中试投运。2021年该中试装置已生产出1000吨汽油，质量达到国家VI汽油标准。属清洁汽油之列。目前正在筹备进行年利用二氧化碳40万吨，即年产汽油10万吨以上的工业生产示范试验。笔者认为, 这对我国水泥工业减碳CCU的工程实践，无疑是一个大喜讯和好机遇。给水泥企业创造了一个工程实践CCU的大平台。希望我国位于前10~20的水泥集团抓住这个绝佳的机遇，积极创造条件，主动寻求和配合大连化学物理所, 以及有关研究机构、化工企业等，共同组成碳中和联合体， 推进 CCF/CNC项目的工程实践应用和发展，爭取早日实现水泥企业和化工企业的合作共赢。
本人推荐的CCF/CNC 项目总体框架示意图，如图1所示。
图1 ：CCF/CNC 水泥厂和化工厂共同组成的碳中和联合体
CCF/CNC由5个专业行业所组成：①和②分别是光伏发电和风力发电及储能装备，主要功能是给联合体提供足够的零碳电能。③是水泥厂，主要功能是生产低碳水泥产品，同时给化工厂⑤提供二氧化碳，用作生产人造汽油的原料。④是CCU，其功能是将水泥窑废气中的二氧化碳全部捕集后送到化工厂。⑤ 是化工厂，功能是先电解海水或普通水获得绿氢和合成气，再利用水泥厂的二氧化碳生产汽油。同时向水泥厂提供一部分绿氢用作替代燃料，供水泥窑煆烧熟料之用。
二氧化碳和绿氢在联合体内部属于水泥厂和化工厂之间的单向供应原燃料。联合体的最终产品主要是零碳水泥、绿氢和清洁人造汽油，以及少量的其他化学产品。整个联合体实现碳中和运营，二氧化碳排放为0。
从我国现有的科技和经济实力, 以及技术装备水平考量，光伏电、风电和水泥厂三个行业已经具备胜任联合体所要求的足以完成任务的能力。 碳捕集行业则处于基本上能胜任的状态，可以在工程生产应用中逐步改进提高，问题不大。相对而言，在利用二氧化碳生产汽油关键技术的成熟度、可靠性与技经效益等方面尚须要一定程度的提高巩固或改进，可能还会遇到某些有待妥善解决的问题。也就是说，在联合体运行初期，化工厂的压力或将会较大一些，成为整个碳中和联合体正常投运生产的关键。 我们水泥厂应该做好应对的思想准备，以及人、财、物等全方位的准备，始终积极主动大力配合联合体各成员单位的工作，以利及时解决问题。保障工业生产试验的顺利开展，有备无患。
其实这里起决定性作用的是，笔者对我国利用二氧化碳生产汽油的工业生产示范项目即将开展并获得成功的高度信心。而这个信心的来源是有充分的实际数据和科学依据支撑的。因为在这个科技领域和高效催化剂等的研发方面，事实上我国已达到国际先进甚至领先水平。因而本人有所预感，如果我国龙头水泥集团有意“跨行业”参与这项研发工作。这对整个项目的进展和圆满收官很可能发挥并收获“异军突起，功效叠加”的效果。本人谨此进谏我国龙头建材和水泥集团，对是否参与利用二氧化碳生产汽油这个项目的课题, 认真的进行一番可行性研究。与其像现在这样，无奈的重复建设，扩大水泥产能，束缚于”以大取胜”的硬拼做法，造成水泥产能过剩的恶性循环；还不如扩大视野和魄力，跨出水泥行业将这一部分人力、物力、财力资源投入新兴的CCF/CNC项目，“以碳中和取胜“？利弊风险如何判断抉择，敬请龙头建材水泥企业领导层、董事会、掌门人深思远谋进行慎审科学的决策。
根据笔者不完全搜集和统计，有关 CCF/CNC项目国际上的进展情况是, 2017~2018年德国和加拿大完成中试后，现今世界上正在筹建、筹备、筹措、筹议等在建和拟建的工业生产示范试验的已建成和正在组建的联合体有18家之多。德国最多有6家，包括首创的Rudersdorf水泥厂。美国有3家，加拿大有2家，都以CCS为主，CCU为辅。其余是比利时、意大利、挪威、西班牙、奥地利、英国、澳大利亚等国家各有1家。 这些项目的熟料产能大多介于2000t/d~3200t/d，水泥年产能70万吨~110万吨，二氧化碳年利用量50万吨~80万吨，人造汽油年产能12万吨~20万吨之间。计划投入工业生产示笵试验的时限是2024~2026年之间。如果这些都能正常的进展，那么这18个项目，在2028~2030年以前均将陆续通过工业生产示范试验的考核，相继投入正常的商业运营。由此可以看出，国际上对CCF/CNC项目的预期可以说是高度一致的乐观。这更益增强了笔者看好CCF/CNC项目的信心。
上述18个国际CCF/CNC项目的进展设想计划，给我国提供了一些赶超的参考标杆。 基于我国现今已经拥有的综合国力和发展动力及其趋势，适当参考世界首富美国马斯克的“2030年中国GDP将赶上美国”的预言。如果我国现在着手启动CCF/CNC项目。笔者预计到2028年，我国投入工业生产示范试验的CCF/CNC项目有望达到3~5家，技经指标先进，与德国等并驾齐驱跻身世界领先之列。我国的发展空间更大, 发展潜力更充沛。
不难想见，届时CCF/CNC项目很可能是多家水泥厂和多家化工厂共同组成的效率更高，生产规模更大，覆盖地域更广的大中型碳中和联合体，可以为绿色零碳社会的经济建设和发展做出更大的贡献。让我们共同努力砥砺奋进吧！前景可期，动力更大！
2021年初，本人曾经向我国几家顶尖的水泥集团通报过德国Rudersdorf水泥厂CCF/CNC项目的情况，也发表过有关文章。希望这次本文的推荐能够得到政府主管部门、中国建材工业联合会以及我国水泥行业的关注重视。CCF/CNC项目同样可以开拓国际市场，促进国际技术和经济的交流与合作, 其市场需求目前处于萌芽状态。
（作者：中国水泥网高级顾问 高长明）
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