高长明：我国水泥工业实现碳中和的五大减碳技术路径及其权重

水泥高长明 2022-08-15

笔者谨对我国水泥工业实现碳中和的战略部署提出五大减碳技术路径，并对其各自可能达到的减碳效果与权重进行了科学推演和测算。

在广泛搜集汇总归纳参考借鉴全球各顶级水泥企业、世界诸多一流水泥科技机构、世界和发达国家的水泥（混凝土）协会等2019年以来相继发布的各自实现碳中和的近20份路线图的基础上，经过慎审的分析研究，紧密结合我国水泥工业的实际情况，笔者谨对我国水泥工业实现碳中和的战略部署提出五大减碳技术路径，并对其各自可能达到的减碳效果与权重进行了科学推演和测算。兹以2021年我国水泥实际单位碳排放（14亿吨二氧化碳/23亿吨水泥=610 kgCO₂/t.c.）为基准, 将推演思路和测算结果阐述之。与业界同好分享, 欢迎共同研讨。

第1条路径——大幅调整水泥品种构成，由传统的以单一的普通硅酸盐水泥 OPC为主, 转型为以多元的各种品种/性能水泥兼容并蓄的构成。少用碳排放高达935 kgCO₂/t.cl.的熟料，少用碳排放852kgCO₂/t.c.的高标号水泥，提升低标号低碳水泥的使用占比。必要条件具体为：

1) PC 32.5+PO 32.5水泥占比, 由2021年的23%上升到2050年的40%。意在充分发挥低标号32.5水泥的减碳效能。

2) 煆烧粘土水泥LC³, 低熟料含量水泥LCC, 新型低碳胶凝材料SCMs, 高贝利特水泥, 硫(铁)铝酸盐水泥, 地矿胶凝材料 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，这正是我国今后必须拓展创新研发的重点所在。各种类型低碳水泥的创新和突破是主要的攻关课题。

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%。意在减少高标号水泥的占比。

5) 总计熟料系数CF由2021年的0.64降低到2050年的0.50以下。贯沏少用熟料，多用深加工的混合材替代部分熟料的减碳方针。

采取这些措施可以使水泥单位碳排放减少176.9 kgCO₂/t.c.，占总29%（权重）。

必须指出，采取以上各项措施以后，总体的水泥实物强度将会有所下降。但各种水泥可以更好的满足各种工程的实际需求。片面的追求水泥实物强度，有害无益，实不可取。我国自己和国际上的经验教训应该吸取和借鉴。

第2条路径——采用生物质废弃物用作替代燃料,以及綠/灰氢（H₂）煆烧熟料，全部取代化石燃料。必要条件是热量替代率TSR由2021年的6%上升到2050年的100%。

这样水泥单位碳排放可减少128.1 kgCO₂/t.c.，占总21%（权重）。

第3条路径——进行全面技改创新，尽可能降低水泥生产的单位能耗。必要条件为：

1）熟料单位热耗由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）水泥综合电耗由2021年的87 kWh/t.c.降到2050年的52 kWh/t.c.或以下。

3）水泥窑余热凈发电量由2021年的31 kWh/t.cl.提升到2050年的43 kWh/t.cl.或以上。

这样可以使水泥单位碳排放减少109.8 kgCO₂/t.c..占总18% (权重)。

第4条路径——采用二氧化碳捕集与利用CCU技术。将水泥窑废气中的二氧化碳捕集后，作为一种原料资源销售给有关的化学企业、食品（飼料）企业、光伏企业等用于生产甲醇甲酸、藻类养殖、生产人造生物质燃料、化学产品、干冰、纳米碳酸钙、光伏级EVA树脂、人工淀粉、或用于制冷、发泡工序、或用于水泥制品和商混构件的养护；等等。因为二氧化碳的开拓利用技术已经显现成效, 而且正在继续扩大开创之中。CCU不仅有利于水泥企业降低捕碳成本, 还能增加销售二氧化碳的经济收益 ,投资回报比较快, 助力水泥企业转型为同时生产水泥和二氧化碳两种产品的联合工厂。

以上前三条减碳路径的研发主要依赖于水泥工业自力更生的创新开拓。CCU的研发则主要来自其他有关行业的开拓创新, 水泥工业可发挥协同配合作用。

根据目前世界各国CCU的技术进展情况, 适当估计其进一步开拓的空间。笔者预计, 2050年我国水泥工业CCU对减碳的贡献可达100 kgCO₂/t.c.左右, 占总16.4% (权重)。

第5条路径——采用石油和煤电工业已有较多实际应用的二氧化碳捕集与储存CCS技术。实际上这是一个比较消极的为了实现水泥工业碳中和, 最后不得不采取包圆兜底的办法。意即将剩余的二氧化碳全部捕集, 设法运到废油井或海底岩层裂隙中封存。还需长期的管理, 防止外泄; 短期内又无法将这些二氧化碳销售出去。所以CCS的成本远大于 CCU的，而且回报周期很长。因此水泥工业要争取的理想情况是，在保证达到碳中和的前提下, 适当的做到 CCU “最大化” 和CCS “最小化”。

根据前述的计算可知, 我国水泥工业2050年实现碳中和所需要的CCS为610-(176.9+128.1+109.8+100)=95.2 kgCO₂/t.c., 占总15.6% (权重)。

应该指出, 这项CCS的预测值是目前为止世界上最乐观的数据。现今国际上, 多数学者专家的预测约250 kgCO₂/t.c.左右。不过他们都是把CCU和CCS两项合并为CCUS一项来计算的。然而如前所述, 无论在技术上或者是经济上, CCU和CCS是有很大差异的。笔者认为, 两者予以分别研究计算是比较科学合理之策。

最后还有两个必须特别提出的重要情况。

一是水电风电光伏电等可再生的零碳能源在水泥工业的推广应用问题。尤其是光伏电的发展, 现今在我国水泥工业推广十分迅猛。笔者估算，按照我国现有综合技术装备水平，一条日产熟料5000t的水泥生产线，利用其矿山空地和厂区车间表面安装风电和光伏电设备后，可提供其全部生产用电70%左右的电量，加上水泥窑的余热发电，可达90%以上。看来2040年前, 我国水泥工业所需的全部电能被可再生的零碳电能全覆盖是大概率的事件。届时单位水泥的碳排放量还将再减少55 kgCO₂/t.c.左右，所需要的CCS也将相应地由95.2降为40.2 kgCO₂/t.c.左右。

二是水泥混凝土构筑物和制品在其整个生命周期的服役和拆弃后的全过程中对二氧化碳具有吸收固碳作用，即所谓的碳汇问题。按照现有资料. 保守估计其碳汇值约为100 kgCO₂/t.c.。如果我们将该碳汇因素一并计入。那么水泥工业实现碳中和所需要的CCS将有可能呈现负值（40.2-100=-59.8 kgCO₂/t.c.）。说明依靠不断的开拓创新, 水泥工业由传统的高碳排放行业转型为零碳甚至负碳排放行业, 理论上是赋有其现实可能的。

结论：第1条减碳技术路径非常重要，其权重高达29%, 任务十分艰巨, 是掌控全局的重要抓手。决策层面必须高度重视, 砥砺前行。我国要加强战略性原创研发和核心技术创新的科技投入。引领世界水泥工业实现碳中和是我国应有的担当和贡献。

我国应该彻底摒弃那个所谓“水泥要高标号化”的过时主张，树立对PC 32.5和PO 32.5等低标号水泥科学全面的正确认知。在满足各种工程实际需求的前提下，大力研发拓展诸多品种的低标号低碳水泥。这可能是我国水泥工业得以顺利实现碳中和的进程中最重要最关键的须要统一认识的一项决策和行动。

期盼我国水泥界全体同仁学者专家，在中国建材联合会正确引导和支持之下，加紧抓准时代潮流和发展趋向，审时度势，深刻总结经验教训，做出科学的抉择和全面的部署。笔者满怀信心，2030年, 我国将名至实归的跻身世界一流水泥强国之列; 2050年, 我国水泥工业将圆满实现碳中和, 登上一个更高效率更高质量可持续发展的新台阶, 开创零碳或负碳的新纪元。

水泥企业节能、降碳不仅是成本问题，更是生死问题！一场以提升资源利用率，建立健全绿色低碳循环发展经济体系为核心的时代浪潮正在滚滚袭来！为此，中国水泥网将于2022年9月1-2日，在安徽芜湖海螺国际大酒店举办以“节能降碳创新增效绿色升级”为主题的“第九届中国水泥节能环保技术交流大会暨水泥‘双碳’大会”。会上，高长明将为大家带来精彩演讲。会后将组织参观芜湖海螺水泥有限公司国家重点研发智能工厂项目。敬请期待！