陶从喜：水泥工业“3C”碳中和技术与实践探索
水泥 中国水泥网信息中心 2024-04-03
近日，华润建材科技控股有限公司首席专家陶从喜在中国水泥网召开的“2024第十三届中国水泥产业峰会主论坛暨TOP100颁奖典礼”上为大家分享了水泥工业“3C”碳中和技术与实践探索。
陶从喜主要从水泥工业碳排放现状、国内外碳减排技术路径、水泥工业“3C”碳中和技术、水泥工业“3C”碳中和实践案例等几个方面进行了详细分析。
1、水泥工业碳排放现状
近年来，中国承诺2030年实现碳达峰、2060年前实现碳中和，并从中央到地方制定了一系列政策。中国水泥碳减排迫在眉睫！
从量上来看，中国水泥产量会逐渐下降，世界水泥产量反而逐渐上升，第三世界国家产量明显增加。近十年在22-24亿吨上下波动，进入平台期。中国水泥工业进入平台期，随着国家碳中和到来，未来水泥供给量将逐渐下降进入绿色低碳经济时代。
但中国水泥碳排放强度高。国家发改委要求“中国2025年水泥行业能效标杆水平以上的熟料产能比例达到30%”。而在2020年，水泥行业能效优于标杆水平的产能仅占5%。2022年水泥工业排放CO2约13.2亿吨，约占我国工业排放总量的13%。所以，中国水泥行业碳减排刻不容缓。
2、国内外碳减排技术路径
国际技术路径：
从欧洲水泥协会得知：2050年水泥工业碳中和之路——基于全产业链的减碳技术路线。2030年实现熟料减碳61kg；水泥减碳35kg；混凝土减碳28kg；建筑减碳71kg。2050年实现熟料减碳160kg；水泥减碳117kg 混凝土减碳59kg；建筑减碳51kg。
国际能源署IEA要求2050水泥工业低碳路线图——基于水泥工艺的减碳技术路线。提高水泥生产效率和能源效率，减碳约3%；替代燃料技术（协同处置等），减碳约12%；降低熟料系数（混合材替代熟料），减碳约37%；碳捕集与利用技术，2030年减碳13%，最终达到减碳48%。
德国海德堡水泥围绕着CO2减排、碳捕捉与存储(CCS)、 CO2再利用(CCU)三大目标方向，形成从原料、技术到产品的全价值链布局。
2020-2030年通过提高能源效率、使用替代燃料原料和新粘合剂减少熟料碳排放强度；通过使用具有低碳排放的熟料、优化混凝土配比新水泥种类减少水泥和混凝土碳排放强度；与此同时再应用碳捕集和利用项目（CCUS）进行工艺集成二氧化碳捕集、再生混凝土的再碳化、循环经济中二氧化碳的使用和工业规模新技术推广。
2030-2050年继续提高能效、替代水泥材料、增加低碳/零碳产品、使用氢气作为燃料和窑电化、支持新技术的长期研发。最终在2050年实现碳中和。
国内技术路径是基于中国水泥高位产量下的降碳思路。根据模型推演，2060年中国水泥工业要实现碳中和，水泥产量应控制在7.5亿吨以下；但依据中国社会经济发展需求，2060年中国水泥产量还将维持在10亿吨以上高位。
总体思路：源头控制+减少碳排放+末端捕集
原料：减少石灰石用量；制备低碳胶凝材料
燃料：替代燃料；清洁燃料替代煤
生产系统节能减碳：工艺、装备能效提升
水泥高效利用（混凝土）：水泥助磨剂、减少混凝土中水泥用量、延长服役寿命；固碳型混凝土制品
CO2捕集和利用：捕集纯化和高效利用
碳排放市场：建立评价体系（标准）与碳汇（交易）
在中国与国际水泥能耗对标中发现，立足技术现状，进一步提高能效空间有限，已处世界先进水平；熟料系数优于国际目标值，大幅度降碳空间“有限” 。鼓励发展替代原燃料技术及装备，从能源消耗上降低碳排放！鼓励发展新型能源技术及装备，从能源结构上降低碳排放！鼓励发展低碳水泥混凝土技术，从材料及应用降低碳排放！
3、水泥工业“3C”碳中和技术
“3C”碳中和技术，即源头低碳、过程减碳、末端去碳。该理论体系契合水泥生产矿山、水泥熟料烧成系统、粉磨系统、混凝土等产业链各个环节，制定节能减碳技术路线，系统解决行业降碳难题。
通过源头控制、过程控制、末端控制三者结合，是水泥制造企业实现碳达峰、碳中和的重要途径。
全产业流程下不同工艺节点的减碳路径及能力如下：（以先进生产线836 kg CO2/t.cl为基准计算）
4、水泥工业“3C” 碳中和实践案例
（1）源头低碳实践案例
原料替代案例1：多重固废循环经济产业园
技术路线-1：岗石污泥和边角料作生料的开发及应用。岗石污泥和边角料含有一定量的树脂，预处理后用于配料可改善生料易磨性，从而降低粉磨电耗和配料成本。阳光堆棚预处理脱水及经过调配后，岗石污泥可替代12.5%的石灰石。
技术路线-2：湿煤渣作低热值生料的开发及应用。 湿煤渣具有高铝低硅的性质，预处理后作为生料硅铝质校正原料可改善生料活性；利用煤渣含热值及煤渣在熟料形成过程中晶核作用，开展低能耗水泥生料配制技术，有利的促进熟料矿物的形成。
依托多重固废一站式协同处置项目，华润水泥申报的《工业固废制备优质胶凝材料关键技术及其应用》获得2021年度广西科技进步一等奖。
原料替代案例2：废渣利用
华润JS：从水泥原材料出发，以黄磷渣、电石渣为例研究水泥行业碳减排方案，直接减少碳排放源。在利用废渣后，2020年熟料标煤耗较2015年降低13.78 kgce/t.sh，目前系统标煤耗小于80kg.ce/t.cl（替代原料+替代燃料）。
燃料替代案例1：市政污泥协同处置
技术路线：“污水厂内干化+水泥窑焚烧”协同处置。污泥干化减量后利用水泥窑焚烧处置，大幅度节约填埋用地；无灰渣排放，实现矿物质和有机质100%减量化处置；重金属稳定固化在水泥熟料矿物；高温焚烧实现有机污染物全消解；配置废水、废气处理工艺实现污染物的零排放。
燃料替代案例2：城乡生活垃圾协同处置
华润建材科技对协同处置的探索从未止步
HP基地旋迴炉示范项目：旋迴炉处置15——20 t/h RDF试烧试验，分解炉喂煤可以降低40%以上；目前生产情况看对产量无不良影响，节煤效果优于其他协同处置热工设备。
燃料替代案例3：轻质固废。利用周边资源，选用废碎布、树皮、燃料棒等多重轻质固废作为替代燃料。
低碳熟料体系案例1：低品位石灰石生产高贝利特水泥
华润CJ：优质石灰石资源枯竭，于是开发了一种综合利用低品位石灰石制备优质通用硅酸盐水泥的生产及控制方法，实现变废为宝并降低能耗及碳排放。
低碳熟料体系案例2：多功能环保掺合料开发应用
华润HSH：利用高镁废石、水淬锰渣、炉底渣等多种固废，通过单形设计方法自主研发活性微粉，可降低水泥的熟料用量或混凝土中的水泥用量。
低碳熟料体系案例3：solidia水泥
原材料为石灰石及石英砂，可直接只用干法窑煅烧，理论煅烧温度——1200℃；或直接开采硅灰石矿，不经煅烧。熟料结粒3——4cm。
新型能源案例1：绿色可再生能源
太阳能、风能零购电项目建设：零购电项目最佳运行方式为“自发自用，余电上网”。以6000tpd项目为例：光伏发电：光伏发电面积67049m2 ；25年年均发电8986MWh。风力发电：风机组10组；20年年均发电：93593MWh。总发电量：102579MWh。其中70%自用供电,剩余30%余电发电上网。总投资： 33108万元；投资回收期：约11年。
新型能源案例2：绿氨燃料在水泥生产线替代煤炭
绿氨燃料作为水泥生产的替代燃料已应用于山东淄博东华水泥5000吨熟料生产线。该项目第一阶段实现了6%的煤炭替代，同时还把水泥生产过程中产生的氮氧化物降到了50mg以下，第二阶段实现煤炭替代率达20%。
新型能源案例3：氢能燃料在水泥生产线替代煤炭
氢能（部分）替代煤粉：吨熟料消耗约21kg H2，以5000tpd熟料生产线为例，年可减少碳排放约37万吨；英国ETP 清洁能源技术指南：将在Tarmac and Hanson Cement测试氢能等替代燃料的应用。
（2）过程减碳实践案例
过程减碳技术路径分析重点从烧成系统、粉磨系统生产工艺及技术装备优化，水泥减排助磨剂研发三个方面介绍“3C”过程减碳应用成效。
（3）末端去碳实践案例
水泥工业属于最难脱碳的行业，要实现碳中和需要大规模部署碳捕集、利用和封存(CCUS)项目！从中国已布局的CCUS项目来设计水泥工业末端去碳技术路径，大规模碳利用是促进碳捕集商业化落地的直接手段。
总的来看，中国水泥行业碳中和路线依赖多种节能减排降碳技术相辅相成。水泥行业需持续开展工艺装备能效提升、替代原燃料技术应用、清洁能源研究及应用，中远期以碳利用（CCUS）为主。
低碳水泥发展总规划：运用“3C”节能减碳理论，通过低碳技术、减碳技术、去碳技术三大减排路径，将目前生产上排放的685 kgCO2/t水泥实现中和。
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