水泥企业碳减排技术路径浅析

水泥企业碳减排技术路径浅析

柴登杰

新乡平原同力水泥有限责任公司  453000

摘要：水泥那个是我国建设企业中重要的原材料，在建筑工程中应用广泛。随着双碳的快速发展，水泥企业应从排放端和吸收端同时发力，积极采取有效的节能减排措施，为行业碳减排做贡献。本文将简要分析和探讨水泥企业碳减排技术路径。

关键词：碳排放；碳中和；碳达峰

引言

我国力争2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”，是以习近平同志为核心的党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策。实现“碳达峰”、“碳中和”，是我国实现可持续发展、高质量发展的内在要求。水泥行业作为高碳排放行业，其二氧化碳排放额度即将纳入全国碳排放权交易市场进行交易，这将对我国水泥工业的发展产生重大而深远的影响。

1水泥工业的二氧化碳来源

水泥主要是硅酸盐水泥，以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。主要以石灰石和粘土为原料，经破碎、配料、磨细制成生料，然后在水泥窑中煅烧成熟料，再添加适量石膏、混合材料或外加剂磨细而成。因此，水泥生产碳排放有三个来源：（1）工艺过程CO2排放。熟料煅烧过程中，生料中占比80%以上的石灰石(CaCO3)分解，排放出二氧化碳。根据生料的组成及原料化学成分的不同，CO2排放量稍有差异，大约在520~550kg/t.cl.。（2）水泥原料分解煅烧时，采用煤作为燃料，燃烧时产生CO2排放。（3）水泥生产过程所消耗的全部电能。根据某企业测算资料，水泥生产中CO2排放占比分别为：工艺排放约占54%，燃料消耗排放约占33%，电力消耗排放约占14%。

2减碳思路

根据水泥工业CO2排放来源，可以制定相应的减排路径。原料煅烧排放CO2是水泥工业碳排放的主要来源，通过降低水泥熟料用量，研发推广应用碳排放较少的低碳胶凝材料，可以显著减少碳排放。原料分解煅烧过程煤燃烧产生的碳排放是水泥碳排放的次要来源，通过降低分解煅烧过程热耗，采用低碳排放的替代燃料，提高燃料热量替代率，可以有效的减少碳排放。原料煅烧分解和煤燃烧产生的CO2都可以通过应用碳捕集利用技术（CCUS）减排。总体来说,我国水泥工业技术装备较先进，在现有技术条件下，通过节能降耗来减排二氧化碳的潜力已然不大，而替代燃料、低熟料用量、低碳胶凝材料、清洁能源开发利用、水泥制品及拆弃物回收利用及碳捕集利用有较大减碳空间。

3减碳路径

3.1尽快出台消费侧碳排放责任核算与控制方法等

政策我国房屋及基础设施建设、固定资产投资、终端能源消费等所承担的碳排放责任超过总量的80%。建议加强顶层设计，尽快制订与完善建筑工程应用主体（消费侧）碳排放责任核算与控制方法等政策，并按行业及产品制定实施细则，强化消费者对自己的消费行为负责，调整消费结构，减少高碳产品的消费量，避免过度消费与浪费。科学合理的碳排放责任评价方法辅以针对性的减碳政策，可以建立正确的价值导向，有效促进各方采取减碳行动；同时也有利于各利益相关方接受并承担自身相应的减排义务。因此，水泥的高效科学应用与有关法规的制订，必将大幅度减少建筑领域的碳排放，同时有力推进水泥等行业的碳减排。此外，还需要通过优化、细化工程管理，强化工程控制与责任，促使水泥熟料用量下降。

3.2加快修订工程设计与应用技术标准规范

现代混凝土已普遍使用高效外加剂及掺和料，高效外加剂和掺和料已成为配制高性能混凝土不可或缺的重要组分和功能性材料，而不仅仅是降低成本。在高性能混凝土的定义及其“高耐久性、高工作性和高体积稳定性”要求中，并没有包含高强度。混凝土如不使用掺和料，其耐久性的问题将难以保证。C30及高性能混凝土中水泥熟料系数在0.5以下，推广高性能混凝土、提高建筑物寿命与发展低碳建筑、大掺量应用混合材技术方向一致。为提高水泥使用效率，减少单位投资（建、构筑物面积）水泥熟料的使用量，应加快修订工程设计、施工、应用技术标准规范等，提升低碳建筑标准，加大推广应用低熟料用量通用水泥的力度，并制订相应配套政策措施。

3.3加速淘汰落后产能

为了推动企业提升节能水平，根据技术的进步调整能耗限额标准，对污染物排放达不到要求、能耗超限额的生产线，实施限期整改，责令停业、关闭。在国家的相关政策和标准引导下，我国水泥生产能耗有了明显降低。工信部数据显示，2020年规模以上企业水泥熟料单位产品平均综合能耗降低至108kgce/t，比2015年的112kgce/t下降了3.6%。根据能效领跑企业的经验，通过采用先进技术装备、节能改造及提高余热发电效率，可以有效节能，减少碳排放。

3.4推广应用替代燃料

水泥窑协同处置采用垃圾衍生燃料（RDF）替代传统燃料，具有很好的节能减排效益。RDF的CO2排放因子较传统燃料要低，同时还能减少处置该部分替代燃料所要排放的CO2量，并减少垃圾填埋场的甲烷排放。而且，水泥窑协同处置具有较高的热能利用效率。就燃料热能利用效率而言，垃圾焚烧发电小于25%，燃煤发电大约40%，热电联产在40%~70%，水泥窑协同处置约70%。德国、瑞士及日本上世纪80年代开始采用RDF替代传统燃料。2019年，德国水泥厂热量替代率（TSR）已经达到69%，欧洲部分水泥厂TSR已经达到100%。华新水泥窑线协同处置燃料替代率TSR最高已达40%，有效降低了碳排放。

3.5应用绿色低碳能源应用

光伏发电、风电等绿色新能源可以减碳。目前光伏建设技术、商业模式已经较为成熟，而水泥工厂普遍面积较大，具备建设分布式光伏的基本条件。在氢气制备技术经济可行的前提下，氢能代替燃煤生产水泥可以实现大幅减碳。氢气燃烧可以实现传导、辐射、对流三种传热功能，可以基本不改变现有的水泥生产工艺技术，实现水泥的低碳生产。拉豪等国际水泥企业在积极开展这方面的研究。

3.6推广应用低熟料含量水泥和低碳

水泥近年来，在水泥节能降耗水平逐步提高背景下，我国水泥工业吨水泥CO2排放量不降反升，2020年达580kg/t，主要受32.5（R）复合硅酸盐水泥被取消的影响。目前，国际水泥工业低碳发展的方法之一就是通过掺加纳米改性材料、添加混凝土外加剂等新技术，降低熟料使用量。我国应充分利用在低熟料含量水泥方面的实践优势，进一步开展这方面的研究，降低熟料系数CF，减少CO2的“直接”排放。低碳胶凝材料（SCM）是国际水泥工业减碳的另一个努力方向。主要的研究包括高贝利特水泥、烧粘土水泥LC3、铝酸钙+石英Celitements、碱激发矿物胶凝材料Geopolymer、硫（铁）铝酸盐水泥、低碳水泥Aether等。虽然目前SCM仍处于试验应用阶段，市场占有率不足1%，但是我们需要看到其潜力与减碳空间，积极开展相应的研发工作。

结束语

要如期实现碳达峰、碳中和，需要相关各方齐心协力，将各项有效措施落实在行动上。水泥企业作为排放主体，责任重大，尤其是我国水泥行业产能过剩，在碳排放约束趋紧、碳价格不断上升的背景下，碳排放偏高的企业必将面临更为严峻的考验，更需要立即行动起来，制定高效可行的方案并尽快落实，只有这样，才能在未来的竞争中胜出。

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