高長明：我國水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的五大減碳技術(shù)路徑及其權(quán)重

在廣泛搜集匯總歸納參考借鑒全球各頂級(jí)水泥企業(yè)、世界諸多一流水泥科技機(jī)構(gòu)、世界和發(fā)達(dá)國家的水泥（混凝土）協(xié)會(huì)等2019年以來相繼發(fā)布的各自實(shí)現(xiàn)碳中和的近20份路線圖的基礎(chǔ)上，經(jīng)過慎審的分析研究，緊密結(jié)合我國水泥工業(yè)的實(shí)際情況，筆者謹(jǐn)對(duì)我國水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略部署提出五大減碳技術(shù)路徑，并對(duì)其各自可能達(dá)到的減碳效果與權(quán)重進(jìn)行了科學(xué)推演和測(cè)算。茲以2021年我國水泥實(shí)際單位碳排放（14億噸二氧化碳/23億噸水泥=610 kgCO₂/t.c.）為基準(zhǔn), 將推演思路和測(cè)算結(jié)果闡述之。與業(yè)界同好分享, 歡迎共同研討。

第1條路徑——大幅調(diào)整水泥品種構(gòu)成，由傳統(tǒng)的以單一的普通硅酸鹽水泥 OPC為主, 轉(zhuǎn)型為以多元的各種品種/性能水泥兼容并蓄的構(gòu)成。少用碳排放高達(dá)935 kgCO₂/t.cl.的熟料，少用碳排放852kgCO₂/t.c.的高標(biāo)號(hào)水泥，提升低標(biāo)號(hào)低碳水泥的使用占比。必要條件具體為：

1)  PC 32.5+PO 32.5水泥占比, 由2021年的23%上升到2050年的40%。意在充分發(fā)揮低標(biāo)號(hào)32.5水泥的減碳效能。

2)  煆燒粘土水泥LC³, 低熟料含量水泥LCC, 新型低碳膠凝材料SCMs, 高貝利特水泥, 硫(鐵)鋁酸鹽水泥, 地礦膠凝材料 Geopolymers，Solidia水泥，Celitement水泥，F(xiàn)UTURECEM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，這正是我國今后必須拓展創(chuàng)新研發(fā)的重點(diǎn)所在。各種類型低碳水泥的創(chuàng)新和突破是主要的攻關(guān)課題。

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%。意在減少高標(biāo)號(hào)水泥的占比。

5)  總計(jì)熟料系數(shù)CF由2021年的0.64降低到2050年的0.50以下。 貫沏少用熟料，多用深加工的混合材替代部分熟料的減碳方針。

采取這些措施可以使水泥單位碳排放減少176.9 kgCO₂/t.c.，占總29%（權(quán)重）。

必須指出，采取以上各項(xiàng)措施以后，總體的水泥實(shí)物強(qiáng)度將會(huì)有所下降。但各種水泥可以更好的滿足各種工程的實(shí)際需求。片面的追求水泥實(shí)物強(qiáng)度，有害無益，實(shí)不可取。我國自己和國際上的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)應(yīng)該吸取和借鑒。

第2條路徑——采用生物質(zhì)廢棄物用作替代燃料,以及綠/灰氫（H₂）煆燒熟料，全部取代化石燃料。必要條件是熱量替代率TSR由2021年的6%上升到2050年的100%。

這樣水泥單位碳排放可減少128.1 kgCO₂/t.c.， 占總21%（權(quán)重）。

第3條路徑——進(jìn)行全面技改創(chuàng)新，盡可能降低水泥生產(chǎn)的單位能耗。必要條件為：

1） 熟料單位熱耗由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） 水泥綜合電耗由2021年的87 kWh/t.c.降到2050年的52 kWh/t.c.或以下。

3） 水泥窯余熱凈發(fā)電量由2021年的31 kWh/t.cl.提升到2050年的43 kWh/t.cl.或以上。

這樣可以使水泥單位碳排放減少109.8 kgCO₂/t.c..占總18% (權(quán)重)。

第4條路徑——采用二氧化碳捕集與利用CCU技術(shù)。將水泥窯廢氣中的二氧化碳捕集后，作為一種原料資源銷售給有關(guān)的化學(xué)企業(yè)、食品（飼料）企業(yè)、 光伏企業(yè)等用于生產(chǎn)甲醇甲酸、藻類養(yǎng)殖、生產(chǎn)人造生物質(zhì)燃料、化學(xué)產(chǎn)品、干冰、納米碳酸鈣、光伏級(jí)EVA樹脂、人工淀粉、或用于制冷、發(fā)泡工序、或用于水泥制品和商混構(gòu)件的養(yǎng)護(hù) ；等等。因?yàn)槎趸嫉拈_拓利用技術(shù)已經(jīng)顯現(xiàn)成效, 而且正在繼續(xù)擴(kuò)大開創(chuàng)之中。CCU不僅有利于水泥企業(yè)降低捕碳成本, 還能增加銷售二氧化碳的經(jīng)濟(jì)收益 ,投資回報(bào)比較快, 助力水泥企業(yè)轉(zhuǎn)型為同時(shí)生產(chǎn)水泥和二氧化碳兩種產(chǎn)品的聯(lián)合工廠。

以上前三條減碳路徑的研發(fā)主要依賴于水泥工業(yè)自力更生的創(chuàng)新開拓。CCU的研發(fā)則主要來自其他有關(guān)行業(yè)的開拓創(chuàng)新, 水泥工業(yè)可發(fā)揮協(xié)同配合作用。

根據(jù)目前世界各國CCU的技術(shù)進(jìn)展情況, 適當(dāng)估計(jì)其進(jìn)一步開拓的空間。筆者預(yù)計(jì), 2050年我國水泥工業(yè)CCU對(duì)減碳的貢獻(xiàn)可達(dá)100 kgCO₂/t.c.左右, 占總16.4% (權(quán)重)。

第5條路徑——采用石油和煤電工業(yè)已有較多實(shí)際應(yīng)用的二氧化碳捕集與儲(chǔ)存CCS技術(shù)。實(shí)際上這是一個(gè)比較消極的為了實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)碳中和, 最后不得不采取包圓兜底的辦法。意即將剩余的二氧化碳全部捕集, 設(shè)法運(yùn)到廢油井或海底巖層裂隙中封存。還需長期的管理, 防止外泄; 短期內(nèi)又無法將這些二氧化碳銷售出去。 所以CCS的成本遠(yuǎn)大于 CCU的，而且回報(bào)周期很長。 因此水泥工業(yè)要爭(zhēng)取的理想情況是，在保證達(dá)到碳中和的前提下, 適當(dāng)?shù)淖龅?nbsp;CCU “最大化” 和CCS “最小化”。

根據(jù)前述的計(jì)算可知, 我國水泥工業(yè)2050年實(shí)現(xiàn)碳中和所需要的CCS為610-(176.9+128.1+109.8+100)=95.2 kgCO₂/t.c., 占總15.6% (權(quán)重)。

應(yīng)該指出, 這項(xiàng)CCS的預(yù)測(cè)值是目前為止世界上最樂觀的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)今國際上, 多數(shù)學(xué)者專家的預(yù)測(cè)約250 kgCO₂/t.c.左右。不過他們都是把CCU和CCS兩項(xiàng)合并為CCUS一項(xiàng)來計(jì)算的。然而如前所述, 無論在技術(shù)上或者是經(jīng)濟(jì)上, CCU和CCS是有很大差異的。筆者認(rèn)為, 兩者予以分別研究計(jì)算是比較科學(xué)合理之策。

最后還有兩個(gè)必須特別提出的重要情況。

一是水電風(fēng)電光伏電等可再生的零碳能源在水泥工業(yè)的推廣應(yīng)用問題。尤其是光伏電的發(fā)展, 現(xiàn)今在我國水泥工業(yè)推廣十分迅猛。筆者估算，按照我國現(xiàn)有綜合技術(shù)裝備水平，一條日產(chǎn)熟料5000t的水泥生產(chǎn)線，利用其礦山空地和廠區(qū)車間表面安裝風(fēng)電和光伏電設(shè)備后，可提供其全部生產(chǎn)用電70%左右的電量，加上水泥窯的余熱發(fā)電，可達(dá)90%以上?？磥?040年前, 我國水泥工業(yè)所需的全部電能被可再生的零碳電能全覆蓋是大概率的事件。 屆時(shí)單位水泥的碳排放量還將再減少55 kgCO₂/t.c.左右，所需要的CCS也將相應(yīng)地由95.2降為40.2 kgCO₂/t.c.左右。

二是水泥混凝土構(gòu)筑物和制品在其整個(gè)生命周期的服役和拆棄后的全過程中對(duì)二氧化碳具有吸收固碳作用，即所謂的碳匯問題。按照現(xiàn)有資料. 保守估計(jì)其碳匯值約為100 kgCO₂/t.c.。如果我們將該碳匯因素一并計(jì)入。 那么水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和所需要的CCS將有可能呈現(xiàn)負(fù)值（40.2-100=-59.8 kgCO₂/t.c.）。說明依靠不斷的開拓創(chuàng)新, 水泥工業(yè)由傳統(tǒng)的高碳排放行業(yè)轉(zhuǎn)型為零碳甚至負(fù)碳排放行業(yè), 理論上是賦有其現(xiàn)實(shí)可能的。

 結(jié)論：第1條減碳技術(shù)路徑非常重要，其權(quán)重高達(dá)29%, 任務(wù)十分艱巨, 是掌控全局的重要抓手。決策層面必須高度重視, 砥礪前行。我國要加強(qiáng)戰(zhàn)略性原創(chuàng)研發(fā)和核心技術(shù)創(chuàng)新的科技投入。引領(lǐng)世界水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和是我國應(yīng)有的擔(dān)當(dāng)和貢獻(xiàn)。

我國應(yīng)該徹底摒棄那個(gè)所謂“水泥要高標(biāo)號(hào)化”的過時(shí)主張，樹立對(duì)PC 32.5和PO 32.5等低標(biāo)號(hào)水泥科學(xué)全面的正確認(rèn)知。在滿足各種工程實(shí)際需求的前提下，大力研發(fā)拓展諸多品種的低標(biāo)號(hào)低碳水泥。這可能是我國水泥工業(yè)得以順利實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程中最重要最關(guān)鍵的須要統(tǒng)一認(rèn)識(shí)的一項(xiàng)決策和行動(dòng)。

期盼我國水泥界全體同仁學(xué)者專家，在中國建材聯(lián)合會(huì)正確引導(dǎo)和支持之下，加緊抓準(zhǔn)時(shí)代潮流和發(fā)展趨向，審時(shí)度勢(shì)，深刻總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，做出科學(xué)的抉擇和全面的部署。 筆者滿懷信心，2030年, 我國將名至實(shí)歸的躋身世界一流水泥強(qiáng)國之列; 2050年, 我國水泥工業(yè)將圓滿實(shí)現(xiàn)碳中和, 登上一個(gè)更高效率更高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的新臺(tái)階, 開創(chuàng)零碳或負(fù)碳的新紀(jì)元。

水泥企業(yè)節(jié)能、降碳不僅是成本問題，更是生死問題！一場(chǎng)以提升資源利用率，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系為核心的時(shí)代浪潮正在滾滾襲來！為此，中國水泥網(wǎng)將于2022年9月1-2日，在安徽蕪湖海螺國際大酒店舉辦以“節(jié)能降碳 創(chuàng)新增效 綠色升級(jí)”為主題的“第九屆中國水泥節(jié)能環(huán)保技術(shù)交流大會(huì)暨水泥‘雙碳’大會(huì)”。會(huì)上，高長明將為大家?guī)砭恃葜v。會(huì)后將組織參觀蕪湖海螺水泥有限公司國家重點(diǎn)研發(fā)智能工廠項(xiàng)目。敬請(qǐng)期待！