孔祥忠 | 水泥行业碳达峰碳中和技术展望

教授观点·2023.03.01·阅读 7 分钟

清华大学碳中和研究院 Institute for Carbon Neutrality, ICON

水泥行业是国民经济重要的基础性原材料工业，为房地产发展、基础设施投资建设等方方面面提供支撑。目前我国水泥行业生产技术、装备水平已达到国际先进水平，2015-2021年水泥年均产量为22-24亿吨。

水泥行业是我国第三大碳排放行业，碳减排形势严峻，任务艰巨。水泥生产电耗、燃料燃烧、原材料碳酸盐分解均排放大量二氧化碳。应加快低碳技术研发推广与应用，进一步完善相关政策，以推动水泥行业低碳发展。

水泥行业碳排放基本情况

水泥行业是典型的资源、能源消耗型行业。近20年来，全国水泥年产量增长3.9倍，煤炭消费量占全国煤炭总消费量的10%以上，每年平均消耗石灰石约22亿吨。据估算，2021年水泥行业碳排放量约为13.45亿吨，占全国碳排放总量的13%左右，是次于电力行业（40%）和钢铁行业（14%）的第三大碳排放行业。

生产工艺是水泥行业减碳的关键环节。因其自身工艺特点，水泥企业所使用化石燃料的燃烧及电力消耗所产生的碳排放量分别占全厂碳排放总量的~35%和~5%，碳酸盐分解产生的碳排放量占全厂碳排放总量的60%左右（图1）。因此，即使调整能源结构、提高生产效率，石灰石转化为熟料过程中仍将排放大量二氧化碳，导致水泥行业碳减排难度极大。

图1.水泥生产各个过程中的碳排放

水泥行业碳达峰及减碳技术路径

在现有可预见的技术条件下，就硅酸盐水泥生产而言，仅仅依靠提升生产能效、使用清洁能源以及使用熟料/燃料替代技术等措施无法帮助水泥生产实现净零排放，需通过缩减水泥产量、推广CCS/CCUS技术、探索燃料替代技术、研发其他低碳技术等技术路径实现水泥行业的碳减排。

“十四五”后水泥需求平稳后下降

据预测，“十四五”期间为支撑基础设施和新型城镇化建设及房地产建设，我国水泥熟料消费量将保持在15.1-15.5亿吨的平台期，折合水泥消费量约22.5-24.0亿吨（图2）。从中长期来看，“十四五”之后，我国经济进入平稳阶段，经历一个规划周期的建设高峰，投资需求在“十五五”时期将趋于平缓，水泥市场需求将下降。

水泥产量的缩减是水泥行业碳减排的重要途径。根据行业协会一份专题研究报告预测，到2030年，我国水泥年消费总量约为17.6亿吨，产量缩减约26%；到2060年，我国水泥年消费总量约为6.8亿吨，产量缩减约71%，预计可减少68.6%的碳排放量。

图2. 水泥及水泥熟料消费量预测

CCS/CCUS技术推广

水泥生产过程中碳酸盐的分解碳排放占到了全厂碳排放总量的60%，生产工艺中的节能减排技术潜力有限，经研究预测，行业需依靠CCS/CCUS技术实现12.9%的碳减排效果。目前，可应用到水泥行业的CCS/CCUS技术主要包括液体化学吸收技术、膜分离技术、集成式钙循环技术等。

表1. 水泥生产过程中可能应用到的CCS/CCUS技术

燃料替代技术探索

水泥生产过程约有35%的碳排放量来自以煤为主的化石燃料燃烧。因此，使用低碳燃料替代化石燃料是水泥减排的重要技术路径之一，预期能给行业带来约9%的碳减排量。但目前我国水泥行业燃料替代技术的发展相对落后，严格从使用替代燃料概念来看，尚未有成熟使用替代燃料的水泥生产线。目前，除了水泥窑炉协同处置固体废弃物技术外，生物质能技术和氢能技术也均在研发应用中。

（1）水泥窑炉协同处置固体废弃物技术：目前主要采用废弃物处理技术处理生活垃圾、危险废弃物等固体废弃物。

（2）生物质能技术：海螺水泥利用新型干法水泥窑的技术优势，建设年产30万吨生物质替代燃料项目，生物质燃料热值替代率可超过40%。该项目一期投产后，每年可处理秸秆等生物质约15万吨，预计节省了原煤约4.9万吨。

（3）氢能技术：中材节能股份有限公司与中科院大连化物所联合开展了“双供氢系统水泥熟料氢能煅烧及窑炉烟气CO2转化利用中试研究”项目，从高效电解水制氢技术、绿氢煅烧水泥熟料窑炉工艺技术和窑炉烟气CO2分离及加氢制备甲醇技术三个部分开展研究，计划将20%以上化石燃料替换成氢气。

其他减碳技术研发

此外，还需进一步研发低碳水泥技术、清洁能源电力技术、能效提升技术等其他减碳技术（表2），挖掘水泥行业节能降碳潜力。

表2. 水泥行业其他减碳技术

水泥行业减排政策建议

根据水泥行业碳减排技术路线规划（图3），近期（2023-2025年）深入挖掘能效提升技术减排潜力、加快其他减排技术研发与示范应用是主要手段；中期（2025-2050年）基于生产工艺与能源结构，继续兑现行业本身减排潜力，加快发展替代燃料技术的推广与应用；后期（2050-2060年）则应积极推广应用CCS技术，助力水泥行业实现碳中和目标。

图3. 水泥行业碳减排技术路线规划

此外，还应健全减排政策机制，结合碳市场建设、数字赋能、绿色金融等相关减排路径，从淘汰落后产能、升级能耗标准、加强碳市场能力建设、设立节能减排专项资金等方面开展政策设计与制定，多方面发力推动碳减排。

水泥工业受行业发展阶段和自身工艺特点牵制，碳减排工作面临着严峻挑战。目前燃料替代技术、低碳水泥技术等多种技术仍处于探索阶段，未来，在水泥产量平稳的基础上，水泥行业还将加快其他减排技术研发与应用，推动中国水泥工业绿色低碳转型。