淺析水泥行業(yè)“碳達(dá)峰、碳中和”的有效途徑

李文旭，唐麗英，汪思敏，李春洪

(四川省建材工業(yè)科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610036)

0 前 言

碳排放實(shí)質(zhì)是關(guān)于溫室氣體排放總量的一個(gè)簡(jiǎn)稱，其中CO2是最主要的組成部分，占到溫室氣體排放的70%以上[1]。2019年全球CO2排放量為341.7億t，我國的CO2排放量為101.7億t，約占全球的30%[2]。研究數(shù)據(jù)顯示，目前空氣中的CO2濃度相比工業(yè)化前增加了60%[3]，表明工業(yè)發(fā)展帶來了大量的CO2排放，其中大部分來自于化石燃料的燃燒以及水泥生產(chǎn)等工業(yè)活動(dòng)。我國作為發(fā)展中國家，既要大力發(fā)展工業(yè)，又要控制CO2的排放，這對(duì)于我國的工業(yè)發(fā)展是一次大考驗(yàn)。

2008年，我國首家環(huán)境權(quán)益交易平臺(tái)北京環(huán)境交易所掛牌，將排放權(quán)等市場(chǎng)化運(yùn)營；2011年，國家發(fā)改委部署在北京等7個(gè)省市進(jìn)行碳排放權(quán)交易試點(diǎn)。李若男等[4]基于1999—2017年多個(gè)地級(jí)市碳排放平衡面板數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明碳排放交易可有效促進(jìn)當(dāng)?shù)匾约爸苓叺貐^(qū)CO2減排。我國為積極應(yīng)對(duì)全球的氣候變化，要推動(dòng)以CO2為主的溫室氣體減排，提出CO2排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[5]。

1 水泥行業(yè)推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”的意義

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”關(guān)系到我國能否順利實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟(jì)綠色復(fù)蘇和高質(zhì)量發(fā)展。目前我國處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的進(jìn)程中，基礎(chǔ)建設(shè)所需要的原材料大多來自高耗能的產(chǎn)業(yè)，如鋼鐵、玻璃、水泥等。要想平衡發(fā)展與生態(tài)兩者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，盡早推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”是必經(jīng)之路。

建材行業(yè)CO2排放量占全國碳排放總量的18%，而水泥行業(yè)的CO2排放占建材行業(yè)約65%。2021年，中國建筑材料聯(lián)合會(huì)倡議建材行業(yè)在2025年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，水泥行業(yè)CO2排放在2023年實(shí)現(xiàn)提前達(dá)峰[6]。水泥行業(yè)作為建材行業(yè)最主要的排放單元，采取措施降低行業(yè)CO2排放刻不容緩。

2 我國的水泥產(chǎn)量變化

圖1是我國近十年的水泥產(chǎn)量變化圖，由圖1可知，我國的水泥產(chǎn)量在2013年迎來了一次快速增長(zhǎng)，2016年后又逐漸降低，2019年又迎來了一次增長(zhǎng)，2020年我國的水泥產(chǎn)量達(dá)23.95億t。水泥行業(yè)的發(fā)展在一定程度上反映國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其主要受基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、重大民生工程建設(shè)、城鎮(zhèn)化進(jìn)程等方面的影響。在“十四五”期間，我國將進(jìn)一步完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加快城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程，對(duì)水泥的需求量預(yù)估不會(huì)減少。水泥行業(yè)采取舉措實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，對(duì)我國積極應(yīng)對(duì)氣候變化具有十分重要的戰(zhàn)略作用。

圖1 近十年全國水泥產(chǎn)量變化圖

3 水泥生產(chǎn)CO2排放途徑

水泥生產(chǎn)CO2排放主要是原材料加熱分解、燃煤釋放和使用一次能源發(fā)電產(chǎn)生的排放。

1)原材料分解釋放CO2。水泥生產(chǎn)的原材料主要為石灰石和黏土質(zhì)原料。天然采集的原材料以碳酸鹽礦物為主，其加熱分解的反應(yīng)式為CaCO3=CaO+CO2↑，市面上使用的鈣質(zhì)原礦中CaO的含量約為50%，則每使用1 t鈣質(zhì)原材料將最少產(chǎn)生0.39 t CO2排放。

近年來，各企業(yè)在政策引導(dǎo)和節(jié)約成本的驅(qū)動(dòng)下，開始利用固廢渣替代部分原材料。四川某企業(yè)使用固廢渣替代原材料的比例可達(dá)到30%。

2)燃煤釋放CO2。煤炭作為燃料用在水泥熟料燒成工序，是水泥生產(chǎn)最主要的能源消耗，約占水泥生產(chǎn)能源消耗總量的90%。水泥行業(yè)以煤作為主要燃料是暫時(shí)不能改變的現(xiàn)狀。目前部分企業(yè)探索使用生物質(zhì)能源代替燃料煤，最高可替代20%的燃煤，但并不可實(shí)現(xiàn)全部替代燃煤。四川省2020年熟料水泥生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能約33.07萬t/d，以無煙煤作為燃料(低位發(fā)熱值為26.7 GJ/t、單位熱值含碳量為27.6×10-3t C/GJ)，窯爐碳氧化率為98%，《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》(GB 16780—2012)中可比熟料綜合煤耗限定值112 kgce/t，按式(1)計(jì)算燃料燃燒CO2排放量。

(1)

以上述數(shù)據(jù)估算可得，四川省2020年水泥生產(chǎn)燃燒排放的CO2約為3.21×1010t CO2/a。

3)使用一次能源發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放。四川省是水力發(fā)電大省，2020年四川省的總發(fā)電量為3 980.8億kW/h，水電占比達(dá)84.13%。四川省在使用水電上具有優(yōu)勢(shì)，全省使用的電力大部分為清潔的水電。

綜上分析，四川省水泥生產(chǎn)CO2排放主要是原材料加熱分解和燃煤釋放。每使用1 t鈣質(zhì)原材料將最少產(chǎn)生0.39 t CO2。水泥行業(yè)作為支撐基礎(chǔ)建設(shè)必不可少的物資，在全國縮減煤炭產(chǎn)能和CO2減排的壓力下，積極探索CO2減排路徑、工藝節(jié)能改造才能突破目前制約發(fā)展的瓶頸問題。

4 水泥行業(yè)減排CO2途徑及有效性

目前對(duì)于水泥行業(yè)CO2減排措施可以大致分為兩大類，一是技術(shù)措施，包括原料替代、節(jié)能改造、碳捕集技術(shù)等；二是監(jiān)管措施，包括碳排放額度分配和清繳制度、碳排放第三方核查制度等。

1)水泥行業(yè)CO2減排技術(shù)措施。原材料替代技術(shù)目前已被大多數(shù)水泥企業(yè)所接受，原材料替代不僅可以節(jié)約原材料、減少成本，而且可以協(xié)同處置部分城市固廢，向政府申請(qǐng)一定的補(bǔ)貼。目前水泥原材料替代技術(shù)研究較成熟，通常研究順序是先分析物質(zhì)的成分是否會(huì)影響水泥強(qiáng)度、初凝時(shí)間等，若前兩項(xiàng)條件滿足則可進(jìn)行試驗(yàn)，制備樣品后測(cè)定相關(guān)參數(shù)是否滿足水泥要求。目前可用于水泥原材料替代的固廢渣種類較多，按要求比例制備還可制備出性能優(yōu)越的水泥產(chǎn)品。但是，原材料的替代只能減少部分的原材料使用，對(duì)于提前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”所需要的減排量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

節(jié)能改造是行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展必不可少的措施，同時(shí)也是國家為應(yīng)對(duì)我國工業(yè)蓬勃發(fā)展帶來的能耗負(fù)荷和污染物排放逐漸增加現(xiàn)象而制定的一項(xiàng)政策引導(dǎo)。我國從2019年開始在全國推行工業(yè)節(jié)能診斷，由財(cái)政撥款支持該項(xiàng)工作，由此可以看出我國對(duì)節(jié)能工作的重視。節(jié)能診斷工作發(fā)現(xiàn)問題，提出節(jié)能措施，企業(yè)進(jìn)行節(jié)能改造后所獲得的節(jié)能成效將會(huì)長(zhǎng)期影響企業(yè)的能源消耗。同時(shí)，先進(jìn)的節(jié)能改造經(jīng)驗(yàn)還可進(jìn)行推廣，促進(jìn)行業(yè)其他企業(yè)能效提升。節(jié)能改造間接地實(shí)現(xiàn)CO2減排，其效益具有長(zhǎng)久性。

碳捕集技術(shù)目前在理論研究層面已相對(duì)成熟，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了部分問題，如技術(shù)不夠成熟、經(jīng)濟(jì)可行性差、下游市場(chǎng)需求不足等問題[7]。2018年海螺集團(tuán)建成世界首條水泥窯煙氣CO2捕集純化生產(chǎn)線，以化學(xué)吸附為核心技術(shù)[8]。2020年9月馬延和研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了從CO2到淀粉的全合成，為CO2到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造開創(chuàng)了一種可能[9]，該成果為解決水泥行業(yè)碳捕集到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化提供了思路。水泥行業(yè)碳捕集技術(shù)若能夠得以推廣應(yīng)用，將解決水泥生產(chǎn)65%以上的CO2排放。

2)水泥行業(yè)CO2減排監(jiān)管政策。碳排放額度分配和清繳制度，從政策監(jiān)管層面限制了企業(yè)無限度的排放，超出排放額度的排放需要通過購買，同時(shí)盈余的碳排放量也可以通過市場(chǎng)交易而獲得利益。該種監(jiān)管模式反向促使企業(yè)為了滿足監(jiān)管要求和節(jié)約成本進(jìn)行CO2減排。

碳排放核查制度主要對(duì)年度溫室氣體排放量達(dá)到2.6萬t CO2當(dāng)量的重點(diǎn)排放單位。主管部門通過政府購買第三方服務(wù)的形式進(jìn)行碳核查。表1～2分別列舉了部分省市對(duì)第三方核查機(jī)構(gòu)資格和人員要求。分析可知，對(duì)第三方核查機(jī)構(gòu)的相關(guān)業(yè)務(wù)經(jīng)歷、專職核查員的學(xué)歷和近3年的工作經(jīng)驗(yàn)的要求較嚴(yán)格。政府通過對(duì)核查單位和人員的嚴(yán)格要求來對(duì)第三方核查機(jī)構(gòu)進(jìn)行篩選，更加有效地保證碳核查結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

表1 部分省市對(duì)于第三方核查機(jī)構(gòu)的資格要求

通過政府的CO2減排監(jiān)管政策，可有效地監(jiān)管企業(yè)，督促企業(yè)不斷綜合提升CO2減排能力。

表2 部分省市對(duì)于第三方核查機(jī)構(gòu)核查人員的要求

綜上分析，水泥行業(yè)CO2減排的技術(shù)措施中，原材料替代技術(shù)已發(fā)展較成熟。節(jié)能改造技術(shù)需要在工程環(huán)境下發(fā)現(xiàn)具體的工藝能耗問題，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行整改，需要培養(yǎng)一批技術(shù)精湛的人才以及開發(fā)更高效的檢測(cè)設(shè)備。碳捕集技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上存在經(jīng)濟(jì)性差等問題，需要不斷探索和提高。政府的監(jiān)管政策對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有強(qiáng)制作用，有效實(shí)施后能夠不斷推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

5 總 結(jié)

1)我國當(dāng)前仍處于工業(yè)化和城市化發(fā)展階段中后期，未來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等對(duì)水泥的需求量仍不會(huì)減少，水泥行業(yè)采取措施實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”有十分重要的戰(zhàn)略作用。

2)四川省水泥生產(chǎn)CO2排放主要是原材料加熱分解和燃煤釋放。每使用1 t鈣質(zhì)原材料將最少產(chǎn)生0.39 t CO2排放。

3)水泥行業(yè)CO2減排的技術(shù)措施中，原材料替代技術(shù)目前已發(fā)展較成熟。節(jié)能改造技術(shù)提高需要培養(yǎng)一批技術(shù)精湛的人才以及開發(fā)高效的檢測(cè)設(shè)備。碳捕集技術(shù)要不斷探索和提高。政府的監(jiān)管政策對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有強(qiáng)制作用，有效實(shí)施后能夠不斷推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

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