全球首個(gè)水泥行業(yè)碳減排路線圖發(fā)布
編者按:12月7日,聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約15次締約方會(huì)議在丹麥哥本哈根開(kāi)幕。但是由于根本利益的分歧,這個(gè)被譽(yù)為“人類拯救地球的最后一次機(jī)會(huì)”在經(jīng)歷了14天的爭(zhēng)執(zhí)與推諉之后,沒(méi)有達(dá)成具有法律約束力的實(shí)質(zhì)性協(xié)議,在失望中黯然落幕。
水泥行業(yè)作為溫室氣體排放大戶,在應(yīng)對(duì)全球變暖挑戰(zhàn)上理應(yīng)亮出自己的決心與計(jì)劃:早在哥本哈根大會(huì)開(kāi)始之前,世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)(WBCSD)下屬的水泥可持續(xù)性發(fā)展倡議組織(CSI)就與國(guó)際能源署(IEA)聯(lián)合發(fā)布了全球水泥行業(yè)減排路線圖。作為全球首個(gè)行業(yè)性減排路線圖,它設(shè)定了2050年之前水泥行業(yè)二氧化碳減排的宏偉目標(biāo)。該報(bào)告明確提出要增加對(duì)水泥技術(shù)——特別是碳捕捉和碳封存技術(shù)——研發(fā)的投入,并呼吁政府制定明確的政策框架。本刊特選全球水泥行業(yè)減排路線圖部分內(nèi)容,希冀國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)能夠更充分地認(rèn)識(shí)到自己在碳減排方面的責(zé)任,并拿出更多實(shí)際行動(dòng),為保護(hù)我們唯一的家園做出自己的貢獻(xiàn)。
水泥生產(chǎn)中排放的二氧化碳占人類活動(dòng)制造的二氧化碳總量的5%。從2002年開(kāi)始,CSI成員已經(jīng)在衡量、報(bào)告、減少碳排放方面取得了很大進(jìn)展,并將這些成就與全球水泥行業(yè)共同分享。本技術(shù)路線圖在這些成就的基礎(chǔ)上,合乎邏輯地描述了抵抗環(huán)境變化的有效方法,并勾畫出一個(gè)在水泥行業(yè)可行的路徑,以期最終實(shí)現(xiàn)2050年全球二氧化碳排放量減少一半的宏偉目標(biāo)。
混凝土是現(xiàn)代人類社會(huì)所有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所必需的材料,而水泥則是混凝土中最基本的粘合材料。在人類社會(huì)消耗的所有材料中,混凝土的用量?jī)H次于水的用量。水泥生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生了二氧化碳,水泥生產(chǎn)中排放的二氧化碳占人類活動(dòng)制造的二氧化碳總量的5%。據(jù)USGS統(tǒng)計(jì)顯示,2006年全球水泥消費(fèi)量為25.5億噸,2008年進(jìn)一步增長(zhǎng)至28.57億噸。而且,可以預(yù)計(jì),隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加速和經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng),全世界——特別是發(fā)展中國(guó)家——水泥和混凝土的需求量將持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2050年,全球水泥消費(fèi)量將增加至44.0億噸,即使是根據(jù)最保守的估計(jì),全球水泥消費(fèi)量也將增至36.9億噸。而且未來(lái)幾十年內(nèi),人類可能無(wú)法找到可以替代水泥的建筑材料。
近年來(lái),水泥行業(yè)減排工作出現(xiàn)可喜跡象:碳排放量并未隨水泥產(chǎn)量同比增長(zhǎng),2000-2006年,全世界水泥產(chǎn)量增長(zhǎng)了54%,而據(jù)IEA統(tǒng)計(jì),二氧化碳排放量大約增長(zhǎng)了42%(560Mt)至1.88Gt。但是,如果水泥需求增長(zhǎng)的速度超過(guò)二氧化碳排放減少的速度,碳排放總量將繼續(xù)上升。
目前已經(jīng)有數(shù)家機(jī)構(gòu)對(duì)水泥行業(yè)碳減排可能性進(jìn)行了深入研究,他們基本一致同意水泥行業(yè)減少碳排放的途徑主要有以下四種:
1.提高熱電效率
2.采用替代燃料
3.采用更多熟料替代物
4.碳捕捉和封存技術(shù)
這四種手段不是獨(dú)立的,它們之間可相互影響。此外,世界上許多機(jī)構(gòu)正在努力研究低碳水泥,但是這些新產(chǎn)品仍處在前期試驗(yàn)階段,至于能否大規(guī)模推廣目前尚不能確定。[Page]
1.提高能源效率
在水泥行業(yè)四種碳減排手段中,只有提高能源效率是行業(yè)自身推動(dòng)的,其他三種手段很大程度上要依靠政策和法律推動(dòng)。
水泥生產(chǎn)商建設(shè)新水泥生產(chǎn)線時(shí)一般都會(huì)采用最先進(jìn),同時(shí)也最節(jié)能的生產(chǎn)技術(shù),因此,隨著水泥技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)舊生產(chǎn)線的改造,水泥生產(chǎn)中的能效也不斷提高。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力迫使水泥生產(chǎn)商淘汰立窯、濕法窯等落后生產(chǎn)工藝?,F(xiàn)在最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝是新型干法水泥生產(chǎn)工藝,據(jù)CSI的統(tǒng)計(jì)報(bào)告GNR(Getting the Numbers Right,2006年CSI對(duì)其18個(gè)成員遍布全球的800家水泥廠所做的統(tǒng)計(jì)研究)顯示,1990年,這類窯型噸熟料平均熱耗為3605 MJ/Tonne,2006年,噸熟料平均熱耗為3382 MJ/Tonne,16年間噸熟料熱耗下降了6個(gè)百分點(diǎn)。電耗方面,2006年,世界上電耗控制最好的10%的水泥企業(yè)可以將噸水泥電耗控制在89KWh/Tonne以內(nèi),剩余的90%的水泥企業(yè)的噸水泥電耗則在130 KWh左右,世界范圍內(nèi)平均來(lái)看,噸水泥電耗為111KWh。
理論上,水泥生產(chǎn)中的最小噸熟料熱耗為1.6-1.85GJ,然而受實(shí)際技術(shù)條件的限制,這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。同時(shí),在降低熱耗和電耗方面,水泥行業(yè)還面臨著其他方面的挑戰(zhàn):1.新生產(chǎn)技術(shù)需要很高的成本投入;2.更高的環(huán)境要求可能增加能耗,如粉塵排放限制就需要消耗更多能量以分離、收集粉塵;3.對(duì)高性能水泥的需求將消耗更多能量用于水泥粉磨過(guò)程;4.普遍認(rèn)為,碳捕捉和碳封存技術(shù)雖然可以減少二氧化碳排放,卻會(huì)增加能源消耗。5.其他減排手段——如熟料替代物的采用也可增加能耗。
流化床工藝是提高熱效的有效方法,目前已在其他行業(yè)廣泛使用,目前還未證明該技術(shù)是否能在水泥行業(yè)大規(guī)模推廣。目前,我們還不知道其他大幅度提高熱電效率的方法。水泥行業(yè)在不斷研究可以降低電耗的新型粉末設(shè)備和外加劑。這些技術(shù)需要持續(xù)的研發(fā)投入以達(dá)到效率最大化。需要注意,能效的提高是伴隨著新水泥窯技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展的,并不是單獨(dú)的技術(shù)。
2.采用替代燃料
可以用產(chǎn)碳量少的其他礦物燃料(如天然氣)和生物質(zhì)燃料替代常規(guī)燃料(如煤炭和石油焦),替代燃料產(chǎn)生的二氧化碳可較煤炭減少20-25%。替代材料可適用于水泥窯,原因有二:其一,替代材料的能量組分可以代替常規(guī)礦物燃料的能量組分;其二,替代燃料的無(wú)機(jī)組分,如粉塵,可以用于熟料生產(chǎn)。
水泥工業(yè)可用的典型替代燃料有:預(yù)處理過(guò)的工業(yè)固體廢棄物和城市生活垃圾,廢舊輪胎,廢油及其溶液,塑料、紡織品和廢紙,生物質(zhì)能燃料。其中生物質(zhì)能燃料包括:骨粉飼料、木料、木塊和碎木屑,廢舊木材和廢紙,農(nóng)業(yè)殘余物,如米糠、鋸末,污水污泥,以及農(nóng)作物秸稈。
2006年的GNR報(bào)告顯示,CSI成員下屬水泥廠使用的生物質(zhì)燃料占總?cè)剂系?%,其他礦物質(zhì)燃料占7%,而常規(guī)燃料(主要是煤炭)已然高達(dá)90%。技術(shù)上講,替代燃料的使用率可以達(dá)到更高水平。在某些歐洲國(guó)家,水泥行業(yè)燃料平均替代率超過(guò)50%,個(gè)別水泥廠甚至達(dá)到98%。燃料產(chǎn)生的二氧化碳占水泥廠碳排放總量的40%,因此,替代燃料的使用可以大幅度降低二氧化碳的排放量。
盡管在技術(shù)方面,水泥廠可以100%使用替代燃料,但是由于替代燃料總類繁多,物理和化學(xué)性質(zhì)各異,在使用之前需要預(yù)先處理以使其充分混合、易與燃燒。此外,替代燃料的推廣還面臨著更多經(jīng)濟(jì)和政治限制:1. 廢棄物管理法規(guī),只有政策嚴(yán)控廢物填埋或垃圾焚燒,倡導(dǎo)垃圾分類,水泥廠替代燃料使用率才會(huì)大幅提高;2.地方需有足夠的垃圾回收網(wǎng)絡(luò);3.替代燃料成本可能會(huì)歲碳成本升高,水泥行業(yè)可能無(wú)法獲取大量生物質(zhì)燃料;4. 盡管管理良好的水泥廠使用替代燃料時(shí)和不使用時(shí),排放水平相當(dāng),人們還是可能擔(dān)心使用替代燃料會(huì)排放有害物質(zhì)。5.對(duì)替代燃料的預(yù)處理很可能會(huì)增加熱能消耗。
GNR數(shù)據(jù)地理學(xué)分析顯示,2006年,歐洲水泥廠替代燃料占燃料總量的20%(15%為礦物燃料,5%為生物質(zhì)燃料);北美、日本、澳大利亞和新西蘭水泥行業(yè)所用燃料中有11%來(lái)自于廢棄物;拉丁美洲的燃料替代率為10%;而在這方面剛剛起步的亞洲,燃料替代率只有4%。在非洲、中東和獨(dú)聯(lián)體國(guó)家的水泥行業(yè),替代燃料的使用比例還很小。
替代燃料的使用取決于當(dāng)?shù)毓I(yè)類型、廢棄物處理立法水平、管理體制和實(shí)施力度、廢棄物收集基礎(chǔ)設(shè)施等條件的限制。預(yù)計(jì)到2030年,發(fā)達(dá)國(guó)家水泥行業(yè)的燃料替代率將從現(xiàn)在的16%上升至40-60%,并在2050年前一直穩(wěn)定在這一水平;而發(fā)展中國(guó)家燃料替代率2030年將達(dá)到10-20%,2050年可能進(jìn)一步升至35-35%。[Page]
3. 熟料替代物
熟料是水泥的主要成分,與4-5%的石膏混合粉磨后,可以與水反應(yīng)并硬化。其他礦物質(zhì)與熟料、石膏一起粉磨之后也具有水硬性,如高爐礦渣細(xì)粉(鋼鐵工業(yè)副產(chǎn)品),粉煤灰和天然火山物質(zhì)。這些替代物的使用可以降低水泥中熟料的含量,從而降低二氧化碳的排放。
不同型號(hào)的水泥中熟料含量各不相同,普通波特蘭水泥中的熟料含量可高達(dá)95%,但是熟料含量極高或極低的水泥只用于特殊地方。2006年的GNR數(shù)據(jù)顯示,世界平均熟料含量為78%,這意味著當(dāng)年全球24億噸水泥總產(chǎn)量中,大約有5億噸的熟料替代物。
替代物 |
來(lái)源 |
年產(chǎn)量(約算) |
可用性 |
高爐礦渣細(xì)粉 |
鋼鐵生產(chǎn) |
2億噸(2006年) |
未來(lái)鋼鐵的生產(chǎn)量很難預(yù)計(jì) |
粉煤灰 |
燃煤鍋爐 |
5億噸(2006年) |
未來(lái)煤電廠的數(shù)量和容量很難預(yù)測(cè) |
天然火山灰、稻谷灰、硅粉 |
火山、沉積巖、其他行業(yè) |
3億噸(2003年),50%可用 |
取決于當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件 |
人造火山灰(如被燒粘土) |
特別制造 |
未知 |
取決于經(jīng)濟(jì)條件的限制 |
石灰石 |
采礦業(yè) |
未知 |
已經(jīng)可用 |
熟料替代物的推廣限制主要有:1. 區(qū)域地理限制;2.不斷上升的價(jià)格;3.熟料替代物的屬性可能與水泥用途要求相悖;4.普通硅酸鹽水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);5.建筑承包商和用戶對(duì)水泥替代物的使用與認(rèn)可度。此外,熟料替代物的可用性受環(huán)境法規(guī)的影響很大。
4.碳捕捉與碳封存
碳捕捉和封存(CCS)是一種新技術(shù),利用這種技術(shù)可以在二氧化碳排放之處將其收集起來(lái)并壓縮成液體,并通過(guò)管道輸送,將其永久封存在地底深處。該技術(shù)目前尚未在水泥行業(yè)大規(guī)模使用,但是它有良好的前景。水泥行業(yè)的二氧化碳排放主要發(fā)生在燃料燃燒和石灰石煅燒階段,對(duì)于它們的捕捉需要特殊的、低成本、高效率的碳捕捉技術(shù)。
目前水泥行業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了碳捕捉技術(shù)的研究。需要注意,只有整個(gè)碳捕捉鏈條——包括液碳的輸送、合適的封存地點(diǎn)等——可以運(yùn)行的時(shí)候,碳捕捉才有意義。
從技術(shù)角度來(lái)講,2020年之前,水泥行業(yè)碳捕捉技術(shù)可能無(wú)法達(dá)到商業(yè)運(yùn)用的水平。在此之前,需要進(jìn)行大量的研究和測(cè)試。預(yù)計(jì)2015-2020年間,全球范圍內(nèi)或?qū)⒂袛?shù)個(gè)大型碳捕捉項(xiàng)目投入使用,如果按10-20個(gè)日產(chǎn)6000噸大型水泥窯碳、捕捉效率為80%來(lái)算,每年將減少二氧化碳排放25-30Mt。如果有適當(dāng)?shù)恼咧С郑A(yù)計(jì)2020年后,碳捕捉和封存技術(shù)可以投入商業(yè)使用。
碳捕捉技術(shù)的推廣除受技術(shù)水平制約之外,還受到成本的制約。盡管隨著科技的發(fā)展,碳捕捉成本約逐漸降低,但是預(yù)計(jì)每捕捉1噸二氧化碳,需要成本20-75歐元(只有在條件極為成熟時(shí),才可以使成本降至20歐元)。此外,碳捕捉技術(shù)的推廣還需要公眾的支持:1.政策支持和政府激勵(lì);2.企業(yè)所有者的配合;3.附近居民的同意;4.政府和行業(yè)的共同推廣與宣傳。[Page]
政策支持
如果沒(méi)有政策的支持與引導(dǎo),本路線圖所提供的減排措施將很難推廣下去。為此,政府需要:
1.鼓勵(lì)新建和改造水泥窯采用最新的、能效最高的技術(shù);
2.鼓勵(lì)并推動(dòng)替代燃料的使用;
3.鼓勵(lì)并推進(jìn)熟料替代物的使用;
4.推動(dòng)碳捕捉和封存技術(shù)的研究
5.確保達(dá)成國(guó)際層面的、可預(yù)測(cè)、目標(biāo)性、穩(wěn)定的二氧化碳限排和能源框架;
6.鼓勵(lì)科技研發(fā),鼓勵(lì)創(chuàng)新;
7.鼓勵(lì)新減排技術(shù)的國(guó)際合作以及公眾、私人的參與。
碳減排進(jìn)程表
為促進(jìn)減排技術(shù)的發(fā)展,本路線圖制訂了水泥行業(yè)減排進(jìn)程表。需要注意,由于科技發(fā)展速度各有不同且碳減排措施的實(shí)行力度不可預(yù)測(cè),制作出這樣的進(jìn)程表十分困難。尤其是,受現(xiàn)有科技條件的限制,有關(guān)碳捕捉和封存技術(shù)的數(shù)據(jù)非常模糊。但是,它將有助于推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步和政策的制定。減排進(jìn)程表指示了,為達(dá)到設(shè)定的碳減排目標(biāo),水泥行業(yè)在每個(gè)階段需要怎么做。
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2012 |
2015 |
2020 |
2025 |
2030 |
2050 | |
噸熟料熱能消耗 (GJ/Tonne) |
3.9 |
3.8 |
3.5-3.7 |
3.4-3.6 |
3.3-3.4 |
3.2 | |
替代燃料使用率(%) |
5-10% |
10-12% |
12-15% |
15-20% |
23-24% |
37% | |
水泥中熟料含量(%) |
77% |
76% |
74% |
73.5% |
73% |
71% | |
碳捕捉和封存技術(shù)
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實(shí)驗(yàn)性工廠數(shù)量 |
2 |
3 |
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示范性工廠數(shù)量 |
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2 |
6 |
|
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| |
商業(yè)化運(yùn)作工廠數(shù)量 |
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10-15 |
50-70 |
200-400 | |
碳儲(chǔ)存數(shù)量(Mt) |
0.1 |
0.4 |
5-10 |
20-35 |
100-160 |
490-920 | |
噸水泥二氧化碳排放量 |
0.75 |
0.66 |
0.62 |
0.59 |
0.56 |
0.42 |
碳減排路線圖
2006年,全球水泥行業(yè)碳排放量約為1.88Gt,如不采取任何措施,隨著全球水泥產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2050年這一數(shù)據(jù)將上升至(最少)2.34Gt。如果充分采用文中提及的四種碳減排手段,2050年,水泥行業(yè)或許能將碳排放總量控制在1.55Gt,在2006年碳排放的基礎(chǔ)上下降18%。到2050年,四種手段對(duì)碳減排的貢獻(xiàn)率分別為:提高能源效率10%,采用替代燃料24%,熟料替代物10%,碳捕捉和封存56%。
2050年前全球水泥行業(yè)碳減排路線圖
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