陶從喜：水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)與實(shí)踐探索

近日，華潤(rùn)建材科技控股有限公司首席專(zhuān)家陶從喜在中國(guó)水泥網(wǎng)召開(kāi)的“2024第十三屆中國(guó)水泥產(chǎn)業(yè)峰會(huì)主論壇暨TOP100頒獎(jiǎng)典禮”上為大家分享了水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)與實(shí)踐探索。

陶從喜主要從水泥工業(yè)碳排放現(xiàn)狀、國(guó)內(nèi)外碳減排技術(shù)路徑、水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)、水泥工業(yè)“3C”碳中和實(shí)踐案例等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1、水泥工業(yè)碳排放現(xiàn)狀

近年來(lái)，中國(guó)承諾2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，并從中央到地方制定了一系列政策。中國(guó)水泥碳減排迫在眉睫！

從量上來(lái)看，中國(guó)水泥產(chǎn)量會(huì)逐漸下降，世界水泥產(chǎn)量反而逐漸上升，第三世界國(guó)家產(chǎn)量明顯增加。近十年在22-24億噸上下波動(dòng)，進(jìn)入平臺(tái)期。中國(guó)水泥工業(yè)進(jìn)入平臺(tái)期，隨著國(guó)家碳中和到來(lái)，未來(lái)水泥供給量將逐漸下降進(jìn)入綠色低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代。

但中國(guó)水泥碳排放強(qiáng)度高。國(guó)家發(fā)改委要求“中國(guó)2025年水泥行業(yè)能效標(biāo)桿水平以上的熟料產(chǎn)能比例達(dá)到30%”。而在2020年，水泥行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能僅占5%。2022年水泥工業(yè)排放CO2約13.2億噸，約占我國(guó)工業(yè)排放總量的13%。所以，中國(guó)水泥行業(yè)碳減排刻不容緩。

2、國(guó)內(nèi)外碳減排技術(shù)路徑

國(guó)際技術(shù)路徑：

從歐洲水泥協(xié)會(huì)得知：2050年水泥工業(yè)碳中和之路——基于全產(chǎn)業(yè)鏈的減碳技術(shù)路線。2030年實(shí)現(xiàn)熟料減碳61kg；水泥減碳35kg；混凝土減碳28kg；建筑減碳71kg。2050年實(shí)現(xiàn)熟料減碳160kg；水泥減碳117kg 混凝土減碳59kg；建筑減碳51kg。

國(guó)際能源署IEA要求2050水泥工業(yè)低碳路線圖——基于水泥工藝的減碳技術(shù)路線。提高水泥生產(chǎn)效率和能源效率，減碳約3%；替代燃料技術(shù)（協(xié)同處置等），減碳約12%；降低熟料系數(shù)（混合材替代熟料），減碳約37%；碳捕集與利用技術(shù)，2030年減碳13%，最終達(dá)到減碳48%。

德國(guó)海德堡水泥圍繞著CO₂減排、碳捕捉與存儲(chǔ)(CCS)、 CO₂再利用(CCU)三大目標(biāo)方向，形成從原料、技術(shù)到產(chǎn)品的全價(jià)值鏈布局。

2020-2030年通過(guò)提高能源效率、使用替代燃料原料和新粘合劑減少熟料碳排放強(qiáng)度；通過(guò)使用具有低碳排放的熟料、優(yōu)化混凝土配比新水泥種類(lèi)減少水泥和混凝土碳排放強(qiáng)度；與此同時(shí)再應(yīng)用碳捕集和利用項(xiàng)目（CCUS）進(jìn)行工藝集成二氧化碳捕集、再生混凝土的再碳化、循環(huán)經(jīng)濟(jì)中二氧化碳的使用和工業(yè)規(guī)模新技術(shù)推廣。

2030-2050年繼續(xù)提高能效、替代水泥材料、增加低碳/零碳產(chǎn)品、使用氫氣作為燃料和窯電化、支持新技術(shù)的長(zhǎng)期研發(fā)。最終在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。

國(guó)內(nèi)技術(shù)路徑是基于中國(guó)水泥高位產(chǎn)量下的降碳思路。根據(jù)模型推演，2060年中國(guó)水泥工業(yè)要實(shí)現(xiàn)碳中和，水泥產(chǎn)量應(yīng)控制在7.5億噸以下；但依據(jù)中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，2060年中國(guó)水泥產(chǎn)量還將維持在10億噸以上高位。

總體思路：源頭控制+減少碳排放+末端捕集

原料：減少石灰石用量；制備低碳膠凝材料

燃料：替代燃料；清潔燃料替代煤

生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能減碳：工藝、裝備能效提升

水泥高效利用（混凝土）：水泥助磨劑、減少混凝土中水泥用量、延長(zhǎng)服役壽命；固碳型混凝土制品

CO₂捕集和利用：捕集純化和高效利用

碳排放市場(chǎng)：建立評(píng)價(jià)體系（標(biāo)準(zhǔn)）與碳匯（交易）

在中國(guó)與國(guó)際水泥能耗對(duì)標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，立足技術(shù)現(xiàn)狀，進(jìn)一步提高能效空間有限，已處世界先進(jìn)水平；熟料系數(shù)優(yōu)于國(guó)際目標(biāo)值，大幅度降碳空間“有限” 。鼓勵(lì)發(fā)展替代原燃料技術(shù)及裝備，從能源消耗上降低碳排放！鼓勵(lì)發(fā)展新型能源技術(shù)及裝備，從能源結(jié)構(gòu)上降低碳排放！鼓勵(lì)發(fā)展低碳水泥混凝土技術(shù)，從材料及應(yīng)用降低碳排放！

3、水泥工業(yè)“3C”碳中和技術(shù)

“3C”碳中和技術(shù)，即源頭低碳、過(guò)程減碳、末端去碳。該理論體系契合水泥生產(chǎn)礦山、水泥熟料燒成系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)、混凝土等產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，制定節(jié)能減碳技術(shù)路線，系統(tǒng)解決行業(yè)降碳難題。

通過(guò)源頭控制、過(guò)程控制、末端控制三者結(jié)合，是水泥制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要途徑。

全產(chǎn)業(yè)流程下不同工藝節(jié)點(diǎn)的減碳路徑及能力如下：（以先進(jìn)生產(chǎn)線836 kg CO₂/t.cl為基準(zhǔn)計(jì)算）

4、水泥工業(yè)“3C” 碳中和實(shí)踐案例

（1）源頭低碳實(shí)踐案例

原料替代案例1：多重固廢循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園

技術(shù)路線-1：崗石污泥和邊角料作生料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。崗石污泥和邊角料含有一定量的樹(shù)脂，預(yù)處理后用于配料可改善生料易磨性，從而降低粉磨電耗和配料成本。陽(yáng)光堆棚預(yù)處理脫水及經(jīng)過(guò)調(diào)配后，崗石污泥可替代12.5%的石灰石。

技術(shù)路線-2：濕煤渣作低熱值生料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。 濕煤渣具有高鋁低硅的性質(zhì)，預(yù)處理后作為生料硅鋁質(zhì)校正原料可改善生料活性；利用煤渣含熱值及煤渣在熟料形成過(guò)程中晶核作用，開(kāi)展低能耗水泥生料配制技術(shù)，有利的促進(jìn)熟料礦物的形成。

依托多重固廢一站式協(xié)同處置項(xiàng)目，華潤(rùn)水泥申報(bào)的《工業(yè)固廢制備優(yōu)質(zhì)膠凝材料關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用》獲得2021年度廣西科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

原料替代案例2：廢渣利用

華潤(rùn)JS：從水泥原材料出發(fā)，以黃磷渣、電石渣為例研究水泥行業(yè)碳減排方案，直接減少碳排放源。在利用廢渣后，2020年熟料標(biāo)煤耗較2015年降低13.78 kgce/t.sh，目前系統(tǒng)標(biāo)煤耗小于80kg.ce/t.cl（替代原料+替代燃料）。

燃料替代案例1：市政污泥協(xié)同處置

技術(shù)路線：“污水廠內(nèi)干化+水泥窯焚燒”協(xié)同處置。污泥干化減量后利用水泥窯焚燒處置，大幅度節(jié)約填埋用地；無(wú)灰渣排放，實(shí)現(xiàn)礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)100%減量化處置；重金屬穩(wěn)定固化在水泥熟料礦物；高溫焚燒實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物全消解；配置廢水、廢氣處理工藝實(shí)現(xiàn)污染物的零排放。

燃料替代案例2：城鄉(xiāng)生活垃圾協(xié)同處置

華潤(rùn)建材科技對(duì)協(xié)同處置的探索從未止步

HP基地旋迴爐示范項(xiàng)目：旋迴爐處置15——20 t/h RDF試燒試驗(yàn)，分解爐喂煤可以降低40%以上；目前生產(chǎn)情況看對(duì)產(chǎn)量無(wú)不良影響，節(jié)煤效果優(yōu)于其他協(xié)同處置熱工設(shè)備。

燃料替代案例3：輕質(zhì)固廢。利用周邊資源，選用廢碎布、樹(shù)皮、燃料棒等多重輕質(zhì)固廢作為替代燃料。

低碳熟料體系案例1：低品位石灰石生產(chǎn)高貝利特水泥

華潤(rùn)C(jī)J：優(yōu)質(zhì)石灰石資源枯竭，于是開(kāi)發(fā)了一種綜合利用低品位石灰石制備優(yōu)質(zhì)通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)及控制方法，實(shí)現(xiàn)變廢為寶并降低能耗及碳排放。

低碳熟料體系案例2：多功能環(huán)保摻合料開(kāi)發(fā)應(yīng)用

華潤(rùn)HSH：利用高鎂廢石、水淬錳渣、爐底渣等多種固廢，通過(guò)單形設(shè)計(jì)方法自主研發(fā)活性微粉，可降低水泥的熟料用量或混凝土中的水泥用量。

低碳熟料體系案例3：solidia水泥

原材料為石灰石及石英砂，可直接只用干法窯煅燒，理論煅燒溫度——1200℃；或直接開(kāi)采硅灰石礦，不經(jīng)煅燒。熟料結(jié)粒3——4cm。

新型能源案例1：綠色可再生能源

太陽(yáng)能、風(fēng)能零購(gòu)電項(xiàng)目建設(shè)：零購(gòu)電項(xiàng)目最佳運(yùn)行方式為“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”。以6000tpd項(xiàng)目為例：光伏發(fā)電：光伏發(fā)電面積67049m2 ；25年年均發(fā)電8986MWh。風(fēng)力發(fā)電：風(fēng)機(jī)組10組；20年年均發(fā)電：93593MWh。總發(fā)電量：102579MWh。其中70%自用供電,剩余30%余電發(fā)電上網(wǎng)?？偼顿Y： 33108萬(wàn)元；投資回收期：約11年。

新型能源案例2：綠氨燃料在水泥生產(chǎn)線替代煤炭

綠氨燃料作為水泥生產(chǎn)的替代燃料已應(yīng)用于山東淄博東華水泥5000噸熟料生產(chǎn)線。該項(xiàng)目第一階段實(shí)現(xiàn)了6%的煤炭替代，同時(shí)還把水泥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物降到了50mg以下，第二階段實(shí)現(xiàn)煤炭替代率達(dá)20%。

新型能源案例3：氫能燃料在水泥生產(chǎn)線替代煤炭

氫能（部分）替代煤粉：噸熟料消耗約21kg H₂，以5000tpd熟料生產(chǎn)線為例，年可減少碳排放約37萬(wàn)噸；英國(guó)ETP 清潔能源技術(shù)指南：將在Tarmac and Hanson Cement測(cè)試氫能等替代燃料的應(yīng)用。

（2）過(guò)程減碳實(shí)踐案例

過(guò)程減碳技術(shù)路徑分析重點(diǎn)從燒成系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)工藝及技術(shù)裝備優(yōu)化，水泥減排助磨劑研發(fā)三個(gè)方面介紹“3C”過(guò)程減碳應(yīng)用成效。

（3）末端去碳實(shí)踐案例

水泥工業(yè)屬于最難脫碳的行業(yè)，要實(shí)現(xiàn)碳中和需要大規(guī)模部署碳捕集、利用和封存(CCUS)項(xiàng)目！從中國(guó)已布局的CCUS項(xiàng)目來(lái)設(shè)計(jì)水泥工業(yè)末端去碳技術(shù)路徑，大規(guī)模碳利用是促進(jìn)碳捕集商業(yè)化落地的直接手段。

總的來(lái)看，中國(guó)水泥行業(yè)碳中和路線依賴多種節(jié)能減排降碳技術(shù)相輔相成。水泥行業(yè)需持續(xù)開(kāi)展工藝裝備能效提升、替代原燃料技術(shù)應(yīng)用、清潔能源研究及應(yīng)用，中遠(yuǎn)期以碳利用（CCUS）為主。

低碳水泥發(fā)展總規(guī)劃：運(yùn)用“3C”節(jié)能減碳理論，通過(guò)低碳技術(shù)、減碳技術(shù)、去碳技術(shù)三大減排路徑，將目前生產(chǎn)上排放的685 kgCO₂/t水泥實(shí)現(xiàn)中和。