水泥工业碳达峰与碳中和前景分析

付立娟 杨勇 卢静华

（国家建筑材料展贸中心，北京 100037）

0 前言

中国向世界做出了2030年碳排放力争达到峰值、2060年前实现碳中和的承诺。中国建筑材料联合会向全行业发布了减排目标，要在2025年提前实现碳达峰，水泥行业更是计划于2023年率先实现碳达峰。水泥作为工业领域的第二大碳排放行业，面对“双碳”国家目标的要求，未来面临巨大的挑战和新的发展机遇。

1 全球水泥工业碳排放形势

全球水泥工业产量2020 年达到4.2Gt，其中中国占53.84%，印度占7.83%，分别排前两名。根据全球人口城市化趋势及基础设施建设需求，预计到2050年，未来市场还将增长12%-23%。由于水泥生产的规模及其生产过程的特点，水泥工业被认为CO2排放的主要来源之一，属于难减行业，每生产一吨水泥熟料可释放高达0.8853吨CO2。全球水泥产量分布见图1[1]。

图1 2020年全球水泥产量各国占比Fig.1 Proportion of countries in global cement production in 2020

为实现碳减排、碳中和目标，水泥企业削减CO2排放势在必行，而全球有很多水泥企业已做出诸多努力，进行绿色生产并制定了减碳或碳中和目标。

2 我国水泥工业碳排放形势

我国水泥行业是耗能大户，CO2排放量占比很高，水泥生产工艺中水泥窑煅烧、原材料烘干、粉磨等过程消耗大量能源，煅烧过程中碳酸钙分解CO2排放量占整个生产过程中总排放量的60%-70%。水泥熟料产量越大，碳排放越多。据初步统计，2009年-2020年，水泥熟料产量增长导致水泥产业碳排放值从9.71亿吨增加到了13.75亿吨[2]。

随着提高工艺及装备技术，提升原材料及燃料利用率，严格执行国家环保、减排政策及质量标准创新、低碳技术的应用，以及严禁新增产能、产能置换、错峰生产、淘汰落后产能等供给侧改革的实施，中国水泥行业“十四五”期间年熟料产量预计在14-16亿吨，年水泥产量预计在22-24亿吨，年碳排放预计在达到14.5 亿吨后开始下降[3]，在“十四五”期间就能实现碳达峰。

2.1 水泥工业碳排放现状

水泥工业是燃料、矿石等原材能消耗大户，水泥生产工艺全过程中CO2排放量很大，占全国CO2总排放量的13%以上，实现中国建材行业于2025年提前碳达峰的目标还面临严峻挑战。同时，由于水泥行业较早开展了原燃料替代、节能降碳和行业自律等减排政策与技术的贯彻实施，水泥行业的CO2减排具有全产业链条减碳、低碳技术、装备、工程、产品研发等优势，对持续改善能源、资源和环境质量做了大量的技术研究，更增强了水泥行业的高质量可持续发展潜力的挖掘。“十三五”期间水泥行业已实现CO2减排量达17.2亿吨。

2020年我国水泥熟料产量已达16亿吨，水泥产量已达23.8亿吨，每生产1吨水泥熟料排放约0.86吨CO2（其中碳酸盐分解碳排放量约0.56吨CO2/吨熟料，燃煤碳排放约0.30吨CO2/吨煤），由此测算出2020年水泥工业CO2排放量已达12.3亿吨，同比上升了1.8%，其中煤等燃料排放量同比上升了0.2%，生产工艺过程排放量同比上升了2.7%，同时电力消耗可折算出8955万吨左右的CO2当量[4]。据初步预测，我国水泥熟料消费峰值量约为16.5亿吨，以当前水泥行业平均碳排放水平测算，行业碳排放量约为14.2亿吨/年。峰值预计在“十四五”中期出现，2025年、2030年、2050熟料消费规模预计分别在15.5亿吨、12亿吨、10亿吨左右[5]。

2.2 影响水泥碳排放量的主要因素

水泥工业不同于其他工业，其CO2排放分为直接碳排放（水泥生产过程中化石燃料燃烧排放和熟料生产过程中的排放）和间接排放（水泥生产过程中消耗的电力产生的排放）。间接排放主要源于我国水泥工业电力主要靠火力燃煤发电，这也是CO2的主要排放源，其碳排放因子约为0.46吨CO2/MW·h。

水泥行业碳排放量的主要影响因素有单位水泥碳排放强度和水泥熟料的产量，单位水泥碳排放强度又与原燃材料、能源效率、生产效率等有关。因此，要实现碳达峰和碳中和，必须从原材料和燃料的选择等方面实现源头控制，从提高能源效率、提高生产效率等方面实现过程控制的减碳技术，从实行碳捕获、（再）利用与封存等方面实现末端治理技术。

2.3 水泥工业碳减排、碳中和核算

水泥工业碳足迹研究开展较早，从水泥生产全生命周期核算CO2排放，为水泥工业碳减排技术打下了基础，对全社会实现碳中和目标有很大贡献。

1）水泥工业可再生能源、易燃废弃物综合利用中的碳核算

水泥工业可再生能源、易燃废弃物综合利用主要包括固态和液态沼气、工业垃圾（包括燃料的煤矸石）、城市垃圾等，可再生能源和易燃废弃物碳排放可按零排放核算。

2）水泥工业煅烧余热和余压循环回收利用量和余热发电量核算

按照国家工业企业现行能源统计核算的规定，计算综合能耗时余热和余压循环回收利用量可适当扣减。水泥工业余热发电量核算按照当年火力发电标准煤耗计算水泥工业CO2的减排量。

3）水泥熟料消纳固废量的CO2减排量核算

水泥工业采用电石渣、冶炼渣和硫酸渣等非碳酸盐钙质工业废渣为原料的，计算固体工业废渣的消纳量，核算水泥熟料生产过程中所替代灰岩量的CO2减排量。

3 我国水泥行业碳减排实施路径

3.1 能效提高技术

水泥工业能量消耗主要源于生产过程中的热耗和电耗。随着研究并应用水泥生产中的降耗技术，热耗和电耗持续下降，CO2排放量相应减少。水泥企业通过技术改造，应用先进工程设计的节能设备，可提高热效率。同时，注重节能设备维护，可进一步提升设备运转效率，是提高能效、减少碳排放的管理措施之一。

近年来，新型干法窑水泥生产工艺系统不断优化、应用高效节能技术，提升了水泥工业能效水平。目前，水泥热耗国际先进指标约为2842kJ/kg熟料，综合电耗为82kW·h/t水泥。对新型干法窑水泥生产工艺，根据CSI-“把数据搞准”（GNR）中的数据，1990年熟料烧成热耗全球加权平均值为3605kJ/kg熟料，2006 年为3382kJ/kg，16 年来烧成热耗降低了222kJ/kg熟料（约6%）。目前水泥窑生产规模已达14000t/d，预计2030年-2050年间熟料烧成热耗会有小幅下降，约减排5%。1990年水泥电耗为115kW·h/t，2006年下降为111kW·h/t，预计2030年-2050年间水泥综合电耗下降幅度有限。

3.2 熟料替代技术

这是目前公认的水泥行业减排最直接和有效的方法。熟料生产过程中会产生CO2排放，因此水泥中少用熟料或混凝土中少用水泥无疑会减少CO2的排放。粒化高炉矿渣、粉煤灰、石灰石或火山灰等矿物质成分，通过单掺或混掺的配料方案可替代熟料来生产各种水泥。近年来，国际上出现煅烧粘土复合石灰石替代熟料的新型低碳水泥，主要是为应对未来欧洲清洁能源技术实施后将出现的粉煤灰、矿渣类混合材短缺问题。根据“十三五”重点项目对此的研究结果[6]，所制备的熟料系数0.50的石灰石煅烧粘土新型低碳水泥的28d抗压强度与参比纯硅酸盐水泥相当，而混凝土耐久性更优。此外，还有少熟料水泥品种或采用碱激发矿渣、碱激发粉煤灰或纳米材料（纳米SiO2、纳米CaCO3、碳纳米管等）来改性水泥或混凝土制品。水泥制品中应用胶凝性或有潜在胶凝性的混合材也可实现低碳排放。

水泥熟料替代技术是低碳排放的重要选择。通过减少水泥中熟料占比，可显著降低水泥生产过程中与熟料生产产生的碳排放。

目前我国水泥工业熟料替代总量居世界首位。2006年GNR数据中世界平均熟料系数为78%，预计2030年熟料系数可降到70%-75%，预计2050年可降到65%-70%。随着我国水泥工业应用工业固体废物等可替代水泥熟料材料技术的不断提升，平均熟料系数约为0.66，水泥工业每年利用固体废物等替代熟料约7亿吨，节约了大量能源、资源，保护了生态环境。

3.3 替代原材料及燃料技术

水泥工业生产熟料工艺中CO2排放直接占比为1/3，采用可替代燃料可减少CO2排放。应减少煤或焦炭等传统化石燃料及生物质燃料，更多使用焚烧垃圾和废弃物等来替代化石燃料。水泥窑适用替代燃料的原因是其能源组成与化石燃料相近，且其无机成分部分可与熟料相结合。

目前，从技术层面可实现水泥生产中使用100%的替代燃料，但实际应用中还达不到这个比例，原因是大多数替代燃料的物理和化学性质与传统燃料不同，许多使用起来有困难，如热值低、含水量大、高氯或其他微量元素含量高的物质。有些如汞、镉、铊挥发性金属须严格管理和预处理，以确保均一的化学成分和最佳燃烧。此外，替代燃料综合利用与政策和法规推动力不足等多种因素有关。

水泥工业全生命周期分析表明：1）如果水泥生产中的燃料以废弃物焚烧替代，还需用化石燃料来焚烧它们，总体上会排放更多CO2；2）使用替代燃料可减少垃圾填埋，减少填埋排放产生的甲烷，其相对气候变化影响指数是CO2的21倍。

预计到2030 年，传统燃料替代率在发展中国家可达10%-20%，发达国家可达50%-60%，平均可达30%；到2050年，传统燃料替代率在发展中国家可达20%-30%，发达国家仍为50%-60%，平均可达35%。这些传统燃料替代目标必须在法律、技术、经济各方面保障下才能实现。

我国水泥工业的燃料替代尚属初期，水泥窑协同处置、替代化石能源利用方面有待加大力度，目前替代燃料比例不足2%，未来减排潜力较大。

3.4 低碳熟料水泥技术

典型的中国特色技术和产品包括20世纪七八十年代开发应用的硫铝酸盐水泥、“九五”和“十五”期间开发的现已在水电行业广泛应用的高贝利特水泥，以及后续研发的贝利特硫铝酸盐水泥等。这些产品尽管目前产量不大，但随着市场的不断开拓，其节能减排潜力会不断提高。

3.5 余热发电技术

这是中国水泥工业节能减排的特色。我国水泥窑85%以上采用余热发电技术，5000tpd及以上规模的大型水泥窑几乎100%采用余热发电技术。这对于提高能源利用效率、降低水泥生产间接CO2排放有重要意义。

3.6 水泥碳捕集利用技术（CCUS）

水泥工业减排难度大，其碳中和离不开水泥生产中CO2捕集和利用技术。按全球水泥低碳技术路线图分析，未来至2050年，水泥行业CO2减排潜力约50%依赖碳捕集利用技术[7]。目前，典型的碳捕集技术有燃烧后捕集技术、全氧燃烧技术、间接换热技术、钙循环技术等，其中，全氧燃烧技术在燃烧过程中实现烟气CO2的自富集，不论是直接封存利用，还是进一步捕集提纯，其投资、运行成本是四种技术中最经济的。即使如此，全氧燃烧捕集技术仍面临一次性投资高、碳捕集利用成本居高不下的问题。

4 水泥工业CCUS技术

水泥工业收集高浓度CO2可直接利用(CCUS技术)。目前，油田注入是最大规模的CO2直接利用，可提高采油效率，并对CO2进行地质封存。全球首个CO2封存项目是北海Sleipner油气田，每天可注入2700吨CO2，自1996年来已累积封存CO22000×104 吨。加拿大Weyburn油田的强化采油工程(Enhanced Oil Recovery，EOR)也应用了CO2封存技术，每天有1000吨CO2注入油田以提高油田采收率。我国吉林大情字油井于2008年6月注入CO2，提高气井采收率10%，到2009年11月累积注入CO2104吨，初步试验取得了一定经验[8-9]。此外，较大规模的CO2利用方法还有用驱气原理进行甲烷水合物的开采，也可考虑在海上建设平台发电厂，以开采的海底甲烷为燃料，将发电电流输往陆上，燃烧产生的CO2注入海底的甲烷水合物矿层，在20个大气压、0℃左右条件下CO2可形成稳定的CO2水合物存于海底，而分解的甲烷水合物可收集用于发电，这种方法发展潜力较大[10]。

CO2直接利用总量有限，利用量分配估计如下：40%用于合成化学品，35%用于三次采油，10%用于制冷，10%用于焊接保护、养殖等，剩下5%用于制造碳酸饮料。

CO2合成化学品的主要途径有：

1）如尿素、二氧化硅、羰基化一氧化碳等无机化学品。

2）CO2+环氧乙烷合成碳酸乙烯酯有机化学品可用于纺织、印染、电化学高分子合成等溶剂、锂电池等；CO2+甲醇或+尿素合成碳酸二甲酯等有机化学品可用于制备医药、农药、染料等；CO2可合成水杨酸用于阿司匹林等药剂中间体、防腐剂、染料等；CO2可合成双氰酸用于酒石酸、柠檬酸、固色剂、促进剂、黏合剂等。此外，CO2还可用作超临界萃取剂、发泡剂、制冷剂、膨化剂、焊接保护气体、消防灭火剂、储存保鲜剂，也可用于温室藻类养殖，可使微藻生长快，适应性强，油脂含量高达70%。一些经特殊培植的微藻可固定CO2量是陆生植物的10～50倍。其他应用目前难以解决亿吨级的CO2利用问题[11]。

5 水泥工业碳封存技术

由于CO2是大型工业排放源，排放量大，是典型的温室气体，对环境构成一定威胁，应永久储存，也称封存。CO2经过捕获和压缩处理后经管道输送到特定地点长期封存，不能直接排放到大气中。目前，化学封存、矿物碳化封存、地质封存、海洋储存和生态封存等是CO2主要的封存方式。

5.1 化学封存

在CO2的捕获技术中，化学吸收法的SkyMine®工艺是一种典型的化学封存，其将CO2转化为NaHCO3，使之成为一种日用化工品。此外，在CCRS碳捕获技术与再利用技术中也有很多以CO2为原料，通过廉价氢或碳等还原剂使CO2转化为可再利用的产品，如甲醇、二甲醚、乙烯、丙烯等。这种将CO2通过化学反应转换为其他物质的封存方法即为化学封存。

5.2 矿物碳化封存

CO2与金属氧化物反应形成矿物碳酸化的不溶性碳酸盐，如CaO和MgO，这在自然界称为硅酸盐风化。捕获的高浓度CO2被金属氧化物，如矿渣或粉煤灰等碱性工业废渣，固定为碳酸盐的过程为矿物碳化。矿物碳化热量大部分来自上游燃烧过程CO2产生释放的热量（393.8kJ/mol CO2）。矿物碳化原理是天然硅酸盐矿物吸收CO2的化学反应及放热量[12]。

通过矿物碳化捕获固碳技术目前也有工业应用，其中较典型的是采用外燃式旋窑高温煅烧碳酸盐矿物质，其基本技术原理是利用石灰石（CaCO3）、菱镁石（MgCO3）、白云石（CaMg(CO3)2）或其他碳酸盐固体矿物质物料（加热分解温度需在910℃以下）在一定温度下可分解为CO2气及石灰（CaO）产品、氧化镁粉（MgO）产品、镁钙（或钙镁）粉产品或其他碳酸盐固体矿物质分解后形成不含CO2的固体物料或产品的特点，在加热分解前述矿物质物料所需的燃料燃烧（火焰及烟气）不与物料接触的条件下，形成CO2气及不含CO2的固体物料或产品。加热分解前述矿物质物料采用旋窑，燃料燃烧在窑外，矿物质物料在窑内，矿物质物料CO2分解在窑内完成，窑内矿物质物料分解产生的CO2气自窑内抽出后进一步加工成为CO2产品、矿物质物料分解后产生的不含CO2的物料自窑内排出后形成CaO、MgO等产品[13]。

5.3 地质封存

其类似自然界中地质封存天然气的原理。这种地质封存可达到2000Gt CO2的封存能力，是未来CO2主要的封存方式。

CO2地质封存技术有如下几类：①CO2封存于石油天然气枯竭处；②利用强化采油技术EOR和强压气体回收技术将CO2封存于石油天然气储层；③利用强化煤田甲烷回收技术ECBM将CO2封存于不可开采煤层；④深部咸水含水层封存；⑤封存于玄武岩、油页岩层及其他岩层。

CO2地质封存是当前最有前途的技术方案。利用强化采油技术作为CO2地质封存技术，能部分补偿CO2的封存成本，在短期内显著减少CO2排放量，但其受限于油田地理分布不均匀，开采量有限，且泄漏可能性也是一个主要障碍。利用强化煤田甲烷回收技术封存CO2也有一定的潜力[14]。

5.4 海下封存

将CO2封存于深海是一个更安全的封存方式，可将气态、液态或固态的CO2排放到深海中。目前CO2海下封存主要有两种方法，一种是以高于5MPa压力将CO2注入1500米以下的海水，使液体CO2与海水混合溶解，另一种是将CO2注入3000米以下的海水，高压下液态CO2的密度远高于海水的密度。

6 我国实现碳达峰、碳中和前景展望

6.1 边界探讨

从欧洲2050年低碳路线图可以看出，欧洲碳减排与碳中和采用5C计划，说明其碳减排与碳中和边界也包括熟料、水泥、混凝土、建筑及再碳化。我国水泥行业碳减排与碳中和是否也采用此边界范围，要从水泥上下游生产全产业链来考量。只有确定好边界，才能采取更有效措施来实现碳达峰与碳中和目标。

6.2 碳达峰

1）从需求层面看

①基建工程方面：2021是“十四五”规划的开局之年，基建工程要保持投资合理增长，随着含绿色建筑、绿色建材的基础设施和市政工程以及新型城镇化、交通水利等重大工程的推进，预计基建投资可维持增长。②房地产工程方面：“房子是用来住的，不是用来炒的”深入人心，限制投资型房产政策出台后，对房地产商融资的限制措施更加严格，导致房地产新开工项目进度迟缓，影响了对水泥的需求量，但随着人们对美好生活的向往，房地产商也在减少融资依赖，所以预计房地产对水泥影响有限。

2）从供给层面看

生态环保要求越来越严格，水泥企业错峰生产常态化、生产限电、碳核查等综合因素影响水泥的供给。除云南、广西等区域的新增产能对市场有一定冲击外，其他区域水泥产能总体保持与2020年持平的态势。

3）从市场价格和经营效益角度看

2021年水泥市场价格将继续保持稳定，除个别区域市场价格有下行风险外，水泥主流市场价格会保持坚挺，经营效益有望保持稳定。

4）从产业政策层面看

水泥产能减量和置换、水泥企业错峰生产常态化、限产、污染物排放总量控制、市场反垄断力度加大等政策的出台，对控制新增产能、动态供给平衡、行业自律规范、市场有序竞争等都有利。

5）从科技创新层面看

大型企业集团加大了对科技创新的投入，更加追求提升能效水平和资源综合利用能力，随着数字化信息化技术的应用，水泥企业向智能化转型发展，环保和安全生产标准等进一步提高。2021年，中国建材联合会启动了水泥行业碳达峰和碳中和实施技术与碳核算等工作，为水泥行业“十四五”高质量可持续发展带来新的格局[15]。

因此，根据市场需求、经济状况及宏观政策调控等，我国水泥工业在“十四五”期间熟料需求量将保持15.5～16.5亿吨/年的规模，至2030年需求规模在12亿吨左右，预计2050年仍可保持在10亿吨左右。我国水泥行业碳达峰应在“十四五”期间完成，熟料峰值大约为16.5亿吨。

6.3 碳中和

1）做好碳减排、清洁生产工作

从原料替代、燃料替代、熟料或水泥替代、能源替代等方面做好低碳生产，从提高能源效率、清洁生产做好节能减排工作，既有助于碳达峰，又为碳中和减轻压力，加快水泥行业碳中和步伐。

2）绿色工厂建设有助于碳中和

绿色制造是工业转型升级的必由之路。作为制造大国，我国尚未摆脱高投入、高消耗、高排放的发展方式，资源能源消耗和污染排放与国际先进水平仍存在较大差距，加快推进制造业绿色发展刻不容缓。水泥工业要从全生命周期推动绿色工厂建设，水泥产品应符合绿色性能要求，生产环境符合环境管理体系与要求。水泥工厂要向着资源集约化、材料无害化、生产清洁化、工业废物利用率高及低碳技术应用的方向发展。水泥工业绿色工厂建设有利于碳中和。

3）CCS/CCUS/CCRS

实现碳中和可分三步走：1）尽快采取碳减排措施，尽早实现碳达峰，碳达峰有助于碳中和；2）采取碳捕获、利用与封存（CCUS）与碳捕获、再利用与封存（CCRS）的方式实现碳中和；3）最终采用碳捕获与封存（CCS）方式快速实现碳中和。

对我国水泥行业而言，实现碳中和的难度不小，无论是配套的法律法规、政策支持、经济利益，还是技术研发等，都与欧美等发达国家有一定差距，但可以借鉴其他行业或开展行业间甚至国际合作。

7 结语

温室气体排放已成为重大全球性问题，各国要积极行动，利用国际间合作共同治理，客观、全面核算各国的碳排放总量和人均碳排放量，明确各国不同发展阶段产生的本土排放和转移性排放。

我国承诺的碳达峰和碳中和目标已明确，水泥工业必须加快步伐将低碳技术提升到新高度，建设资源节约型、环境友好型水泥企业，充分发挥水泥工业处置工业、城市固废的综合优势，强化与冶金、化工等产业科技融合，提升资源利用率，协同降低温室气体排放量，实现低消耗、低排放、高效益发展的新型工业化道路，加快实现碳中和目标。