杏彩体育:水泥制造业绿色低碳技术研究进展 科技导报

　　随着中国碳达峰、碳中和目标的提出，水泥制造业的绿色低碳转型成为行业发展的主要趋势，相关节能降碳关键技术的研发部署与应用需求日益迫切。从原料替代、燃料替代、节能提效和碳捕集利用4个方面梳理了当前水泥行业已经实现商业化应用与正处于研发阶段的绿色低碳技术，综述了各类技术的碳减排潜力，分析了各种技术的协同环境效益、推广限制条件等因素。

　　2020年9月22日，习总在第七十五届联合国大会上宣布：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。中国是世界上最大的水泥生产国，水泥行业年CO2排放量超过12亿t，占全国工业碳排放总量的20%以上，占建材行业碳排放总量的70%以上；吨水泥熟料的综合能耗约为108kgce（千克标准煤），碳排放量约为0.8t，其中60%来自碳酸盐原料分解，35%来自燃料燃烧，5%来自电能消耗。随着水泥熟料产量的增加，中国水泥行业CO 2 排放量持续增长（图1），到2020年达到13.79亿t，年均增长率约为2.71%。

　　结合工业和信息化部等四部门联合印发的《建材行业碳达峰实施方案》，水泥行业的降碳减排是建材行业乃至整个工业领域实现“双碳”目标的重点与难点。随着“双碳”国家战略的持续深入，以科技创新驱动的行业绿色低碳转型需求日益迫切。本文从原料替代、燃料替代、节能提效、碳捕集利用与封存（CCUS）4个方面系统梳理31项水泥行业已经实现商业化应用或正处于研发阶段的低碳技术（图2），分析各类技术的碳减排潜力、协同环境效益与推广制约条件。

　　碳酸盐原料煅烧分解造成的工业过程排放是水泥制造业的主要碳排放来源。工业过程排放无法通过能源系统的零碳化改造实现减排，需要从原料端考虑削减或替代碳酸盐原料/熟料用量，同时兼顾产品的服役性能，该类技术主要以100%使用天然矿石的硅酸盐水泥作为减排潜力的计算基准。根据不同替代对象，可将相关技术划分为生料替代、熟料替代和水泥功能性替代3个研究方向。

　　从生产工艺角度来看，60%的碳排放来自碳酸盐原料分解（CaCO3→CaO+CO2），生料替代技术采用非碳酸盐原料提供水泥生产所需的CaO，能够有效降低石灰石分解产生的CO2排放，显著降低水泥生产的碳排放量。

　　电石渣是电石生产乙炔过程中产生的废渣，其主要成分为Ca(OH)2，可提供水泥熟料生产所需钙质，降低熟料烧成热耗，电石渣替代比达到70%时可使吨熟料产品碳足迹降低约391kg，且矿产资源消耗、土地占用等环境影响均有所改善。硅钙渣是碱石灰石烧结法提取高铝粉煤灰过程中产生的固体废弃物，主要成分是SiO2、Al2O3、CaO3等，可减少生料配料中石灰石的比例，降低熟料煅烧温度，改善熟料的易磨性，当生料中硅钙渣替代比为30%左右时，吨水泥熟料碳排放会降低约18%，该技术的应用能够缓解堆弃处理导致的土地占用和水资源污染等环境问题。钢渣包含水泥生产的所需的钙质成分，使用钢渣能够改善生料的易烧性，降低熟料烧成的煤耗，生料中搭配采用约4%的钢渣能够使单位熟料CO2排放减少约15kg，实现工业固废资源化利用的同时降低矿产资源的消耗。

　　生产1t硅酸盐水泥熟料要排放约0.86t的CO 2 ，通过固废等替代熟料降低水泥中的熟料系数可实现碳减排，但中国水泥熟料系数已达0.678，继续降低的潜力有限，而且可能影响水泥熟料品质。另外，低碳水泥体系基于新型矿物组成替代硅酸盐熟料，减少熟料中钙质含量并降低烧成温度，具备在不影响建造质量的情况下实现碳减排的潜力。

　　高贝利特水泥的生产工艺和设备与传统硅酸盐水泥基本相同，C2S矿物含量约50%~55%，该技术降低石灰质原料用量并使烧成温度降低约100℃，节约煤耗5%~15%，理论上可实现20%的碳减排量，相关应用案例碳减排效果显著。贝利特-硫铝酸盐水泥（Belite caciumsulfoaluminate ternesite，BCT）在熟料矿物体系中引入硫硅钙石和硫铝酸钙，烧成温度降低至1250~1300℃左右，相比普通硅酸盐水泥（ordinary portland cement，OPC）预计节约10%~15%的燃料和电力消耗，CO2排放降低30%左右。Solidia Cement矿相组成主要包含CaO·SiO2(CS)和3CaO·2SiO2(C3S2)，低钙硅酸钙相的形成减少石灰石的用量，使熟料烧成温度降低200℃，吨水泥熟料碳排放相比OPC水泥降低约245kg。石灰石煅烧粘土水泥（limestone calcined clay，LC3）是基于石灰石和煅烧粘土混合的新型三元水泥，利用煅烧粘土和石灰石的协同作用，具有与OPC水泥相似的强度，LC3技术可降低高达144kg CO2/t的碳排放量，且无需对当前生产线进行密集型改造。

　　低碳胶凝材料具有水泥的胶凝功能，生产工艺非“两磨一烧”，单位产品CO 2 排放量较水泥有明显降低，水泥功能性替代技术通过该类材料在混凝土生产中替代水泥组分，能够从根源上减少水泥用量，实现混凝土生产的低碳转型。

　　现阶段碱激发水泥（alkali-activated cement，AAC）是最主要的低碳胶凝材料，根据含钙量的不同分为高钙硅铝酸盐材料（矿渣等）和低钙硅铝酸盐材料（粉煤灰等）。碱激发矿渣胶凝材料以粒化高炉矿渣（granulated blast furnace slag，GBFS）为原材料，GBFS是通过热化学还原法生产铁的过程中产生的固废，生产碱激发矿渣胶凝材料有利于促进工业固废的可循环利用，相较OPC水泥混凝土，碱激发矿渣胶凝材料理论上避免了碳酸盐分解过程，生产能耗仅为OPC的40%~60%，能够降低25%~50%的CO2排放量。碱激发粉煤灰胶凝材料通过碱激发剂化学激发粉煤灰制备，相较OPC水泥具有显著的低碳利废优势，与同等抗压强度的混凝土相比，具有更好的耐腐蚀、抗融冻和抗渗等性能，可降低约32%的CO2排放，缓解固废堆弃导致的土地占用和环境污染等问题。

　　生料替代技术是水泥制造业实现工业过程温室气体深度减排的关键，但替代生料存在含水量高、产地分布集中、成分可控性差等制约因素，导致部分技术难以在全区域、全行业大范围推广，需要加强替代生料的区域化可用性并拓展可利用的非碳酸盐钙质原料类型。熟料替代技术进一步降低熟料系数的空间有限，而新型低碳水泥仍受限于市场规模、研发成本、工艺要求等制约因素；水泥功能性替代技术尚处于实验室研发阶段，原料来源复杂导致低碳胶凝材料凝结硬化过程可控性较差，针对不同来源的原料配制出性能相对稳定的低碳胶凝材料，是未来技术推广需要解决的关键问题。典型原料替代技术的碳减排潜力、协同环境效益及推广制约因素如表1所示。

　　在熟料煅烧过程因煤等化石燃料燃烧造成的CO2排放约占碳排放总量的35%左右，利用低碳/零碳燃料完全或部分替代煤作为热源，可实现水泥制造能源活动碳排放的大幅削减，该类技术通常根据煤燃烧情景作为减排量核算的对比基准。根据替代燃料的来源，可分为清洁（零碳）燃料替代技术和衍生燃料替代技术。

　　清洁燃料替代技术旨在利用低碳可再生能源（生物质、氨等）对传统化石燃料进行替代，从而减少熟料煅烧过程中因能源活动造成的CO 2 排放，现阶段主要清洁（零碳）燃料有生物质燃料、氨、氢等。

　　生物质燃料泛指由生物质萃取的固体、液体或气体燃料，具备碳中性的特点，是全球公认的“零排放”绿色能源。相较煤炭，生物质燃料生产水泥可以降低15%~25%的碳排放，现阶段中国主要的水泥生物质替代燃料有秸秆、稻壳和木材废料等。秸秆燃料替代技术可实现40%的燃料替代率，单位水泥熟料降低约108kg的CO2排放，并且显著减少NOx、SO2、有害废气和废渣的排放。掺氨水泥生产技术采用绿氨作为水泥生产的替代燃料，理论上煤炭替代率可达20%以上，生产过程中SO2排放降低。氨作为储氢介质燃点高，同体积下液氨所含氢元素是液氢的1.6倍，是全球目前热门的无碳可循环燃料。氢能技术理论上可以例替代燃煤，甚至实现能源活动CO2的零排放，替代比例达到20%时，可使吨熟料的碳排放降低约32%，目前国际上知名水泥公司均在大力发展氢能技术，但尚无工业示范级别的应用。

　　衍生燃料替代技术利用含能废物替代化石燃料，降低水泥生产的燃煤使用比例，并避免焚烧/填埋等传统废弃物处置造成的温室气体排放，达到减污降碳协同效果。 常见的水泥衍生燃料有生活垃圾、废轮胎、混合工业废料等。

　　垃圾衍生燃料技术将生活垃圾和各种工业废弃物经适当的预处理制成废弃物衍生燃料（refuse derived fuel，RDF），替代传统化石燃料实现CO2减排，该技术实施前后单位熟料的碳足迹相差10.65kg的CO2 eq（二氧化碳当量），降低约1.38%的碳排放，生产过程中SO2、NOx和PM的排放明显降低，且可以将垃圾燃烧产生的二噁英等有毒残留物固定到熟料当中。轮胎衍生燃料技术可实现10%~30%的化石燃料替代率，废旧轮胎的热值约为30~37MJ/kg，热值较煤炭高且单位热值CO2排放低，氮氧化物的排放及灰分中的重金属含量降低，且该技术的生产线改造成本相对较低，发达国家水泥行业绿色转型过程中应用广泛。

　　清洁（零 碳）燃料替代技术在碳减排潜力和协同环境效益方面具有明显优势，且符合中国构建低碳高效能源体系的战略规划，但现阶段该类技术普遍处于基础研究阶段且替代燃料的比例有限，部分替代燃料属于危险化学品且制造成本昂贵，需要兼顾低成本零碳燃料开发并进行匹配零碳燃料的流程改造，以实现100%替代传统化石燃料。 衍生燃料替代技术较发达国家50%以上替代比率存在一定差距，当前中国衍生燃料存在成分复杂、热量替代率低等问题，部分衍生燃料会引起熟料中ZnO含量增加，导致水泥强度降低，建立完善的衍生燃料收储体系，加快高品质预处理技术的研究以推进衍生燃料高值化利。