高长明：水泥工业实现碳中和的模拟推演与研讨

  一、前言

  为了积极应对全球气候变化的严峻形势，保护人类的共同家园——地球村，许多负责任的国家都制定了实现碳达峰与碳中和的规划，宣布了相应的庄严承诺。欧盟在上世纪90年代已达到碳峰值（45亿吨/a），2019年已承诺2050年将实现碳中和。美国2007年达到碳峰值（59亿吨/a）。我国最近宣布，将在2030年前达到碳峰值，力争在2060年前实现碳中和。

  2019年欧洲水泥协会Cembureau已宣布，其所属的水泥企业2030年将使其吨水泥的碳排放降到472 kgCO2（2019年是590 kgCO2）。2020年德国海德堡Heidelberg水泥集团以及瑞士拉法奇豪瑞LH水泥集团已成立了专门的基金委员会，保证届时完成上述承诺。紧接着墨西哥Cemex、巴西Votorantim、爱尔兰CRH、意大利Italcementi和Buzzi Unicem等知名水泥集团也都纷纷响应，发布了各自相应的承诺。

  连续荣登2018和2019年度世界水泥企业7强榜（TOP 7）前列的我国海螺水泥集团和中国建材集团也应加紧部署，做好有关碳达峰、碳中和各方面的规划工作，尽快向国家和世界表明各自的担当。我国水泥工业更要努力向世界一流水泥强国迈进，履行相应的国际责任和义务，表明我国的承诺和立场，为世界水泥工业实现碳中和做出贡献。2021年2月，中国建材联合会向全行业发出《推进建材行业碳达峰、碳中和行动倡议书》，其中提出水泥行业要在2023年前全面实现碳达峰。这是一个良好的开端，更重要的是在于实际行动，希望全国水泥行业积极响应这个倡议，砥砺奋进身体力行，早日实现碳达峰、碳中和。

  碳中和联盟是联合国发起，由承诺在2050(或2060)年达到碳中和的国家所组成。目前签署加入该联盟的国家占全球经济总量和温室气体排放总量均为65%。联合国希望在2021年11月召开COP26以前能将这个数值扩大到90%。号召G20、世界主要碳排放国家和行业必须身先士卒，形势严峻，各方协力共同应对全球气候变化问题的实际行动迫在眉睫。

  水泥工业的碳排放，在全球人为二氧化碳排放中占7%，在全球工业排放中占12%，份额较大。无论从企业碳核算ISO 15014064标准或者从产品碳足迹ISO 15014067标准来衡量。水泥工业在重化工产业中确实是碳排放名列前茅的行业。因而在这场争取早日实现碳中和的全球共同行动中，水泥工业的作为备受世界各界的极大关注，压力较大。我们应该本着勇于担当的精神，努力承担并完成实现碳中和的艰巨历史使命。

  2019年初，欧洲水泥协会Cembureau承诺，欧洲将在2050年实现碳中和。其主要技术途径就是联合国3大机构分别在2009年和2018年发布的两个水泥工业低碳转型路线图报告中提出的四大措施:

  1. 推广替代燃料RDF的应用，实现全行业热量替代率TSR达100%；

  2. 推广应用低熟料含量的CEM II/C、CEM VI（32.5）水泥以及各种低碳含量的胶凝材料SCM，少用高标号水泥，降低熟料系数CF，降低熟料热耗，减少二氧化碳的“直接“排放；

  3. 降低水泥综合电耗，减少二氧化碳的”简接“排放；

  4. 改进完善使之能经济实用的推广应用的碳捕集利用CCS/U技术。2019年5——6月间，全球水泥与混凝土协会GCCA、世界水泥协会WCA也相继发布了内容与其雷同的路线图，兹不赘述。

  笔者预测水泥工业，欧洲或许在2050年前将率先达到碳中和。 我国现已接近碳峰值(预测为2023年达峰值14.5亿吨/a），2050年有望实现碳中和。乐观的估计，全球水泥工业可能在2070年前实现碳中和，但其不确定性较大。

  本文将对我国和欧盟水泥工业进行碳中和模拟推演，分析研究减碳工作的重点和难点，明确主攻方向和目标，提高减碳效率，以利早日实现水泥工业的碳中和。

  二、水泥工业二氧化碳排放的基本原理与数据

  众所周知，硅酸盐水泥（OPC）熟料的碳排放是最高的，各种不同标号的水泥，随着其中混合材掺入量的增加，熟料系数CF的下降，水泥的碳排放量也呈下降之势。如表1和表2所列。

表1: 熟料及各种不同标号水泥的碳排放 kg CO2/t.cl. (或kgCO2/t.c.)

表2: 中国吨水泥加权碳排放量kg CO2/t.c. (计算值）

  因为现今我国32.5水泥的占比高达55%，熟料系数CF低到0.65。加之我国许多水泥厂都是近10年来新建的大型厂，技术装备较先进，单位熟料和单位水泥能耗都较低。而欧盟32.5水泥的占比仅为22%，熟料系数CF为0.75，而且还有不少二、三十年前的老水泥厂。故其熟料和水泥单位二氧化碳排放量都比我国的偏高。全球水泥工业的情况更是这样。

  熟料煅烧过程中。其中占生料组成80%以上的石灰石原料中的碳酸钙(CaCO3)将分解排放二氧化碳(CO2) 520——550 kg/t.cl.，视生料的组成及各种原料化学成分的不同而异。本文将取用其中位值535 kg/t.cl.。这就是所谓的“工艺“CO2排放。水泥窑的燃料（煤炭）燃烧时所产生的二氧化碳则称之谓“燃烧”CO2排放。这两项“工艺”和“燃烧”所产生的二氧化碳统称为“直接”排放。水泥生产过程中所消耗的全部电能，折算成火力发电厂生产等量的电能须要燃烧相应数量的煤所产生的二氧化碳kgCO2/t.c.则谓之“简接”排放。这两项“直接‘和“简接”排放之和就是水泥厂的二氧化碳排放总值。因而全行业吨水泥的碳排放量是与各种标号水泥消费占比、熟料系数CF、替代燃料的热量替代率TSR、熟料热耗、水泥综合电耗，甚至与发电厂的效率以及煤炭的质量等诸多因素密切相关的。为了便于对比，表3——表6中所有数据均已折算成全行业吨水泥的碳排放值kgCO2/t.c.。

  本文采用模拟推演的方法计算出各种碳中和状态下吨水泥碳排放kgCO2/t.c.数值，供业界同好参考探讨。

  三、我国水泥工业碳中和的模拟推演

  我国水泥工业实现碳中和的模拟推演结果,如表3和表4所列。这里列举了理想和假设两种状态下的碳排放与碳中和数据，以资比较鉴别。

表3: 中国水泥工业实现碳中和的模拟推演

注：① 这是科学合理的状态，也是笔者设计推荐的状况。

② 这是假设取消全部32.5水泥并向高标号化发展的状态。

表4: 中国由现状转型为两种碳中和状态的推演。

注：① 这是科学合理的状态，也是笔者设计推荐的状况。

② 这是假设取消全部32.5水泥并向高标号化发展的状态。

③ 从水泥构筑物建成—使用--拆除--废弃混凝土再利用整个产业链的全生命周期按100年计。

  前提、阐述与观点：

  1）本文的前提是：在现今预分解窑水泥技术体系的大范畴内，假定某一种颠覆性生产工艺创新技术体系尚未实际应用(如果有所萌芽的话)的条件下进行推演。

  2）我国目前平均熟料热耗770 kcal/kg.cl.与平均水泥综合电耗88 kWh/t.c.处于国际较先进水平。模拟达到碳中和时，两者分别将降低到600 kcal/kg.cl.和70 kWh/t.c。这已十分接近在上述前提条件下实际可能达到的最低值了。

  3）在未来的15——20年之内，我国替代燃料RDF的TSR从现今的5%上升到100%，应该是完全可以实现的。这样就可以完成23.2%的减排任务（表4）。实际上这项减碳措施我国已经正在积极推进之中，前景可期。

  4） 我国目前余热发电对全行业减碳的影响很小，仅为1.5%（按平均吨熟料余热净发电量31 kWh, 余热发电普及率70%计）。而且日后达到碳中和时，熟料热耗将降到600 kcal/kg.cl.，水泥窑可用于发电的余热锐减。届时余热发电的因素或可基本上忽略不计，故在推演中对其减碳功能未于计入。

  5）我国现今32.5水泥占比太高，应由55%下调到30%为宜。相应的熟料系数CF将从0.65上升为0.70。

  6）我国从现状转型为假设状态下的碳中和时，在其他条件相同的情况下，因其全部取消了32.5水泥，52.5水泥占比上升到30%，熟料系数CF上升为0.85，全行业吨水泥的碳排放由576,8 kgCO2/t.c.上升为660 kgCO2/t.c.，增加了81.2 kgCO2/t.c.。结果是非但未能减碳，反而增加了碳排放18.6%，CCS/U的减碳任务陡增到66.7%（表4）。

  7) 现今我国水泥工业碳排放最主要源于”工艺”排放（表3），占60%（347.8/576.8）：其次是“燃烧“排放，占30%（178.8/576.8）；”简接“排放最少，占10%（50.2/576.8）。削减”工艺“排放的途径主要是，研发并适当推广应用低标号水泥以及各种低碳含量的胶凝材料SCM。例如国际上正在加紧研发应用的Solidia水泥、LC3煅烧粘土水泥、铁(硫)铝酸盐CFSA水泥、低钙Belite水泥、活性氧化镁Navocem水泥、低碳Aether水泥、Persal(BCSA)水泥、碱激发地矿胶凝材料Geopolymers, 等等。因为这一类新型胶凝材料国际上仍在试验应用之中,尚不很成熟，更未列入正式规范或标准。又因这种技术在我国几乎接近空白，或者只是凤毛麟角。故本文推演中暂不考虑这项因素的影响。然而，随着时间的推移和技术进步的发展，这方面的减碳空间和潜力，我国必须要有足够的远见，与时俱进，彻底纠错“平反”对低标号水泥不科学的歧视性说辞，现在更要不失时机的部署相应的研发工作，特别要警惕防止在国际竞争中被扩大差距而“掉队“。

  8）我国水泥工业要在2050年达到碳中和，加紧研发改进完善使之能经济合理的采用CCS/U技术是不可或缺的措施。而且它必须要承担总量51%的减碳任务才行（表4）。CCS/U在我国基础较弱，刚起步，所以必须加大投入，抓紧研发完善。力争2040年能经济合理的投入实用。同时我们应该认识到，CCS/U是一种兜底的措施，其承担的减碳占比不宜太大。水泥工业的碳中和应该依靠自力更生，以自我减碳为主。

  9) 国际实践业已充分证明，利用混合材深加工和混凝土外加剂等多项最新技术，等量的32.5水泥（CEM II/C, CEM VI）所制备的混凝土具有与42.5水泥制备的同样性能而毫不逊色，但其每立方混凝土的碳排放却比42.5水泥的减少20%。 我国应该充分认识到这一新动向的苗头和潜力，加紧这方面的研发工作，决不能“自废武功”，主动放弃这一个重要的国际竞争领域。

  四、欧盟水泥工业碳中和的模拟推演

  表5和表6列举了欧盟水泥工业现今的基本状况以及模拟碳中和的推演结果。

表5: 欧盟EU27 水泥工业实现碳中和的模拟推演

表6： 欧盟由现状转型为碳中和状态的推演

注：①从水泥构筑物建成—使用==拆除--废弃混凝土再利用整个产业链的全生命周期按100年计。

  比较表3表4和表5表6的数据可知，我国和欧盟水泥工业碳排放、碳中和之间的主要差别为：

  1）我国现今在熟料系数CF、熟料热耗和水泥综合电耗方面都较低。故吨水泥的碳排放也较低。但总体上我国与欧盟的差别不大，585.3-576.8=8.5kgCO2/t.c.，占总量仅1.5%（表5和表3）。

  2）我国现今替代燃料TSR太低，仅5%，而欧盟TSR已达50%，德国为72%，从而在碳排放方面弥补了其热耗电耗较高的弱点。

  3）欧盟在低碳含量胶凝材料 SCM和CCS/U领域的研发采用工作比我国领先一步，已经积累了一些经验教训，也有若干初步成果，正在改进完善阶段。而我国在CCS/U方面刚起步，在低碳含量胶凝材料 SCM方面几乎是空白。所以应该加大投入，重视加强这两方面的研发完善推广应用工作。

  4）国际上有几位专家对欧盟水泥工业的碳中和也进行过模拟推演。其结果一致认为，CCS/U 必须承担42%的减碳任务才能在2050年实现碳中和。而笔者推演的结果是48.8%（表6），高出他们的约6个百分点，估计是他们适当计入了各种SCM的减碳功能之故。还有就是我国水泥窑余热发电的1.5个百分点的减碳功能未计入，而这在欧盟原本就应用极少的。然而无独有偶，最近GCCA水泥部主席Ms. Claude Lorea在一个报告中提出的该数据为48%，恰巧与笔者的48.8%，不谋而合。

  五、结语

  应该强调指出，水泥工业的碳中和问题。首先，这完全取决于整个国家政治、经济、科技、制造、工业……等各方面的综合实力，没有整个国家的全面发展和足够强大的综合实力，以及全国各方面的综合协同行动，单独一个水泥工业想要实现碳中和是很不现实的。其次，这是一项十分艰巨复杂的大系统工程，要有几十年长期奋斗的思想准备，任重道远！对于我国这样的水泥大国而言则更甚！

  水泥工业减碳尚存有的最大空间和潜力在于“工艺“减排，因其占排碳总量的60%。所以从长远来看，最终的发展趋势将是：从大量采用碳酸质（钙质）原料逐渐向釆用硅酸质、铝酸质、铁硫铝酸质（硅质、铝质、铁质）等原料转移：从采用较高标号水泥制备高强高性能混凝土逐渐向采用较低标号水泥或低碳含量胶凝材料SCM制备高强高性能混凝土转移；从主要依赖CCS/U技术(占40%——50%)逐渐向自力更生，自我减碳为主(CCS/U占20%)转移。

  主要参考文献

  1.WBCSD, IEA,CSI: Technology Roadmap: Low-Carbon Transition in the Cement Industry. March 2018

  2.VDZ: Environmental Date of the German Cement Industry. Feb.2019

  3.VDZ: Decarbonising cement and concrete: A CO2  roadmap for the German cement industry. March 2020

  4. Cembureau: Cementing the European Green Deal-Reaching climate neutrality along the cement and concrete value chain by 2050. May 2020

  5. Stripple, H., et al: CO2 uptake in cement-containing products – Background of calculation module for IPCC implementation. IVL Swedish Environmental Research Institute. 2018

  6.ONESTONE CONSULTING LTD.: Cement Industry Challenges in the new decade. ZKG Jan. 2021 P.18-27

  7.Chang-Ming Gao: China’s path to green growth. ICR March 2021 P.19-21

  8.VDZ: German cement industry on course for a carbon-free future. ZKG Jan.2021 P.6