陶從喜：水泥工業“3C”碳中和技術與實踐探索
近日，華潤建材科技控股有限公司首席專家陶從喜在
召開的“2024第十三屆中國水泥產業峰會主論壇暨TOP100頒獎典禮”上為大家分享了水泥工業“3C”碳中和技術與實踐探索。
陶從喜主要從水泥工業碳排放現狀、國內外碳減排技術路徑、水泥工業“3C”碳中和技術、水泥工業“3C”碳中和實踐案例等幾個方面進行了詳細分析。
1、水泥工業碳排放現狀
近年來，中國承諾2030年實現碳達峰、2060年前實現碳中和，并從中央到地方制定了一系列政策。中國水泥碳減排迫在眉睫！
從量上來看，中國水泥產量會逐漸下降，世界水泥產量反而逐漸上升，第三世界國家產量明顯增加。近十年在22-24億噸上下波動，進入平臺期。中國水泥工業進入平臺期，隨著國家碳中和到來，未來水泥供給量將逐漸下降進入綠色低碳經濟時代。
但中國水泥碳排放強度高。國家發改委要求“中國2025年水泥行業能效標桿水平以上的熟料產能比例達到30%”。而在2020年，水泥行業能效優于標桿水平的產能僅占5%。2022年水泥工業排放CO2約13.2億噸，約占我國工業排放總量的13%。所以，中國水泥行業碳減排刻不容緩。
2、國內外碳減排技術路徑
國際技術路徑：
從歐洲水泥協會得知：2050年水泥工業碳中和之路——基于全產業鏈的減碳技術路線。2030年實現熟料減碳61kg；水泥減碳35kg；混凝土減碳28kg；建筑減碳71kg。2050年實現熟料減碳160kg；水泥減碳117kg 混凝土減碳59kg；建筑減碳51kg。
國際能源署IEA要求2050水泥工業低碳路線圖——基于水泥工藝的減碳技術路線。提高水泥生產效率和能源效率，減碳約3%；替代燃料技術（協同處置等），減碳約12%；降低熟料系數（混合材替代熟料），減碳約37%；碳捕集與利用技術，2030年減碳13%，最終達到減碳48%。
德國海德堡水泥圍繞著CO2減排、碳捕捉與存儲(CCS)、 CO2再利用(CCU)三大目標方向，形成從原料、技術到產品的全價值鏈布局。
2020-2030年通過提高能源效率、使用替代燃料原料和新粘合劑減少熟料碳排放強度；通過使用具有低碳排放的熟料、優化混凝土配比新水泥種類減少水泥和混凝土碳排放強度；與此同時再應用碳捕集和利用項目（CCUS）進行工藝集成二氧化碳捕集、再生混凝土的再碳化、循環經濟中二氧化碳的使用和工業規模新技術推廣。
2030-2050年繼續提高能效、替代水泥材料、增加低碳/零碳產品、使用氫氣作為燃料和窯電化、支持新技術的長期研發。最終在2050年實現碳中和。
國內技術路徑是基于中國水泥高位產量下的降碳思路。根據模型推演，2060年中國水泥工業要實現碳中和，水泥產量應控制在7.5億噸以下；但依據中國社會經濟發展需求，2060年中國水泥產量還將維持在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
生產系統節能減碳：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：建立評價體系（標準）與碳匯（交易）
在中國與國際水泥能耗對標中發現，立足技術現狀，進一步提高能效空間有限，已處世界先進水平；熟料系數優于國際目標值，大幅度降碳空間“有限” 。鼓勵發展替代原燃料技術及裝備，從能源消耗上降低碳排放！鼓勵發展新型能源技術及裝備，從能源結構上降低碳排放！鼓勵發展低碳水泥混凝土技術，從材料及應用降低碳排放！
3、水泥工業“3C”碳中和技術
“3C”碳中和技術，即源頭低碳、過程減碳、末端去碳。該理論體系契合水泥生產礦山、水泥熟料燒成系統、粉磨系統、混凝土等產業鏈各個環節，制定節能減碳技術路線，系統解決行業降碳難題。
通過源頭控制、過程控制、末端控制三者結合，是水泥制造企業實現碳達峰、碳中和的重要途徑。
全產業流程下不同工藝節點的減碳路徑及能力如下：（以先進生產線836 kg CO2/t.cl為基準計算）
4、水泥工業“3C” 碳中和實踐案例
（1）源頭低碳實踐案例
原料替代案例1：多重固廢循環經濟產業園
技術路線-1：崗石污泥和邊角料作生料的開發及應用。崗石污泥和邊角料含有一定量的樹脂，預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。陽光堆棚預處理脫水及經過調配后，崗石污泥可替代12.5%的石灰石。
技術路線-2：濕煤渣作低熱值生料的開發及應用。 濕煤渣具有高鋁低硅的性質，預處理后作為生料硅鋁質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程中晶核作用，開展低能耗水泥生料配制技術，有利的促進熟料礦物的形成。
依托多重固廢一站式協同處置項目，華潤水泥申報的《工業固廢制備優質膠凝材料關鍵技術及其應用》獲得2021年度廣西科技進步一等獎。
原料替代案例2：廢渣利用
華潤JS：從水泥原材料出發，以黃磷渣、電石渣為例研究水泥行業碳減排方案，直接減少碳排放源。在利用廢渣后，2020年熟料標煤耗較2015年降低13.78 kgce/t.sh，目前系統標煤耗小于80kg.ce/t.cl（替代原料+替代燃料）。
燃料替代案例1：市政污泥協同處置
技術路線：“污水廠內干化+水泥窯焚燒”協同處置。污泥干化減量后利用水泥窯焚燒處置，大幅度節約填埋用地；無灰渣排放，實現礦物質和有機質100%減量化處置；重金屬穩定固化在水泥熟料礦物；高溫焚燒實現有機污染物全消解；配置廢水、廢氣處理工藝實現污染物的零排放。
燃料替代案例2：城鄉生活垃圾協同處置
華潤建材科技對協同處置的探索從未止步
HP基地旋迴爐示范項目：旋迴爐處置15——20 t/h RDF試燒試驗，分解爐喂煤可以降低40%以上；目前生產情況看對產量無不良影響，節煤效果優于其他協同處置熱工設備。
燃料替代案例3：輕質固廢。利用周邊資源，選用廢碎布、樹皮、燃料棒等多重輕質固廢作為替代燃料。
低碳熟料體系案例1：低品位石灰石生產高貝利特水泥
華潤CJ：優質石灰石資源枯竭，于是開發了一種綜合利用低品位石灰石制備優質通用硅酸鹽水泥的生產及控制方法，實現變廢為寶并降低能耗及碳排放。
低碳熟料體系案例2：多功能環保摻合料開發應用
華潤HSH：利用高鎂廢石、水淬錳渣、爐底渣等多種固廢，通過單形設計方法自主研發活性微粉，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℃；或直接開采硅灰石礦，不經煅燒。熟料結粒3——4cm。
新型能源案例1：綠色可再生能源
太陽能、風能零購電項目建設：零購電項目最佳運行方式為“自發自用，余電上網”。以6000tpd項目為例：光伏發電：光伏發電面積67049m2 ；25年年均發電8986MWh。風力發電：風機組10組；20年年均發電：93593MWh。總發電量：102579MWh。其中70%自用供電,剩余30%余電發電上網。總投資： 33108萬元；投資回收期：約11年。
新型能源案例2：綠氨燃料在水泥生產線替代煤炭
綠氨燃料作為水泥生產的替代燃料已應用于山東淄博東華水泥5000噸熟料生產線。該項目第一階段實現了6%的煤炭替代，同時還把水泥生產過程中產生的氮氧化物降到了50mg以下，第二階段實現煤炭替代率達20%。
新型能源案例3：氫能燃料在水泥生產線替代煤炭
氫能（部分）替代煤粉：噸熟料消耗約21kg H2，以5000tpd熟料生產線為例，年可減少碳排放約37萬噸；英國ETP 清潔能源技術指南：將在Tarmac and Hanson Cement測試氫能等替代燃料的應用。
（2）過程減碳實踐案例
過程減碳技術路徑分析重點從燒成系統、粉磨系統生產工藝及技術裝備優化，水泥減排助磨劑研發三個方面介紹“3C”過程減碳應用成效。
（3）末端去碳實踐案例
水泥工業屬于最難脫碳的行業，要實現碳中和需要大規模部署碳捕集、利用和封存(CCUS)項目！從中國已布局的CCUS項目來設計水泥工業末端去碳技術路徑，大規模碳利用是促進碳捕集商業化落地的直接手段。
總的來看，中國水泥行業碳中和路線依賴多種節能減排降碳技術相輔相成。水泥行業需持續開展工藝裝備能效提升、替代原燃料技術應用、清潔能源研究及應用，中遠期以碳利用（CCUS）為主。
低碳水泥發展總規劃：運用“3C”節能減碳理論，通過低碳技術、減碳技術、去碳技術三大減排路徑，將目前生產上排放的685 kgCO2/t水泥實現中和。
