引言

水泥是重要的基礎原材料，在社會經濟建設中有著重要的作用，2021年世界水泥產量約為42.8 億噸。水泥生產需要消耗大量的石灰質原料和化石燃料，單位產品二氧化碳排放平均約為610千克，由此也可推算出2021年世界水泥行業產生二氧化碳排放接近26億噸，約為人類生產活動相關的二氧化碳排放量的7%。從全球多個國家經濟發展狀況來看，水泥產量仍有一定的增長潛力，未來幾年內水泥生產的碳排放量占全球碳排放量的比重仍會呈上升趨勢。碳減排是水泥行業綠色、可持續發展的必由之路，也是水泥行業面臨的機遇和挑戰。

亞洲地區大多為發展中國家，近幾十年來水泥產量持續快速增長，尤其是中國和印度，兩國水泥產量約為世界水泥產量的63%。

2021年中國水泥產量24億噸，熟料產量18億噸，基本與2013年持平。中國為世界第一水泥生產和消費國，產量占世界總產量的56%左右，但近幾年來產量基本穩定在24億噸左右，表明其產能已經達到了峰值。有調研分析表明，中國噸水泥生產二氧化碳排放約為560千克，水泥行業產生的二氧化碳排放約為13.4億噸。從技術層面分析，中國水泥生產企業全部采用了以預分解窯為核心的新型干法生產工藝技術，并配置低溫余熱發電減碳設施，整體處于國際先進水平；主要供能燃料為煤炭，生物質和垃圾衍生燃料的占比為2%左右。

為實現“雙碳”目標，中國建筑材料聯合會發布《推進建筑材料行業碳達峰、碳中和行動倡議書》，提出中國水泥行業要在2023年前率先實現碳達峰，具體的碳減排路徑及技術措施則包括：(1)去產能，中國政府實行供給側改革去除產能過剩。產能置換是推動水泥行業供給側改革的重要手段，也是淘汰水泥落后產能以減少能耗和碳排放有效方法；(2)替代原料，采用電石渣、鋼渣等高氧化鈣廢渣替代石灰質原料，進而減少生產過程二氧化碳排放；(3)替代燃料，利用生物質燃料、工業廢棄物替代化石燃料，推廣使用水泥窯協同處置廢物技術；(4)進一步提高既有工藝技術的能效水平，實現生產企業“兩化”融合；(4)大力發展和利用新能源，充分利用風力發電和光伏發電技術，積極開發新型燃燒工藝技術；(5)研究和開發二氧化碳捕集和利用(CCUS)技術。

淘汰落后產能是中國水泥行業與其他國家水泥行業的一大區別，主要原因在于中國的水泥需求已接近峰值，預計未來會呈逐步下降趨勢。中國的政策引導水泥企業整合產業鏈，淘汰落后贅余產能，優化資源和技術配置，使優化后的產業鏈效率更高，水泥單位產品二氧化碳排放量也會逐步下降。在原料替代方面，中國水泥企業較為重視使用電石渣、鋼渣等高含氧化鈣材料作為石灰石替代，以實現水泥生產過程碳減排。中國各工業門類齊全，高含氧化鈣工業副產品或廢棄物產出量大，通過水泥生產綜合利用，可獲得多重的經濟和環境效益。在替代燃料方面，中國水泥企業物質和垃圾衍生燃料的平均使用率較低，通過政策引導和技術革新(如：水泥窯協同處置廢物技術)，替代燃料在未來水泥生產過程中具有較大減碳潛力。在能效技術方面，中國水泥企業在新技術的研發和應用上更為積極，新型干法工藝和余熱利用方面處于領先水平，特別是近期實施的“兩化”融合戰略，也有利于生產工藝技術和管理水平的提升。在二氧化碳捕集和應用方面，有中國水泥企業也正積極嘗試應用，可為未來規?；瘧梅e累技術和經驗。

2021年印度水泥產量約為3億噸，產量居世界第二，占世界水泥總產量的7%左右。水泥工業二氧化碳排放約1.75億噸，占全印度總碳排放量的8%。噸水泥生產二氧化碳排放量約為565千克。印度擁有一些比較先進的水泥廠，新建水泥廠大都采用預分解窯，主要供能燃料為煤炭占95.3%，石油占1.3%，生物質燃料和工業廢棄物占比約3.4%。

印度的城市化率為34%，人均水泥消費僅有209千克/年。印度水泥需求結構中，房地產約占67%，商業化建筑占11%，基礎設施建設約占13%其余工業建筑需求占9%。

印度水泥行業的總體減碳目標是在2030年碳排放減少到2005年的33%~35%，燃料替代率達到30%，可再生能源發電占比達到100%，在2050年噸水泥生產直接二氧化碳排放降低到350千克，并通過CCUS技術應用基本實現碳中和。

2013年印度水泥行業研究制定了低碳發展路線圖、并于2018年進行了更新，主要的技術措施包括：(1)采用節能措施和設備進一步提高熱能效率和用電效率；(2)建立和采用高效余熱回收系統；(3)大力采用替代原燃料技術；(4)降低水泥熟料系數，推廣應用混合水泥和低碳水泥；(5)研發采用創新型技術，例如，礦化劑使用、碳捕集利用等。

北美地區僅有美國和加拿大兩個發達國家、國情基本相同，但與亞洲國家區別較大。

2021年美國水泥產量約為8500萬噸，其中波特蘭水泥產量約8300萬噸，砌筑水泥產量約200萬噸，產量占世界總產量的2%左右，水泥行業二氧化碳年排放量約為6400萬噸，噸水泥二氧化碳排放量約為750千克。美國水泥行業工藝技術發展相對比較滯后，水泥廠主機設備大部分靠進口輸入，部分水泥生產窯爐設備老舊，熱效率較低，主要供能燃料為煤炭和石油焦占60%，天然氣約占22%，其他燃料為生物質燃料、替代燃料等。

美國城市化率已達到80%以上，水泥消費結構是預拌混凝土占70%~75%，混凝土產品占10%，建筑占8%~10%，其他占8%~12%。美國各大水泥集團以水泥產業為中心，上下游產業鏈配套完善，水泥集團大多都擁有自己的原料處理基地及一定規模的骨料生產基地、水泥生產工廠、合理布局的混凝土攪拌站和水泥配送終端，從水泥生產原料供應到水泥成品多渠道銷售各環節都有一定的保障。

美國水泥行業的總體目標是在2050年前實現碳中和，2030年減碳目標是替代原料率6.8%，替代燃料率20%，能源效率達到3.69GJ/t水泥熟料，熟料系數0.85；2050年減碳目標是替代原料率10%，替代燃料率50%，能源效率達到2.95GJ/t水泥熟料，熟料系數0.75。為此，美國波特蘭水泥協會(PCA)也提出了相應的碳減排路線圖，近期是提高能效，采用回收的廢棄物替代原料，生產低碳水泥混合材料，優化設計實現生命周期內最低排放；中期是增加替代燃料和可再生能源的使用；遠期是碳捕捉和引入新的水泥基材料。

美國現有水泥廠大部分比較老舊，水泥生產的熱能效率和電效率均較低。近年來一些水泥廠升級為預分解窯工藝技術裝備，提高了能源效率，并且增加了工業廢棄物替代燃料的使用，降低了單位產品碳排放強度。目前單位熟料熱耗為3.768GJ/t，單位水泥電耗為134kWh/t。美國水泥生產原料替代率為5%，燃料替代率不高，其種類主要是一些生物質能。由于水泥熟料系數大于0.9，熟料是水泥生產的主要碳排放源，新開發的波特蘭石灰石水泥(PLC)允許石灰石在水泥中的添加量為15%，而普通波特蘭水泥要求石灰石的添加量不超過5%，可見推廣應用波特蘭石灰石水泥有助于降低單位產品二氧化碳排放。在CCUS技術應用方面，一水泥公司擬建設運營一個小型商業化工廠，將捕集到的二氧化碳轉化為低碳輔助膠凝材料。

加拿大水泥年產量長期維持在1200萬噸至1500萬噸之間，水泥行業二氧化碳排放約900萬噸，噸水泥二氧化碳排放約為670千克。加拿大水泥行業集中度較高，豪瑞水泥等跨國公司的產能占比為81%。加拿大水泥出口美國，但隨著美國水泥消費量的減少，出口量也隨之降低。

加拿大水泥工廠單位水泥熟料熱耗為3.695GJ，單位水泥電耗為139kW。加拿大水泥行業的總體減碳目標是：到2030年二氧化碳累計減排量為1500萬噸，此后每年減少400萬噸，2050年實現凈零排放。加拿大水泥協會(CAC)提出了水泥生產凈零排放技術路線圖，也包括提高水泥生產的能源效率、低碳水泥、替代燃料技術、二氧化碳捕集和利用以及重要科技創新等幾個方面。

水泥生產企業已開始生產波特蘭石灰石水泥(PLC)和混合水泥，以降低熟料系數，每年減少近300萬噸的碳排放。加拿大水泥行業正致力于新型的替代燃料的使用，包括新型生物燃料、清潔氫能和電氣化等。加拿大水泥行業二氧化碳捕集和應用也在積極推進過程中，例如，Lehigh Hanson 水泥聯合中國中材節能公司對全面的碳捕獲系統進行了一項可行性研究，該系統可以從其埃德蒙頓水泥廠的煙氣中捕獲高達95%的二氧化碳；拉法基加拿大公司在里士滿水泥廠安裝煙氣預處理系統，為隨后的碳捕集利用提供技術支撐，同時將捕獲的二氧化碳注入到水泥混凝土中的技術作為試點推廣。

歐洲地區國家較多，但水泥生產大多被一些跨國公司壟斷，包括瑞士豪瑞、德國海德堡、愛爾蘭老城堡等。基于歐盟的統一市場機制，這些水泥生產企業集團也獨自承擔著碳減排的工作任務，歐洲水泥工業協會(CEMBUREAU)也制定出臺了水泥行業碳減排路線圖。

歐洲水泥工業協會成員包含33個國家的水泥生產企業，年水泥產量約為2.4億噸、二氧化碳排放量約為1.5億噸；協會于2013年提出的碳減排路線圖目標是到2030年二氧化碳減排30%、2050年二氧化碳減排80%。歐洲水泥工業每噸水泥二氧化碳排放量約為667千克；為進一步降低碳排放，協會提出使用脫碳原料、提高熱效率、碳捕集利用等類似方式。歐洲水泥工業的替代燃料占比已接近50%，其中生物質燃料占比16%，并要求在2050年替代燃料達到90%以上，包括50%的生物質燃料。具體的減碳技術措施有如下幾個方面：在水泥生產過程中，通過廢棄物分揀等方式獲取和和利用更多的脫碳原料和替代燃料，通過技術改造提高生產能效，開發新型低碳熟料，嘗試應用氫能和電氣化技術，大力推進二氧化碳捕集和應用技術，采用更多的混合材、以降低水泥中熟料摻量，以及在混凝土建筑施工過程和建筑環境中吸附捕集二氧化碳。預計在2030年噸水泥二氧化碳排放量可降至472千克，到2060年實現水泥生產零碳排放。

在歐洲水泥協會制定的碳減排路線框架下，瑞士豪瑞水泥提出了碳減排三方面內容。原燃料應用產生的直接二氧化碳排放占水泥生產總排放約75%，通過原燃料替代、低鈣熟料及低熟料水泥生產、建筑材料及建筑環境固碳、二氧化碳捕集和利用，在2030年可將直接二氧化碳排放降低至475千克/噸；電力消耗產生的間接二氧化碳排放占水泥生產總排放約5%，物流等其他能源消耗產生的間接二氧化碳占水泥生產總排放約20%，在2030年可通過社會面上新能源利用等技術措施將間接二氧化碳排放降低至13千克/噸和20%；而到2050年則實現水泥生產完整產業鏈的零排放。

德國海德堡水泥在2020年替代燃料用量為26%、水泥熟料系數為74%，噸水泥二氧化碳排放576千克，通過替代燃料應用和提高能效、優化窯爐系統和降低水泥熟料系數、提升二氧化碳捕集和應用、促進循環經濟和創新產品開發，預計在2025 年和2050年噸水泥二氧化碳排放分別降至525千克和500千克以下；再通過未來新產品、新工藝、新技術的開發應用，實現水泥生產二氧化碳零排放。

愛爾蘭老城堡水泥提出的減碳技術則包括(1)替代燃料技術：目前替代燃料率平均為30%、最高已達到60%；(2)熟料替代技術：充分利用石灰石粉、粉煤灰等資源，生產II型高混合材摻量的復合水泥；(3)針對水泥生產工藝過程，研究制定和應用“最佳可獲得技術”，目前噸水泥熟料燒成熱耗已下降至3300MJ，水泥生產電耗也有顯普下降。

(1)應對氣候變化是世界各國共同帶有區別的責任；水泥行業二氧化碳排放量較大，減少碳排放是行業發展面臨的緊迫任務；目前，發展中國家水泥生產有的已經接近碳達峰、有的還有較大量的增加；發達國家水泥生產產能和二氧化碳排放量已基本鎖定，技術減排的任務巨大。

(2)現階段水泥生產二氧化碳減排技術主要包括替代原燃料、工藝設備能效提升、水泥混合材的大摻量應用；隨著科學技術的發展，未來一段時間內新能源利用、新工藝技術裝備研發、新型低碳水泥開發和全新的二氧化碳捕集和利用技術必將為水泥生產零碳流程再造提供強有力的技術支撐；

(3)中國是水泥生產大國，但單位產品二氧化碳排放相對較低，隨著“雙碳”目標的推進和減碳技術的應用，水泥行業也必將迎來大幅度碳減排的重大變化，進而實現水泥行業綠色、可持續發展，為國家社會經濟建設和應對氣候變化作出更大的貢獻！

作者：張忠圓，付神進

所屬：新天山水泥股份有限公司

來源：《中國水泥》

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