數(shù)據(jù)顯示，2020年我國水泥產(chǎn)量23.8億噸，占全球水泥產(chǎn)量的50%以上，水泥及熟料產(chǎn)品產(chǎn)銷量連續(xù)多年位居世界首位。與此同時，水泥行業(yè)也是我國碳排放重點行業(yè)，占比達13%以上。因此，在碳達峰、碳中和愿景下，水泥行業(yè)如何進一步減污降碳、提質(zhì)增效已成為社會各界關(guān)注的焦點。

 

 

    和廢棄物的替代比例是減排重點

 

    水泥產(chǎn)銷量與國民經(jīng)濟和社會發(fā)展密切相關(guān)，其市場需求具有剛性。過去20年，我國水泥行業(yè)基本完成技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在節(jié)能降耗方面取得實質(zhì)性進展，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，進一步減排二氧化碳的潛力與彈性已十分有限。因此，水泥行業(yè)需應(yīng)用“顛覆性”技術(shù)，才能實現(xiàn)碳中和。

 

    目前，國家對通過碳交易市場購買排放權(quán)履行減排責任的企業(yè)有明確要求，其占比不能超過排放量的5%。因此，對水泥企業(yè)而言，要么從源頭控制和減少碳排放，要么壓減產(chǎn)能，才能滿足碳中和要求。目前，水泥行業(yè)要從源頭控制碳排放，除大規(guī)模大范圍運用生物能源等顛覆性技術(shù)外，沒有其他成熟且可行的技術(shù)路徑。

 

    水泥行業(yè)碳排放主要來源于熟料生產(chǎn)，一噸熟料排放約0.85-0.90噸二氧化碳，其主要原燃料是石灰石、砂巖、鋁鐵質(zhì)原料及燃煤。熟料生產(chǎn)中二氧化碳的50-65%來源于不可再生資源石灰石的分解，35%左右來源于燃煤。今后很長一段時期內(nèi)，預(yù)計難有經(jīng)濟可行、能大范圍大比例替代石灰石的原材料。因此，水泥行業(yè)從源頭控制、碳減排的重點是節(jié)約燃煤及提高原燃料和廢棄物的替代比例。實踐證明，以可再生生物能源替代燃煤是可行路徑。

 

    如歐洲某大型水泥集團在非洲實施的2000t/d水泥生產(chǎn)線及3000t/d水泥生產(chǎn)線中，生物燃料進入分解爐替代部分燃煤，替代率約20%；我國水泥行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)海螺樅陽水泥廠利用農(nóng)作物秸稈，在分解爐實現(xiàn)部分燃煤替代，日處理秸稈廢棄物200噸，理論上實現(xiàn)20%生物燃料替代燃煤。然而，由于運營機制不完善及缺乏生物燃料工程技術(shù)等問題，導(dǎo)致生物燃料供應(yīng)不上，上述項目實際運行替代率僅10%左右。

 

 

    目前，海螺垃圾氣化所得的生物燃氣、歐洲及我國生物燃料直接燃燒技術(shù)，由于燃燒溫度不夠、水泥產(chǎn)線物料平衡及生物能源專業(yè)化運營不完善等問題，生物燃料只在分解爐(900左右)嘗試替代部分化石能源，世界范圍內(nèi)尚未有水泥回轉(zhuǎn)窯生物能源替代燃煤的先例。

 

    因此，使用高溫生物燃氣(400以上，通過工業(yè)化熱解裂解生產(chǎn))在水泥回轉(zhuǎn)窯燃燒(達1700左右)，需解決的技術(shù)難題主要集中在回轉(zhuǎn)窯燒成溫度和水泥產(chǎn)線物料平衡等方面，這需要水泥企業(yè)及技術(shù)機構(gòu)與生物燃氣企業(yè)協(xié)同攻關(guān)，解決以下技術(shù)與經(jīng)營難題：

 

    在技術(shù)方案中，應(yīng)考慮使用高溫生物燃氣，并利用水泥熟料回收的熱量，預(yù)熱窯頭用于燃燒的空氣，以900二次風助燃空氣，提高回轉(zhuǎn)窯燒成溫度達1700左右。

 

    全面替代燃煤涉及水泥分解爐和回轉(zhuǎn)窯等水泥生產(chǎn)線的物料平衡，應(yīng)進行物料平衡再設(shè)計和水泥生產(chǎn)溫度場(帶)、生物燃氣及燃燒煙氣流與物料流再設(shè)計，以及氣固液相反應(yīng)和傳質(zhì)傳熱、工藝設(shè)備等再設(shè)計。

 

    此外，還需推動水泥企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營方式創(chuàng)新，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命；推動解決生物燃料工程技術(shù)、水泥行業(yè)價值工程技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)升級和效率提升，以及大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化運用等系列問題。

 

    其中，最重要的是，實現(xiàn)高溫生物燃氣在回轉(zhuǎn)窯1700燒成溫度的技術(shù)突破。此前，中科院廣州能源研究所所長吳創(chuàng)之團隊在深圳迪森華美的鋼鐵項目，成功實現(xiàn)敞開式推鋼加熱爐運用生物燃氣燃燒1300軋鋼，并穩(wěn)定運行3年的產(chǎn)業(yè)化突破。

 

 

 

    5月18日，國際能源署發(fā)布年度報告，提出了碳中和技術(shù)路線圖：2030年全球凈零排放中大部分二氧化碳減排量來自于當今實際可用的技術(shù)(現(xiàn)有技術(shù))，2050年近一半的減排量將來自目前仍處于演示或原型階段的技術(shù)(未來技術(shù))。

 

    報告明確提出，以CCUS技術(shù)(碳捕獲、利用與封存技術(shù))解決現(xiàn)有能源資產(chǎn)排放問題，如水泥等難以減碳的行業(yè)；支持迅速擴大低排放氫氣生產(chǎn)并從大氣中去除一些二氧化碳，在電力等無法輕易或經(jīng)濟地替代化石燃料的領(lǐng)域，在有限的可持續(xù)生物能源供應(yīng)無法滿足需求的地方，氫和氫基燃料將填補空白。

 

    人類對生物質(zhì)資源的能源化利用經(jīng)歷了三代技術(shù)，農(nóng)村傳統(tǒng)的燒火做飯取暖是第一代生物能源技術(shù)，能源利用效率平均13%左右；生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電或供熱是第二代生物能源技術(shù)，能源利用效率約30%；生物質(zhì)氣化是第三代生物能源技術(shù)，能源利用效率達85%左右。目前，第二代生物能源技術(shù)的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電與供熱產(chǎn)業(yè)正逐步退出市場，其催熟的生物燃料市場正讓位于第三代生物能源技術(shù)——生物燃氣技術(shù)。

 

    雖然IEA報告明確了CCUS技術(shù)可用于水泥等難以減碳的行業(yè)，海螺水泥也實現(xiàn)了CCUS技術(shù)突破，但真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化尚需時日。因此，水泥行業(yè)實現(xiàn)碳中和不能依靠不確定的CCUS技術(shù)。在風、光發(fā)電已實現(xiàn)平價上網(wǎng)的時代，我國約30億噸有限的生物質(zhì)資源不宜再被用于直接燃燒發(fā)電或供熱，應(yīng)用于生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展，并優(yōu)先用于水泥、鋼鐵等難以實現(xiàn)碳中和的行業(yè)。