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水泥碳达峰要构建“政产学研用金”大格局

发布日期:2023-02-01 15:44访问次数: 信息来源:散装中心

据中国建筑材料联合会近期发布的《水泥行业碳减排技术指南》,目前我国水泥熟料生产企业1200多家,水泥熟料生产线近1700条,生产能力约18.4亿吨。

据相关权威人士估算,2021年,全国水泥行业碳排放总量约为13.45亿吨,占全国碳排放总量的13%左右,是仅次于电力行业(40%)和钢铁行业(14%)的第三大碳排放行业。

水泥行业作为落实碳达峰碳减排的重点行业,节能降碳的压力较大。水泥行业能不能低位达峰如期达峰,关系到建材行业乃至整个工业领域碳达峰的全局。

工业和信息化部等四部门在联合印发的《建材行业碳达峰实施方案》中提出了“强化总量控制、推动原料替代、转换用能结构、加快技术创新、推进绿色制造”五方面15项重点任务,其中一个方面是推动原料替代。

推动原料替代将给推进水泥行业碳达峰碳减排带来哪些好处?我国低碳水泥发展现状如何?低碳水泥的科技研发在世界处于何种水平,取得了哪些应用成果?水泥企业在低碳水泥研发生产方面有没有积极性?终端用户市场对低碳水泥的接受度如何?如何才能更好地推动水泥行业的绿色低碳高质量发展?带着这些问题,《中国建材报》近日采访了中国建筑材料科学研究总院有限公司水泥科学与新型建筑材料研究院院长文寨军。

原料替代是显著降低水泥单位产品碳排放的必然选择

文寨军表示,水泥生产以石灰石为主要原料这一工艺禀赋,决定了其碳排放构成中原料碳(石灰石分解排放的二氧化碳)占很大比例。初步估算,水泥生产中由石灰石分解排放的二氧化碳约占整个流程排放总量的60%。由此可见,在控制水泥总量的前提下,从生产工艺角度考虑,推动原料替代是显著降低水泥单位产品碳排放的必然选择。

从水泥的未来需求分析,我国基础设施建设还将维持很长一段时间的高峰期,对水泥的需求也将较长时间处于高位。基于此判断,我国水泥行业若要如期实现碳达峰碳中和,必须大力发展源头减碳降碳技术。石灰石分解是水泥生产中碳排放的重要源头,因此,水泥行业在高产量发展的现实基础上必须推动原料替代。

尽管未来我国水泥的产量和消费量会逐渐下降,但据模型演算,即使到本世纪中叶,我国水泥产量仍可能维持在约10亿吨的高位。虽然低碳胶凝材料可能会成为水泥产品的重要组成部分,但以石灰石配料工艺生产水泥仍然占据主导地位。因此,从水泥行业未来发展角度考虑,推动原料替代将是我国水泥行业实现绿色低碳发展所必须一以贯之的重要手段。

此外,从水泥行业的资源现状而言,也迫切要求行业推动原料替代。

石灰石是生产水泥熟料的重要原材料,生产1吨熟料约需1.2吨石灰石,按我国当前熟料产量18亿吨计,水泥行业每年消耗石灰石超过20亿吨。虽然我国石灰石资源储量达1200亿吨,但其中能作为水泥原料的石灰石资源量仅占总资源量的1/3,目前国内有些水泥企业经过数十年的开采,优质石灰石矿山资源已近枯竭。因此,为实现行业的可持续发展,必须未雨绸缪,尽快推动富钙固废替代石灰石技术,尽最大努力降低单位水泥产品的石灰石消耗量,实现行业低碳发展。

替代原料的减碳效应要统筹整个工艺过程

从低碳角度出发,原料替代主要指天然石灰石的替代。在文寨军看来,推动原料替代能给水泥行业碳减排带来的最直接好处就是低碳,即降低单位产品的碳排放强度。

根据水泥工艺各环节的碳排放构成可知,每吨熟料因石灰石分解而排放的二氧化碳约为530kg,因此,每替代10%石灰石即可减排二氧化碳50kg/t熟料。必须要强调的是,替代原料不会因为分解而排放二氧化碳,但其诸如烘干、粉磨等预处理工艺则有可能因能源消耗而排放二氧化碳。因此,替代原料的减碳效应要统筹整个工艺过程。

近年来,国内多家水泥企业利用地域资源优势,实现了电石渣百分之百替代石灰石生产水泥熟料。然而,电石渣等富钙固废资源具有明显的地域特点,国内只有新疆、宁夏等地有较丰富的电石渣资源。因此,全行业要大力挖掘富钙固废种类与来源,研发富钙固废大比例替代石灰石煅烧水泥熟料技术。预计“十四五”末期,在示范线上实现石灰石的替代比例不低于30%,熟料二氧化碳排放减少150kg/t以上。

我国低碳水泥技术水平总体处于世界前列

文寨军认为,我国水泥工业近20年取得长足进步,生产线多为新建线或技改线,在低碳水泥研发、固废资源化利用及水泥工艺装备技术等方面总体处于世界领先/先进水平。

在低碳水泥品种研发与推广方面,中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称中国建筑材料科学研究总院)自主研发的高贝利特水泥、硫(铁)铝酸盐水泥等代表性低碳水泥为例,低碳水泥在我国重大工程中获得了规模应用。

低热硅酸盐水泥(又称高贝利特水泥)以硅酸二钙(C₂S)为主导矿物,其碳排放较普通硅酸盐水泥低约5%~10%,水泥具有超低水化热、高后期强度、低干缩率、高抗蚀性能等特点,已成功应用于乌东德、白鹤滩等超大型水电工程建设。

硫(铁)铝酸盐水泥以硫(铁)铝酸钙为主导矿物,其排放较普通硅酸盐水泥低约20%,水泥具有早期强度高、抗海水侵蚀能力强等特点,成功应用了我国南极科考站的建设,当前正试应用于华龙一号核电站工程。

其次,我国水泥行业广泛采用粉煤灰、水渣等作为混合材制备低碳水泥,水泥的熟料系数约为0.65,欧洲水泥企业的熟料系数约为0.77。因此,从通过降低熟料系数来制备低碳水泥的角度分析,我国在该技术领域的领先地位尤其明显,同时也说明通过该技术手段再降低我国单位水泥产品的碳排放潜力已不大。

最后,我国水泥工业在能效管理方面也处于世界领先水平。根据国际能源署的水泥工业低碳技术路径,2030年的吨熟料能耗目标值为3.3GJ/t。我国于2022年11月1日实施的《水泥单位产品能源消耗限额》(GB 16780)规定,吨熟料一级能耗水平为100kgce/t(2.9GJ/t),二级为107kgce/t(3.1GJ/t),三级为117kgce/t(3.4GJ/t)。两者比较,我国当前三级能耗要求与国际能源署的2030年目标值相当,因此我国水泥工业的能效管理方面已处于世界前列。

尽管我国在低碳水泥品种、降低熟料系数、能效管理等方面取得了很大的成绩,但在替代燃料技术方面与国外还有显著差距。据统计,我国水泥工业替代燃料利用率不到2%,而诸如荷兰等国高达90%。因此,大力推广替代燃料技术也是我国水泥工业未来低碳发展的重要路径之一。

行业要前瞻性布局低碳水泥研发工作

文寨军认为,水泥行业除了要大力研发推广能效提升、替代原料、替代燃料等低碳技术外,为使行业未来实现碳达峰碳中和,也应提早布局低碳水泥熟料新体系、低碳水泥新品种、碳捕集利用等创新性研发工作。

在低碳熟料新体系方面,世界水泥巨头拉豪集团、海德堡集团等相继提出了Alinite水泥熟料(含氯铝硅酸钙水泥熟料)、Aether水泥熟料(与高贝利特硫铝酸盐水泥熟料类似)和BCT水泥熟料(硅酸二钙‐硫铝酸钙‐硫硅酸钙)等低碳水泥熟料技术。

我国以中国建筑材料科学研究总院为首的相关科研院校,也正积极研发低碳水泥熟料相关技术。其中,高贝利特水泥技术已经实现了成果产业化,产品已规模化应用于水电、高铁等重大工程;硅酸二钙‐硫铝酸钙‐硫硅酸钙熟料体系(BCT熟料)的烧成机制已明晰,多相稳定共存等技术难题已攻克,即将迈入工业化生产示范。

在低碳水泥新品种方面,以无熟料/少熟料低碳水泥为代表的碱激发胶凝材料在澳大利亚等国已经实现了机场、道路等代表性示范。

我国开发了超硫水泥、生态水泥等低碳水泥品种,并进行了小范围试用,且制定了数个标准,但代表性工程应用进展缓慢。

在碳捕集利用方面我国走在世界前列。2018年安徽海螺建成了世界首条5万吨二氧化碳捕集纯化示范线。中联水泥也将上马全氧燃烧耦合20万吨二氧化碳捕集纯化示范线。

水泥碳达峰要形成“政产学研用金”协同创新格局

水泥企业处于降低成本的考虑,对实施固废资源化用作混合材等低碳技术有强烈意愿。未来,随着《水泥单位产品能源消耗限额》GB 16780—2021的严格执行及水泥行业全面纳入碳核查体系,将倒逼水泥企业竭力实施包括替代原燃料、低钙熟料等在内的各种低碳技术。从这个角度而言,是政策和市场引导了水泥企业的主动低碳行为,积极性高昂。然而,水泥企业毕竟是生产型单位,单个水泥企业开展低碳技术研发的实力和条件不足,这就要求全行业形成科研院所—大专院校—水泥企业的产学研用联合格局。

对终端用户而言,如果抛开低碳属性,其采购的产品无论是低碳还是高碳,均具有相同的性能。如果终端用户对自己承建的工程、生产的产品碳足迹有低碳要求,则无疑会优先选购具有低碳特征的水泥产品。

由此可见,终端用户对低碳水泥的接受程度主要取决于政策的引导和全社会的低碳意识。简而言之,如果对产业链中各环节均有低碳要求,则终端用户接受低碳水泥无任何障碍。

怎样才能更好地推动水泥行业绿色低碳高质量发展,文寨军建议,一是政府部门引导与决策,持续完善法制、法规、标准。水泥的低碳化涉及建筑、交通等众多领域,且其自身难以构建碳捕集全链条,需要由政府决策引领和主导、推动,需要政府部门统筹考虑其他行业并进行“一盘棋”布局。在“一盘棋”框架下,应持续制订、修订低碳领域的法律、法令条文并建立完备标准体系,为低碳技术的实施提供保障与支持。二是突破共性关键技术,推进产业结构调整与升级。凝聚行业及各部门共识,重点攻克支撑我国水泥工业高端化、低碳化与智能化实际需求的重大共性关键技术。实施“两个转换、两个替代”,即着重强调“产品低碳化、工艺绿色化转换”与“提高原料替代和能源替代比例”过程中数字化的赋能作用。三是财税与金融支持,构建上下游及多行业协同格局。在低碳水泥技术推广实施阶段,包括政府财政投入与税收减免、资本市场与金融市场等间接投入是技术创新向产业培育转变的重要动力。四是坚持创新驱动,加强创新人才培养。发挥企业的创新主体作用,积极引导企业对水泥低碳技术进行“先行先试”。创建低碳水泥基材料数字化研发平台,提升数字化改造创新服务能力及技术供给能力。继续实施引进海外高层次人才计划,并从行业层面推进“创新人才推进计划”,加快培育一批具有创造性的中青年科技人才。


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