引言

水泥是重要的基礎(chǔ)原材料，在社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著重要的作用，2021年世界水泥產(chǎn)量約為42.8 億噸。水泥生產(chǎn)需要消耗大量的石灰質(zhì)原料和化石燃料，單位產(chǎn)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(yè)產(chǎn)生二氧化碳排放接近26億噸，約為人類生產(chǎn)活動相關(guān)的二氧化碳排放量的7%。從全球多個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r來看，水泥產(chǎn)量仍有一定的增長潛力，未來幾年內(nèi)水泥生產(chǎn)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(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展的必由之路，也是水泥行業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

一、亞洲地區(qū)水泥行業(yè)碳減排發(fā)展現(xiàn)狀

亞洲地區(qū)大多為發(fā)展中國家，近幾十年來水泥產(chǎn)量持續(xù)快速增長，尤其是中國和印度，兩國水泥產(chǎn)量約為世界水泥產(chǎn)量的63%。

2021年中國水泥產(chǎn)量24億噸，熟料產(chǎn)量18億噸，基本與2013年持平。中國為世界第一水泥生產(chǎn)和消費國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的56%左右，但近幾年來產(chǎn)量基本穩(wěn)定在24億噸左右，表明其產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到了峰值。有調(diào)研分析表明，中國噸水泥生產(chǎn)二氧化碳排放約為560千克，水泥行業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放約為13.4億噸。從技術(shù)層面分析，中國水泥生產(chǎn)企業(yè)全部采用了以預(yù)分解窯為核心的新型干法生產(chǎn)工藝技術(shù)，并配置低溫余熱發(fā)電減碳設(shè)施，整體處于國際先進(jìn)水平；主要供能燃料為煤炭，生物質(zhì)和垃圾衍生燃料的占比為2%左右。

為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國建筑材料聯(lián)合會發(fā)布《推進(jìn)建筑材料行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和行動倡議書》，提出中國水泥行業(yè)要在2023年前率先實現(xiàn)碳達(dá)峰，具體的碳減排路徑及技術(shù)措施則包括：(1)去產(chǎn)能，中國政府實行供給側(cè)改革去除產(chǎn)能過剩。產(chǎn)能置換是推動水泥行業(yè)供給側(cè)改革的重要手段，也是淘汰水泥落后產(chǎn)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(zhì)原料，進(jìn)而減少生產(chǎn)過程二氧化碳排放；(3)替代燃料，利用生物質(zhì)燃料、工業(yè)廢棄物替代化石燃料，推廣使用水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù)；(4)進(jìn)一步提高既有工藝技術(shù)的能效水平，實現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)“兩化”融合；(4)大力發(fā)展和利用新能源，充分利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)，積極開發(fā)新型燃燒工藝技術(shù)；(5)研究和開發(fā)二氧化碳捕集和利用(CCUS)技術(shù)。

淘汰落后產(chǎn)能是中國水泥行業(yè)與其他國家水泥行業(yè)的一大區(qū)別，主要原因在于中國的水泥需求已接近峰值，預(yù)計未來會呈逐步下降趨勢。中國的政策引導(dǎo)水泥企業(yè)整合產(chǎn)業(yè)鏈，淘汰落后贅余產(chǎn)能，優(yōu)化資源和技術(shù)配置，使優(yōu)化后的產(chǎn)業(yè)鏈效率更高，水泥單位產(chǎn)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(yè)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(xiàn)水泥生產(chǎn)過程碳減排。中國各工業(yè)門類齊全，高含氧化鈣工業(yè)副產(chǎn)品或廢棄物產(chǎn)出量大，通過水泥生產(chǎn)綜合利用，可獲得多重的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。在替代燃料方面，中國水泥企業(yè)物質(zhì)和垃圾衍生燃料的平均使用率較低，通過政策引導(dǎo)和技術(shù)革新(如：水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù))，替代燃料在未來水泥生產(chǎn)過程中具有較大減碳潛力。在能效技術(shù)方面，中國水泥企業(yè)在新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用上更為積極，新型干法工藝和余熱利用方面處于領(lǐng)先水平，特別是近期實施的“兩化”融合戰(zhàn)略，也有利于生產(chǎn)工藝技術(shù)和管理水平的提升。在二氧化碳捕集和應(yīng)用方面，有中國水泥企業(yè)也正積極嘗試應(yīng)用，可為未來規(guī)?；瘧?yīng)用積累技術(shù)和經(jīng)驗。

2021年印度水泥產(chǎn)量約為3億噸，產(chǎn)量居世界第二，占世界水泥總產(chǎn)量的7%左右。水泥工業(yè)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(chǎn)二氧化碳排放量約為565千克。印度擁有一些比較先進(jìn)的水泥廠，新建水泥廠大都采用預(yù)分解窯，主要供能燃料為煤炭占95.3%，石油占1.3%，生物質(zhì)燃料和工業(yè)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(jié)構(gòu)中，房地產(chǎn)約占67%，商業(yè)化建筑占11%，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)約占13%其余工業(yè)建筑需求占9%。

印度水泥行業(yè)的總體減碳目標(biāo)是在2030年碳排放減少到2005年的33%~35%，燃料替代率達(dá)到30%，可再生能源發(fā)電占比達(dá)到100%，在2050年噸水泥生產(chǎn)直接二氧化碳排放降低到350千克，并通過CCUS技術(shù)應(yīng)用基本實現(xiàn)碳中和。

2013年印度水泥行業(yè)研究制定了低碳發(fā)展路線圖、并于2018年進(jìn)行了更新，主要的技術(shù)措施包括：(1)采用節(jié)能措施和設(shè)備進(jìn)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(tǒng)；(3)大力采用替代原燃料技術(shù)；(4)降低水泥熟料系數(shù)，推廣應(yīng)用混合水泥和低碳水泥；(5)研發(fā)采用創(chuàng)新型技術(shù)，例如，礦化劑使用、碳捕集利用等。

二、北美地區(qū)水泥行業(yè)碳減排發(fā)展現(xiàn)狀

北美地區(qū)僅有美國和加拿大兩個發(fā)達(dá)國家、國情基本相同，但與亞洲國家區(qū)別較大。

2021年美國水泥產(chǎn)量約為8500萬噸，其中波特蘭水泥產(chǎn)量約8300萬噸，砌筑水泥產(chǎn)量約200萬噸，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的2%左右，水泥行業(yè)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(yè)工藝技術(shù)發(fā)展相對比較滯后，水泥廠主機(jī)設(shè)備大部分靠進(jìn)口輸入，部分水泥生產(chǎn)窯爐設(shè)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(zhì)燃料、替代燃料等。

美國城市化率已達(dá)到80%以上，水泥消費結(jié)構(gòu)是預(yù)拌混凝土占70%~75%，混凝土產(chǎn)品占10%，建筑占8%~10%，其他占8%~12%。美國各大水泥集團(tuán)以水泥產(chǎn)業(yè)為中心，上下游產(chǎn)業(yè)鏈配套完善，水泥集團(tuán)大多都擁有自己的原料處理基地及一定規(guī)模的骨料生產(chǎn)基地、水泥生產(chǎn)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(chǎn)原料供應(yīng)到水泥成品多渠道銷售各環(huán)節(jié)都有一定的保障。

美國水泥行業(yè)的總體目標(biāo)是在2050年前實現(xiàn)碳中和，2030年減碳目標(biāo)是替代原料率6.8%，替代燃料率20%，能源效率達(dá)到3.69GJ/t水泥熟料，熟料系數(shù)0.85；2050年減碳目標(biāo)是替代原料率10%，替代燃料率50%，能源效率達(dá)到2.95GJ/t水泥熟料，熟料系數(shù)0.75。為此，美國波特蘭水泥協(xié)會(PCA)也提出了相應(yīng)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(chǎn)低碳水泥混合材料，優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)生命周期內(nèi)最低排放；中期是增加替代燃料和可再生能源的使用；遠(yuǎn)期是碳捕捉和引入新的水泥基材料。

美國現(xiàn)有水泥廠大部分比較老舊，水泥生產(chǎn)的熱能效率和電效率均較低。近年來一些水泥廠升級為預(yù)分解窯工藝技術(shù)裝備，提高了能源效率，并且增加了工業(yè)廢棄物替代燃料的使用，降低了單位產(chǎn)品碳排放強(qiáng)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(chǎn)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(zhì)能。由于水泥熟料系數(shù)大于0.9，熟料是水泥生產(chǎn)的主要碳排放源，新開發(fā)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(yīng)用波特蘭石灰石水泥有助于降低單位產(chǎn)品二氧化碳排放。在CCUS技術(shù)應(yīng)用方面，一水泥公司擬建設(shè)運營一個小型商業(yè)化工廠，將捕集到的二氧化碳轉(zhuǎn)化為低碳輔助膠凝材料。

加拿大水泥年產(chǎn)量長期維持在1200萬噸至1500萬噸之間，水泥行業(yè)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(yè)集中度較高，豪瑞水泥等跨國公司的產(chǎn)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(yè)的總體減碳目標(biāo)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(xiàn)凈零排放。加拿大水泥協(xié)會(CAC)提出了水泥生產(chǎn)凈零排放技術(shù)路線圖，也包括提高水泥生產(chǎn)的能源效率、低碳水泥、替代燃料技術(shù)、二氧化碳捕集和利用以及重要科技創(chuàng)新等幾個方面。

水泥生產(chǎn)企業(yè)已開始生產(chǎn)波特蘭石灰石水泥(PLC)和混合水泥，以降低熟料系數(shù)，每年減少近300萬噸的碳排放。加拿大水泥行業(yè)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(yè)二氧化碳捕集和應(yīng)用也在積極推進(jìn)過程中，例如，Lehigh Hanson 水泥聯(lián)合中國中材節(jié)能公司對全面的碳捕獲系統(tǒng)進(jìn)行了一項可行性研究，該系統(tǒng)可以從其埃德蒙頓水泥廠的煙氣中捕獲高達(dá)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(yù)處理系統(tǒng)，為隨后的碳捕集利用提供技術(shù)支撐，同時將捕獲的二氧化碳注入到水泥混凝土中的技術(shù)作為試點推廣。

三、歐洲地區(qū)水泥行業(yè)碳減排發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲地區(qū)國家較多，但水泥生產(chǎn)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(tǒng)一市場機(jī)制，這些水泥生產(chǎn)企業(yè)集團(tuán)也獨自承擔(dān)著碳減排的工作任務(wù)，歐洲水泥工業(yè)協(xié)會(CEMBUREAU)也制定出臺了水泥行業(yè)碳減排路線圖。

歐洲水泥工業(yè)協(xié)會成員包含33個國家的水泥生產(chǎn)企業(yè)，年水泥產(chǎn)量約為2.4億噸、二氧化碳排放量約為1.5億噸；協(xié)會于2013年提出的碳減排路線圖目標(biāo)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(yè)每噸水泥二氧化碳排放量約為667千克；為進(jìn)一步降低碳排放，協(xié)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(yè)的替代燃料占比已接近50%，其中生物質(zhì)燃料占比16%，并要求在2050年替代燃料達(dá)到90%以上，包括50%的生物質(zhì)燃料。具體的減碳技術(shù)措施有如下幾個方面：在水泥生產(chǎn)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(shù)改造提高生產(chǎn)能效，開發(fā)新型低碳熟料，嘗試應(yīng)用氫能和電氣化技術(shù)，大力推進(jìn)二氧化碳捕集和應(yīng)用技術(shù)，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(huán)境中吸附捕集二氧化碳。預(yù)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(xiàn)水泥生產(chǎn)零碳排放。

在歐洲水泥協(xié)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(nèi)容。原燃料應(yīng)用產(chǎn)生的直接二氧化碳排放占水泥生產(chǎn)總排放約75%，通過原燃料替代、低鈣熟料及低熟料水泥生產(chǎn)、建筑材料及建筑環(huán)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(chǎn)生的間接二氧化碳排放占水泥生產(chǎn)總排放約5%，物流等其他能源消耗產(chǎn)生的間接二氧化碳占水泥生產(chǎn)總排放約20%，在2030年可通過社會面上新能源利用等技術(shù)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(xiàn)水泥生產(chǎn)完整產(chǎn)業(yè)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(shù)為74%，噸水泥二氧化碳排放576千克，通過替代燃料應(yīng)用和提高能效、優(yōu)化窯爐系統(tǒng)和降低水泥熟料系數(shù)、提升二氧化碳捕集和應(yīng)用、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)，預(yù)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(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，實現(xiàn)水泥生產(chǎn)二氧化碳零排放。

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

四、結(jié)語

(1)應(yīng)對氣候變化是世界各國共同帶有區(qū)別的責(zé)任；水泥行業(yè)二氧化碳排放量較大，減少碳排放是行業(yè)發(fā)展面臨的緊迫任務(wù)；目前，發(fā)展中國家水泥生產(chǎn)有的已經(jīng)接近碳達(dá)峰、有的還有較大量的增加；發(fā)達(dá)國家水泥生產(chǎn)產(chǎn)能和二氧化碳排放量已基本鎖定，技術(shù)減排的任務(wù)巨大。

(2)現(xiàn)階段水泥生產(chǎn)二氧化碳減排技術(shù)主要包括替代原燃料、工藝設(shè)備能效提升、水泥混合材的大摻量應(yīng)用；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來一段時間內(nèi)新能源利用、新工藝技術(shù)裝備研發(fā)、新型低碳水泥開發(fā)和全新的二氧化碳捕集和利用技術(shù)必將為水泥生產(chǎn)零碳流程再造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐；

(3)中國是水泥生產(chǎn)大國，但單位產(chǎn)品二氧化碳排放相對較低，隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)和減碳技術(shù)的應(yīng)用，水泥行業(yè)也必將迎來大幅度碳減排的重大變化，進(jìn)而實現(xiàn)水泥行業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展，為國家社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)和應(yīng)對氣候變化作出更大的貢獻(xiàn)！