碳中和目标下的水泥工业低碳技术研究

本文介绍了世界水泥工业低碳技术。水泥行业的碳减排对我国实现碳中和目标的影响重大，迫切需要水泥行业通过技术创新驱动实现绿色低碳发展。针对水泥工业的碳排放主要来源，碳减排技术路径主要包括能源效率提升、原/燃料替代、低碳水泥、碳捕集利用和封存。比较分析了国内外典型的水泥窑替代燃料技术。从水泥窑尾烟气中捕集CO2，除了富氧燃烧和化学吸收法外，还包括直接分离的捕碳技术。介绍了水泥窑捕集到的高浓度CO2进行资源化利用的技术途径。

实现“碳达峰、碳中和”的中长期目标，是我国基于推动高质量、可持续绿色发展和构建人类命运共同体的责任担当而作出的重大战略决策。“十四五”时期，我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。

实现碳减排和碳中和，中国面临巨大挑战，欧盟28国从碳达峰到碳中和的时间是71年，美国从碳达峰到碳中和的时间是43年，而我国从碳达峰到碳中和的时间只有30年。从脱碳时间看，我国碳达峰到碳中和的时间远短于美国与欧盟，压力巨大

根据全球碳捕集与封存研究院发布的《全球碳捕集与封存现状2020》，水泥、钢铁和化工行业属于最难脱碳的行业，如果不采用碳捕集利用和封存（CCUS），这些行业不可能实现近零排放，且成本较高。对于减排难度较大的行业，CCUS是最成熟的选择，氢将很有可能发挥重要作用。对于水泥工业来说，CCUS技术将从2030年开始大规模部署实施。

2020年5月，欧洲水泥协会发布了《巩固欧洲绿色新政》，到2050年，在水泥和混凝土行业是可以实现净零排放的，与此同时，2020到2030年间可以实现CO ₂ 排放的大幅减少。海德堡、拉法基豪瑞及西麦斯等国际水泥集团均提出了各自的碳减排战略，均强调2030年CO ₂ 排放量在1990年基础上降低30%至40%，于2050年全面实现“零碳”混凝土。

根据IEA 2010—2050水泥工业发展蓝图，水泥工业CO 2 直接排放量2050年比2015年降低25%，碳减排是未来水泥发展的必由之路，根据水泥工业碳减排技术减排贡献度， CCUS为48%，替代原、燃料为12%，降低燃料掺量为37%。另一方面，碳减排最大的挑战是如何降低碳捕集成本以及后续CO ₂ 如何有效、充分利用和封存的问题。

我国水泥工业在保障国民经济持续稳定发展方面发挥了极其重要的支柱产业作用，在国际上也扮演着非常重要的角色。2020年，我国水泥产量超过全球50%，CO ₂ 排放12.3亿t，占全国CO ₂ 排放总量102.51亿t的12%。近10年来，中国水泥产量稳中有降，熟料产量仍呈现缓慢增长趋势，预计熟料产量在“十四五”期间将达到峰值，预计为14~16亿t，年水泥产量在22~24亿t,“十四五”期间可提前实现碳达峰。因此，水泥行业的碳减排对我国实现碳中和目标的影响重大，迫切需要水泥行业通过技术创新驱动实现绿色低碳发展。

《中国制造2025—中国建材制造业发展纲要》提出，与“十二五”相比，建材规模以上单位工业增加值二氧化碳排放总量下降40%左右。根据中国建筑材料联合会2021年发布的《推进建筑材料行业碳达峰、碳中和行动倡议书》，我国建筑材料行业要在2025年前全面实现碳达峰，水泥等行业要在2023年前率先实现碳达峰。根据中共中央国务院相关文件精神，倡导全力推进碳减排工作，为国家总体实现“双碳”目标做出积极贡献，是建筑材料行业必须履行的社会责任和应尽义务，水泥行业面临通过技术创新驱动实现绿色低碳发展的迫切需求。

针对水泥工业的碳排放主要来源，碳减排技术路径主要包括能源效率提升、替代原燃料及新能源、熟料替代与新型低碳水泥、碳捕集利用和封存以及混凝土碳化等方面。

3.1 能源效率提升

能源效率提升技术包括减少化石能源消耗、降低系统电耗和提高系统余热利用效率。

影响预热器系统的热效率的主要因素有旋风筒连接管道系统的气固换热效率和旋风筒的分离效率。采取合理的管道风速与结构设计，优化撒料装置，合理布置物料下料点，从而提高连接管道气固换热效果。优化旋风筒结构型式，使其具备合理的旋转动量矩，进一步提高其分离效率；另外，合理控制窑头、窑尾送煤风量及窑头燃烧器一次风率，减少进入系统的冷风量。

增加预热器级数：入窑生料增加一级预热，预热器出口温度降低约50~60 ℃，达到260~270 ℃。根据计算，C1出口废气温度每降低15 ℃，熟料标煤耗降低约1 kg/t，故熟料烧成热耗可直接降低约3.3~4.0 kg/t。考虑到熟料标煤耗的降低，烧成系统整体风量将降低，C1出口废气带走显热将更低，故预热器五级改六级后，熟料标煤耗能降低约3.5~4.5 kg/t。

降低热耗的措施还包括：提高篦冷机热回收效率；入系统空气（冷风）控制及系统稳产、高产综合控制技术；对分解炉、烟室、回转窑、窑头罩等高温设备，采用导热系数极低的新型纳米隔热材料，可进一步降低设备的表面散热。除了先进的设计水平外，节能降耗与操作管理的关系也十分密切。通过智能化控制技术可使系统始终保持在最佳状态下运行，降低因波动引起的热耗增加。降低电耗的主要措施是原料磨节能改造。

经过40年的持续技术创新，中国已经是世界水泥生产高能效的先行者，熟料烧成热耗和综合粉磨电耗现有技术指标达到或超过国际领先水平。我国水泥窑5000 t/d及以上规模水泥生产线，几乎100%采用余热发电技术。除非出现颠覆性技术，否则未来利用该技术途径减排潜力不大。

3.2 替代燃料技术

替代燃料技术具有碳减排效果显著、技术成熟度相对较高、减排CO ₂ 成本低、对原生产系统影响小等诸多优点，已成为全球水泥行业近阶段减碳的首选工艺路线。欧洲积极推动燃料替代技术，在本土水泥生产中已经实现高比例替代率。美国高度重视燃料替代，尽管目前燃料替代率只有14%，但是计划于2030年达到35%。其他国家也在积极推动燃料替代，例如日本的水泥生产燃料替代率2020年已经达到20.3%。

3.2.1 生物质燃料

在中国2050年零碳情景中，生物质能将扮演有限但重要的角色，它的开发利用能缓解碳达峰碳中和的压力。生物质提供清洁优质能源，可部分替代煤炭、石油和天然气，它既可以是能源载体，也可以作为工业生产的原料。根据《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》，生物质燃料燃烧所产生的二氧化碳，被视为无气候影响，不需进行核算和报告。因此生物质的燃烧为零碳排放，减碳率为100%。

目前，作为能源的生物质主要是农林废弃物、城市和工业有机废弃物及动物粪便等。农林废弃物种类非常多，包括树枝、秸秆、稻草、花生壳、树干、棉花秸秆、茶籽壳、果壳、杂草、树叶、果木、家具厂废料、竹子及竹器加工厂废料等。根据中华人民共和国农业农村部政府信息公开关于印发《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》的通知，全国每年产生畜禽粪污38亿t，综合利用率不到60%；每年产生秸秆近9亿t，生物质具有资源储量丰富的特点。

我国生物质数量大、种类多，水分热值变化较大。水泥生产采用生物质作为替代燃料，要求生物质预处理费用低，生物质燃料带入的冷空气尽可能少。来源广泛的农林生物质，有稻草、麦草、玉米秆、高粱秆、棉花秆、豆秆、树皮、树枝、木屑、花生壳、稻壳以及风干的牲畜粪等，都可以作为水泥生产的替代燃料。

生物质确实受到季节性的影响，作为燃料会存在年度供应均衡问题。对于生物质的储存及相关运输问题，可考虑自建厂用储存库房；也可考虑储存在农户，支付相应的储存及运输费用。

3.2.2 垃圾衍生燃料燃料（RDF）

垃圾衍生燃料（RDF）是将生活垃圾经破碎、筛选、成型等工艺得到的可燃固体颗粒物。欧美日等发达国家利用RDF作为水泥分解炉替代燃料，采用不同的制备工艺，制成不同等级的RDF，高品质RDF替代率可达50%以上，最高达到100%。国内基于成本因素考虑，RDF一般由城市生活垃圾经过破碎和简单分选而来，其水分含量高、热值及灰分波动较大，作为水泥分解炉替代燃料使用，替代率普遍较低，对烧成系统生产运行及熟料质量和产量的影响较大。

国外比较典型的水泥窑替代燃料技术包括丹麦史密斯公司的热盘炉、德国蒂森克虏伯公司的水泥窑阶梯外挂炉和德国洪堡公司旋转燃烧反应器。

丹麦史密斯公司采用外置式热盘炉，替代燃料在旋转的热盘上堆积燃烧，通过调节热盘转速控制料层厚度和燃烧进度，初步燃烧后的替代燃料进入分解炉充分燃烧。燃料适应性广，入炉燃料尺寸要求不高；着火稳定。替代燃料以团状形式进入分解炉，造成炉内流场合温度场波动，需单独设置高温三次风，影响烧成系统的用风控制及运行稳定性，热盘炉为高温动态设备，装置尺寸大，系统复杂，造价高。

德国蒂森克虏伯公司采用外置式热盘炉，替代燃料在旋转的热盘上堆积燃烧，通过调节热盘转速控制料层厚度和燃烧进度，初步燃烧后的替代燃料进入分解炉充分燃烧。燃料适应性广，入炉燃料尺寸要求不高，着火稳定。替代燃料以堆积为主，燃烧速度慢；以非连续式进入分解炉，造成炉内流场合温度场波动大；需单独设置高温三次风，影响烧成系统的用风控制及运行稳定性；空气炮数量过多，能耗高；装置尺寸及重量大，系统复杂，造价高。

德国洪堡公司采用外置式回转燃烧反应器，替代燃料在反应器内堆积燃烧，通过调节反应器的旋转速度控制燃烧进度，初步燃烧后的替代燃料进入分解炉充分燃烧。燃料适应广，入炉燃料尺寸要求不高；着火稳定，易于控制初步燃烧；替代燃料进入分解炉相对稳定。替代燃料以堆积态为主，燃烧速度慢；需单独设置高温三次风，影响烧成系统的用风控制及运行稳定性；回转燃烧反应器与分解炉之间的高温密封困难，造成漏风；装置尺寸及重量大，系统复杂，布置困难，造价高。

国外各大水泥生产跨国集团正在逐步将燃料替代技术用于海外水泥生产企业，提高集团在全球的燃料替代率。例如2020年，德国海德堡的燃料替代率25.7%、墨西哥西麦斯25.3%、瑞士拉法基豪瑞21%、日本太平洋14.1%。我国在利用水泥生产线协同处置生活垃圾、污泥和危废等方面已攻克了诸多技术难关，中建材、海螺、华新、金隅冀东、山水等水泥集团均开展了燃料替代应用示范，燃料替代率最高达到30%以上。但是到目前为止，全国水泥工业的平均燃料替代率尚不足5%。

中国中材国际工程股份有限公司自主研发的替代燃料RDF内置式燃烧技术及装备，可同时处置生活垃圾、市政污泥、危险废物等多种劣质废弃物，燃料替代率达到30%以上，最高可达38.9%，单位熟料的煤粉热耗452×4.18 kJ/kg，协同处置过程二恶英、CO ₂ 、氮氧化物、有机挥发物等排放指标、水泥熟料品质优于国家标准，充分利用了替代原燃料，提高资源能源利用率，减少了碳排放。

3.2.3 氢能

氢能容易耦合电能、热能、燃料等多种能源，并与电能一起建立相联相通的现代能源网络，显著增加电力网络的灵活性。目前，日本、韩国、欧美等国高度重视氢能产业的发展，不同程度地将氢能作为能源创新的重要方向。国际上海德堡、拉豪、CEMEX等国际知名水泥公司均把氢能技术列为重要战略方向，并在大力发展氢能技术，早在几年前就进行技术布局和研发，并且有半工业化的试验运用。目前德国海德堡水泥公司的子公司汉森水泥公司在水泥窑中使用20%的氢气、70%的生物质燃料和10%的甘油，但氢能利用技术的相关设备并未有详细报道。

在我国，2019年氢能首次被写入《政府工作报告》；2022年3月23日，发改委正式发布《氢能产业发展中长期规划（2021~2035）》，明确氢能是低碳转型的重要载体，是国家能源的重要组成部分。在我国实现碳中和过程中，氢能将会在我国工业领域减碳进程中扮演重要角色。但国内水泥行业由于经济性等原因，各个水泥集团及研发机构对氢能煅烧水泥熟料尚处于起步阶段。

氢能作为替代燃料可以降低燃煤使用比例，积极探索氢能在水泥行业的碳减排领域的作用，开展氢能替代燃煤生产水泥熟料关键技术的研究，对水泥行业的碳减排具有重大意义。建材行业作为能源、资源消耗型产业，产业的绿色低碳发展必然离不开氢能的应用。

3.3 碳捕集、利用和封存（CCUS）

目前，水泥工业可行的碳捕集工艺方案包括富氧（或全氧）燃烧技术、醇胺吸收法和直接分离的捕碳技术。

3.3.1 富氧（或全氧）燃烧技术

富氧（或全氧）燃烧技术捕获CO ₂ 的过程为：首先利用制氧系统对空气中的富氧进行提纯，然后将氧气、煤炭和生料一起通入窑尾富氧（或全氧）燃烧富集二氧化碳系统进行燃烧，这样产生的烟气中CO ₂ 的浓度就会大大提高，之后再通过环保系统对烟气进行初步处理，去除粉尘之类的污染物，最后将烟气中的CO ₂ 进行提纯并压缩成液体CO ₂ 或干冰。

采用富氧（或全氧）燃烧技术时，水泥窑工艺本身必须进行改造，熟料冷却机、回转窑、分解炉和预热器中的气体气氛发生变化，部分烟气被回收利用。

3.3.2 化学吸收法

化学吸收法是较为成熟的碳捕集技术，在煤化工、天然气净化、燃煤发电等行业已经有了较大规模的应用。其基本原理是利用化学吸收剂，如醇胺水溶液与CO ₂ 发生化学反应，形成不稳定的盐类。该盐在一定的条件下会逆向分解释放出CO ₂ ，在另外一个装置中分解后又生成二氧化碳和吸收剂，吸收剂反复使用，二氧化碳连续排出，从而使二氧化碳与其他混合气分离，达到将CO ₂ 从烟气中分离并富集的目的。化学吸收法属于末端治理措施，布置在除尘、脱硫脱硝的下游，不需要对原有工艺进行变动，适用性强。但该方法运行成本较大，由于化学吸收剂是液体，需要定期补充和更换，而且吸收剂再生需要蒸汽加热。

传统的醇胺溶液吸收剂主要分为伯胺、仲胺、叔胺，空间位阻胺以及环状有机胺溶剂，如乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（TEA）等。通过研制新型复合胺吸收剂，比常用吸收液吸收效率高，解吸快，从而提高溶剂吸收效率及降低损耗，可采用如下方式：将性能互补的吸收剂复配，使复合吸收剂具有多个单一吸收剂的优势；在高吸收容量和低再生能耗的醇胺吸收液中添加活化剂，从而提高整体吸收剂的CO 2 吸收速率。降低成本的途径还可采用如下方式：（1）提高窑尾烟气CO ₂ 的浓度；（2）吸收剂吸收CO ₂ 后形成两相，即CO ₂ 富相和CO ₂ 贫相，仅需将CO ₂ 富相送入再生单元，减少了进入再生塔的液量，大幅降低了再生能耗。

3.3.3 直接分离的捕碳技术

Calix的直接分离技术是将目前用于石灰和水泥煅烧的最优技术流程进行重新设计。间接逆流加热时煅烧碳酸盐，烟气不与碳酸盐矿物中的二氧化碳混合，将碳酸盐分解出的高纯CO ₂ 气体直接捕集，可达到纯度较高的CO ₂ 。这项技术已经在菱镁矿煅烧行业实现商业规模应用。2021年在比利时的海德堡水泥厂已经建成捕集CO ₂ 为2.5万t/年的工厂，计划在2024年建成捕集CO ₂ 为10万t/年的工厂。

Calix使用直接分离反应器（DSR）。DSR是一种特殊的钢管，相当于一个大型热交换器。试验中，天然气沿着外炉燃烧，加热炉的外部温度大约1000 ℃。原材料从DSR的顶部掉落到内部，然后慢慢下降，被反应堆的传导和辐射传热加热导致它被煅烧，释放出二氧化碳。在底部固体和气体被分离。

3.3.4 碳利用

通过对水泥窑捕集到的高浓度CO ₂ 进行资源化利用，不仅解决CO ₂ 储存问题，还有利于环境友好型产品的制造及生产。根据市场情况和CO ₂ 的状态可以分为气态、液态和固态CO ₂ 资源化利用途径。气体CO ₂ 主要用于化工生产，如：尿素、碳酸钠、碳酸氢铵、沉淀碳酸钙等。液态CO2主要用于焊接与切割、碳酸饮料、食品行业、香烟、石油和天然气开采、橡胶和塑料制造行业及消防等领域。固体CO ₂ 主要用于运输制冷及其他。目前主要碳利用技术路线还包括：CO ₂ 矿化利用、碳化水泥CO ₂ 利用、CO ₂ 催化加氢制甲烷、烯烃、二氧化碳回收利用制绿色低碳甲醇。

水泥工业是能源密集型和高强度碳排放企业，研究水泥行业的碳减排对我国实现碳中和目标的影响重大，水泥行业迫切需要通过技术创新驱动实现绿色低碳发展。本文分析了碳中和目标下的水泥工业低碳技术：

（1）我国熟料烧成热耗和综合粉磨电耗现有技术指标达到或超过国际领先水平，除非出现颠覆性技术，否则未来利用能源效率提升技术碳减排潜力不大。

（2）替代燃料技术具有碳减排效果显著、技术成熟度相对较高、减排CO ₂ 成本低、对原生产系统影响小等诸多优点，已成为全球水泥行业近阶段减碳的首选工艺路线。我国水泥行业在水泥窑协同处置、替代化石能源利用方面刚刚起步，替代燃料比例不足5%，未来减排潜力较大。

（3）CCUS是水泥工业碳减排的关键技术，但在CCUS技术上，总体还处于研发和示范的初级阶段。化学吸收是唯一有工业化应用的燃烧后捕集提纯技术，但需要解决运行成本偏高的难题。全氧燃烧技术和生产过程产生的CO ₂ 直接捕集也是目前水泥行业比较有前途的CO ₂ 捕集技术。

水泥工业需要不断提升技术和经济的可行性，对水泥窑捕集到的高浓度CO ₂ 进行资源化利用，大幅降低水泥生产中的碳排放。