一、前言

為了積極應對全球氣候變化的嚴峻形勢，保護人類的共同家園——地球村，許多負責任的國家都制定了實現(xiàn)碳達峰與碳中和的規(guī)劃，宣布了相應的莊嚴承諾。歐盟在上世紀90年代已達到碳峰值（45億噸/a），2019年已承諾2050年將實現(xiàn)碳中和。美國2007年達到碳峰值（59億噸/a）。我國最近宣布，將在2030年前達到碳峰值，力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和。

2019年歐洲水泥協(xié)會Cembureau已宣布，其所屬的水泥企業(yè)2030年將使其噸水泥的碳排放降到472 kgCO2（2019年是590 kgCO2）。2020年德國海德堡Heidelberg水泥集團以及瑞士拉法奇豪瑞LH水泥集團已成立了專門的基金委員會，保證屆時完成上述承諾。緊接著墨西哥Cemex、巴西Votorantim、愛爾蘭CRH、意大利Italcementi和Buzzi Unicem等知名水泥集團也都紛紛響應，發(fā)布了各自相應的承諾。

連續(xù)榮登2018和2019年度世界水泥企業(yè)7強榜（TOP 7）前列的我國海螺水泥集團和中國建材集團也應加緊部署，做好有關碳達峰、碳中和各方面的規(guī)劃工作，盡快向國家和世界表明各自的擔當。我國水泥工業(yè)更要努力向世界一流水泥強國邁進，履行相應的國際責任和義務，表明我國的承諾和立場，為世界水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和做出貢獻。2021年2月，中國建材聯(lián)合會向全行業(yè)發(fā)出《推進建材行業(yè)碳達峰、碳中和行動倡議書》，其中提出水泥行業(yè)要在2023年前全面實現(xiàn)碳達峰。這是一個良好的開端，更重要的是在于實際行動，希望全國水泥行業(yè)積極響應這個倡議，砥礪奮進身體力行，早日實現(xiàn)碳達峰、碳中和。

碳中和聯(lián)盟是聯(lián)合國發(fā)起，由承諾在2050(或2060)年達到碳中和的國家所組成。目前簽署加入該聯(lián)盟的國家占全球經(jīng)濟總量和溫室氣體排放總量均為65%。聯(lián)合國希望在2021年11月召開COP26以前能將這個數(shù)值擴大到90%。號召G20、世界主要碳排放國家和行業(yè)必須身先士卒，形勢嚴峻，各方協(xié)力共同應對全球氣候變化問題的實際行動迫在眉睫。

水泥工業(yè)的碳排放，在全球人為二氧化碳排放中占7%，在全球工業(yè)排放中占12%，份額較大。無論從企業(yè)碳核算ISO 15014064標準或者從產(chǎn)品碳足跡ISO 15014067標準來衡量。水泥工業(yè)在重化工產(chǎn)業(yè)中確實是碳排放名列前茅的行業(yè)。因而在這場爭取早日實現(xiàn)碳中和的全球共同行動中，水泥工業(yè)的作為備受世界各界的極大關注，壓力較大。我們應該本著勇于擔當?shù)木瘢Τ袚⑼瓿蓪崿F(xiàn)碳中和的艱巨歷史使命。

2019年初，歐洲水泥協(xié)會Cembureau承諾，歐洲將在2050年實現(xiàn)碳中和。其主要技術途徑就是聯(lián)合國3大機構分別在2009年和2018年發(fā)布的兩個水泥工業(yè)低碳轉型路線圖報告中提出的四大措施:

1. 推廣替代燃料RDF的應用，實現(xiàn)全行業(yè)熱量替代率TSR達100%；

2. 推廣應用低熟料含量的CEM II/C、CEM VI（32.5）水泥以及各種低碳含量的膠凝材料SCM，少用高標號水泥，降低熟料系數(shù)CF，降低熟料熱耗，減少二氧化碳的“直接“排放；

3. 降低水泥綜合電耗，減少二氧化碳的”簡接“排放；

4. 改進完善使之能經(jīng)濟實用的推廣應用的碳捕集利用CCS/U技術。2019年5——6月間，全球水泥與混凝土協(xié)會GCCA、世界水泥協(xié)會WCA也相繼發(fā)布了內(nèi)容與其雷同的路線圖，茲不贅述。

筆者預測水泥工業(yè)，歐洲或許在2050年前將率先達到碳中和。 我國現(xiàn)已接近碳峰值(預測為2023年達峰值14.5億噸/a），2050年有望實現(xiàn)碳中和。樂觀的估計，全球水泥工業(yè)可能在2070年前實現(xiàn)碳中和，但其不確定性較大。

本文將對我國和歐盟水泥工業(yè)進行碳中和模擬推演，分析研究減碳工作的重點和難點，明確主攻方向和目標，提高減碳效率，以利早日實現(xiàn)水泥工業(yè)的碳中和。

二、水泥工業(yè)二氧化碳排放的基本原理與數(shù)據(jù)

眾所周知，硅酸鹽水泥（OPC）熟料的碳排放是最高的，各種不同標號的水泥，隨著其中混合材摻入量的增加，熟料系數(shù)CF的下降，水泥的碳排放量也呈下降之勢。如表1和表2所列。

表1: 熟料及各種不同標號水泥的碳排放 kg CO₂/t.cl. (或kgCO₂/t.c.)

表2: 中國噸水泥加權碳排放量kg CO₂/t.c. (計算值）

因為現(xiàn)今我國32.5水泥的占比高達55%，熟料系數(shù)CF低到0.65。加之我國許多水泥廠都是近10年來新建的大型廠，技術裝備較先進，單位熟料和單位水泥能耗都較低。而歐盟32.5水泥的占比僅為22%，熟料系數(shù)CF為0.75，而且還有不少二、三十年前的老水泥廠。故其熟料和水泥單位二氧化碳排放量都比我國的偏高。全球水泥工業(yè)的情況更是這樣。

熟料煅燒過程中。其中占生料組成80%以上的石灰石原料中的碳酸鈣(CaCO₃₎將分解排放二氧化碳(CO₂₎ 520——550 kg/t.cl.，視生料的組成及各種原料化學成分的不同而異。本文將取用其中位值535 kg/t.cl.。這就是所謂的“工藝“CO₂排放。水泥窯的燃料（煤炭）燃燒時所產(chǎn)生的二氧化碳則稱之謂“燃燒”CO₂排放。這兩項“工藝”和“燃燒”所產(chǎn)生的二氧化碳統(tǒng)稱為“直接”排放。水泥生產(chǎn)過程中所消耗的全部電能，折算成火力發(fā)電廠生產(chǎn)等量的電能須要燃燒相應數(shù)量的煤所產(chǎn)生的二氧化碳kgCO₂/t.c.則謂之“簡接”排放。這兩項“直接‘和“簡接”排放之和就是水泥廠的二氧化碳排放總值。因而全行業(yè)噸水泥的碳排放量是與各種標號水泥消費占比、熟料系數(shù)CF、替代燃料的熱量替代率TSR、熟料熱耗、水泥綜合電耗，甚至與發(fā)電廠的效率以及煤炭的質(zhì)量等諸多因素密切相關的。為了便于對比，表3——表6中所有數(shù)據(jù)均已折算成全行業(yè)噸水泥的碳排放值kgCO₂/t.c.。

本文采用模擬推演的方法計算出各種碳中和狀態(tài)下噸水泥碳排放kgCO₂/t.c.數(shù)值，供業(yè)界同好參考探討。

三、我國水泥工業(yè)碳中和的模擬推演

我國水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和的模擬推演結果,如表3和表4所列。這里列舉了理想和假設兩種狀態(tài)下的碳排放與碳中和數(shù)據(jù)，以資比較鑒別。

表3: 中國水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和的模擬推演

注：① 這是科學合理的狀態(tài)，也是筆者設計推薦的狀況。

② 這是假設取消全部32.5水泥并向高標號化發(fā)展的狀態(tài)。

表4: 中國由現(xiàn)狀轉型為兩種碳中和狀態(tài)的推演。

注：① 這是科學合理的狀態(tài)，也是筆者設計推薦的狀況。

② 這是假設取消全部32.5水泥并向高標號化發(fā)展的狀態(tài)。

③ 從水泥構筑物建成—使用--拆除--廢棄混凝土再利用整個產(chǎn)業(yè)鏈的全生命周期按100年計。

前提、闡述與觀點：

1）本文的前提是：在現(xiàn)今預分解窯水泥技術體系的大范疇內(nèi)，假定某一種顛覆性生產(chǎn)工藝創(chuàng)新技術體系尚未實際應用(如果有所萌芽的話)的條件下進行推演。

2）我國目前平均熟料熱耗770 kcal/kg.cl.與平均水泥綜合電耗88 kWh/t.c.處于國際較先進水平。模擬達到碳中和時，兩者分別將降低到600 kcal/kg.cl.和70 kWh/t.c。這已十分接近在上述前提條件下實際可能達到的最低值了。

3）在未來的15——20年之內(nèi)，我國替代燃料RDF的TSR從現(xiàn)今的5%上升到100%，應該是完全可以實現(xiàn)的。這樣就可以完成23.2%的減排任務（表4）。實際上這項減碳措施我國已經(jīng)正在積極推進之中，前景可期。

4） 我國目前余熱發(fā)電對全行業(yè)減碳的影響很小，僅為1.5%（按平均噸熟料余熱凈發(fā)電量31 kWh, 余熱發(fā)電普及率70%計）。而且日后達到碳中和時，熟料熱耗將降到600 kcal/kg.cl.，水泥窯可用于發(fā)電的余熱銳減。屆時余熱發(fā)電的因素或可基本上忽略不計，故在推演中對其減碳功能未于計入。

5）我國現(xiàn)今32.5水泥占比太高，應由55%下調(diào)到30%為宜。相應的熟料系數(shù)CF將從0.65上升為0.70。

6）我國從現(xiàn)狀轉型為假設狀態(tài)下的碳中和時，在其他條件相同的情況下，因其全部取消了32.5水泥，52.5水泥占比上升到30%，熟料系數(shù)CF上升為0.85，全行業(yè)噸水泥的碳排放由576,8 kgCO₂/t.c.上升為660 kgCO₂/t.c.，增加了81.2 kgCO2/t.c.。結果是非但未能減碳，反而增加了碳排放18.6%，CCS/U的減碳任務陡增到66.7%（表4）。

7) 現(xiàn)今我國水泥工業(yè)碳排放最主要源于”工藝”排放（表3），占60%（347.8/576.8）：其次是“燃燒“排放，占30%（178.8/576.8）；”簡接“排放最少，占10%（50.2/576.8）。削減”工藝“排放的途徑主要是，研發(fā)并適當推廣應用低標號水泥以及各種低碳含量的膠凝材料SCM。例如國際上正在加緊研發(fā)應用的Solidia水泥、LC3煅燒粘土水泥、鐵(硫)鋁酸鹽CFSA水泥、低鈣Belite水泥、活性氧化鎂Navocem水泥、低碳Aether水泥、Persal(BCSA)水泥、堿激發(fā)地礦膠凝材料Geopolymers, 等等。因為這一類新型膠凝材料國際上仍在試驗應用之中,尚不很成熟，更未列入正式規(guī)范或標準。又因這種技術在我國幾乎接近空白，或者只是鳳毛麟角。故本文推演中暫不考慮這項因素的影響。然而，隨著時間的推移和技術進步的發(fā)展，這方面的減碳空間和潛力，我國必須要有足夠的遠見，與時俱進，徹底糾錯“平反”對低標號水泥不科學的歧視性說辭，現(xiàn)在更要不失時機的部署相應的研發(fā)工作，特別要警惕防止在國際競爭中被擴大差距而“掉隊“。

8）我國水泥工業(yè)要在2050年達到碳中和，加緊研發(fā)改進完善使之能經(jīng)濟合理的采用CCS/U技術是不可或缺的措施。而且它必須要承擔總量51%的減碳任務才行（表4）。CCS/U在我國基礎較弱，剛起步，所以必須加大投入，抓緊研發(fā)完善。力爭2040年能經(jīng)濟合理的投入實用。同時我們應該認識到，CCS/U是一種兜底的措施，其承擔的減碳占比不宜太大。水泥工業(yè)的碳中和應該依靠自力更生，以自我減碳為主。

9) 國際實踐業(yè)已充分證明，利用混合材深加工和混凝土外加劑等多項最新技術，等量的32.5水泥（CEM II/C, CEM VI）所制備的混凝土具有與42.5水泥制備的同樣性能而毫不遜色，但其每立方混凝土的碳排放卻比42.5水泥的減少20%。 我國應該充分認識到這一新動向的苗頭和潛力，加緊這方面的研發(fā)工作，決不能“自廢武功”，主動放棄這一個重要的國際競爭領域。

四、歐盟水泥工業(yè)碳中和的模擬推演

表5和表6列舉了歐盟水泥工業(yè)現(xiàn)今的基本狀況以及模擬碳中和的推演結果。

表5: 歐盟EU27 水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和的模擬推演

表6： 歐盟由現(xiàn)狀轉型為碳中和狀態(tài)的推演

注：①從水泥構筑物建成—使用==拆除--廢棄混凝土再利用整個產(chǎn)業(yè)鏈的全生命周期按100年計。

比較表3表4和表5表6的數(shù)據(jù)可知，我國和歐盟水泥工業(yè)碳排放、碳中和之間的主要差別為：

1）我國現(xiàn)今在熟料系數(shù)CF、熟料熱耗和水泥綜合電耗方面都較低。故噸水泥的碳排放也較低。但總體上我國與歐盟的差別不大，585.3-576.8=8.5kgCO₂/t.c.，占總量僅1.5%（表5和表3）。

2）我國現(xiàn)今替代燃料TSR太低，僅5%，而歐盟TSR已達50%，德國為72%，從而在碳排放方面彌補了其熱耗電耗較高的弱點。

3）歐盟在低碳含量膠凝材料 SCM和CCS/U領域的研發(fā)采用工作比我國領先一步，已經(jīng)積累了一些經(jīng)驗教訓，也有若干初步成果，正在改進完善階段。而我國在CCS/U方面剛起步，在低碳含量膠凝材料 SCM方面幾乎是空白。所以應該加大投入，重視加強這兩方面的研發(fā)完善推廣應用工作。

4）國際上有幾位專家對歐盟水泥工業(yè)的碳中和也進行過模擬推演。其結果一致認為，CCS/U 必須承擔42%的減碳任務才能在2050年實現(xiàn)碳中和。而筆者推演的結果是48.8%（表6），高出他們的約6個百分點，估計是他們適當計入了各種SCM的減碳功能之故。還有就是我國水泥窯余熱發(fā)電的1.5個百分點的減碳功能未計入，而這在歐盟原本就應用極少的。然而無獨有偶，最近GCCA水泥部主席Ms. Claude Lorea在一個報告中提出的該數(shù)據(jù)為48%，恰巧與筆者的48.8%，不謀而合。

五、結語

應該強調(diào)指出，水泥工業(yè)的碳中和問題。首先，這完全取決于整個國家政治、經(jīng)濟、科技、制造、工業(yè)……等各方面的綜合實力，沒有整個國家的全面發(fā)展和足夠強大的綜合實力，以及全國各方面的綜合協(xié)同行動，單獨一個水泥工業(yè)想要實現(xiàn)碳中和是很不現(xiàn)實的。其次，這是一項十分艱巨復雜的大系統(tǒng)工程，要有幾十年長期奮斗的思想準備，任重道遠！對于我國這樣的水泥大國而言則更甚！

水泥工業(yè)減碳尚存有的最大空間和潛力在于“工藝“減排，因其占排碳總量的60%。所以從長遠來看，最終的發(fā)展趨勢將是：從大量采用碳酸質(zhì)（鈣質(zhì)）原料逐漸向釆用硅酸質(zhì)、鋁酸質(zhì)、鐵硫鋁酸質(zhì)（硅質(zhì)、鋁質(zhì)、鐵質(zhì)）等原料轉移：從采用較高標號水泥制備高強高性能混凝土逐漸向采用較低標號水泥或低碳含量膠凝材料SCM制備高強高性能混凝土轉移；從主要依賴CCS/U技術(占40%——50%)逐漸向自力更生，自我減碳為主(CCS/U占20%)轉移。

主要參考文獻

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4. Cembureau: Cementing the European Green Deal-Reaching climate neutrality along the cement and concrete value chain by 2050. May 2020

5. Stripple, H., et al: CO₂ uptake in cement-containing products – Background of calculation module for IPCC implementation. IVL Swedish Environmental Research Institute. 2018

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7.Chang-Ming Gao: China’s path to green growth. ICR March 2021 P.19-21

8.VDZ: German cement industry on course for a carbon-free future. ZKG Jan.2021 P.6

（轉載自《中國水泥》2021年第4期）