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　　跟着中邦碳达峰、碳中和标的的提出，水泥创制业的绿色低碳转型成为行业发达的重要趋向，联系节能降碳枢纽本事的研发计划与使用需求日益急切。从原料替换、燃料替换、节能提效和碳捕集操纵4个方面梳理了现时水泥行业仍然竣工贸易化使用与正处于研发阶段的绿色低碳本事，综述了各种本事的碳减排潜力，理解了种种本事的协同处境效益、引申控制条款等要素。

　　2020年9月22日，习正在第七十五届联络邦大会上发布：中邦将普及邦度自决进献力度，接纳愈加有力的计谋和门径，CO2排放力求2030年前到达峰值，竭力争取2060年前竣工碳中和。中邦事宇宙上最大的水泥临蓐邦，水泥行业年CO2排放量赶上12亿t，占天下工业碳排放总量的20%以上，占修材行业碳排放总量的70%以上；吨水泥熟料的归纳能耗约为108kgce（千克尺度煤），碳排放量约为0.8t，个中60%来自碳酸盐原料分化，35%来自燃料燃烧，5%来自电能打发。跟着水泥熟料产量的增众，中邦水泥行业CO 2 排放量一连增加（图1），到2020年到达13.79亿t，年均增加率约为2.71%。

　　贯串工业和音信化部等四部分联络印发的《修材行业碳达峰践诺计划》，水泥行业的降碳减排是修材行业以致扫数工业周围竣工“双碳”标的的核心与难点。跟着“双碳”邦度政策的一连深刻，以科技改进驱动的行业绿色低碳转型需求日益急切。本文从原料替换、燃料替换、节能提效、碳捕集操纵与封存（CCUS）4个方面体例梳理31项水泥行业仍然竣工贸易化使用或正处于研发阶段的低碳本事（图2），理解各种本事的碳减排潜力、协同处境效益与引申限制条款。

　　碳酸盐原料煅烧分化变成的工业经过排放是水泥创制业的重要碳排放原因。工业经过排放无法通过能源体例的零碳化改制竣工减排，须要从原料端切磋缩减或替换碳酸盐原料/熟料用量，同时两全产物的服役功能，该类本事重要以100%利用自然矿石的硅酸盐水泥行动减排潜力的估量基准。凭据分别替换对象，可将联系本事划分为生料替换、熟料替换和水泥性能性替换3个磋议偏向。

　　从临蓐工艺角度来看，60%的碳排放来自碳酸盐原料分化（CaCO3→CaO+CO2），生料替换本事采用非碳酸盐原料供给水泥临蓐所需的CaO，不妨有用低落石灰石分化发作的CO2排放，明显低落水泥临蓐的碳排放量。

　　电石渣是电石临蓐乙炔经过中发作的废渣，其重要因素为Ca(OH)2，可供给水泥熟料临蓐所需钙质，低落熟料烧成热耗，电石渣替换比到达70%时可使吨熟料产物碳脚印低落约391kg，且矿产资源打发、土地占用等处境影响均有所改良。硅钙渣是碱石灰石烧结法提取高铝粉煤灰经过中发作的固体烧毁物，重要因素是SiO2、Al2O3、CaO3等，可裁减生料配料中石灰石的比例，低落熟料煅烧温度，改良熟料的易磨性，当生料中硅钙渣替换比为30%足下时，吨水泥熟料碳排放会低落约18%，该本事的使用不妨缓解堆弃管束导致的土地占用和水资源污染等处境题目。钢渣包罗水泥临蓐的所需的钙质因素，利用钢渣不妨改良生料的易烧性，低落熟料烧成的煤耗，生料中搭配采用约4%的钢渣不妨使单元熟料CO2排放裁减约15kg，竣工工业固废资源化操纵的同时低落矿产资源的打发。

　　临蓐1t硅酸盐水泥熟料要排放约0.86t的CO 2 ，通过固废等替换熟料低落水泥中的熟料系数可竣工碳减排，但中邦水泥熟料系数已达0.678，赓续低落的潜力有限，并且不妨影响水泥熟料品德。别的，低碳水泥体例基于新型矿物构成替换硅酸盐熟料，裁减熟料中钙质含量并低落烧成温度，具备正在不影响修制质地的情景下竣工碳减排的潜力。

　　高贝利特水泥的临蓐工艺和修设与古代硅酸盐水泥基础一样，C2S矿物含量约50%~55%，该本事低落石灰质原料用量并使烧成温度低落约100℃，俭仆煤耗5%~15%，外面上可竣工20%的碳减排量，联系使用案例碳减排结果明显。贝利特-硫铝酸盐水泥（Belite caciumsulfoaluminate ternesite，BCT）正在熟料矿物体例中引入硫硅钙石和硫铝酸钙电竞，烧成温度低落至1250~1300℃足下，比拟浅显硅酸盐水泥（ordinary portland cement，OPC）估计俭仆10%~15%的燃料和电力打发，CO2排放低落30%足下。Solidia Cement矿相构成重要包罗CaO·SiO2(CS)和3CaO·2SiO2(C3S2)，低钙硅酸钙相的造成裁减石灰石的用量，使熟料烧成温度低落200℃，吨水泥熟料碳排放比拟OPC水泥低落约245kg。石灰石煅烧粘土水泥（limestone calcined clay，LC3）是基于石灰石和煅烧粘土夹杂的新型三元水泥，操纵煅烧粘土和石灰石的协同感化，具有与OPC水泥近似的强度，LC3本事可低落高达144kg CO2/t的碳排放量，且无需对现时临蓐线举办蚁集型改制。

　　低碳胶凝质料具有水泥的胶凝性能，临蓐工艺非“两磨一烧”，单元产物CO 2 排放量较水泥有明白低落，水泥性能性替换本事通过该类质料正在混凝土临蓐中替换水泥组分，不妨从泉源上裁减水泥用量，竣工混凝土临蓐的低碳转型。

　　现阶段碱激勉水泥（alkali-activated cement，AAC）是最重要的低碳胶凝质料，凭据含钙量的分别分为高钙硅铝酸盐质料（矿渣等）和低钙硅铝酸盐质料（粉煤灰等）。碱激勉矿渣胶凝质料以粒化高炉矿渣（granulated blast furnace slag，GBFS）为原质料，GBFS是通过热化学还原法临蓐铁的经过中发作的固废，临蓐碱激勉矿渣胶凝质料有利于鼓吹工业固废的可轮回操纵，相较OPC水泥混凝土，碱激勉矿渣胶凝材治理论上避免了碳酸盐分化经过，临蓐能耗仅为OPC的40%~60%，不妨低落25%~50%的CO2排放量。碱激勉粉煤灰胶凝质料通过碱激勉剂化学激勉粉煤灰制备，相较OPC水泥具有明显的低碳利废上风，与一律抗压强度的混凝土比拟，具有更好的耐侵蚀、抗融冻和抗渗等功能，可低落约32%的CO2排放，缓解固废堆弃导致的土地占用和处境污染等题目。

　　生料替换本事是水泥创制业竣工工业经过温室气体深度减排的枢纽，但替换生料存正在含水量高、产地分散凑集、因素可控性差等限制要素，导致部门本事难以正在全区域、全行业局势限引申，须要巩固替换生料的区域化可用性并拓展可操纵的非碳酸盐钙质原料类型。熟料替换本事进一步低落熟料系数的空间有限，而新型低碳水泥仍受限于商场范围、研发本钱、工艺央求等限制要素；水泥性能性替换本事尚处于实践室研发阶段，原料原因纷乱导致低碳胶凝质料凝固硬化经过可控性较差，针对分别原因的原料配制出功能相对安稳的低碳胶凝质料，是异日本事引申须要处分的枢纽题目。模范原料替换本事的碳减排潜力、协同处境效益及引申限制要素如外1所示。

　　正在熟料煅烧经过因煤等化石燃料燃烧变成的CO2排放约占碳排放总量的35%足下，操纵低碳/零碳燃料全部或部门替换煤行动热源，可竣工水泥创制能源运动碳排放的大幅缩减，该类本事经常凭据煤燃烧情况行动减排量核算的对照基准。凭据替换燃料的原因，可分为洁净（零碳）燃料替换本事和衍生燃料替换本事。

　　洁净燃料替换本事旨正在操纵低碳可再生能源（生物质、氨等）对古代化石燃料举办替换，从而裁减熟料煅烧经过中因能源运动变成的CO 2 排放，现阶段重要洁净（零碳）燃料有生物质燃料、氨、氢等。

　　生物质燃料泛指由生物质萃取的固体、液体或气体燃料，具备碳中性的特色，是环球公认的“零排放”绿色能源。相较煤炭，生物质燃料临蓐水泥可能低落15%~25%的碳排放，现阶段中邦重要的水泥生物质替换燃料有秸秆、稻壳和木柴废物等。秸秆燃料替换本事可竣工40%的燃料替换率，单元水泥熟料低落约108kg的CO2排放，而且明显裁减NOx、SO2、无益废气和废渣的排放。掺氨水泥临蓐本事采用绿氨行动水泥临蓐的替换燃料，外面上煤炭替换率可达20%以上，临蓐经过中SO2排放低落。氨行动储氢介质燃点高，同体积下液氨所含氢元素是液氢的1.6倍，是环球目前热门的无碳可轮回燃料。氢能本事外面上可能大比例替换燃煤，以至竣工能源运动CO2的零排放，替换比例到达20%时，可使吨熟料的碳排放低落约32%，目前邦际上着名水泥公司均正在大肆发达氢能本事，但尚无工业树范级此外使用。

　　衍生燃料替换本事操纵含能废物替换化石燃料，低落水泥临蓐的燃煤利用比例，并避免点火/填埋等古代烧毁物管理变成的温室气体排放，到达减污降碳协同结果。 常睹的水泥衍生燃料有生涯垃圾、废轮胎、夹杂工业废物等。

　　垃圾衍生燃料本事将生涯垃圾和种种工业烧毁物经恰当的预管束制成烧毁物衍生燃料（refuse derived fuel，RDF），替换古代化石燃料竣工CO2减排，该本事践诺前后单元熟料的碳脚印相差10.65kg的CO2 eq（二氧化碳当量），低落约1.38%的碳排放，临蓐经过中SO2、NOx和PM的排放明白低落，且可能将垃圾燃烧发作的二噁英等有毒残留物固定到熟料当中。轮胎衍生燃料本事可竣工10%~30%的化石燃料替换率，废旧轮胎的热值约为30~37MJ/kg，热值较煤炭高且单元热值CO2排放低，氮氧化物的排放及灰分中的重金属含量低落，且该本事的临蓐线改换成本相对较低，焕发邦度水泥行业绿色转型经过中使用普通。

　　洁净（零 碳）燃料替换本事正在碳减排潜力和协同处境效益方面具有明白上风，且适宜中邦构修低碳高功用源体例的政策经营，但现阶段该类本事众数处于根基磋议阶段且替换燃料的比例有限，部门替换燃料属于危境化学品且创制本钱腾贵，须要两全低本钱零碳燃料开垦并举办成婚零碳燃料的流程改制，以竣工100%替换古代化石燃料。 衍生燃料替换本事较焕发邦度50%以上替换比率存正在必定差异，现时中邦衍生燃料存正在因素纷乱、热量替换率低等题目，部门衍生燃料会惹起熟料中ZnO含量增众，导致水泥强度低落，创设完好的衍生燃料收储体例，加疾高品德预管束本事的磋议以推动衍生燃料高值化操纵，是水泥行业引申该类本事后续发达的核心。 模范燃料替换本事的碳减排潜力、协同处境效益及引申限制要素如外2所示。

　　水泥行业约40%的碳排放来自于能源运动，搜罗煅烧用煤、柴油与临蓐电耗，节能提效本事正在不改换用能类型的条件下，通过裁减单元产物的能源打发竣工碳减排，经常该类本事的践诺本钱相对较低，重要凭据《水泥单元产物能源打发限额》中的3级能耗限额品级行动节能降碳量的对照基准。凭据分别工序，可分为粉磨节能提效、烧成体例节能提效和其他节能提效本事等。

　　粉磨阶段的能源打发以电能为主，约占水泥创制总电力打发的80%，碳排放重要为外购电力联系的间接排放。 粉磨节能提效本事通过改制升级粉磨修设竣工单元产物电耗低落，从而裁减粉磨阶段发作的间接碳排放。

　　古代的生料球磨本事采用钢球行动介质对物料举办呆滞研磨，粉磨颗粒贴近球形，有益于熟料煅烧和水泥水化硬化，受限于电耗较高（约20~25kWh/t）且占地面积大，该本事逐步被其他粉磨本事所替换。生料立磨终粉本事的劳动道理是操纵滚筒外泄的压力将原料碾碎，相较球磨体例，其粉磨功用更高且能耗更低，单元产物电耗约为15~18kWh/t，具有干燥本领强、产物化学因素安稳、粒度分散平均等特色，但并不具备球磨本事正在临蓐颗粒样子上的怪异上风。生料辊压机终粉本事基于高压挤压料层打破道理，配以恰当的打散分级装备，具有更高的粉磨功用，单元产物电耗约为14kWh/t，竣工单元水泥熟料低落约1%的CO2排放。辊压机+球磨机的联络粉磨是目前水泥行业较为理念的高效粉磨本事，辊压机践诺预粉磨管束后采用球磨机终粉，保存粉磨颗粒球形上风，能耗较纯真采用球磨本事低落，明显提拔粉磨功用的同时低落约43%~50%的电耗，是目前粉磨体例的重要节能改制偏向。

　　熟料烧成是水泥行业节能低碳转型聚焦的最重要闭键，该工段进献贴近100%的煤耗和20%~30%的电耗。 烧成体例节能提效本事环绕节煤降电举办体例低碳改制，搜罗窑尾预分瓦解例优化、反转窑节能升级和新型窑头熟料冷却等本事偏向。

　　窑尾预分瓦解例由预热器旋风筒和分化炉组成。高效低压损六级预分瓦解例通过改良各级旋风筒结合管道内的气固换热、普及各级旋风筒的辨别功用等本事门径，可竣工烧成体例煤耗低落至95kg/t，预分瓦解例节电1.5kWh/t。高固气比水泥悬浮预热分化本事增众物料换热器和反映器中的固气比，深化气固两相的换热传质和反映，可竣工单元熟料烧成能耗低落5~10kgce/t，裁减SO2和NOx等气体排放。反转窑节能改制重要搜罗普及燃烧功用和低落热能损耗2个途径。高效低氮燃烧器通过准确机闭参数限定端口火焰形势，普及煤粉夹杂结果，竣工吨熟料煤耗低落2.5kg，归纳电耗低落2.1kWh，氮氧化物排放低落至318mg/m3。集成模块化窑衬节能本事以合成原料为根基，操纵分别质料的导热系数，将各层质料固化正在其各自不妨经受的温度局限内，可竣工单元熟料烧成能耗低落5~20kgce/t，保障反转窑的利用结果和平和安稳性。篦式冷却机是熟料冷却体例的枢纽修设，直接相干到熟料烧成阶段的能耗秤谌。第4代高效篦冷机通过增众固定篦床的面积，巩固二三次供风区域的风量并普及窑头余热发电风温，相较3代篦冷机完全冷却功用明白普及，可竣工吨水泥熟料低落约1.2%的CO2排放。

　　新型干法水泥窑尾废气温度约320℃，冷却熟料发作废气温度约250℃，基于这些含能废气举办发电，通过普及余热发电功用低落水泥厂外购电量，不妨间接裁减CO 2 排放。 水泥窑纯低温余热发电本事操纵窑头和窑尾余热汽锅临蓐的主蒸汽及低压蒸汽进入汽轮机做功，做功后的蒸汽被冷却凝固成水并除氧，之后由给水泵输送至窑头和窑尾余热汽锅临蓐蒸汽，汽轮机做功动员发电机发电，可能到达节电降耗和低落水泥临蓐本钱的主意。 5000t /d的水泥熟料临蓐线%的归纳能耗，每年裁减CO 2 排放量约6万t，俭仆尺度煤约2.5万t，并不妨明显裁减 SO 2 和 NO x 的排放。

　　智能化节能提效本事通过对临蓐全经过各工艺核心用能修设能耗数据的及时监测，发掘节能空间并制订运转改良门径，从而普及水泥临蓐的能源操纵功用及节能降碳秤谌。 新型干法水泥窑临蓐运转节能监控优化体例集成单线对高比特率数字用户线（SHDSL）、紫蜂（ZigBee）等通讯本事，构修搜罗临蓐现场、中控室、数据中央和数据用户的大范围节能减排监测收集，并凭据这些音信调控临蓐工艺参数，该本事使用于4500t/d的新型干法水泥临蓐线tce/a。 熟料煅烧经过智能优化限定体例则针对水泥熟料烧成阶段，将人工智能与流程工业经过限定深度统一，集成以烧成带枢纽音信丈量为主旨的煅烧工况智能感知本事，构修水泥熟料煅烧经过智能限定体例平台，目前该体例不妨竣工吨熟料临蓐煤耗低落1.0~5.0kg，跟着该本事天下引申率的普及，可竣工单元熟料归纳能耗进一步降低。

　　粉磨和烧成体例节能提效本事体例已正在新投修企业普通采用，这类本事的节能降碳结果不妨互相集成，竣工本事碳减排潜力的效应叠加且不受时节/区域控制，但该类本事践诺经常须要对原有临蓐线举办停机改制，大批的功夫本钱进入，正在必定水平上控制了该类本事的疾捷引申，须要接纳恰当的财产计谋或地方政府计谋加以辅导和接济。而余热接受发电本事险些已一概笼盖中邦5000t/d及以上范围的水泥临蓐线，若非涌现倾覆性本事更始，该类本事碳减排潜力的进一步普及存正在瓶颈。智能化节能提效本事则不妨集成其他碳减排本事阐明降碳节能感化，孤独界定其节能减排结果和经济效益较为贫寒，但跟着该类本事投资本钱题目的逐渐改良，将有助于从完全上普及水泥行业的能效、低落能耗和CO2排放。模范节能提效本事的碳减排潜力、协同环 境 效益及引申限制要素睹外3。

　　Tan等预测假使原料替换、燃料替换及节能提效等本事竣工了局势限引申，正在已有本事认知下中邦水泥创制业至2060年仍有1亿~2亿t的CO2排放难以全部缩减。CCUS本事通过对发作CO2的捕集竣工难减碳排放的最终杀绝，但该本事的使用须要切磋何如对捕集的CO2举办操纵或封存，以抗御其再次排放到大气中，经常凭据捕集CO2量与为捕集CO2出格变成的碳排放之间的差值来量度碳减排结果。凭据本事闭键，该类本事可分为CO2捕集和CO2操纵两类。

　　邦际能源署（IEA）颁发的《环球水泥低碳本事道途年，水泥创制业须要通过碳捕集本事竣工约48%的碳减排量。 该类本事可能将CO 2 从水泥临蓐经过排放的废气平分离捕集，重要分为直接捕集本事和捕集条款营制本事。

　　化学招揽本事利器具有抉择性招揽特质的化学溶剂对水泥临蓐排放的CO2举办招揽，并正在高温条款下对富集液举办解析辨别，该本事成熟度较高，可能竣工工业级以上纯度的液态CO2捕集。变压吸附本事正在分别分压条款下操纵吸附剂对CO2举办物理吸附解吸，相较古代物理吸附本事，其吸附容量有所提拔，捕集纯度达40%~60%，相较化学招揽本事具有投资本钱少、占地面积小等上风。富氧燃烧本事采用高含氧量气体举办助燃，普及燃料的燃尽率，临蓐单元熟料归纳能耗可低落约6kgce/t，排放烟气中CO2含量到达90%以上，是一种碳捕集条款营制本事。外燃式旋窑碳捕集本事凭据捕集CO2量的央求，将蓝本送入预热器下料管的生料，分出必定量送入外燃式高温煅烧反转窑平分解，该本事针对碳酸盐分化经过发作的CO2营制捕集处境，实用于新修临蓐线操纵本事

　　封存和操纵是捕集CO 2 的2种下逛管理设施，现阶段封存本事尚且无法保障长久储蓄并存正在泄漏危急。 CO 2 操纵本事则通过将捕集CO 2 使用到水泥临蓐体例或其他产物体例，规避碳封存的平和隐患并竣工二氧化碳资源化轮回操纵。钙轮回本事以钙基质料做吸附剂，基于CaO碳化和CaCO3分化反映举办轮回吸附脱附，失活吸附剂将行动水泥临蓐的原料，竣工捕集CO2的轮回操纵。CO2养护混凝土本事将CO2介入水泥基质料水化尚未告竣阶段，既可能足够操纵捕集的CO2，又不妨加快混凝土的水化硬化经过。正在其他体例操纵捕集CO2方面，蒙西水泥集团CO2凑集物临蓐线行动全降解塑料临蓐的原料；拉法基豪瑞集团扶植的CCUS项目将水泥临蓐经过中捕集的CO2用于农业临蓐，每年进入利用的CO2高达70万t。

　　CO 2 捕集本事现阶段正在水泥行业处于中试或工业树范低级阶段，该类本事践诺须要增众新的工艺及修设，本事践诺本钱较高，而CO 2 操纵本事尚处于研发阶段或中试阶段，且目前逮捕的CO 2 下逛商场需求亏欠，以致捕集CO 2 的操纵率较低。 现时CCUS本事面对经济、商场、本事和计谋等众方面的限制，要竣工范围化发达尚存正在较众阻力。 因而，异日水泥行业须要着重巩固针对CCUS本事的定向磋议并处分本事运转本钱偏高的题目，同时两全基于中邦水泥企业临蓐数据、源汇成婚和经济效益等要素体例性地磋议CCUS本事的碳减排潜力，从而真切水泥企业发展CCUS本事的可行性。5

　　水泥创制业行动能源蚁集型财产，正在“双碳”标的的驱动下，急切须要联系低碳水泥本事的研发计划与使用引申，以支持行业的绿色低碳转型。基于水泥行业现时温室气体排放的重要原因，从原料替换、燃料替换、节能提效和CCUS4个方面体例梳理了电石渣原料替换、秸秆燃料替换、水泥联络粉磨等31项绿色低碳本事，理解了各种本事的碳减排潜力，并商酌其协同处境效益、引申限制条款等要素。结果显示，本文商酌的模范本事均具有必定的碳减排潜力，且部门本事兼具缓解矿产资源打发、低落污染物排放等协同效益，但同时也不妨存正在影响水泥产物功能、商场范围较小或践诺本钱过上等控制本事正在短功夫内大范围商场使用的要素。目前，原料替换本事发达成熟度较高，但存正在原料原因纷乱等控制，尚不具备一切替换古代熟料/水泥的条款；燃料替换本事发达滞后于邦际秤谌，热替换率比拟邦际进步秤谌仍有差异，异日造成成熟的替换燃料采集、分类、加工财产将希望大幅度低落水泥临蓐的碳排放；节能提效本事发达已处于邦际进步秤谌，异日加大本事普及，将成为水泥行业碳达峰的厉重支持；而CCUS本事众数处于中试或树范阶段，但跟着本事成熟与范围化效应出现，CCUS的减排本钱逐步低落，将成为水泥行业竣工中远期碳中和标的的主旨本事之一。

　　基于现有本事发出现状，预计水泥行业竣工“双碳”的标的。面向2030年碳达峰需求，对现有工艺修设举办升级改制，普及粉磨、烧成等闭键的能源操纵功用，是两全切磋经济发达与减排标的的有用途径。面向2060年碳中和前景标的，水泥行业深度减排的本事攻闭应从原料、燃料、流程、捕集四端发力，两全本事本钱、协同处境效益、践诺危急等众维要素，从短期与中长久、完全与片面的角度研讨众标的最优的本事组合与发达途途。别的，针对倾覆性本事的实时出现与已有本事发达的跟踪评估，拓宽水泥绿色低碳本事的评估维度，构修包罗本事发达秤谌，本事减排潜力，本事协同效益、本事践诺危急等众维度的本事评估体例，将愈加有利于为水泥行业绿色低碳转型经过中的本事采选与途途经营供给发起与支持。

　　作家简介：沈鸿海，北京工业大学质料与创制学部，硕士磋议生，磋议偏向为质料人命周期评判与生态安排 ；刘宇（通讯作家），北京工业大学质料与创制学部，副教育，磋议偏向为人命周期评判。

　　原文公布于《科技导报》2024年第4期，接待订阅查看。实质为【科技导报】群众号原创，接待转载白名单复兴后台「转载」

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