我国水泥工业低碳转型的技术途径
——兼评联合国新发布的《水泥工业低碳转型技术路线图》
高长明
一、前言
联合国所属的国际能源署IEA、水泥可持续发展倡议行动组织CSI和世界可持续发展工商理事会WBCSD三家非盈利性咨询机构，继2009年发布了《2050世界水泥工业发展技术路线图》后，经历了9年的实践检验，2017年开始对其进行了全面补充和修订，2018年3月发布了最新报告《水泥工业低碳转型技术路线图》（以下简称《路线图》）。对2030年2050年世界水泥工业的技术发展方向、途径与措施，以及其预期目标、市场规模和投资等做出了预测。从理论归纳到实际实施两方面详实地阐述了主要科技研发成果的应用经验，通过现实的技经分析研究，周密审慎地提出了当今世界水泥工业可持续发展向低碳转型的四大发展方向和技术途径，并列举了各项相应的目标、指标和投资预算。
《路线图》是上述三家国际咨询机构聘请了9位世界级的水泥、能源、环保行业的专家，对世界各国200多位颇具权威和影响力的专家、教授、学者、企业家和政府官员，以及各国著名的科研设计咨询机构的主要人员，经历了15个月的调研和研究测算分析，最后编著完成的。这是一份具有较高科学性、前瞻性和指导性的技术报告，同时对世界各主要国家水泥工业来说也是具有一定总结性的文件。美中不足的是在这9位编著专家中没有一位中国专家，其咨询对象来自中国的也很少。因而其中对占世界水泥总产量57.5%的中国情况的了解不太全面，有的甚至不准确，致使有些论点和建议不一定适用于中国，所以启发了笔者撰写本文的旨愿。
但是应该指出，这无损《路线图》在科学性和指导性方面的重大意义，仍然值得我国水泥界认真研讨，并借鉴领先国家的经验。笔者完全赞同其所判断的世界水泥工业的发展方向，及其提出的四大低碳转型的技术途径。本文只是在此基础上针对我国水泥工业的现实情况和世界水泥低碳转型问题提出若干个人的观点和建议，供我国业界同好探讨，祈赐教。
二、世界和我国水泥工业低碳转型的四大技术途径
根据德国KARLSRUHE技术研究院(KIT)、联合国和我国资料，2017年全世界人为（工业、农业、服务业、生活消费以及军事等等）排放CO2达366亿吨，其中水泥工业约占6.7%，24.6亿吨。同年世界水泥产量41.77亿吨，折合吨水泥CO2排放为0.59吨；其中我国水泥产量24亿吨，排放CO2 12亿吨，折合吨水泥排放CO2约0.5吨（熟料系数为0.58左右）；其余世界各国水泥产量合计约18亿吨，排CO2 12.6亿吨，折合吨水泥排放CO2约0.7吨（熟料系数0.67左右）。
按照2015年《巴黎协定》的2100年地球气温控制不超过世界工业化前1.5~2.0℃的要求，《路线图》认为，在维持全球经济适度偏保守增长的假定条件下，世界水泥工业2050年的总排放CO2应比现今的削减40%，约10亿吨。即由24.6亿吨降为15亿吨左右，这是按2050年地球升温1.75℃测算的结果。
最近2018年10月8日，政府间气候变化专家委员会（IPCC）第48次全会发布的，《IPCC 1.5℃特别报告》指出，目前全球升温已达1℃，如果不采取全面紧急措施，那么温升达1.5℃最快将是12年以后的2030年，最晚是2052年。同时强调了温度升高1.5℃是非常关键的“临界点”，1.5℃和2℃之间具有“天壤”之别。看来形势十分严峻。虽然这一论点尚未定论，但要求趋紧的信号是很明显的。因此本文在探讨我国水泥工业低碳措施时适当考虑了稍紧这一因素，对我国水泥工业的减排要求（目标）将比《路线图》的有所收紧，谨此说明。
我国水泥工业低碳转型四大技术途径，兹阐述之。
1. 提高水泥生产效率，降低水泥单位能耗，削减单位碳足迹
普通硅酸盐水泥OPC熟料生产过程中工艺排碳量（碳酸钙分解）是相对固定的，约536 kgCO2/t.cl。本文所指的提高生产效率技术创新措施主要是，一方面降低熟料的单位热耗（煤耗），使其由我国现今的平均3600 kJ/kg.cl降到2050年的3100kJ/kg.cl，相应的降低13%左右；另一方面就是降低水泥生产的综合单位电耗，由我国现今的90 kWh/t.C降到75 kWh/t.C，使吨水泥的间接碳排放（为满足水泥生产的耗电，燃煤电厂所产生的CO2排放）相应地削减16%。详见表1。
按照我国发电厂2015年平均先进的统计指标，每度电消耗标煤0.3kg计，其碳排放因子为0.75 kgce/kWh，相应地水泥间接碳排放将由168 kgCO2/t.C降为140 kgCO2/t.C。如果以PO42.5水泥为基准，其合计单位总CO2排放量（工艺+燃煤+耗电）将由683 kg/t.C降到608 Kg/t.C（表1）。这是笔者建议的我国第一项减排措施——提高水泥生产效率所预期的目标。
因为自上世纪80年代创建预分解窑水泥生产线以来，经历了近40年的不断改进升级，各项降低熟料热耗和水泥综合电耗的技术创新已更新了好几代，其指标已趋于顶峰，提升空间有限，难度较大。现在我们将目标设定为提高13~16%，当属比较先进。加之我国熟料热耗和水泥电耗的现有水平在国际上已属上乘，起点高，2050年要实现这样的目标，并非易事，故仍需要我们继续努力创新。
2. 大力发展协同处置技术，将可燃废弃物用作水泥窑的燃料，以替代煤
这项技术措施在欧美发达国家，从烧废轮胎开始已应用了30年以上，技术成熟可靠。他们现有的水平是替代燃料（各种废弃物）对煤的热量替代率TSR已达30%左右。美国和日本的较低，约15%~20%，德国和荷兰的最高，分别为70%和90%。从TSR来看，这些发达国家正值扩大覆盖面和最后冲刺达到100%的阶段。笔者预测，欧洲诸国有望在2025年前后率先实现“熟料生产对化石燃料零消耗”的目标，不过因为欧洲现今在世界水泥总产量中的占比仅为7%，今后还有减少之势，因而其对全球水泥工业的碳减排贡献在数量上有限，但在技术上的带领示范作用是显著的，这方面的贡献不能低估。
相反的，在广大新兴国家和发展中国家，尤其是中国，从本世纪初开始，我们在实现这项技术途径上经历了10多年的艰辛探索与创新，近年终于成功的攻克了我国废弃物（生活垃圾、市政污泥、危废等）水分高、热值低、处置难等一系列技术难关，现在正处于进一步大批推广的阶段。目前全国的TSR很低，仅1.2%左右，发展空间很大。这意味着这项措施对我国水泥工业低碳转型的贡献潜力很大。在我国“十三五”水泥工业发展规划中的目标是，2020年全国水泥窑协同处置生产线的占比要达到15%，即至少有250台水泥窑要烧废弃物。这个目标的表述不太确切，没有抓住实质。应该采用国际通用的TSR指标，更科学确切。这里顺便再次强调，请注意TSR是喂入窑系统的废弃物对煤的热量替代率，而不是进厂废弃物对煤的重量替代率。这是最起码的基本概念，请不要将两者混为一谈。譬如三峡漂浮物与媒，两者的热值相差十分悬殊，按重量替代率计毫无意义，纯粹蛮拧！
可燃废弃物的种类很多，例如废轮胎、废化工溶剂、废机油、动物骨肉、废塑料、废油墨、危废、废木质物、废棉织物、废傢俱、生活垃圾、市政污泥、废纸浆纸板，等等。现今我国业已在环保方面安全可靠，在技术方面妥善的解决了生活垃圾、污泥、危废等的协同处置难题。今后在开拓废弃物应用种类方面的技术困难不会太大，应该可以较顺利的推进。水泥窑协同燃烧废弃物的经济效益也将会逐渐提升，水泥厂兼烧废弃物的积极性也会提高。加之政府技术政策激励措施的逐渐落实到位，我国水泥窑大面积推广协同处置废弃物技术的各方面主客观条件已经成熟。笔者预测全国水泥工业的TSR ，2030年将达到25%，2050年达到70%的目标是可行的。届时世界一流水泥强国的TSR大都均已达90%~100%。我国达到同样的水平，也是有可能的，并非奢望（表1）。
德国水泥工业长期实践经验表明，采用可燃废弃物每替代一吨标煤平均可减排CO2 0.8~1.0吨。不难设想，随着我国TSR较快的大幅提升，其对水泥工业低碳转型的贡献将日益明显。因此笔者认为，这是一项我国可对其寄以厚望的低碳转型技术途径。
3. 降低熟料系数，少用熟料，多生产使用32.5水泥
《路线图》中的这项措施，实际上是针对除中国以外的其余世界各国水泥工业而提出的，而对咱们中国并不适用，是恰恰相反。
最近10多年，德国、法国和瑞士等国通过一系列的研究实验与工程实践，业已证实在对混合材（矿渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、烧粘土等）进行深加工，提高其胶凝活性后可以发挥部分替代熟料的作用。同时在创新采用各种新型混凝土外加剂的条件下，等量的32.5水泥可以配制出C30混凝土（我国也有这方面的成果报导）。另外，根据德国VDZ 2016年的统计资料，生产32.5水泥的碳足迹平均为556 kgCO2/t，而52.5水泥则高达810 kgCO2/t，其主要原因在于32.5水泥的熟料系数低，约0.6，用熟料少；52.5水泥的则高达0.90，用熟料多之故。大家知道，熟料的碳足迹是最高的，达862 kgCO2/t.cl。
显然，针对除中国以外的世界其他各国，其水泥熟料系数普遍高达0.72~0.86，32.5水泥用量占比低到11~30%的情况，采用适当降低熟料系数，提高32.5水泥的占比，多生产使用32.5水泥的措施，对CO2的减排是有利的。因为这样并不会对水泥混凝土的工程质量与寿命产生任何负面影响。对此，国际上均已达成共识，32.5水泥占比与水泥碳足迹呈反变关系，应适当运用这一规律并逐渐推广。他们的预期目标是2030年将熟料系数降到平均值0.65以下，2050年降到0.60以下，相应的32.5水泥的占比将上升到2030年的18.5%，2050年的25%以上（注意：这里是指除中国外的世界各国平均值，不是全世界的，故其32.5水泥占比数值较表1中的稍低）。吨水泥的碳足迹将分别减少12%和17%以上。
但是我国的情况却完全相反，不是32.5水泥占比太少，而是太多太滥，高达65%以上；熟料系数不是太高而是太低，只有0.58。我国32.5水泥与42.5水泥、52.5水泥的用量比例关系长年严重失衡。应当将32.5水泥的占比逐渐下调到30%左右，将42.5水泥和52.5水泥的占比逐步相应地上调，以期趋于经济合理的范围，亦即熟料系数相应的上调到0.6（或0.65）。诚然这样的调整，按笔者计算其水泥的单位碳足迹将会从601 kgCO2/t.C上升到658 kgCO2/t.C，增加9.5%。这是我国水泥品种供给侧结构调整应该付出的代价，是综合权衡得失后的优化选择，理应承受，无可厚非（表1）。这是我国绝大多数科技工程人员的共识，32.5水泥的占比应该由65%大幅下调到30%左右为宜。
必须指出，大家都同意大幅削减32.5水泥占比，并不等于可以就此将其全部取消，削减到零。因为做任何事都要有个度，必须把握分寸，恰到好处。我国近年有个倡议要取消全部32.5水泥的说法和做法就失之过度，矫枉过正，完全背离了世界水泥工业低碳转型的大方向。为了确保我国水泥混凝土工业的健康发展，避免走弯（错）路，谏请国家主管部门对32.5水泥存废之争的甄别仲裁决策必须非常慎审，千万务必三思而后行！
4. 碳捕集回收CCS技术的研发应用
水泥工业的碳排放有50%以上是来自其主要原料石灰石的分解，这是水泥工艺过程所固有的。水泥窑废气中CO2的浓度高（23%），排放CO2的数量又多。这对低碳转型来说，是一个缺点，但是如果我们能将这些较高浓度的CO2捕集净化后利用起来，就能使这个缺点变成优点。这样水泥厂不仅能生产水泥，还能提供优质的CO2可用于食品、干冰、电子、激光、医药、焊接等行业，为水泥企业创造一定经济效益，有利CCS的推广应用。
根据德国水泥科学技术研究院论文集ECRA（2017）和第8届VDZ国际水泥技术大会论文集（2018）资料，现今德美英法加荷挪西比意奥中等国分别在约20台水泥窑上釆用氨水捕集法、溶剂吸收法、变压吸附法、富氧煆烧法、膜分离法、藻类固碳法或钙循环法等多种不同的工艺方法捕集碳，进行着不同规模的中间试验、半工业试验或工业试验，正在欧美形成一个爭相研发，你追我趕的局面。2018年9月26~28日，在德国水泥“聖地”杜塞尔多夫市召开的第8届VDZ国际水泥工业技术论坛上所宣读的论文中有一半以上是研讨CCS的，可见世界水泥行业对CCS的重视与期待。上述这些研发项目均取得了不同程度的成效，技术可行，效果还可以。唯效率较低成本较高，因碳補集净化方法的不同，一般每吨CO2的成本为25~50欧元，限制了碳捕集技术在水泥行业的推广。这意味着碳捕集在技术上还需不断改进创新，在成本上更要有大突破。《路线图》预计，欧美发达国家在2030年以前仍将处于CCS的研发攻坚突破阶段，要将成本降到10~15欧元/t CO2，才能使CCS在水泥行业进入商业化运行。也就是说，在欧美水泥工业中，2030年前的实际碳捕集数量不会太多，但已有一定规模。
2030年以后，随着在效率和成本上的突破，商业性CCS投产的增长，欧美水泥行业碳捕集措施才会进入规模性的实效阶段，之后再由欧美逐渐推广到世界市场。《路线图》预计2030年，世界水泥工业的碳捕集量可达3亿吨（主要在欧美），占总排量的12%，2050年达7亿吨，占总排量的30%（表1）。
我国水泥工业在碳捕集技术方面起步较晚，除台湾水泥公司在花莲水泥厂进行的钙循环法半工业试验项目取得一定进展外，在大陆只有海螺水泥集团的白马山水泥厂一家2018年10月刚有一套设计年产5万吨CO2的CCS装置可以生产销售工业级和食品级两种纯度（99.9%和99.99%）的CO2了。虽然其尚未达到设计产能，但已实现了零的突破，值得庆贺，侭管与欧美相比晚了10多年。今后我国如何发挥后发优势，亟须抓紧部署。笔者并不太同意CCS技术要等到在欧美成熟应用后才会流传到世界市场的说法。我们中国应该已有自力更生后来居上的推广应用CCS的技经实力和可能。只要我们充分的认识到，CCS在低碳转型中将占有三分之一以上的份额，具有重要的减排作用。像海螺那样，大家统一认识立即开始行动起，那么我国在2035年前后基本趕上欧美的水平是可以实现的。因而笔者适当地提高了我国的这一目标值（表1）。
除上述四大低碳转型技术途径以外，对我国水泥工业来说，还有一项颇具影响的因素需要考虑，那就是余热发电。这项技术我国在世界上应用最广泛是国际公认的。因为我国80%的水泥窑都采用了余热发电技术，装机容量4950MW，每年回收的电量350亿kWh，相当于节省标煤1050万吨，减排CO2 2625万吨。它不仅抵消了水泥工业CO2间接排放总量的三分之一（表1中数值并未计入这一因素），而且这一部分电能和光电水电风电一样，是几乎没有CO2排放的。如何进一步提高水泥窑余热发电的效率，由现在的吨熟料平均发电30~32 kWh提高到2030年的45 ~47 kWh、2050年的56~ 60 kWh是我国应加紧努力实现的课题。估计2035年我国将率先实现“熟料生产对外界电能零消耗”的目标。因为我国已有广大坚实的基础，加紧研发创新，早日达到目标，可以说是有较大可能的。这方面国际上也有研发项目在做，例如丹麦史密斯公司的Kalina循环水泥窑余热发电系统已进行了工业试验多年。据悉吨熟料发电量已突破40 kWh，唯运行的安全保障系统仍在攻关解决中。无疑，这对我国争取2050年基本实现“水泥生产对外界电能零消耗”的目标也是一个鼓舞和促进。
三、低碳转型的隐性因素和潜在途径
这里所谓的隐性因素和潜在途径，直白的说，实际上就是试图少用OPC水泥或者不用OPC水泥，寻求采用别的胶凝材料取代OPC水泥的问题。
早在上世纪90年代，国际上就有学者提出，既然OPC水泥高能耗高污染，现在又有高温室气体（CO2）排放的缺陷，加之随着世界各国经济和基建不断发展，世界水泥需用量逐年增加，其对地球生态环境和气候变化的负面作用逐渐明显。为了防患于未然，我们是否首先应提倡各国都尽量少用水泥，少生产水泥。其次，是研发各种不含碳酸盐的原料，生产制造基本没有工艺CO2排放的胶凝材料取代OPC水泥。围绕着这样的课题，各国许多科学家和研究机构进行了广泛的调研和深入的分析，历时近20年，现今国际上对这个议题所达成的广泛共识是：
1）在可以预见的未来30~50年内，OPC水泥依然是世界各国基础工程和居住建设中不可取代的最大宗最价廉最实用的胶凝性建筑材料，难以被大量取代；只要各国都采取积极减碳途径就可以大幅削减其碳足迹，不致危及地球气候变化。
2）现在世界各国（主要是欧美和中国），正在研发的 硅酸钙(镁)制成的Solidia 水泥、铝酸钙和石英制成的Celitement水泥、活性氧化镁制成的Navocem水泥、贝利特低钙水泥、硫铝酸盐水泥（CSA）、Aether低碳水泥、Persal水泥（BCSA）、碱激发矿物胶凝材料Geopolymers等，碳排放很少或较少的新型胶凝建筑材料，虽然还未见其可能全面取代OPC水泥的曙光，但有些成果令人鼓舞，应予继续探索。我们不能否定它们或将全面取代OPC水泥的潜在可能性，故可视其为潜在减碳途径。
3）应该指出，影响水泥工业总排碳量最大的并非前述的四大因素，而是人们可能容易疏忽的水泥产量本身。因为水泥产量的减少对其总排碳量的减少是总体性的，而且还具有叠加或倍增的作用，故此笔者称其为隐性因素。可以认为，人们只要控制住世界水泥总产量，就能控制并不断削减水泥的碳足迹。
此外还有一些认知虽然尚未完全达成共识，但已有较多的认同或认可，其中也有若干笔者本人的观点，一併叙述于此供探讨。
现今国际上有一种看法认为，当各国经济发展、基础建设、城市化率、新农村建设等大致达到某一定程度时，由于各国发展历程的时间段和发展速度等各方面的差异，世界水泥总需求量增加到一定数量时就会趋于基本稳定，而不会不停的增长。因此所谓世界水泥需求短时期内爆发式增长，或长时期的不断增长的担忧，可以基本解除。
另外，因为世界各国对水泥需求的上升期或下降期是参差不齐的。当世界水泥总产量达到一定数量以后，犹如建成了一个“水库”，具备了一定的缓冲稳定功能。以中国为例，2013~2017年水泥年产量居24亿吨的高位平台有5年，已达最高点，有迹象表明2018年开始水泥产量将进入下行期，2030年和2050年笔者预测，分别将为15亿吨和7.5亿吨左右，相应的总排碳量则分别为6.5亿吨和2.0亿吨（表1）。在这段时期中，中国所减少的水泥产量就可以转移到那些水泥需求增长的国家。
2017~2050年世界和中国水泥工业低碳转型的主要技经指标比较，如表1所列。从表1可知，到2030年我国的这些指标均已远优于世界平均水平，加以彻底铲除了假冒伪劣水泥的劣根顽疾，届时我国跻身世界一流水泥强国，可以说是水到渠成，名至实归，国际公认的了。
世界水泥总产量在2017年41.77亿吨的基础上，《路线图》预测2050年可能是47亿吨，属于稳中略升的态势。所以世界各国还是可以按照各自经济和建设发展的需要生产使用OPC水泥，各国对水泥供求的富余或不足还可通过世界贸易进行调剂。总之，2050年以前无需担忧世界水泥“爆炸”问题。希望各国针对各自具体情况和能力，积极地向低碳转型，有差别的做出各国应有的最大可能的贡献，为世界水泥工业尽可能的削减碳排放共同努力，共建共享人类共同的美好家园。
表1 中国和世界水泥工业低碳转型主要技经指标比较表（2017~2050）
国别
世界所有国家（含中国）
中国
年份
2017
2020
2030
2050
2017
2030
2050
水泥产量（亿吨）
41.77
41.55
42.44
46.89
24
15
7.5
最终CO2排放量(亿吨)①
24.6-0=24.6
24-0=24
23-3=20
23.3-7=16.3
12-0=12
7-0.5=6.5
3.5-1.5=2.0
最终吨水泥排放CO2(t/t.C) ①
0.589
0.578
0.471
0.348
0.500
0.433
0.267
熟料单位热耗(kJ/kg.cl)
4267
4080
3845
3619
3600
3360
3110
水泥综合电耗(kWh/t.C)
93
90
87~89
79~82
90
80
75
窑燃烧废弃物对煤的热量替代率TSR(%)
5.6
7.2
15
30
1.2
25
70
熟料系数
0.67
0.65
0.62
0.60
0.58③
0.59③
0.60
32.5水泥占比(%)
16.3
17.6
21
27
65③
40
30
碳捕集总量(亿吨CO2/a)
0
0
3
7
0
0.5
1.5
碳捕集占总排放比例(%)
0
0
13
30
0
7
43
实际吨水泥CO2排放(kg/t.C)②
0.589
0.578
0.542
0.497
0.500
0.467
0.467
CO2直接排放(工艺加燃煤)(t/t.C)
0.529
0.520
0.488
0.450
0.450
0.420
0.4200
CO2间接排放(电耗) (t/t.C)
0.060
0.060
0.054
0.047
0.050
0.047
0.047
CO2直接排放总量(亿吨/a) ②
22.1
21.6
20.7
21.1
10.8
6.3
3.15
CO2间接排放总量(亿吨/a) ②
2.50
2.50
2.30
2.20
1.20
0.70
0.35
人均水泥消费(kg/人.a)
575
526
512
485
1720
1250
750
注：①已减去碳捕集的CO2排放量，例如世界2030年23-3=20式中的20，余同
②碳捕集以前的水泥单位CO2排碳量，例如23-3=20式中的23，余同
③对比国际资料发现，这两个数据相互之间，以及其与水泥产量之间的关系异常。说明现今我国所谓的32.5水泥中有相当一部分是不合格的，致使32.5水泥的占比偏高于实际较多，熟料系数偏低。严格地说这两项数值仅能作为定性参考而已。
后记：从2018年4~11月，在研读、核算、分析《路线图》半年多的过程中，有一个问题始终萦绕在我心头。中国作为世界第一水泥生产和使用大国，在《路线图》的9位编著人员中，为什么没有一位中国专家？在其200多家（位）咨询名单中，为什么没听说有那几家中国机构或专家？中国为什么没有向这些国际机构正式推介过我国水泥工业的发展历程、现状和规划等情况？致使他们只能从各种厐杂的报导中寻找许多不完整、甚至不太准确的信息和数据；而我国则躺着中枪，被置于对此没有话语权的境地，造成双输！这说明我国与国际机构之间的交往和沟通很不畅，甚至不通。究其原因，肯定是双方都不积极主动。但是我们自己应该反省检讨，找出症结，努力整改才是。
本人认为，我们有些自我感觉过度良好的所谓中国水泥工业已经世界领先的渲染，反而容易引起在国际上，我国或多或少的被“孤立”的倾向，给国际机构的感觉也并不良好。我们要发扬低调做事的风范，避免高调误事的弊端。我们当今的主要任务应该是，在国际机构中赢得我国应有的那份话语权，不能再拖延了；要高度认识到培育拥有享用话语权，是我国履行参与国际事务的基本权益和发挥影响力的有效手段。这个权益和手段十分重要，决不能缺失。让我们共同坚韧踏实地工作，砥砺前行，为我国早日拥有充分的话语权而加倍努力！