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肩负起水泥工业零碳流程再造的重任 

2021年04月19日  中国建材报
 

■中国建筑材料科学研究总院有限公司教授 汪澜

2021年3月,习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议并发表重要讲话强调:实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局,拿出抓铁有痕的劲头,如期实现2030年前碳达峰,2060年前碳中和的目标。碳达峰、碳中和是我国积极应对气候的国策,也是基于科学论证的国家战略,它更清晰了“能源革命”的阶段目标,要求各行各业为低碳能源转型做出更为扎实积极的努力,也要求行业的科研工作者肩负起工业零碳流程再造研究工作的重任。

气候变化是人类社会面临的最严峻的挑战之一。自从十八世纪工业革命以来,人类活动燃烧化石能源、工业过程等排放的大量CO2滞留在大气中,这是造成气候变化的主要原因。气候变化是指气候平均值和气候极端值出现了统计意义上的显著变化,而近年来全球气候出现了以变暖为主要特征的系统性变化。以2019年为例,全球大气中CO2平均浓度为410ppm,比工业革命前增加近50%,大气中温室气体增加造成的有效辐射强迫达到3.14瓦/平方米,是全球气候变暖最主要的影响因子。在全球气候变暖背景下,近百年来我国地表气温呈显著上升趋势,上升速率达1.56°C/100年,平均年降水量也有较大年际波动,重大自然灾害有增加趋势。

人类应对气候变化可以依靠减缓途径,通过经济、技术等各项政策措施,控制温室气体排放,增加温室气体汇量。为保证气候变化在一定时间段内不威胁生态系统、粮食生产、经济社会的可持续发展,将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统变到危险的人为干扰的水平上,以期通过减缓气候变化的政策和技术措施来控制或减少温室气体的排放。减缓途径主要包括改变能源结构,控制化石燃料使用量,以及封存等固碳技术。

碳达峰、碳中和是实现减缓气候变化阶段性的重要目标。碳达峰是指主体单位的碳排放在由升转降的过程中,碳排放的最高点即碳峰值。我国目前碳排放增速放缓,但仍呈现增长态势,尚未达峰。碳中和是指人为排放源通过碳捕集与封存(CCS)技术等人为吸收汇达到平衡。

尽管通过强化政策引导,我国有可能在近几年内实现碳达峰,为碳中和目标的实现打好基础,但作为世界上最大的发展中国家,在2060年前实现碳中和目标依然面临非常严峻的挑战。从排放总量看,我国碳排放总量巨大,约占全球的28%,实现碳中和所需的碳减排量远高于其他经济体。从发展阶段看,我国发展的能源需求不断增加,要统筹协调社会经济发展、经济结构转型、能源低碳转型以及碳达峰、碳中和目标,难度很大。我国从碳达峰到碳中和时间跨度仅有30年左右,比欧美国家时间更紧迫,需要付出更大的努力加快速度。此外,我国能源结构以煤炭为主,需在30年内快速淘汰化石能源实现零碳排放,这是一场真正的能源革命和工业革命。

碳中和、碳达峰是能源革命、工业革命,各行各业都在向科技界要成果、要技术。这对于科技界是极大的挑战,也可能会转变成难逢的机遇,即会催生出重大科技成果的出现,进而导致全新工业体系的产生。

水泥是我国重要的基础原材料,在经济社会建设中具有不可替代的重要作用。改革开放以来,我国水泥工业得到了快速发展,从1978年水泥产量约0.6亿吨,增长至2020年约24亿吨。有预测水泥工业将在近一两年内实现碳达峰;然而,到2060年仍需有约9亿吨的水泥产量,水泥工业碳中和任重道远。

水泥生产是典型的流程工业,包括原料开采、生料粉磨、熟料煅烧、水泥制备及包装(散装)发送等生产环节。目前,水泥生产主要工艺环节大多采用了立磨、辊压机等高效粉磨技术和预分解窑熟料燃烧技术。按生产吨水泥计,生料粉磨、熟料烧成及水泥制备的电耗分别为36KWh、22 KWh和38 KWh,而生产吨水泥总电耗约为90 KWh。水泥熟料煅烧是将煤粉喷入到回转窑和分解炉中进行燃烧。研究分析表明,按生产吨熟料计,熟料煅烧的理论热耗约为59千克标准煤,而由预热器排出烟气带出的热量、由出回转窑熟料带出的热量及由窑炉筒体表面散发的热量则分别约为22千克标准煤、17千克标准煤和7千克标准煤,小计约为46千克标准煤,接近水泥熟料煅烧煤耗的一半。水泥熟料生产配料是石灰质原料为主,生料典型的配比中石灰石约为85%,煅烧的水泥熟料中3CaO ?SiO2约为65%,2CaO ?SiO2约为20%,即硅酸盐相约占85%,而水泥中水泥熟料的掺量约为65%。

根据电力消耗排放因子0.8kg/kWh,标准煤消耗CO2排放因子2.49 kg/kWh以及石灰石消耗CO2排放因子0.44 kg/kWh。粗略计算,吨水泥生产产生的电力消耗间接CO2排放量为77.6kg,燃煤消耗直接CO2排放为171.8kg,石灰石消耗过程CO2排放为391.1kg,吨水泥生产CO2总排放量约为640kg。由此也可以粗略算出:我国水泥工业近一两年碳达峰时,产生的CO2排放约为15.7亿吨,到2060年碳中和时,产生的CO2排放约为8.5亿吨。可见,水泥工业的碳中和需要付出巨大的努力,更需要重大革命性的科学技术支撑。

事实上,长期以来,水泥生产节能减排受到普遍重视,窑炉余热发电技术也得到普遍应用。吨水泥熟料发电量可高达45kWh,即可补偿吨水泥生产电耗的约三分之一;提高余热发电效率,采用超低温烟气余热发电,可以进一步增加余热发电量。另一方面,清洁电能的利用也将会占有更大的比例。例如,1万平方米面积的光伏发电约为1.5兆瓦/年。水泥生产企业包括矿山用地可达百万平方米,采用光伏发电也可达到150兆瓦/年,相当于5000t/d水泥生产企业全年用电量的约67%。国外还早有报道,水泥生产企业直接采用风力发电;目前,单台风机发电功率约为150kWh,20台套风力发电机组可以基本满足生产线的电力供给。可见,近期清洁电能的应用完全可以满足水泥生产的电力消耗。

使用碳中性的替代燃料可代替煤炭用于水泥熟料的煅烧。例如,农作物秸秆热值可达13000kJ/kg,相当于标准煤单位热值的44%。目前,欧洲一些水泥生产企业的替代燃料率已达95%以上,我国水泥生产替代燃料率不到2%,仍有很大的发展空间,预计到2030年,替代燃料率可达10%,届时吨水泥CO2排放量可减少26千克。

水泥熟料煅烧及煤炭燃烧产生的烟气量约为1800m3/t,烟气中CO2浓度平均约为23%。为提高烟气中CO2浓度,满足后续的利用或处理要求,欧洲水泥研究院等机构提出了全氧燃烧的技术方案,即采用氧气全部代替空气助燃,并将烟气循环,可使排放烟气中CO2达到80%,欧洲数家水泥企业正在尝试进行工程应用研究。更具挑战性的是,行业专家提出了采用绿氢直接烧制水泥熟料的工艺技术方案,这不仅可以使排放烟气中CO2达到95%以上,而且可以减少吨水泥生产CO2排放量约27%。绿氢的发展已成为国家能源革命的重要方向。目前,绿氢直燃技术正进行初步的小型试验。

水泥熟料生产会产生大量的过程CO2排放,即是由于原料中石灰石分解释放出CO2,这是水泥工业区别于其他工业部门碳排放的一个特点和难点。如何减少水泥生料中石灰石的配比,或是减少水泥熟料中总CaO含量,或是减少高钙硅酸盐矿物的含量,国内外都有大量的研究报道,国家科技部也多次立项支持相关的研究,但由于种种原因,研究工作进展不显著。低钙水泥的研究应突破传统水泥熟料体系的窠臼,同时也应与特种水泥有区别;应寻找新的四元或五元硅酸盐类水泥新体系,在现有水泥生产工艺装备条件下,在满足建筑工程质量要求的同时,实现低碳水泥发展的真正创新。

碳达峰、碳中和是一场深刻的能源革命和工业革命,水泥行业应是关注各学科的理论研究成果和各交叉技术的发展和应用,研究清洁能源开发对水泥生产带来的影响和变革,同时更要做好过程CO2减排及低碳水泥的研究和发展工作。正如科技部部长王志刚在此次香山科学会议总结发言中指出的:碳达峰、碳中和是党的大事、国家的大事、也是科技界的大事。水泥行业的科研人员,尤其是青年科研人员,一定要投入到这场重大的变革中,研究水泥工业流程再造的前沿和颠覆性技术,肩负起水泥工业零碳流程再造的重任,为我国水泥工业及经济社会的可持续发展,为全球应对气候变化作出较大贡献。