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中国水泥行业碳中和路径研究A Study on the Carbon Neutrality Pathways of Chinas Cement Industry 中国建筑材料科学研究总院有限公司中国建筑材料科学研究总院有限公司2022023 3.7 7.1717China Building Materials Academy Co.,Ltd.July 17,2023 I 目录 1.中国水泥行业发展现状.1 1.1.产量进入高位平台期.1 1.2.消费集中在房地产和基础设施建设领域.1 1.3.熟料进口量小幅波动.2 1.4.熟料产能过剩局面仍未改变.3 1.5.技术装备水平短期内不具备跨越式发展可能.4 2.水泥行业碳排放现状.4 2.1.工艺过程 CO2排放（E过程）.4 2.2.燃料燃烧 CO2排放（E燃烧）.5 2.3.电力消耗间接 CO2排放（E间接）.5 2.4.原材料及产品运输 CO2排放.6 2.5.单位水泥熟料 CO2排放总量（碳排放强度E!）.6 2.6.2007 年-2022 年中国水泥行业碳排放分析.6 3.水泥行业碳中和路径及关键减碳技术.7 3.1.碳中和愿景下熟料与水泥需求.9 3.1.1.水泥熟料消费关联因素趋势分析.10 1）经济发展形势预测.10 2）产业结构形势分析.10 3）人口及城镇化发展形势.10 4）固定资产投资趋势.11 3.1.2.水泥熟料与水泥消费量预测结果.11 3.2.燃料替代情景.12 3.2.1.固体废物燃料.12 3.2.2.生物质燃料.14 3.2.3.其他新型燃料.14 3.2.4.燃料替代情景下的碳减排效果.14 II3.3.能效提升情景.16 3.4.低碳水泥情景.18 3.5.CCUS 技术情景.20 3.5.1.国内外发展现状.20 3.5.2.CCUS 政策导向.23 3.5.3.实现碳中和目标过程中 CCUS 作用.26 3.5.4.CCUS 技术应用预测.27 3.6.碳中和创新技术.29 3.6.1.外燃式旋窑碳捕集技术.30 3.6.2.悬浮煅烧技术.31 3.6.3.全氧燃烧技术.31 3.6.4.跨行业联合创新颠覆性新技术.31 3.7.水泥行业碳中和技术路径.32 4.政策建议.34 4.1.压减水泥低效、高排放产能.34 4.2.促进循环经济，实现固体废物燃料的大规模生产和应用.35 4.3.注重高质量发展，将效率提升做到极致.35 4.4.加大水泥行业 CCUS 技术研发投入.35 4.5.推动行业实施碳排放强度控制及碳排放权交易.36 4.6.强有力的政策支持和财务激励.36 参考文献.37 1 1.中国水泥行业发展现状中国水泥行业发展现状 1.1.产量进入高位平台期产量进入高位平台期 自 1985 年以来，我国水泥产量已连续 38 年稳居世界第一，目前产量约占世界水泥总产量的 55%左右。2014 年我国水泥产量达到阶段性高点 24.8 亿吨，2015 年-2022 年，全国水泥产量基本在 22-24 亿吨波动。但是，由于近年水泥产品结构变化，高标号水泥使用比例增长，在水泥消费量进入平台期的同时，水泥熟料消费量仍有小幅增加。受疫情和市场因素影响，2022 年全国水泥产量 21.18 亿吨，降至近十年以来的最低值，创下自 1969 年以来最大降幅，同比降幅首次达到两位数水平。但是人均水泥消费量约 1500 千克，依然远高于发达国家人均 220-500 千克的水泥消费峰值。数据来源：国家统计局 图 1 2003-2022 年中国水泥产量及增速情况（20 年）1.2.消费集中在房地产和基础设施建设领域消费集中在房地产和基础设施建设领域 水泥应用领域几乎涉及 20个国民经济行业门类，房地产（40-45%）和基础设施建设（35-40%）是水泥消费的最重要领域。其中，房地产投资与水泥消费呈正相关关系，其对水泥消费的影响更加直接，甚至成为部分地区影响水泥消费需求的主导因素。18.9 12.5 9.3 17.0 9.7 2.9 17.9 13.9 11.2 5.7 9.0 2.9(4.8)2.1(3.7)(6.0)6.9 2.0(0.6)(10.4)(15.0)(10.0)(5.0)0.05.010.015.020.025.00510152025302003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年增速/%水泥产量/亿吨2 图 2 水泥消费需求构成 1.3.熟料进口量小幅波动熟料进口量小幅波动 中国是水泥生产与消费大国，水泥熟料的进出口量小幅波动，存在不确定性，目前总量较小，对碳排放影响有限。2017 年以前，我国一直是水泥出口远高于进口的国家，进口量一直保持在300 万吨以下。自 2018 年以来，水泥行业实施“错峰生产”、“停窑限产”等政策措施，造成了水泥区域性、阶段性短缺和价格高位运行，为水泥产能过剩的东南亚国家向中国出口水泥创造了契机。2018 年，对于中国水泥贸易是个特殊的年份，作为全球最大的水泥需求市场，中国从水泥出口远高于进口的国家，转变为一个水泥进口国。2018 年进口总量为 1363万吨，高于出口总量 459万吨。2020年水泥熟料进口规模达到历史最高峰，约占全国水泥熟料消费量的 2.1%。越南是我国水泥熟料进口数量最多的国家，2021 年占比最高达 80.65%。进入 2022 年，我国水泥熟料价格持续下行，叠加海运费的大幅提高，以及主要进口来源国越南等地，以美元结算导致双向挤压，进口熟料已经无利润空间。根据海关总署统计，2022 年我国进口水泥熟料总量为 838.48 万吨，同比下降 69.75%。房地产基础设施建设农村建设及其他3 图 3 2015 年-2022 年中国水泥熟料进出口规模变化 图 4 2015 年-2022 年中国水泥进出口规模变化 1.4.熟料产能过剩局面仍未改变熟料产能过剩局面仍未改变 截止到 2022 年底，全国新型干法水泥生产线累计共有 1572 条（注：剔除已关停和拆除生产线，不包括日产 700 吨以下规模生产线），设计熟料年产能18.4 亿吨，实际熟料年产能超过 20 亿吨。从数据来看，新型干法熟料设计产能较 2021 年略有下降，但总量依旧处于高位。水泥熟料产能利用率的区域差异较大，2022 年熟料产能利用率 61，创近年来新低，其中华东、中南、西南地区产能利用率在 80%左右，而西北、华北、东北不足 50%，产能过剩局面依然没有改变。0.0500.01000.01500.02000.02500.03000.03500.02015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年万吨/年熟料进口熟料出口0.0200.0400.0600.0800.01000.02015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年万吨/年水泥进口水泥出口4 数据来源：中国水泥协会信息研究中心 图 5 2010 年-2022 年全国水泥熟料产能利用率 1.5.技术装备水平短期内不具备跨越式发展可能技术装备水平短期内不具备跨越式发展可能 水泥生产技术自 1824 年诞生以来，历经多次变革。从最初的间歇作业的土立窑到 1885 年的回转窑；从 1930 年德国的立波尔窑到 1950 年联邦德国洪堡公司的悬浮预热器窑；到 1971 年日本在悬浮预热技术的基础上研究成功窑外分解新型干法窑。随着新型干法水泥技术的出现，彻底改变了生产技术格局和发展进程。目前，中国水泥行业生产线近 100%采用新型干法水泥生产技术和装备，在规模、技术装备水平上已达国际先进水平，短期内再次实现跨越式发展的可能性不大。2.水泥行业碳排放现状水泥行业碳排放现状 水泥生产过程排放的温室气体主要涉及 CO2，分为直接排放和间接排放，直接排放集中在窑系统，包括能源活动排放（煤炭燃烧）和工艺过程排放（碳酸盐分解），间接排放主要是电力消耗，此外还有少量原材料及产品运输引起的 CO2排放。2.1.工艺过程工艺过程CO2排放（排放（过程过程）工艺过程的二氧化碳排放强度取决于原料类型及水泥品种。生产中所用原材料可分为石灰质原料、粘土质原料、辅助原料三类。考虑到可比性，本研究以熟料产量为基准计算过程碳排放。凡是以 CaCO3为主要成分的原料称为石灰质原料，如石灰石、石灰质泥灰5055606570758085902010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年 2022年产能利用率/%5 岩、白垩。在熟料煅烧过程中，石灰质原料受热分解，生成 CaO 放出 CO2。石灰质原料是水泥熟料中 CaO 的主要来源，是水泥生产中使用最多的一种原料，在生料配比中约占 80%，生产 1 吨熟料约需 1.3-1.5 吨石灰质原料。石灰石中伴生的白云石是熟料中 MgO 的主要来源。以石灰石为主要原料的硅酸盐水泥熟料中 CaO含量约为 60-70%，碳酸盐分解公式如下：CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 据此计算碳酸盐分解时获得 1 吨 CaO 同时产生 0.786 吨 CO2，因此每吨熟料排放 CO2 0.472-0.551 吨；MgO 含量在 1.5%-3%区间居多，碳酸盐分解时获得1 吨 MgO 同时产生 1.1 吨 CO2，因此每吨熟料排放 CO2 0.016-0.032 吨。由此可以看出，以石灰石为主要原料生产 1 吨硅酸盐水泥熟料，CO2工艺过程排放量约为 0.488-0.583 吨。2.2.燃料燃烧燃料燃烧CO2排放（排放（燃烧燃烧）目前我国水泥生产用燃料以煤为主，少量柴油用于回转窑启动时的点火，其 CO2排放基本可以忽略。如果以燃烧 1 吨原煤排放 1.93 吨 CO2，每吨熟料煤耗以 150-164 公斤原煤估算，生产 1 吨熟料燃料燃烧排放 CO2约为 0.290-0.317吨。2.3.电力消耗间接电力消耗间接CO2排放（排放（间接间接）水泥生产过程电力消耗造成的 CO2排放强度取决于企业自身电力消耗水平和电网的 CO2排放因子。2021年 12月，生态环境部办公厅发布的企业温室气体排放核算方法与报告指南 发电设施（2021 年修订版）首次对全国电网平均排 放 因 子 进 行 了 更 新，由0.6101tCO2/MWh(2015 年 度 值)调 整 为0.5839tCO2/MWh，下降约 4.3%；在 2022 年 11 月的征求意见稿中给出来最新的全国电网平均排放因子 0.5810tCO2/MWh。这代表着我国风光等可再生电力的飞速发展以及火电机组单位供电标准煤耗持续下降。水泥熟料综合电耗按照 GB 16780 标准各阶段现有企业限值进行计算（2012 年以前为 68kWh/t，2013-2020年为64kWh/t，2020年以后为61kWh/t），电力CO2排放因子采用国家发布的全国电网二氧化碳排放因子，生产 1 吨水泥熟料电力消耗排放 CO2 0.035-0.042 吨。6 2.4.原材料及产品运输原材料及产品运输CO2排放排放 原材料及成品运输产生的 CO2排放取决于运输的距离和采用的运输工具。由于各企业情况不同，差距较大，同时相对前三项 CO2排放量较小，占总排放量不足 1%，在此不作具体测试与计算。2.5.单位水泥熟料单位水泥熟料CO2排放总量（碳排放强度排放总量（碳排放强度）每吨水泥熟料 CO2排放总量为：%&!=过程+燃烧+间接=（0.813-0.942）吨 CO2/吨熟料。其中，工艺过程 CO2排放、燃料燃烧 CO2排放、电力消耗间接 CO2排放占比情况如下图所示。图 6 水泥行业碳排放环节示意图 2.6.2007年年-2022年中国水泥行业碳排放年中国水泥行业碳排放分析分析 根据国家统计局及中国水泥协会的公开数据，2007 年-2022 年（15 年）水泥和熟料产量及变化情况见下图。7 图 7 2007-2022 年（15 年）中国水泥与水泥熟料产量 随着水泥熟料产量的增加，我国水泥行业二氧化碳排放量持续增长。2007-2011 年排放量由 8.24 亿吨增加至 12.83 亿吨，年均增长 13.55%，增长较快；2011-2014 年二氧化碳排放量增速放缓，期间水泥产量增加较快，熟料产量增加缓慢，由此可见，熟料的产量直接影响水泥行业碳排放量；2015-2020 年二氧化碳排放量呈缓慢上升趋势，到 2020 年达到 13.79 亿吨，“十三五”时期年均增长2.71%。近两年全国水泥市场需求明显收缩，市场持续低迷叠加供给增加，以及煤炭、石灰石等原燃料价格大幅上涨推升成本，在量价齐跌、成本高涨的双向挤压背景下，伴随行业效益下滑，二氧化碳排放下降趋势也非常明显，根据项目组测算 2022 年二氧化碳排放量较 2020 年下降 13.77%。图 8 2007-2022 年（15 年）中国水泥行业二氧化碳排放情况 3.水泥行业碳中和路径及关键减碳技术水泥行业碳中和路径及关键减碳技术 由行业碳排放全过程分析可知，熟料煅烧环节的碳排放占比 95%以上，(15.0)(10.0)(5.0)0.05.010.015.020.00510152025302007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年增速/%产量/亿吨水泥产量熟料产量水泥增速熟料增速0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.002007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年CO2排放量（亿吨）过程排放燃料燃烧熟料间接排放水泥间接排放8 主要来自碳酸盐原料在煅烧过程中分解产生的 CO2（过程排放）以及化石燃料燃烧（燃烧排放）（见图 6）。结合行业碳排放总量测算可知，熟料消费量变化是引起水泥行业碳排放总量变化的最大影响因素，除此之外，水泥行业减少碳排放主要的技术路径包括：1）现有工艺设备的极致能效提升；2）基于原料替代的低碳水泥技术；3）针对煅烧环节燃煤排放问题的燃料替代；以及4）针对末端处置的碳捕集、利用与封存（CCUS）。根据水泥行业现状、技术发展前景和市场准备等条件，这四类技术发挥主力作用的时期有所不同，近期减排技术寄望于现有工艺设备极致能效提升改造，中远期技术突破寄希望于原/燃料替代和 CCUS 技术。图 9 水泥行业碳减排策略框架 考虑到水泥行业是能源密集型高耗能工业行业，本研究采用基于情景分析方法的模型，结合技术发展预测水泥行业碳中和路径。为了建立能源消费需求模型，分析了水泥生产过程涉及的近 80 个独立和连续过程，使用涉及的重型机械和设备，以及热量和能源。分部门能源需求和模型如下图所示。水泥行业 CO2减排策略 颠覆性工艺 CCUS 燃料替代 固体废物燃料 绿电 氢能 生物质 煤炭 低碳水泥 水泥品种改变 替代原料 能效提升 生料磨节能 窑炉节能 水泥磨节能 消费量降低 9 图 10 水泥生产各部门能源需求 模型中能源消费量需求模型构建如下图所示。图 11 能源消费量需求模型 水泥行业产量需求采用多因素拟合分析模型进行预测，并作为比较的基础，将产量变化设为参考情景，预测能效提升技术情景、低碳水泥技术情景、燃料替代情景下，水泥行业 2021-2060 年的碳排放量。3.1.碳中和愿景下熟料与水泥需求碳中和愿景下熟料与水泥需求 基于中国水泥行业碳排放的特点，预测水泥及熟料产量是对水泥行业的碳中和路径进行分析的基础和关键。本研究采用多因素拟合分析法预测水泥行业破碎 生料粉磨 电 力（破 碎 电力（磨机、风 窑余热 预分解 燃料供热 高温煅烧 电 力（窑、风机、治理设备）燃料供热 熟料冷却 电力（风机、动力和熟料破碎）水泥粉磨 包装调度 电力（磨机、风机）电力（包装）生料制备 熟料煅烧 水泥制备 熟料生产 煤炭 电力 电力 生物质 固体废物燃料 氢能 行业 部门 能源载体 水泥行业 水泥生产 10 熟料需求量，根据预测的熟料系数得出相应水泥需求量。经济发展模式和结构变化对水泥产品需求会产生很大影响，主要的影响因素包括：城镇化率、人均 GDP、固定资产形成总额、三次产业结构、固定资产投资结构等。分析水泥熟料消费与上述影响因素的相关关系，以发达国家和地区水泥消费典型特征为借鉴，采用 AHP 法确定各因素在预测水泥熟料消费量时的权重，建立多因素拟合分析模型，所建立的模型如下：Y=()*()=0.1(*)+0.02(+)+0.09(,)+0.1(-)+0.69()式中：Y熟料消费量；An模型赋权；f(X1)：熟料消费量与城镇化率的关系；f(X2)：人均熟料消费量与人均 GDP 的关系；f(X3)：熟料消费量与固定资本形成总额的关系；f(X4)：熟料消费量与三次产业结构的多元线性关系；f(X5)：熟料消费与投资结构的多元线性关系。3.1.1.水泥熟料消费关联因素趋势分析水泥熟料消费关联因素趋势分析 1）经济发展形势预测 结合国内外疫情防控和经济发展现状，参考国内外机构对国际和国内经济发展趋势的研究结论，2021-2030 年 GDP 增速保持 4.5%-5.5%的区间，2030-2040 年、2040-2050 年、2050-2060 年经济潜在增长率中枢呈不同下降趋势，人均 GDP 在 2050-2060 年达到 23.5-27.6 万元区间。2）产业结构形势分析 2020-2035 年是产业结构调整升级快速推进的时期。预计“十四五”时期，传统产业尤其是传统工业加快技术改造和升级，先进制造业、高新技术产业的规模和水平持续提升，创新能力显著增强，第三产业比重继续呈稳步上升趋势，到 2025 年三次产业结构调整为 7、38.2、54.8，到 2060 年调整为 4、15、81。3）人口及城镇化发展形势 综合有关机构研究，2022年中国人口会首次出现负增长，近期到 2025年，我国人口将保持基本平稳态势，人口数量稳定在 14.2亿左右，预期至 2060年，中国人口总量将下降至 11.7 亿人。2020 年，我国常住人口城镇化率达到 64%，城镇化进程总体进入到后期阶11 段。当前至 2035 年，是我国城镇化由后期迈向成熟期关键阶段，城镇化仍是高质量发展的主要推力与标志。预期到 2025年，我国常住人口城镇化率将达到 68%左右，进入中级城市型社会；到 2050 年左右，达到 80%左右的成熟阶段。4）固定资产投资趋势 水泥消费预测研究中以固定资本形成总额指标表征固定资产投资状况。虽然受投资结构优化的影响，中国经济增长中的投资拉动因素趋于弱化，但固定资本形成总额上行的趋势将保持不变，且有动力保持中等增速。预测 2030 年和2050年，我国固定资本形成总额（2000年不变价）将分别达到 45.2和 57.1万亿元。制造业、房地产和基础设施是固定资产投资的三大领域，其中房地产和基础设施投资与水泥消费量关联密切。在人口增长、经济发展、城市化进程、乡村振兴等政策因素推动下，“十四五”期间我国对新建房屋的刚性需求仍可支撑年均 26 亿平方米以上的建设规模，到 2025 年房地产投资占固定资产投资的比重为 19.1%。“十四五”之后，随着国家住房保障体系的逐步完善和基本住房需求的饱和，预计 2060 年房地产投资的比重将下降至 12.7%。未来基建领域投资仍将是稳定经济增长的重要举措之一，预计2025-2060年，我国基础设施投资占固定资产投资总额的比重将在 38%-54%波动。3.1.2.水泥熟料与水泥消费量预测结果水泥熟料与水泥消费量预测结果 预测结果显示，中国水泥熟料消费量在 2020 年已达到峰值，峰值为 15.77亿吨，到 2030、2050 和 2060 年，水泥熟料需求量分别为 11.93、6.38 和 4.19 亿吨。水泥需求量由 2020 年的 24 亿吨，下降到 2060 年的 5.7 亿吨左右。12 图 12 碳中和背景下熟料和水泥需求量预测 3.2.燃料替代情景燃料替代情景 我国水泥行业燃料以煤炭为主，生产过程约有 35%的碳排放来自燃料燃烧。燃料替代既可以减少煤炭资源的消耗，为碳减排作出贡献，也可为固废、生物质等资源的高效利用提供新途径。使用低碳燃料替代化石燃料是水泥碳减排的重要技术路径，同时还可为水泥行业单一的燃料来源拓宽渠道，为企业带来更多绿色转型的选择。现阶段我国替代燃料普遍为粗加工，呈现高水分、低热值、成分不稳定的特点，无法实现规模化、大掺量、高值化利用，全行业燃料平均替代率不足 2%，仅个别头部企业生产线的燃料替代率达到 40%以上，而在欧盟等国替代率普遍已达到了 39%以上，荷兰甚至达到了 85%。水泥行业替代燃料的应用仍有很长的路要走。从目前在研发和应用的技术发展态势来看，中短期行业主要是使用固体废物燃料、生物质燃料等，中远期将有其他新型燃料如氢能、绿电等作为可选择的替代燃料。3.2.1.固体废物燃料固体废物燃料 以固体废物作为替代燃料的技术方案基础较好。能作为水泥替代燃料的固体废物种类繁多，分类复杂，主要包括轮胎衍生燃料（TDF）、废电解池（SPL）、动物骨粉（MBM）、干市政污泥（DSS）、生物质、固体回收燃料（SRF）、城市固体废弃物（MSM）、废弃物衍生物（RDF）、次煤和塑料废弃物等（表 1）。其中以城市固体废物来源最广，加工为 RDF 后能使燃料品质更稳定。表 1 水泥生产固体废弃物替代燃料性能汇总1 类别 发热量(MJ/kg)CO2排放 SO2排放 重金属排放 最大替代率%对熟料质量的影响 使用成本 轮胎衍生燃料（TDF）35.6 减少 增加 减少 30 无 低 废电解池（SPL）9.29 减少 未检测到 未检测到 8 无 低 1 落基山研究所,中国水泥协会,加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路,2022 13 类别 发热量(MJ/kg)CO2排放 SO2排放 重金属排放 最大替代率%对熟料质量的影响 使用成本 城市固体废弃物（MSM）15.4 减少 增加 增加 30 小 高 动物骨粉（MBM）14.47 减少 减少 未检测到 40 小 中 干市政污泥（DSS）15.28 减少 增加 不变 5 小 高 农作物（稻壳，麦秆）1421 减少 减少 减少 20 无 低 废塑料 2940 减少 增加 增加-中 中 废油和废溶剂 4345 减少 未检测到 减少-小 低 国际上，水泥大集团都实现了以固体废物燃料为主的较高燃料替代率（表2）。以欧盟为例，水泥的燃料替代率平均已接近 40%，对我国发展水泥替代燃料具有极强借鉴意义。表 2 世界先进水泥企业替代燃料种类及占比 工厂/公司 Holcim 集团 Cemex 集团 Heidelberg 集团 Italcementi 集团 Lafarge 集团 废油 5 3.7 8.5 22.1 废液和废溶剂 11 4.7 21.9 轮胎衍生燃料 10 16 11.6 14.9 19.7 废塑料 9 26.4 4.7 33.1 工业和生活垃圾（固体）65 13.8 工业废料和其他化石燃料 30 动物骨粉 2 4 6.1 15.7 农作物 9 10 4.2 11.1 木屑和其他农作物 21 5 24.5 25.1 污水污泥 2 4.2 1.7 垃圾衍生燃料 7.8 其他代用燃料 14.6 来源：IFC,Increasing the Use of Alternative Fuels at Cement Plants:International Best Practice 推广固体废物替代燃料在中国具有技术上的可行性和实际减排意义，但目14 前水泥生产的燃料替代率较低，相比国外 40%以上比率（最高值可达 85%）仍有较大提升空间。3.2.2.生物质燃料生物质燃料 使用生物质燃料替代传统化石燃料不需要对水泥窑进行大规模改造，与碳捕集技术能形成负碳技术组合，目前国内已有示范应用。例如某水泥厂利用农作物秸秆，在分解炉实现部分燃煤替代，日处理秸秆废弃物 200 吨，充分证明生物质掺烧替代部分燃煤具有技术可行性。但生物质燃料在北方地区具有季节性，大量应用需要解决可获取性及收储和运输成本问题。此外，生物质燃料在多个行业中均具有适用性，双碳背景下未来生物质燃料的获得将极具竞争性。3.2.3.其他新型燃料其他新型燃料 水泥企业也在探索光伏热能、氢能和电力在燃料替代方面的价值，但目前仍处于研发和试点阶段。水泥窑利用氢能需要大幅改造现有水泥窑结构和充分的绿氢供给，且氢气火焰的热力学性质及产生水蒸气使其不利于直接加热，在水 泥 行 业 中 的 利 用 仍 面 临 一 定 挑 战。水 泥 窑 的 工 作 温 度 较 高（13001450），使用电力加热也需要全面改造现有窑炉结构。但不能排除未来新型能源和技术在生产低碳水泥中的潜力。3.2.4.燃料替代情景下的碳减排效果燃料替代情景下的碳减排效果 燃料替代是更优先、更具成本效益的减排手段，据本研究测算，到 2060 年可推动行业约 9.2%的碳减排。根据全球气候变化联盟预测，在全球范围内替代燃料（含氢能、生物质能和电加热等）的平均替代率将从目前的 6%增加到 2030 年的 22%，到 2050 年将会增加到 43%。借鉴以上数据，结合我国国情，对可为水泥生产供热的主要燃料逐个分析，认为固体废物依然是最可行的煤炭替代燃料。煤炭：目前为逾 95的水泥生产供热，是现阶段石灰石煅烧使用的主要燃料源。随着环境政策压力加剧以及新技术的研发推广，熟料生产的燃料结构将不断改善，预计在 2060 年煤炭占水泥生产所使用燃料的份额在 0-5%。生物质：目前为不足 1%的水泥生产供热，被认为是无排放的清洁资源，并且搭配碳捕获技术可实现净负排放。但是中国生物质资源整体紧张，且多个行业均出现需求显著增长的可能，考虑到生物质供给端的不确定性，预计在 206015 年生物质将构成水泥生产所使用燃料的 6-10%。固体废物：目前固体废物燃料替代率不足 2%，但仍被认为是较好的潜在碳减排资源。一方面有机废弃物可作为燃料，另一方面无机固体废物可代替原料，减少石灰石的使用，从而进一步减少生产过程中的碳排放。同时，为落实双碳目标，固体废物利用相关利好政策不断推出，垃圾分类状况逐步改善，且供应量相对充足，对燃料替代率的提升将起到积极的作用。预计在 2060 年固体废物构成水泥生产所使用燃料的 30-60%。新型燃料替代技术在未来 20 年会经历技术发展与初步商业化应用期。电力和氢能在水泥行业中的应用目前尚在早期研发阶段，已有水泥集团尝试利用氢能煅烧水泥、以及利用太阳能煅烧水泥。随着传统水泥窑设备寿命终结、基于氢及电力的新型水泥窑技术的发展以及绿氢、绿电的经济性显现，在远期（2050年之后）氢能与电力制水泥将占据更多份额，合计约可替代 40-60%燃料。不同能源品种在水泥行业应用情况预测：图 13 不同能源品种应用情况 根据预测，2060 年燃料替代技术路径情景下，单位熟料碳排放强度降低292kg；水泥行业整体二氧化碳排放量减少 1.2 亿吨。0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2020年2030年2040年2050年2060年热能替代率煤固体废物燃料生物质燃料绿电氢能16 图 14 清洁能源替代技术路径情景下碳减排量 3.3.能效提升情景能效提升情景 我国目前水泥生产的能效水平参差不齐，部分已经位列国际前列。水泥熟料单位产品综合能耗在 90136kgce/t（2.64.0GJ/t）之间，与欧美水平持平甚至更优。根据工业和信息化部公布的能效领跑者名单，2017-2022 年共有 39 家水泥企业熟料综合能耗在 100kgce/t（2.9GJ/t）及以下，达到世界先进水平。同时，水泥行业仍存在超过 10%以上部分能耗较高的企业达不到国家标准的限定值，急需技术改造。因此水泥行业将持续推广能效提升技术，提高行业平均能耗水平。本研究中，水泥生产能效提升技术特指基于现行水泥生产工艺基础的改良优化技术手段，主要包括生料粉磨能效提升、熟料烧成能效提升、水泥粉磨能效提升技术三个类别。具体技术节能情况见下表：表 3 具体技术节能情况 技术类别 具体技术名称 每类包含的技术 生料粉磨能效提升 生料磨节能技术 系统单位电耗 1013kWh/t，一般为 25kWh/t，节能 46-58%熟料烧成能效提升 旋风预热器改造 熟料烧成综合能耗降低 15kgce/t 燃烧系统节能改造 熟料烧成综合能耗降低 15kgce/t 分解炉节能改造 熟料烧成综合能耗降低 515kgce/t 耐火材料整体提升 熟料烧成能耗降低 520kgce/t.cl 冷却机提升技术 熟料烧成综合能耗降低 13kgce/t 00.20.40.60.811.21.42020202520302035204020452050205520602065CO2减排量/亿吨燃料替代17 技术类别 具体技术名称 每类包含的技术 数字化智能化 熟料综合电耗降低 15kWh/t，标准煤耗降低1.05.0kgce/t 风机能效提升技术 风机效率达到 82%85%，实现节能 30%40%；吨熟料或水泥电耗下降 3-6 度电以上 水泥粉磨能效提升 水泥磨节能技术 系统单位水泥电耗 2326kWh/t 能效提升情景下各具体技术应用比例数据如表 4 所示。表 4 能效提升情景下相关技术应用潜力 序号 能效提升技术 应用比例（%）2025 年 2030 年 2040 年 2050 年 2060 年 1 冷却机提升技术 35 50 70 75 80 2 分解炉节能改造 15 30 40 55 60 3 悬浮预热器节能 30 40 60 65 70 4 数字化智能化技术 30 60 95 100 100 5 水泥磨节能技术 40 50 70 80 90 6 燃烧系统节能改造 15 30 50 60 70 7 生料磨节能技术 40 50 70 80 90 8 耐火材料整体提升 30 50 65 80 90 9 风机能效提升技术 45 60 70 80 90 不考虑其他低碳技术应用的节能效果，按上表中各年度技术应用比例，各项能效提升技术对水泥行业碳减排的贡献，2025、2030、2040、2050、2060 年分别为 2073 万吨、2753 万吨、6224 万吨、8362 万吨、12098 万吨 CO2。预计2060 年由于能效提升实现的熟料碳强度下降 289kg/t。18 图 15 不同节能措施分阶段碳减排量 3.4.低碳水泥情景低碳水泥情景 基于水泥生产工艺特点，降低碳酸盐分解产生的碳排放是降低行业单位产品碳排放强度的重要路径之一。低碳水泥情景就是充分考虑降低碳酸盐分解的过程排放，主要有原料替代、低碳水泥熟料原料替代、低碳水泥熟料、低碳水泥复合材料低碳水泥复合材料三种技术途径。原料替代原料替代技术指利用某些天然矿物或其他工业企业产生的工业废料，如电石渣、造纸污泥、脱硫石膏、冶金渣尾矿等，主要成分包含非碳酸盐钙、镁，在水泥生产中替代传统石灰石原料，减少生料煅烧过程中因石灰石等碳酸盐矿物分解排放的 CO2。近中期，我国有丰富的工业废渣资源可作为替代原料，但未来随着工业深度脱碳，替代原料的可用量将成为挑战。因此，原料替代更适合作为降低熟料碳强度的中短期措施。低碳水泥熟料低碳水泥熟料指生产不基于硅酸钙的新型熟料体系；主要低碳水泥熟料品种的生产工艺及减碳情况如图 16 和图 17 所示。低碳水泥熟料的典型例子主要有：高贝利特水泥熟料、硫（铁）铝酸盐水泥熟料、X-Clinker 水泥熟料、Celitement水泥熟料、可碳化硅酸钙水泥熟料等。值得注意的是，新型水泥熟料的应用潜力尚有不确定性，主要体现在原料可获得性，水泥产品稳定性、建筑施工性能要求等方面，此外经济性也是一个非常关键的指标。但随着水泥行业减碳压力与建筑市场低碳建材需求的增长，可以预计新品种低碳水泥的市场份额占比将不断提高。0.020.040.060.080.0100.0120.0140.020252030204020502060减碳量/百万吨冷却机提升技术分解炉节能改造悬浮预热器节能数字化智能化水泥磨节能技术燃烧系统节能改造生料磨节能技术耐火材料整体提升风机能效提升技术19 图 16 低碳水泥熟料生产主要流程示意 图 17 低碳水泥熟料碳排放及节碳比例 低碳水泥复合材料低碳水泥复合材料，即掺加矿渣、粉煤灰等工业废渣之类的低碳混合材，减少熟料在水泥产品中的使用比例。随着水泥粉磨技术的不断发展，利用矿渣和粉煤灰等混合材进行超细粉磨，充分发挥其矿物活性，在保证熟料质量前提下，可大幅降低熟料应用比例，进而降低水泥单位产品碳排放强度。目前磨细矿渣已部分实现高水平利用，粉煤灰利用受多重原因限制，有待进一步开发。需要注意的是提高混合材用量需要大量工业废渣类新型辅助胶凝材料，且要求这类辅助胶凝材料具备量大、就近易得、高活性等特征，而未来重工业整体脱碳背景下，工业废渣可用量将呈下降趋势。为应对这一趋势，行业正在研发一些新型混合材，例如煅烧粘土、碳化混凝土细粉等。低碳水泥技术应用路线图如图 18 所示。20 图 18 低碳水泥技术应用路线图 根据预测，低碳水泥技术路径情景下，到 2060 年吨熟料碳排放强度降低98kg。2025 年-2060 年行业减排量见图 19。图 19 低碳技术应用情景下水泥行业碳减排量 3.5.CCUS技术情景技术情景 水泥生产中约 60%的碳排放来自原料中碳酸盐分解，由于目前尚未看到能完全替代石灰石、免除过程排放、且能大规模应用的替代原料和工艺，碳捕集、封存与利用（CCUS）将是水泥碳中和的必要技术。3.5.1.国内外发展现状国内外发展现状 IEA 2023 年 CCUS 工程数据库显示，截止 2023 年 3 月，全球范围内投入使用的所有二氧化碳捕获、运输、储存和利用项目，产能超过 10 万吨/年（或1000 吨/年直接空气捕获设施）共有 573 个，其中水泥行业有 27 个，包括 3 个00.10.20.30.40.52020202520302035204020452050205520602065CO2减排量/亿原料替代21 CCUS 全链条项目，20 个捕集项目和 4 个 CCU 项目。除挪威的 Norcem Brevik项目正在建设中外，其余均为计划建设2。水泥行业 30%的 CO2捕集量集中在美国，占比最高，其次是德国和比利时。573个CCUS项目中有503个项目在2017年-2023 年期间宣布建设，目前已有 3 项已实施，8 项正在建设，其余还在前期规划和准备阶段。由此可见，在全球气候压力下，CCUS 技术作为最有希望的负碳技术，近年来研发、应用等的投入呈现爆发式增长，未来也将助力水泥等难减排行业实现深度脱碳。CCUS 在水泥行业的最早也最为典型的示范项目于 2015 年 9 月在美国德克萨斯州的圣安东尼奥水泥厂运行，其产量超过75000t CO2/a。采用SkyMine工艺从水泥厂的一个烟气管道中捕获 90%的 CO2，约占该厂 CO2排放总量的 15%。SkyMine 工艺利用捕获的 CO2生产可销售的副产品，如小苏打、盐酸和漂白剂等。图 20 圣安东尼奥水泥厂化学吸收法碳捕获工艺流程 2018 年 10 月，我国水泥行业首条 CCUS 技术应用示范线在海螺集团芜湖白马山水泥厂投产，采用两步法生产纯度为 99.99%以上的食品级 CO2和纯度为99.9%以上的工业级 CO2产品。其中第一步采用化学溶剂法将 CO2浓度从 18%左右提浓到 89%以上，第二步采用吸附精馏法提纯到 99.9%以上。该示范线填补了国内水泥行业 CCUS 技术的空白。2 处于概念、可行性或工程研究（FEED）阶段的项目。22 图 21 化学吸收法工艺流程及白马山水泥烟气 CO2捕集纯化示范 表 5 部分 CCS