2022中国水泥行业碳中和之路.pdf

加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路2022.09rmi.org/4加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路目录前言 51.中国水泥行业碳中和之路：挑战与优势 6中国占据全球水泥生产与消费的半壁江山，减排意义重大 6中国水泥行业碳中和转型的挑战 7中国水泥行业碳中和转型的优势 82.碳中和图景下水泥行业供需展望 9城镇化与基建放缓将主导未来的水泥需求 92050年水泥熟料需求将下降三分之二 10进出口对水泥行业产量与碳排放的影响有限 113.水泥行业脱碳的技术路径 12水泥减量生产是水泥行业减排重要抓手 12水泥生产脱碳的技术可行性 14燃料替代对水泥脱碳发挥重要作用 14能效提升有进一步空间 17调整水泥品种结构以创造减碳价值 18碳捕集、封存与利用是水泥碳中和的必要技术 19零碳水泥的经济可行性 204.中国水泥碳中和之路：时间、空间演变和转型模式 23中国水泥碳中和转型时间线 23中国水泥碳中和产能地理分布 26中国水泥碳中和转型模式 285.推动中国水泥碳中和发展：政策建议 29推动水泥行业纳入全国碳交易市场，发挥碳价机制促进水泥行业向碳中和转型 29通过与碳挂钩的绿色采购政策，促进需求方的转型。建立绿色建材市场和生态系统 29发挥绿色金融作用，为水泥企业绿色转型提供金融支持 29促进循环经济，实现固体废物燃料的大规模生产和应用 29rmi.org/5加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路前言水泥行业是中国实现碳中和的关键行业之一。中国的水泥生产与消费占据全球市场的一半以上，碳排放占全国总排放量的13%，仅次于电力与钢铁行业。水泥行业减排的难点一是减少生产过程的排放，这需要能够大规模替换现有原料的工艺技术；二是改变以煤炭为主体的燃料结构。此外，中国水泥企业的资产运行年限较短，快速转型带来的搁浅资产风险较高，同时，较低的行业集中度也对新技术的大规模应用带来一定挑战。在双碳目标下，中国正在着力构建碳达峰碳中和“1+N”政策体系，包括制订以水泥为代表的建材等重点行业的碳达峰实施方案。随着以建筑业为代表的下游产业向低碳转型，产业政策如错峰生产和减量置换等常态化，以及碳市场等市场措施的启动，水泥行业向低碳乃至碳中和转型有望不断取得进展。本报告加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路由RMI与中国水泥协会共同合作，针对水泥行业在碳中和目标下的转型路线图进行深入探讨。我们的分析表明，水泥行业实现碳中和需要在减量、燃料、品种、能效和末端处理各环节共同发力。在城镇化与基建需求放缓、淘汰落后产能以及建筑业提升材料效率等多重因素影响下，中国的水泥需求与产量将呈现明显下降趋势。在此基础上，燃料替代技术将发挥重要减排作用。与此同时，调整水泥品种可以起到降低过程排放的作用，其路径包括调整水泥的熟料系数、生产新型低碳水泥，以及替代原料技术。碳捕集、封存与利用（CCUS）是水泥行业实现碳中和的重点技术之一，能够为水泥工艺中的部分碳排放进行末端处理，对未来水泥产业的布局也将产生影响。值得指出的是，水泥行业碳中和需要依靠价格机制传递正确的市场信号，以提升低碳水泥的成本优势。同时，水泥低碳转型与上下游产业关系密切，宜打破行业边界、布局综合规划。考虑到供需关系、技术发展速度、成本构成等因素的不确定性，本研究聚焦于在假设时间框架下中国水泥行业的碳中和转型趋势、短中长期安排和技术经济路线图，以期为政策制定和行业规划提供参考。rmi.org/6加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路1.中国水泥行业碳中和之路：挑战与优势图表 1 2021年全球水泥主要生产国中国占据全球水泥生产与消费的半壁江山，减排意义重大中国是全球最大的水泥生产国和消费国。2021年中国水泥生产占世界的57%（图表 1），中国共生产水泥23.63亿 吨（图表 2）；共消费水泥23.8亿吨，消费量也占全球一半以上i。从碳排放的角度看，2020年，中国水泥行业CO2排放量约为13.7亿吨（图表 3）；据不同研究，水泥行业占全国总碳排放的比例约13%，仅次于电力和钢铁行业。水泥行业的减排对实现中国碳中和至关重要。57%8%2%2%31%?i 据The Global Cement Report，全球水泥消费量2020年达到41.4亿吨 图表 2 2010-2020年中国水泥与水泥熟料产量?302520151050?来源：US Geological Survey,Cement Statistics and Information来源：本研究课题组rmi.org/7加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路中国水泥行业碳中和转型的挑战过程排放是水泥行业减排的最大难点水泥生产过程中约60%的碳排放来自碳酸盐（主要来自石灰石）分解产生的CO2，即过程排放。石灰石作为水泥生产的核心原材料，具有分布广、储量大、开采易、价格低等特点。以生产1吨水泥需要1.21.3吨石灰石计，全国每年水泥行业消耗的石灰石重量在20亿吨级别。虽然目前业界在探索原料替代工艺方面取得了突破，但尚未出现能广泛替代石灰石的替代原料、生产工艺或替代性胶凝材料。因此，难以消除的大规模过程排放会成为水泥行业碳中和道路上的最大挑战。水泥生产高度依赖化石燃料在水泥生产过程中，化石燃料燃烧及电力消耗产生的碳排放分别全流程碳排放的约 35%和 5%。其中化石燃料燃烧主要发生在熟料煅烧阶段，电力消耗主要用于电机驱动。中国水泥生产的能源输入以煤炭为主。相比发达国家与世界平均水平，替代能源的替代比例很低。中国每吨熟料的热能使用中，只有2%左右来源于非化石燃料，而欧洲国家的替代率可以达到40%以上（图表 4）。图表 3 2010-2020 年中国水泥行业CO2排放情况图表 4 2018年每吨熟料用于热能的能源消耗构成?1614121086420CO2?13.74.74?100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%?1.80%98.20%14.00%43.51%43.70%47.36%86.00%52.49%52.30%52.64%来源：中国水泥协会来源：国际能源署（IEA），中国水泥协会rmi.org/8加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路目前水泥行业中较有潜力的替代燃料包括固体废弃物、生物质等。氢能、绿色电力等新型可再生能源在水泥中的应用尚处于早期验证阶段。我国替代燃料使用比例偏低，主要受限于垃圾处理体系有待完善、垃圾衍生燃料产业尚未建立、生物质资源总量及可用性等问题。在水泥行业中推广使用替代燃料还需克服制度、技术、成本上的障碍。水泥资产运行年限较短，在产业低碳转型的背景下面临较大的搁浅风险过去20年中国基础设施建设的快速增长和随之而来的水泥的需求量急剧上升，大量水泥产能也是在这一时期内投建。据估计，中国约90%的水泥生产设施为近20年以内新建，40%的水泥厂于近10年内新建。而全球范围内水泥厂的运行寿命通常为40年。如果未来在双碳目标的约束下，部分现存的水泥生产设施成为搁浅资产的风险上升。相应地，如果对这些设施进行升级改造，由于其投入使用的年限较短，也会对企业造成较大的成本负担。水泥行业集中度不高，不利于市场集体行动以及新技术的推广水泥行业的全国熟料产能排名前十的企业产能集中度约为57%，尚有提升空间。集中度不高不利于落后产能的淘汰，也不利于新技术的集中研发与大规模部署。对于碳捕集与封存等需要较大基础设施投资的新技术，水泥企业较为分散的格局也会阻碍基础设施共建共享，从而推高应用成本和难度。分散布局导致的CO2储运成本及跨行政区域的协调，也会阻碍此类技术的大规模推广。中国水泥行业碳中和转型的优势双碳政策、供给侧改革、需求侧变化联合发力推动水泥行业低碳转型随着中国经济从高速增长阶段转向高质量发展阶段，水泥工业及其下游的建设行业也将实现高质量转变。经过过去20年的快速发展，未来中国的城镇化和基础设施趋于饱和，水泥需求将进入平台期甚至下降。同时，供给侧改革的推进，减污降碳环保政策、错峰生产和减量置换等产业政策常态化，以及双碳目标新形势下的碳市场等手段，将联合发力推动水泥行业向低碳乃至碳中和转型。政策利好、广泛的市场和创新能力利于新能源和新技术的落地推广中国水泥行业应用的技术和设备较为先进，生产能效在国际上处于领先水平，且拥有创新和新技术应用的经验和能力。中国拥有广泛的水泥市场基础和创新试验条件，利于水泥行业的新技术研发与推广。在国家支持下，以风电光伏为代表的新能源电力已实现对煤电的成本优势。氢能作为前沿科技和产业变革领域也明确列入国家“十四五”规划。2022年发布的氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）中明确提出探索氢能在工业领域替代应用、扩大工业领域氢能替代化石能源应用规模。这些因素将为新能源在水泥行业转型中的应用创造技术和成本上的利好条件。建筑业低碳意识的提升将培育壮大低碳建材市场以建筑业为代表的水泥下游行业不断深化绿色变革、提升低碳标准，将对以水泥为代表的建材行业低碳转型带来利好，并有助培育壮大低碳建材的市场需求。2019年，住房和城乡建设部发布建筑碳排放计算标准，以国标的形式将建材生产的碳排放纳入建筑碳排放计算中。2021年，国家住房和城乡建设部规定自2022年4月1日起，现行工程建设将强制要求进行建筑碳排放计算。国内房地产企业也纷纷加入双碳行动中。例如，远洋集团已带头承诺2050年实现“碳中和”；包括万科、中国金茂等在内的10家房企公开承诺公司新建建筑100%符合绿色建筑标准。建筑业低碳意识的提升将为水泥低碳转型带来市场动力。rmi.org/9加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路2.碳中和图景下水泥行业供需展望 城镇化与基建放缓将主导未来的水泥需求水泥的主要需求来自以建筑与基础设施（包括城市道路、公路、铁路等）为主的建设行业。我国人口目前已进入较低增长阶段，城镇化预计于20352040年期间达到80%以上的成熟水平。中长期人口总量的降低和城镇化进程的减缓（图表 5），以及多年来房地产业高速发展所累积的存量住房，都将促使未来的房屋建设量高位支撑能力不足。预计20222030年期间房屋建设量将呈稳中有降态势，2030年之后主要集中于存量房的翻新改造，新建房屋开发规模还将继续减少。基础设施方面，我国历经二十余年的大规模基础设施建设，当前基建水平已经相对较高，但区域性、领域性投资不平衡问题还相当突出，在较长时期内基建补短板仍是重点任务。因此，基建领域所带动的水泥消费规模仍将有至少十年以上的高位支撑能力。但基础设施建设业的发展呈现逐步放缓趋势。例如，新建公路里程在2010年到2020年间增加了120万公里，但20202030的10年将预计增长60万公里，即在2030年达到580万公里。铁路从2010年到2020年增长5.6万公里。但从2020到2035年的15年间计划新建5.4万公里，于2035年达到20万公里左右。在以建筑、公路、铁路等为主体的建设行业发展放缓背景下，水泥需求下降的趋势不可避免。图表 5 中国、欧洲、美国城镇化率变化情况1009080706050403020100?%?200020102020203020402050来源：United Nations,World Urbanization Prospects 2018rmi.org/10加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路国家人均水泥消费峰值(kg)峰值后1 5年平均峰值后610年平均平均值(kg)为峰值的(%)平均值(kg)为峰值的(%)英国35728379.324368.1法国59352688.744575.0日本72965790.157979.4韩国1348102776.2111182.42050年水泥熟料需求将下降三分之二基于与水泥消费量相关的宏观经济指标如GDP、固定资产投资、人口增长与城镇化率等的预测，我们得到水泥与熟料的中长期需求预测。从GDP对水泥消费的拉动来看，随着中国经济发展模式的调整，投资构成中建筑工程投资比重逐渐降低，而节能环保、技术改造及科技投入等方面的投入不断加大，致使单位GDP和投资额拉动水泥消费的能力不断降低。在2035年我国经济水平按照规划目标达到中等发达国家水平后，社会建设将进入较成熟的阶段，局部地区的基建补短板和既有建筑的修补、翻建和升级改造将成为工程建设类型的主体，水泥消费规模还有进一步下调空间。以固定资本形成总额为表征的固定资产投资也会在未来呈现放缓趋势。中国固定资本形成额占GDP的比重半世纪以来持续处于高位，尤其是2000年以来，其水平远在其他国家之上，说明我国在经济增长构成中投资拉动占据很重要的地位。但中国经济正从高速增长阶段转向高质量发展阶段，固定资产投资在过去的高基数基础上继续保持快速增长的空间和条件有限。我们预计当前至2025年中国固定资本形成额平均增长水平仍将保持高位；20262035年期间转变为中速增长；2035年后，随着国内建设水平的提高，固定资本形成额增长水平将进一步回调，转为低速增长。从人均水泥消费量来看，中国的水泥消费量已于2014年达峰，达到24.8亿吨，人均消费量达到近1.8吨/人，远高于发达国家的峰值水平。20152021年，人均水泥消费量一直在1.61.7吨/人水平徘徊，水泥消费量处于峰值平台期，但熟料消费量仍不断攀升。参考发达国家的经验（图表 6），人均水泥消费量在达峰后通常经历一定周期的高位波动，继而呈下降趋势，直至达到基本稳定状态。图表 6 部分国家人均消费量达峰后变化情况来源：本研究课题组rmi.org/11加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路图表 8 我国2001-2021年水泥和熟料进出口规模200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021?进出口对水泥行业产量与碳排放的影响有限由于对运输成本较为敏感，水泥行业具有本地生产、全国性分布的特征。传统上水泥的运输半径约为300千米，水泥产地靠近消费市场，集中于人口稠密和城镇化发展速度快的地区。因此传统上我国对水泥的进口依赖度较低。但自2018年来，在多重因素叠加影响下，我国的水泥进口增加、出口降低（图表 8），从水泥出口国变为进口国。首先，自2018年开始，中国水泥行业在产能严重过剩的背景下，在供给侧结构性改革和“错峰生产”、“停窑限产”等措施多重影响下，造成了水泥区域性、阶段性短缺和价格高企。其次，以越南为主的东南亚国家水泥具有成本优势，且产能严重过剩，为向中国出口水泥创造了契机。未来，伴随着行业结构调整、环保压力加大、人员成本增高等因素，中国水泥熟料进口规模不排除进一步扩大的可能性。初步预测，未来中国熟料进口量可能保持在年均30004000万吨左右；但进口的影响仍有限，大约为每年需求量的28%。来源：本研究课题组基于此，我们的预测认为到2050年，熟料需求将从2021年的15.5亿吨减少到2050年的5.6亿吨，降幅约达三分 之二。在假设熟料系数上升的情景下，水泥需求将从2021年的23.65亿吨减少到2050年的7.5亿吨（图表 7）。水泥需求的减少将对水泥行业整体碳排放量产生重要影响。图表 7 中国水泥、熟料消费历史和未来趋势预测2000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021202220232024202520262027202820292030203120322033203420352036203720382039204020412042204320442045204620472048204920502051205220532054205520562057205820592060302520151050?来源：本研究课题组rmi.org/12加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路3.水泥行业脱碳的技术路径水泥生产流程大致分为生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个阶段。其中，熟料煅烧环节的碳排放占比95%以上，主要来自化石燃料燃烧（燃烧排放）以及碳酸盐原料在煅烧过程中分解产生的CO2（过程排放）（图表 9）。燃烧排放大约占水泥生产碳排放的35%，过程排放约占60%左右。以我国目前的水泥工艺水平，吨水泥的碳排放强度约为0.58t CO2，吨熟料的碳排放强度约为0.86t CO2。?图表 9 水泥行业CO2主要排放环节（2020 年）现阶段我国水泥的低碳生产主要通过改善原材料易烧性和易磨性、改进生产工艺及装备降低能耗等手段，虽然近期内仍能发挥减排效能，但长期来看仅依赖现有技术路径较难实现水泥行业完全脱碳的净零排放愿景。水泥行业要实现完全脱碳，必须采用变革式方法（图表 10）。从需求端降低水泥消耗、创新低碳水泥品种、加大低碳能源在燃料及电力中的替代率、调整水泥生产中的熟料及原料配比、并推广碳捕集与封存利用技术以抵消难以消除的过程排放。水泥减量生产是水泥行业减排重要抓手推动水泥行业碳排放总量降低的最大因素是产量的降低。按照我们的预测，到2050年，水泥熟料的产量将下降至每年5.6亿吨，约为2020年水平的1/3，这将有助于减少约67%的碳排放。推动水泥需求与产量降低的主要因素在短期和长期略有不同。短期内，淘汰落后和过剩的水泥产能是降低水泥行业碳排放的主要手段，也能推动水泥行业尽早实现碳达峰。目前，错峰生产和产能减量置换是压缩水泥过剩产能的两大政策抓手。2020年底，工业和信息化部、生态环境部发布关于进一步做好水泥常态化错峰生产的通知，要求所有水泥熟料生产线都应进行错峰生产，将错峰生产向常态化推进。缩短水泥熟料装置运转时间能有效压减过剩产能并降低水泥行业碳排放与污染物排放。来源：本研究课题组rmi.org/13加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路长期来看，城市化进程减缓和建设量减少是水泥需求下降的主要因素。在此过程中，一些重要的政策与技术因素将推动减少对传统水泥的需求，有利于水泥行业的需求端减排。首先，城市建设应遵循合理的城市规划，避免不必要的大拆大建，提升现有建筑的使用寿命和再利用价值，从而降低不必要的水泥消耗。中国建筑的平均寿命仅30年，为发达国家的一半甚至1/4，而大面积拆除是重要原因。增长建筑使用寿命将减少不必要的建材消耗。其次，通过修改建筑设计规范、施工规范及装配式建筑产业化，以结构替代和结构优化降低对混凝土的需求。钢材、新型复合材料等可再生建材可用于替代混凝土结构，并起到减碳作用。目前，钢结构建筑在中国普及率仅有10%，新型复合材料尚属早期应用阶段，有较大替代空间。另外，通过优化建筑结构形式可节省70%的混凝土楼板质量，实现节材降碳。第三，水泥与混凝土再利用技术能起到替代部分熟料的作用。目前水泥的水化普遍被认为是不可逆过程。但混凝土中约有30%水泥未水化，可以进行提取再利用。废弃的混凝土经过破碎处理后，85%能作为再生骨料重新利用于路基等建设中。发达国家建筑垃圾的再生利用率可以达到70%90%，我国规范处理和再利用的比例偏低，有发展的空间。第四，新型低碳熟料与胶凝材料的出现将减少波特兰水泥的需求。国际能源署IEA总结了目前可作为波特兰水泥替代产品的新型凝胶材料，例如已经获得商业化可行的Belite熟料、CSA熟料、碱激发无熟料水泥等。不过，这些新型凝胶材料的原料来源、减排效果和应用场景存在差异，尚不具备全面替代波特兰水泥的可能。图表 10 水泥行业迈向碳中和愿景的主要措施分类?13?CO2?来源：本研究课题组rmi.org/14加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路图表 11 水泥生产固体废弃物替代燃料性能汇总类别发热量(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35.6减少增加减少30无低废电解池9.29减少未检测到未检测到8无低城市固体废弃物15.4减少增加增加30小高动物骨粉14.47减少减少未检测到40小中干市政污泥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-小低水泥生产脱碳的技术可行性燃料替代对水泥脱碳发挥重要作用水泥生产过程约有35%的碳排放来自燃料燃烧。使用低碳燃料替代化石燃料是水泥减排的重要技术路径。从目前在研发或采用的技术来看，主要是使用固体废物、生物质燃料、以及其他新型燃料如氢能、电力等作为替代。固体废弃物燃料是较有基础的燃料替代方案。能作为水泥替代燃料的固体废弃物燃料分类复杂，种类繁多，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（图表 11）。其中以城市固体废弃物来源最广，加工为RDF后能使燃料品质更稳定。我国水泥工业的替代燃料发展较晚。现有技术主要是水泥窑协同处置技术，属于固体废物利用的初级阶段，为进一步开发为替代燃料奠定了基础。截止2020年底，我国已有约17%的水泥生产线配备了协同处置能力。2020年，我国生活垃圾产生量约为3.1亿吨。按照一吨生活垃圾经过预处理后的垃圾衍生可燃物热值为300千克标煤计算，我国生活垃圾燃烧后可替代0.9亿吨标煤。据预测2060年我国生活垃圾产生潜力峰值约为10.05亿吨，清运量将达到5.86亿吨。同年我国污泥产量已超过6000万吨;按每千克污泥0.2kg标煤热值计算，可替代约1200万吨标煤。固体废物对于我国水泥熟料1.7亿吨标煤的燃料总量而言具有巨大的替换潜力。国际上，先进水泥企业都实现了较高的燃料替代率（图表 12），以固体废物燃料为主。欧盟国家将水泥的燃料替代率从较低水平大幅提到平均近40%，对我国发展水泥替代燃料具有借鉴意义（专栏）。推广固体废弃物替代燃料具有技术上的可行性和减排意义，但目前水泥生产的热替代率较低，相比国外50%以上比率（最高值可达85%）仍有较大提升空间。使用固废替代燃料面临若干障碍。首先，现行标准将水泥窑协同处置定位为垃圾处置，而非燃料替代；管理方式也是按垃圾而非燃料执行，造成固废跨界运输许可等管理问题，也不利于水泥窑协同作为碳减排技术在水泥行业推广。其次，我国还没有形成成熟的固体废物收集、分类、衍生燃料加工产业。生活垃圾的品质、热值、含水量参差不齐，混合利用会影响水泥窑垃圾处置及熟料生产能力，难以实现替代燃料的作用。第三，固体废物的有害组分有流入水泥产品的风险，市场对此类水泥的接受度较低，难以推动规模化生产。因此，要推动固体废物燃料替代，必须解决垃圾燃料的定位、预处理技术、水泥品质控制、市场接受度等方面问题。我们认为，在相关标准完善、技术成熟化之后，固体废物将有较大的应用潜力。来源：本研究课题组rmi.org/15加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路图表 12 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53.78.522.1废液和废溶剂114.721.9轮胎衍生燃料101611.614.919.7废塑料926.44.733.1工业和生活垃圾（固体）6513.8工业废料和其他化石燃料30动物骨粉246.115.7农作物9104.211.1木屑和其他农作物21524.525.1污水污泥24.21.7垃圾衍生燃料7.8其他代用燃料14.6欧盟是世界上水泥产业燃料替代率最高的地区，其发展历程值得借鉴。以德国为例，1985年可燃废弃物引起了德国水泥工业相关专家的重视，相关技术的发展仍处于初级阶段，全国的热量替代率仅可达到2%，与现阶段我国可燃废弃物使用现状十分近似。1990年前后，德国水泥工业几乎每个厂都专门装配了一套可燃废弃物预处理系统，类似于我国水泥窑协同处置系统。但后续发展的过程中，这种应用方式的弊端逐渐显露：处理量低、投资高、效率极低。随着替代燃料技术的成熟及相关政策推动，德国水泥行业替代燃料热量替代率由1985年至2010年高速提升，年增长率一度可达10%以上，2017年达到了68.3%。德国水泥行业所采用的替代燃料主要为固体回收燃料和垃圾衍生燃料，且使用量逐步提升。在这一发展过程中，有三个重要的促成因素。首先是替代燃料产业链的形成。欧盟国家在20世纪80年代开始建立了完备的垃圾回收和垃圾无害化处理产业链，不断开发完善了可燃废弃物的处理技术，实现了将可燃废弃物转化为垃圾衍生燃料和固体回收燃料。以德国为例，其替代燃料生产无需水泥企业对相关设备进行额外投资，降低了水泥生产企业在设备上的投入。替代燃料的采购与使用，与煤相差不大，但价格要比煤低，因此德国水泥企业将替代燃料视为经济燃料。专栏：水泥行业推广替代燃料的欧洲案例?394.54.431.8世界各地区替代燃料热值替代率（%）其次是多数欧洲国家实施了垃圾填埋禁令。例如自2013年起，波兰开始实施填埋禁令将替代燃料替代率从2007年的不到20%提高到2015年的50%以上，与之相伴的燃料替代技术也快速发展。第三是国家制定的替代燃料质量控制体系。例如德国针对替代燃料设计了一系列标准，包括废弃物构架标准、工业污染物排放标准和废弃物装运标准等。该标准体系的执行，保证了市场中替代燃料符合相关产品标准，尽可能减少替代燃料对水泥熟料生产的影响。来源：IFC,Increasing the Use of Alternative Fuels at Cement Plants:International Best Practice来源：本研究课题组rmi.org/16加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路使用生物质燃料替代传统燃料不需要对水泥窑进行大规模改造，与碳捕集能形成负碳技术组合，国内已有示范项目。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，证明生物质掺烧部分替代燃煤具有技术可行性。但大量采用生物质燃料替代必须解决燃料可获取性及成本问题，且生物质燃料在多种行业中的应用具有竞争性。除此之外，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。图表 13列举了目前一些新型水泥窑燃料替代技术，但这些项目仍处于研发和试点的阶段。水泥窑烧氢需要大量改造现有水泥窑结构和充分的氢能供给，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（13001450C），使用电力加热也需要全面改造现有窑炉结构。但我们不能排除新型能源和技术在生产低碳水泥中的潜力。固体废弃物燃料生物质燃料新型能源如氢、电力、光热潜力 每年有3.1亿吨的生活垃圾和1400万吨的污泥产生 到2060年，每年有10亿吨的生活垃圾 热值：能约节省9千万吨煤 减少CO2（排放因子比煤低8%，同时减少了垃圾填埋的温室气体排放）秸秆：8.29亿吨，6.94亿吨可收集 林业残余物：960.4万吨可用于能源 碳中性能源，与CCUS结合时可成为负碳技术 在中国，氢能作为熟料煅烧燃料正在研发中 国外企业还在探索太阳能加热（SYNHELION）等技术成熟度 废弃物协同处置技术接近成熟 约17%的熟料生产线拥有协同处置能力 但废弃物收集、分类和预处理的体系仍在发展中 垃圾衍生燃料RDF的生产处于早期阶段，仅有少量生产线 仍需进一步完善垃圾作为替代燃料的技术体系 试点阶段 中国某水泥厂每天使用200吨的秸秆废料，热替代率为10%。研发阶段(中国)和早期示范阶段(国际)海德堡水泥试点在水泥生产中使用氢气以及其他行业产生的生物质成分和甘油作为燃料 CEMEX和SYNHELION使用太阳能加热CO2和水蒸气的混合气体煅烧熟料 瑞典CEMZERO项目和2018年挪威的某项目验证了水泥生产和电加热结合的技术可行性 LEILAC技术将电加热技术纳入了后续能源替代计划障碍 固废作为替代燃料没有正式认可的地位 RDF产业和标准有待建立，特别是垃圾预处理产业 由于潜在的健康风险，垃圾生产的水泥的市场接受度低 焚烧厂和垃圾发电厂对废物的使用具有竞争性，补贴政策不利于垃圾作为替代燃料 收集和运输的成本高 资源有限，生物质燃料的竞争性使用（发电、供暖等）具有季节性 具有一定含水量，添加比例高会影响产量 新技术在水泥行业发展和应用的不确定性 用于直接加热，氢气火焰特性可能不符合煅烧要求。氢气燃烧后产生水蒸气，影响熟料生产能力。图表 13 水泥生产的主要替代燃料对比来源：本研究课题组rmi.org/17加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路图表 14 生物质及固体废物总量与熟料生产所需量?12,00010,0008,0006.0004.0002,0000?图表 15 主要水泥节能技术及经济技术指标技术名称应用案例投资额(万元)节能量(tce/a)二氧化碳 减排量（tCO2/a）该技术在行业 内的推广潜力 (%)预计二氧化碳 减排能力 (万tCO2/a)熟料烧成节能减排技术带分级燃烧的高效低阻预热器系统山东省某水泥企业5000t/d熟料生产线2000620016120902301.6高性能隔热保温材料技术河南省某水泥企业5000t/d熟料生产线443631816426901612.6新型水泥熟料冷却技术河北省某水泥企业1100-24008155226001001571富氧燃烧技术安徽省某4500t/d熟料生产线2300-3000500013000501099.6粉磨系统节能减排技术水泥立磨终粉磨技术某水泥企业(水泥产量100万吨/年)69169342428801151.3辊压机生料终粉磨技术安徽某2500t/d熟料生产线260013421489901229.5水泥生产数字化技术窑磨智能优化专家系统西北某水泥企业窑智能优化专家系统270-350222357801001548黑龙江省某水泥企业水泥粉磨智能优化专家系统能效提升有进一步空间我国目前水泥生产的能效水平已经在国际前列，水泥熟料单位产品综合能耗在90136kgce/t（2.64.0GJ/t）之间，与欧美126130kgce/t（3.73.8GJ/t）的水平持平甚至更优。2019年有26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。目前常用的水泥节能技术有熟料烧成节能减排技术、粉磨系统节能减排技术、水泥生产数字化技术三种。三大类技术目前的典型示范项目及其技术经济指标如图表15所示。同时，水泥行业仍存在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。因此水泥行业未来应继续普及能效提升技术，提高行业平均能耗水平。2021年，我国发布新版水泥单位产品能源消耗限额（GB 16780-2021）；全国约有75%产能的熟料生产线能达到熟料综合能耗3级标准，即117kgce/t(3.4 GJ/t)。如果所有熟料生产线从现行标准的综合能耗3级提高到1级（100kgce/t，即2.9GJ/t），相当于能减少约14%的能耗与排放。在可预测技术条件下，1级能耗值已接近能效提升的极限。来源：3060零碳生物质能潜力蓝皮书来源：本研究课题组rmi.org/18加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路调整水泥品种结构以创造减碳价值调整水泥品种结构实现水泥降碳主要有3条策略：熟料替代，即控制水泥中的熟料用量，降低单位水泥碳强度；原料替代，即替换原料中的部分石灰石，降低过程排放；新品种低碳水泥，即生产不基于硅酸钙的新型熟料体系。适当控制水泥的熟料比（熟料系数）可以起到降碳作用。未来10年间，全球水泥熟料比的平均值将呈下降趋势，从目前的0.72降到0.65水平。相比欧美的熟料系数，我国水泥熟料系数历史上一直偏低，经过水泥标号调整后有了较大的提升，于2020年达到约0.65水平。未来，水泥熟料系数的变化对于水泥的碳强度会产生一定影响（图表 16）。考虑到低熟料水泥的应用价值和减碳价值，在面临未来低碳需求时，可以针对应用场景细化水泥产品的标准，在确保水泥质量与适用性的同时保留部分低熟料系数的水泥标号。传统上用于替代熟料的混合材主要是粉煤灰、高炉矿渣等含钙的工业废渣。降低熟料系数意味着增大混合材用量以及工业废渣的需求。但未来在重工业整体脱碳背景下，工业废渣可用量将呈下降趋势。目前一些新型混合材正在研发，例如煅烧粘土、碳化混凝土细粉等。其次，使用低碳原料替代部分石灰石有利于降低过程排放。钢渣、电石渣、硅钙渣、粉煤灰等含钙的工业废渣可以替代一部分石灰石原料，从而降低水泥煅烧过程中石灰石分解产生的排放。原料替代对减碳的作用取决于原料替代率。近期内，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短期措施。另外，新型熟料或无熟料水泥配方的研发也赋予低碳水泥更多可能性。新型低碳熟料体系不基于硅酸钙熟料，具有所需CaO含量低、烧成温度低、碳排放低（图表 17）的特点，低碳水泥复合材料的典型例子主要有：高贝利特水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、Solidia水泥熟料、Celitement水泥熟料、X-Clinker水泥熟料、硫氢镁化合物水泥熟料等。值得注意的是，新型水泥的应用潜力尚有不确定性，主要体现在原料可用性，水泥稳定性、耐久性等特性的检验，产能与经济性等方面。但随着水泥行业降碳压力与低碳建材需求的增强，以及智能化生产系统的采用，可以预计新品种低碳水泥能占据比今天更高的市场份额。图表 16 不同熟料比情景下的水泥碳强度?0.75?0.65?0.500.600.500.400.300.200.10 tCO2/?来源：本研究课题组测算rmi.org/19加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路5355123053623402313750285251245208247252190152kgCO2/?60050040030020010001.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10?X-Clinker?Celitement?图表 17 可替代水泥复合材料碳排放及节碳百分比碳捕集、封存与利用是水泥碳中和的必要技术水泥生产中约60%的碳排放来自原料中碳酸盐受热分解。由于目前尚未看到能完全替代石灰石、没有过程排放、且能大规模应用的替代工艺，碳捕集、封存与利用（CCUS）是水泥碳中和的必要技术。应用于水泥行业的碳捕集方法主要有富氧燃烧、钙循环、膜分离法、低碳排放强度的石灰和水泥（Low Emission Intensity Lime and Cement，LEILAC）等，大多处于示范和初步商业化阶段。通过对比不同碳捕集方法的适用性、能耗、成本（图表 18），我们认为液体化学吸收技术、钙循环技术、第二代富氧燃烧和LEILAC技术在水泥行业中有较好的推广价值。目前，大规模采用CCUS还存在挑战：CCUS的减排成本仍然很高；由于水泥厂地理分布较分散，CO2的运输成本很高；水泥窑烟气中的CO2浓度通常低于30%，不利于有效捕集，纯化后捕集的成本相较化工厂等更高。我国一些水泥头部企业已经开始试点CCUS示范项目，中国某水泥厂已建成世界上首条水泥窑烟气CO2捕集纯化示范项目，年产5万吨工业级CO2产品和3万吨食品级CO2。随着技术成熟与规模化效应展现，CCUS的减排成本可以逐渐降低，并成为水泥行业实现碳中和的核心技术之一。水泥窑产生的CO2还可以与下游混凝土产业结合利用。CO2矿化养护混凝土技术是在新拌混凝土中注入CO2的技术，通过化学反应将CO2永久固结在混凝土中，可以减少混凝土生产过程25%或以上的CO2排放量，生产的混凝土相比传统混凝土强度高10%以上。我国的浙江大学团队、美国Solidia Tech公司、加拿大CarbonCure Technologies公司都研发了CO2矿化混凝土技术。中国某水泥企业与湖南大学联合研发了世界首条水泥窑尾气吸碳制砖生产线，可取代传统粘土烧成制砖和混凝土灰砂砖工艺，实现节能降碳。CO2养护技术能实现负碳的CO2生产及高质量混凝土，对水泥行业具有减排和商业双重价值。水泥窑产生的CO2还可在地质利用、化工利用、生物利用等领域产生利用价值。例如德国Rudersdorf水泥厂、Sunfir