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水泥行業(yè)碳排放現(xiàn)狀與減排關鍵路徑
發(fā)布時間：
2021-07-08
來源：
2020年，我國水泥產(chǎn)量23.77億噸（湖南1.103億噸），約占全球55%，排放CO2約14.66億噸，約占全國碳排放總量14.3%。噸水泥、噸水泥熟料CO2排放量分別約為616.6kg、865.8kg（有關測算與分析見下文）。水泥行業(yè)面臨的減排壓力非常嚴峻，任務非常艱巨。水泥等行業(yè)即將納入全國碳排放權交易，將對我國水泥工業(yè)及其運行產(chǎn)生重大而深遠影響。
目前我國水泥企業(yè)全部采用了新型干法生產(chǎn)技術，整體處于國際先進水平。分析單位水泥碳排放的構成與減排潛力，生產(chǎn)1噸水泥過程中，其中生料煅燒石灰石分解CO2約376.7kg，熟料耗煤排放CO2約193kg，綜合耗電（扣除余熱發(fā)電）折算碳排放約46.9kg。水泥是由水泥熟料摻加礦渣、粉煤灰、石灰石等混合材與少量石膏混合粉磨制成，熟料生產(chǎn)過程中碳排放約占水泥碳排放的92%左右（大量文獻誤引用為60%至75%）。
根據(jù)行業(yè)現(xiàn)狀和以上分析，水泥行業(yè)通過現(xiàn)有節(jié)能及替代石灰石原料技術(因耗量巨大且替代資源很有限)減碳空間有限。大概率預計，未來5年關鍵窗口期, 單位水泥碳排放平均降幅要達到5%，須付出巨大努力。2030年至2035年難以實現(xiàn)相關國際機構擬定的目標“520kgCO2/噸至524 kgCO2/噸水泥”，至于水泥工業(yè)實現(xiàn)碳中和與CSI等擬定的“單位水泥減碳百分之四十”的目標，則期待顛覆性技術出現(xiàn)。
由于水泥產(chǎn)品及生產(chǎn)原料、工藝特點和巨大的消耗量，碳減排的難度極大，時間與任務非常緊迫。業(yè)內探討通過節(jié)能技術減碳的文獻、綜述較多。本文結合水泥及混凝土工業(yè)發(fā)展方向和我國國情，探討并總結提出了水泥行業(yè)重點減排路徑是：“科學高效應利用水泥，調整水泥產(chǎn)品結構；加強頂層設計，完善生產(chǎn)者、消費者碳排放責任核算方法和各類責任分攤法等政策”。
國際能源機構IEA和CSI提出了水泥發(fā)展最重要的方向是由生產(chǎn)普通波特蘭水泥轉向生產(chǎn)混合水泥，用混合材料替代部分熟料。目前C30及高性能混凝土中水泥熟料系數(shù)在0.5以下。為降低單位水泥碳排放,提高建筑物耐久性與經(jīng)濟社會效益，重點推廣低熟料用量的商品混凝土專用混合水泥和“較高C2S、適中C3S、低C3A熟料”制備的通用水泥。筆者認為：按照上述減排路徑及配套制定有關政策，其減排效果遠遠超過節(jié)能技術及挖潛措施。
一、科學高效利用水泥 通過法規(guī)推進減少高碳產(chǎn)品消費量
國家已提出限制粗綱產(chǎn)量，預計政府將出臺限制(削減)水泥熟料量或高碳產(chǎn)品受讓碳指標的措施。如中國水泥協(xié)會秘書長孔祥忠預測：“企業(yè)不要樂觀地認為可以通過購買碳指標增加產(chǎn)量，未來可供交易的指標有限，碳價格到時可能會超過水泥價格。對于產(chǎn)能嚴重過剩的水泥行業(yè)，要么減產(chǎn)，要么改造，要么退出，這是大趨勢” 。
比爾蓋茨曾表示，中國3年的水泥消費量相當于19世紀水泥發(fā)明以來美國歷年的消費總量，這是最讓人驚嘆的統(tǒng)計數(shù)字，美國也建了胡佛大壩、大橋、高速公路等大工程。我國人口眾多，仍然是發(fā)展中國家。但近十幾年來，我國人均收入遠低于發(fā)達國家，但人均年水泥消費量約達1.67噸,遠遠超過歐洲、美國、日本等發(fā)達國家高速發(fā)展時期人均年耗0.70噸左右的水平。由此也可分析預測，我國未來人均水泥需求量會有很大幅度下降。
造成我國水泥消費量過高的主要原因：浪費與過度消費十分嚴重，使用水泥不科學；規(guī)劃及長遠觀念淡薄、住房及公路等工程設計與實際壽命短（城市上世紀80年代以前的住房基本要拆除重建，農村住房十幾年即拆除重建現(xiàn)象很普遍，公路等設施翻建及維修量大），以及機制體制與傳統(tǒng)習慣勢力等問題。
我國房屋及基礎設施建設、固定資產(chǎn)投資、終端能源消費等所承擔的碳排放責任超過總量的80%?？茖W合理的碳排放責任評價方法輔以針對性的減碳政策，可以建立正確的價值導向，有效促進各方采取減碳行動；同時也有利于各利益相關方接受并承擔自身相應的減排義務。因此，通過高效科學應用水泥與制訂有關法規(guī)推動，建筑領域實現(xiàn)大幅度減少碳排放總量的潛力很大，并將有力推進水泥等行業(yè)碳減排總量。
建議加強頂層設計,盡快制定與完善建筑工程應用主體(消費側)碳排放責任核算與控制方法等政策, 并按行業(yè)及產(chǎn)品制定實施細則。以強化消費者對其消費行為負責，其減碳行動主要是調整消費結構, 減少高碳產(chǎn)品的消費量、過度消費與浪費。此外，還需要通過優(yōu)化、細化工程管理，強化控制與責任，促使水泥熟料用量下降。
發(fā)展低碳建筑與推廣高性能砼、大摻量應用混合材三者方向一致、相輔相成。為科學合理高效應用水泥，減少單位投資(建、構筑物面積)水泥熟料使用量，提高水泥產(chǎn)品使用效率。應加快修訂工程設計、施工、應用技術標準規(guī)范等，提升低碳建筑標準及加大推廣應用少熟料膠凝材料的力度，并制定配套政策措施。
二、適應現(xiàn)代混凝土技術與低碳要求 調整水泥產(chǎn)品結構
兩年內，一旦國家給水泥企業(yè)下達了碳排放配額，即對水泥行業(yè)鎖定了排放總量。各企業(yè)在碳排放指標的約束性下，如何運作碳資產(chǎn)與用好碳配額，如何提高單位產(chǎn)品效益與降低碳排放，是水泥企業(yè)急需思考的問題，應對思路與措施概括如下：
推廣低熟料用量的商品混凝土、農村建房現(xiàn)場拌制砼和砂漿專用混合水泥，開發(fā)推廣“較高C2S、適中C3S、低 C3A礦物”組成的熟料及其制備的通用水泥，盡可能滿足低水膠比、長齡期強度高和低水化熱等要求，以利于改善砼開裂與耐久性，提高建筑物壽命，又有利于碳減排。轉變觀念，以推行團標及領跑者企標作為切入口，提高產(chǎn)品適用性, 擴大差異化產(chǎn)品市場。以上方案措施也是碳減排關鍵路徑之一，也可以說是今后通用水泥產(chǎn)品結構調整方向與指導思想。
減少熟料用量與用混合材替代部分熟料是水泥混凝土工業(yè)發(fā)展趨勢,也是提高建筑物壽命和水泥混凝土工業(yè)健康及低碳發(fā)展的必然選擇。水泥是半成品，只能用于配制混凝土。清華大學教授閻培渝在《對中國水泥產(chǎn)品結構調整的一點看法》中指出：“大多數(shù)歐洲國家預拌混凝土強度等級大多在C15至C35 之間。有關高管對國際水泥標準與水泥使用及混凝土行業(yè)了解非常有限?，F(xiàn)在混凝土對工作性能要求很高, 要求漿體含量高，用水量較低，目前國內使用量最大的C30混凝土中水泥熟料用量僅為150kg/m3左右,熟料系數(shù)在0.5以下，不同強度的水泥很容易通過調整砼配比來制備不同標號的砼”。目前國內砼早期開裂、強度倒縮等導致耐久性差的問題非常普遍, 造成了巨大的經(jīng)濟損失與碳排放增加。其主要原因之一恰恰是更多地與使用普通水泥等早強高強水泥有關,也是導致砼工程質量問題、糾紛越來越多越嚴重的主要因素。清華大學教授廉慧珍極力主張摻合料由水泥廠摻加，以有利于工程質量,攪拌站摻加摻和料有很多弊端。筆者在《混凝土》《中國水泥》等刊發(fā)了數(shù)篇專文對上述問題進行了分析探討。
我國水泥中熟料系數(shù)為0.678, 若降到0.55，以出廠水泥計，碳排放可減少18%，極有利于水泥企業(yè)合理利用碳配額資源。
三、水泥工業(yè)碳排放現(xiàn)狀、核算與碳達峰時間預測
1、噸水泥、噸水泥熟料CO2排放量的核算
有關參數(shù)與取值：標準煤排放因子2.66，電力消耗排放因子0.853；煅燒1噸石灰石排放CO2為440kg(排放因子0.44)；生料中石灰石配比82%，生熟料折算系數(shù)1.54；國內噸熟料耗標煤平均值取107kg，干法線配有余熱發(fā)電裝置,噸熟料綜合電耗（扣除余熱發(fā)電）平均值取30kWh，噸水泥綜合電耗（扣除余熱發(fā)電）平均值取55kWh。
2020年，我國水泥中熟料用量平均占比=水泥產(chǎn)量/熟料消耗=23.77/（15.79+進口熟料0.33）=0.678；
生產(chǎn)1噸熟料CO2排放量：1000*0.82*1.54*0.44+107*2.66+30*0.853=865.8kg
生產(chǎn)1噸水泥CO2排放量：1000*0.82*1.54*0.678*0.44+107*2.66*0.678+55*0.853= 616.6kg
2020年，我國水泥行業(yè)CO2排放總量約23.77*0.6166=14.66億噸,其中湖南水泥產(chǎn)量1.103億，CO2排放1.103*0.6166=6800萬噸。
2、水泥工業(yè)碳達峰時間與消費總量預測
2020年，中國水泥產(chǎn)量23.77億噸，占全球 57%。從2011年至2019年,年產(chǎn)量分別為20.6、21.8、24.1、24.76、23.5、24.03、23.2、21.77、23.3億噸，年水泥消費量均超過20億噸。
歐洲、美國、日本、韓國等發(fā)達國家水泥消費高位平臺期是七八年，幾乎是相同規(guī)律,拐點之后總需求呈現(xiàn)大幅度下降。目前發(fā)達國家水泥產(chǎn)銷量約為高峰期的一半, 甚至略為超過高峰期消費量的三分之一。2020年，我國熟料產(chǎn)量15.79億噸，進口熟料3337萬噸, 熟料消費總量超過16億噸，創(chuàng)下歷史新高。
從2011年起，我國水泥消費總需求處于高位平臺期已達10年。預計將很快步入平臺期末端，從2022年開始，我國水泥產(chǎn)銷量及熟料消耗量將步入下降通道，3年后可能會有較大幅度下降。若下降到發(fā)達國家高峰時期人均年消費0.70噸的水平，我國水泥產(chǎn)銷量約為10億噸。（來源：智慧水泥）
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