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          肩負起水泥工業零碳流程再造的重任

          2021-04-20 09:50:18

          編者按 近日,科學技術部主辦了“香山科學會議”,各學科院士專家齊聚一堂,研討碳中和科技創新路徑選擇。中國建筑材料科學研究總院有限公司教授汪瀾應邀作“水泥工業低碳/零碳流程再造”的專題報道。碳達峰、碳中和是黨的大事、國家的大事,也是科技界的大事。為此,《中國建材報》記者邀請汪瀾撰寫“肩負起水泥工業零碳流程再造的重任”一文,以饗讀者。

          ■中國建筑材料科學研究總院有限公司教授 汪瀾

          2021年3月,習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議并發表重要講話強調:實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局,拿出抓鐵有痕的勁頭,如期實現2030年前碳達峰,2060年前碳中和的目標。碳達峰、碳中和是我國積極應對氣候的國策,也是基于科學論證的國家戰略,它更清晰了“能源革命”的階段目標,要求各行各業為低碳能源轉型做出更為扎實積極的努力,也要求行業的科研工作者肩負起工業零碳流程再造研究工作的重任。

          氣候變化是人類社會面臨的嚴峻的挑戰之一。自從十八世紀工業革命以來,人類活動燃燒化石能源、工業過程等排放的大量CO2滯留在大氣中,這是造成氣候變化的主要原因。氣候變化是指氣候平均值和氣候極端值出現了統計意義上的顯著變化,而近年來全球氣候出現了以變暖為主要特征的系統性變化。以2019年為例,全球大氣中CO2平均濃度為410ppm,比工業革命前增加近50%,大氣中溫室氣體增加造成的有效輻射強迫達到3.14瓦/平方米,是全球氣候變暖主要的影響因子。在全球氣候變暖背景下,近百年來我國地表氣溫呈顯著上升趨勢,上升速率達1.56°C/100年,平均年降水量也有較大年際波動,重大自然災害有增加趨勢。

          人類應對氣候變化可以依靠減緩途徑,通過經濟、技術等各項政策措施,控制溫室氣體排放,增加溫室氣體匯量。為保證氣候變化在一定時間段內不威脅生態系統、糧食生產、經濟社會的可持續發展,將大氣中溫室氣體的濃度穩定在防止氣候系統變到危險的人為干擾的水平上,以期通過減緩氣候變化的政策和技術措施來控制或減少溫室氣體的排放。減緩途徑主要包括改變能源結構,控制化石燃料使用量,以及封存等固碳技術。

          碳達峰、碳中和是實現減緩氣候變化階段性的重要目標。碳達峰是指主體單位的碳排放在由升轉降的過程中,碳排放的高點即碳峰值。我國目前碳排放增速放緩,但仍呈現增長態勢,尚未達峰。碳中和是指人為排放源通過碳捕集與封存(CCS)技術等人為吸收匯達到平衡。

          盡管通過強化政策引導,我國有可能在近幾年內實現碳達峰,為碳中和目標的實現打好基礎,但作為世界上大的發展中國家,在2060年前實現碳中和目標依然面臨非常嚴峻的挑戰。從排放總量看,我國碳排放總量巨大,約占全球的28%,實現碳中和所需的碳減排量遠高于其他經濟體。從發展階段看,我國發展的能源需求不斷增加,要統籌協調社會經濟發展、經濟結構轉型、能源低碳轉型以及碳達峰、碳中和目標,難度很大。我國從碳達峰到碳中和時間跨度僅有30年左右,比歐美國家時間更緊迫,需要付出更大的努力加快速度。此外,我國能源結構以煤炭為主,需在30年內快速淘汰化石能源實現零碳排放,這是一場真正的能源革命和工業革命。

          碳中和、碳達峰是能源革命、工業革命,各行各業都在向科技界要成果、要技術。這對于科技界是極大的挑戰,也可能會轉變成難逢的機遇,即會催生出重大科技成果的出現,進而導致全新工業體系的產生。

          水泥是我國重要的基礎原材料,在經濟社會建設中具有不可替代的重要作用。改革開放以來,我國水泥工業得到了快速發展,從1978年水泥產量約0.6億噸,增長至2020年約24億噸。有預測水泥工業將在近一兩年內實現碳達峰;然而,到2060年仍需有約9億噸的水泥產量,水泥工業碳中和任重道遠。

          水泥生產是典型的流程工業,包括原料開采、生料粉磨、熟料煅燒、水泥制備及包裝(散裝)發送等生產環節。目前,水泥生產主要工藝環節大多采用了立磨、輥壓機等高效粉磨技術和預分解窯熟料燃燒技術。按生產噸水泥計,生料粉磨、熟料燒成及水泥制備的電耗分別為36KWh、22 KWh和38 KWh,而生產噸水泥總電耗約為90 KWh。水泥熟料煅燒是將煤粉噴入到回轉窯和分解爐中進行燃燒。研究分析表明,按生產噸熟料計,熟料煅燒的理論熱耗約為59千克標準煤,而由預熱器排出煙氣帶出的熱量、由出回轉窯熟料帶出的熱量及由窯爐筒體表面散發的熱量則分別約為22千克標準煤、17千克標準煤和7千克標準煤,小計約為46千克標準煤,接近水泥熟料煅燒煤耗的一半。水泥熟料生產配料是石灰質原料為主,生料典型的配比中石灰石約為85%,煅燒的水泥熟料中3CaO ?SiO2約為65%,2CaO ?SiO2約為20%,即硅酸鹽相約占85%,而水泥中水泥熟料的摻量約為65%。

          根據電力消耗排放因子0.8kg/kWh,標準煤消耗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。粗略計算,噸水泥生產產生的電力消耗間接CO2排放量為77.6kg,燃煤消耗直接CO2排放為171.8kg,石灰石消耗過程CO2排放為391.1kg,噸水泥生產CO2總排放量約為640kg。由此也可以粗略算出:我國水泥工業近一兩年碳達峰時,產生的CO2排放約為15.7億噸,到2060年碳中和時,產生的CO2排放約為8.5億噸??梢?,水泥工業的碳中和需要付出巨大的努力,更需要重大革命性的科學技術支撐。

          事實上,長期以來,水泥生產節能減排受到普遍重視,窯爐余熱發電技術也得到普遍應用。噸水泥熟料發電量可高達45kWh,即可補償噸水泥生產電耗的約三分之一;提高余熱發電效率,采用超低溫煙氣余熱發電,可以進一步增加余熱發電量。另一方面,清潔電能的利用也將會占有更大的比例。例如,1萬平方米面積的光伏發電約為1.5兆瓦/年。水泥生產企業包括礦山用地可達百萬平方米,采用光伏發電也可達到150兆瓦/年,相當于5000t/d水泥生產企業全年用電量的約67%。國外還早有報道,水泥生產企業直接采用風力發電;目前,單臺風機發電功率約為150kWh,20臺套風力發電機組可以基本滿足生產線的電力供給??梢?,近期清潔電能的應用完全可以滿足水泥生產的電力消耗。

          使用碳中性的替代燃料可代替煤炭用于水泥熟料的煅燒。例如,農作物秸稈熱值可達13000kJ/kg,相當于標準煤單位熱值的44%。目前,歐洲一些水泥生產企業的替代燃料率已達95%以上,我國水泥生產替代燃料率不到2%,仍有很大的發展空間,預計到2030年,替代燃料率可達10%,屆時噸水泥CO2排放量可減少26千克。

          水泥熟料煅燒及煤炭燃燒產生的煙氣量約為1800m3/t,煙氣中CO2濃度平均約為23%。為提高煙氣中CO2濃度,滿足后續的利用或處理要求,歐洲水泥研究院等機構提出了全氧燃燒的技術方案,即采用氧氣全部代替空氣助燃,并將煙氣循環,可使排放煙氣中CO2達到80%,歐洲數家水泥企業正在嘗試進行工程應用研究。更具挑戰性的是,行業專家提出了采用綠氫直接燒制水泥熟料的工藝技術方案,這不僅可以使排放煙氣中CO2達到95%以上,而且可以減少噸水泥生產CO2排放量約27%。綠氫的發展已成為國家能源革命的重要方向。目前,綠氫直燃技術正進行初步的小型試驗。

          水泥熟料生產會產生大量的過程CO2排放,即是由于原料中石灰石分解釋放出CO2,這是水泥工業區別于其他工業部門碳排放的一個特點和難點。如何減少水泥生料中石灰石的配比,或是減少水泥熟料中總CaO含量,或是減少高鈣硅酸鹽礦物的含量,國內外都有大量的研究報道,國家科技部也多次立項支持相關的研究,但由于種種原因,研究工作進展不顯著。低鈣水泥的研究應突破傳統水泥熟料體系的窠臼,同時也應與特種水泥有區別;應尋找新的四元或五元硅酸鹽類水泥新體系,在現有水泥生產工藝裝備條件下,在滿足建筑工程質量要求的同時,實現低碳水泥發展的真正創新。

          碳達峰、碳中和是一場深刻的能源革命和工業革命,水泥行業應是關注各學科的理論研究成果和各交叉技術的發展和應用,研究清潔能源開發對水泥生產帶來的影響和變革,同時更要做好過程CO2減排及低碳水泥的研究和發展工作。正如科技部部長王志剛在此次香山科學會議總結發言中指出的:碳達峰、碳中和是黨的大事、國家的大事、也是科技界的大事。水泥行業的科研人員,尤其是青年科研人員,一定要投入到這場重大的變革中,研究水泥工業流程再造的前沿和顛覆性技術,肩負起水泥工業零碳流程再造的重任,為我國水泥工業及經濟社會的可持續發展,為全球應對氣候變化作出較大貢獻。


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