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丁美荣:水泥行业碳排放现状分析与减排关键路径探讨

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2020年,我国水泥产量23.77亿吨(湖南1.103亿吨),约占全球55%,排放CO2约14.66亿吨,约占全国碳排放总量14.3%。吨水泥、吨水泥熟料CO2排放量分别约为616.6kg、865.8...

2020年,我国水泥产量23.77亿吨(湖南1.103亿吨),约占全球55%,排放CO2约14.66亿吨,约占全国碳排放总量14.3%。吨水泥、吨水泥熟料CO2排放量分别约为616.6kg、865.8kg(有关测算与分析见下文)。水泥行业面临的减排压力非常严峻,任务非常艰巨。水泥等行业即将纳入全国碳排放权交易,将对我国水泥工业及其运行产生重大而深远影响。

目前我国水泥企业全部采用了新型干法生产技术,整体处于国际先进水平。分析单位水泥碳排放的构成与减排潜力,生产1吨水泥过程中,其中生料煅烧石灰石分解CO2约376.7kg,熟料耗煤排放CO2约193kg,综合耗电(扣除余热发电)折算碳排放约46.9kg。水泥是由水泥熟料掺加矿渣、粉煤灰、石灰石等混合材与少量石膏混合粉磨制成,熟料生产过程中碳排放约占水泥碳排放的92%左右(大量文献误引用为60%至75%)。

根据行业现状和以上分析,水泥行业通过现有节能及替代石灰石原料技术(因耗量巨大且替代资源很有限)减碳空间有限。大概率预计,未来5年关键窗口期, 单位水泥碳排放平均降幅要达到5%,须付出巨大努力。2030年至2035年难以实现相关国际机构拟定的目标“520kgCO2/吨至524 kgCO2/吨水泥”,至于水泥工业实现碳中和与CSI等拟定的“单位水泥减碳百分之四十”的目标,则期待颠覆性技术出现。

由于水泥产品及生产原料、工艺特点和巨大的消耗量,碳减排的难度极大,时间与任务非常紧迫。业内探讨通过节能技术减碳的文献、综述较多。本文结合水泥及混凝土工业发展方向和我国国情,探讨并总结提岀了水泥行业重点减排路径是:“科学高效应利用水泥,调整水泥产品结构;加强顶层设计,完善生产者、消费者碳排放责任核算方法和各类责任分摊法等政策”。

国际能源机构IEA和CSI提出了水泥发展最重要的方向是由生产普通波特兰水泥转向生产混合水泥,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数在0.5以下。为降低单位水泥碳排放,提高建筑物耐久性与经济社会效益,重点推广低熟料用量的商品混凝土专用混合水泥和“较高C2S、适中C3S、低C3A熟料”制备的通用水泥。笔者认为:按照上述减排路径及配套制定有关政策,其减排效果远远超过节能技术及挖潜措施。

一、科学高效利用水泥 通过法规推进减少高碳产品消费量

国家已提出限制粗纲产量,预计政府将出台限制(削减)水泥熟料量或高碳产品受让碳指标的措施。如中国水泥协会秘书长孔祥忠预测:“企业不要乐观地认为可以通过购买碳指标增加产量,未来可供交易的指标有限,碳价格到时可能会超过水泥价格。对于产能严重过剩的水泥行业,要么减产,要么改造,要么退出,这是大趋势” 。

比尔盖茨曾表示,中国3年的水泥消费量相当于19世纪水泥发明以来美国历年的消费总量,这是最让人惊叹的统计数字,美国也建了胡佛大坝、大桥、高速公路等大工程。我国人口众多,仍然是发展中国家。但近十几年来,我国人均收入远低于发达国家,但人均年水泥消费量约达1.67吨,远远超过欧洲、美国、日本等发达国家高速发展时期人均年耗0.70吨左右的水平。由此也可分析预测,我国未来人均水泥需求量会有很大幅度下降。

造成我国水泥消费量过高的主要原因:浪费与过度消费十分严重,使用水泥不科学;规划及长远观念淡薄、住房及公路等工程设计与实际寿命短(城市上世纪80年代以前的住房基本要拆除重建,农村住房十几年即拆除重建现象很普遍,公路等设施翻建及维修量大),以及机制体制与传统习惯势力等问题。

我国房屋及基础设施建设、固定资产投资、终端能源消费等所承担的碳排放责任超过总量的80%。科学合理的碳排放责任评价方法辅以针对性的减碳政策,可以建立正确的价值导向,有效促进各方采取减碳行动;同时也有利于各利益相关方接受并承担自身相应的减排义务。因此,通过高效科学应用水泥与制订有关法规推动,建筑领域实现大幅度减少碳排放总量的潜力很大,并将有力推进水泥等行业碳减排总量。

建议加强顶层设计,尽快制定与完善建筑工程应用主体(消费侧)碳排放责任核算与控制方法等政策,并按行业及产品制定实施细则。以强化消费者对其消费行为负责,其减碳行动主要是调整消费结构,减少高碳产品的消费量、过度消费与浪费。此外,还需要通过优化、细化工程管理,强化控制与责任,促使水泥熟料用量下降。

发展低碳建筑与推广高性能砼、大掺量应用混合材三者方向一致、相辅相成。为科学合理高效应用水泥,减少单位投资(建、构筑物面积)水泥熟料使用量,提高水泥产品使用效率。应加快修订工程设计、施工、应用技术标准规范等,提升低碳建筑标准及加大推广应用少熟料胶凝材料的力度,并制定配套政策措施。

二、适应现代混凝土技术与低碳要求 调整水泥产品结构

两年内,一旦国家给水泥企业下达了碳排放配额,即对水泥行业锁定了排放总量。各企业在碳排放指标的约束性下,如何运作碳资产与用好碳配额,如何提高单位产品效益与降低碳排放,是水泥企业急需思考的问题,应对思路与措施概括如下:

推广低熟料用量的商品混凝土、农村建房现场拌制砼和砂浆专用混合水泥,开发推广“较高C2S、适中C3S、低 C3A矿物”组成的熟料及其制备的通用水泥,尽可能满足低水胶比、长龄期强度高和低水化热等要求,以利于改善砼开裂与耐久性,提高建筑物寿命,又有利于碳减排。转变观念,以推行团标及领跑者企标作为切入口,提高产品适用性, 扩大差异化产品市场。以上方案措施也是碳减排关键路径之一,也可以说是今后通用水泥产品结构调整方向与指导思想。

减少熟料用量与用混合材替代部分熟料是水泥混凝土工业发展趋势,也是提高建筑物寿命和水泥混凝土工业健康及低碳发展的必然选择。水泥是半成品,只能用于配制混凝土。清华大学教授阎培渝在《对中国水泥产品结构调整的一点看法》中指出:“大多数欧洲国家预拌混凝土强度等级大多在C15至C35 之间。有关高管对国际水泥标准与水泥使用及混凝土行业了解非常有限。现在混凝土对工作性能要求很高, 要求浆体含量高,用水量较低,目前国内使用量最大的C30混凝土中水泥熟料用量仅为150kg/m3左右,熟料系数在0.5以下,不同强度的水泥很容易通过调整砼配比来制备不同标号的砼”。目前国内砼早期开裂、强度倒缩等导致耐久性差的问题非常普遍, 造成了巨大的经济损失与碳排放增加。其主要原因之一恰恰是更多地与使用普通水泥等早强高强水泥有关,也是导致砼工程质量问题、纠纷越来越多越严重的主要因素。清华大学教授廉慧珍极力主张掺合料由水泥厂掺加,以有利于工程质量,搅拌站掺加掺和料有很多弊端。笔者在《混凝土》《中国水泥》等刊发了数篇专文对上述问题进行了分析探讨。

我国水泥中熟料系数为0.678, 若降到0.55,以出厂水泥计,碳排放可减少18%,极有利于水泥企业合理利用碳配额资源。

三、水泥工业碳排放现状、核算与碳达峰时间预测

1、吨水泥、吨水泥熟料CO2排放量的核算

有关参数与取值:标准煤排放因子2.66,电力消耗排放因子0.853;煅烧1吨石灰石排放CO2为440kg(排放因子0.44);生料中石灰石配比82%,生熟料折算系数1.54;国内吨熟料耗标煤平均值取107kg,干法线配有余热发电装置,吨熟料综合电耗(扣除余热发电)平均值取30kWh,吨水泥综合电耗(扣除余热发电)平均值取55kWh。

2020年,我国水泥中熟料用量平均占比=水泥产量/熟料消耗

=23.77/(15.79+进口熟料0.33)=0.678;

生产1吨熟料CO2排放量:

1000*0.82*1.54*0.44+107*2.66+30*0.853=865.8kg

生产1吨水泥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,我国水泥行业CO2排放总量约23.77*0.6166=14.66亿吨,其中湖南水泥产量1.103亿,CO2排放1.103*0.6166=6800万吨。

2、水泥工业碳达峰时间与消费总量预测

2020年,中国水泥产量23.77亿吨,占全球 57%。从2011年至2019年,年产量分别为20.6、21.8、24.1、24.76、23.5、24.03、23.2、21.77、23.3亿吨,年水泥消费量均超过20亿吨。

欧洲、美国、日本、韩国等发达国家水泥消费高位平台期是七八年,几乎是相同规律,拐点之后总需求呈现大幅度下降。目前发达国家水泥产销量约为高峰期的一半, 甚至略为超过高峰期消费量的三分之一。2020年,我国熟料产量15.79亿吨,进口熟料3337万吨, 熟料消费总量超过16亿吨,创下历史新高。

今年湖南省水泥市场需求明显疲软,加上下雨天多,5月份水泥企业用电量大幅下降,环比下降9.2%、同比下降5.5%。笔者综合分析认为:从2011年起,我国水泥消费总需求处于高位平台期已达10年。预计将很快步入平台期末端,从2022年开始,我国水泥产销量及熟料消耗量将步入下降通道,3年后可能会有较大幅度下降。若下降到发达国家高峰时期人均年消费0.70吨的水平,我国水泥产销量约为10亿吨。

笔者预测我国水泥工业碳达峰将在两年内实现。(作者丁美荣系湖南省工信厅原材料处二级调研员、湖南省硅酸盐学会副理事长)


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