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　　原标题：发挥科技创新对实现水泥工业节能减排的关键支撑作用——访中国科学院工程热物理研究所研究团队

　　工业和信息化部、国家发展改革委、生态环境部8月1日联合印发《工业领域碳达峰实施方案》（以下简称《方案》）。《方案》要求，到2025年，规模以上工业单位增加值能耗较2020年下降13.5%。

　　8月18日，为充分发挥科技创新对实现碳达峰碳中和目标的关键支撑作用，科技部等九部门联合发布《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》（以下简称实施方案），统筹提出支撑2030年前实现碳达峰目标的科技创新行动和保障举措，并为2060年前实现碳中和目标做好技术研发储备。

　　水泥制造业是建材工业中的能耗和碳排放大户。水泥产品能耗约2亿吨标准煤，占建材工业能耗60%左右、全国总能耗5%左右。2020年，水泥行业碳排放总量约13.75亿吨，占全国碳排放总量的13.5%左右，亟待向低碳、绿色、环保转型。

　　怎样发挥好科技创新的支撑，为水泥工业绿色低碳节能转型贡献力量？本报近日采访了中国科学院工程热物理研究所的研究团队。

　　中科院工程热物理研究所循环流化床实验室研究员、博士生导师蔡军表示，2021年10月11日发布并将于今年11月1日正式实施的GB 16780—2021《水泥单位产品能源消耗限额》标准，将熟料综合能耗分成了：3级（即能耗限定值）指标确定为≤117kgce/（t熟料）；2级≤107kgce/（t熟料）；1级≤100kgce/（t熟料）。水泥单位产品综合能耗也分为：1级≤80；1级≤87；1级≤94。

　　蔡军认为，到2025年，3年时间里水泥单位增加值能耗较2020年下降13.5%，国家对水泥工业的这个要求要实现还是很有难度的。他的理由有四点。

　　首先，随着我国水泥工业的快速发展及国家对节能降耗的重视，水泥单位产品综合能耗逐年下降，已经处在相对较低水平。在此基础上再去降低13.5%，会有一定的难度。

　　其次，水泥生产工艺流程比较复杂，涉及的生产环节众多（耗电、耗煤），要实现各环节全流程最优参数的匹配，非常困难。

　　再次，我国水泥生产规模庞大，大大小小1700多条水泥熟料生产线，分布在不同地域，各水泥熟料生产线的原燃料特性差别很大，工艺方案也不尽相同。节能降耗、减碳改造方案要求具有针对性，需要较长的时间调研、设计和实施。

　　最后，目前从事水泥相关基础研究和关键技术研究的人较少，技术储备太少，缺乏变革性技术去支撑水泥工业生产工艺能耗的大幅降低。

　　中国科学院工程热物理研究所高级工程师杨华伟补充道，中国建筑材料联合会近年来推出的第二代新型干法水泥工艺，全面推进水泥行业技术升级改造。从设计优化、工艺改革、自主创新、装备提升、低碳技术开发、节能减排等方面进行攻关，全面提升新型干法水泥生产线的产品制造、协同处置废弃物、综合利用资源和减少二氧化碳排放等绿色产业功能，使我国第二代新型干法水泥技术达到世界先进水平。如果加大第二代新型干法水泥技术取代第一代新型干法水泥技术的比例，将助力我国水泥工业的节能减排。因此，他认为，3年时间里水泥单位增加值能耗较2020年下降13.5%虽然有难度，但并不是不可实现。

　　不过，蔡军同时指出，水泥行业是高减排难度的主要工业行业之一，其原因在于：受水泥熟料生产工艺影响，除了化石燃料燃烧产生的碳排放以外（约占1/3），其余大部分的碳排放（约占2/3）来自碳酸钙分解（工艺碳排放）。但国家既然提出了碳达峰碳中和目标和要求，对水泥工业而言已经箭在弦上、不得不发，我们必须加大科技攻关力度，集全社会的力量为水泥工业的节能减排作出努力。

　　水泥行业目前最大的挑战依然是产能严重过剩。随着城市化进程放缓及基础建设的逐步完善，水泥需求也进入下降通道。水泥产量2021年出现下降。

　　2022年上半年的数据显示，全国水泥产量创11年来新低，同比下降15%。受下游市场需求疲软的影响，2022全年水泥产量极大可能继续下降。

　　鉴于产量是影响水泥行业碳排放的关键，结合行业供需分析及产量预测，可以初步判断水泥的产量和碳排放很有可能已经达峰，“十四五”期间反弹的可能性不大。

　　除了需求下降外，水泥工业节能减排还需要深度调整产业结构、大力发展循环经济、创新发展节能减排技术。

　　目前国家对水泥工业实行产能减量置换政策，严控增量、优化存量，建立以区域环境质量改善和碳达峰目标为导向的产业准入及退出清单制度。通过产能减量置换政策，压减水泥低效产能是我国水泥工业提前现实碳达峰的关键。

　　蔡军强调，水泥工业需要坚定贯彻国家减量置换政策，淘汰落后低效产能，与科研院所一道加大对新型低碳、节能减排技术的研发力度，助力企业低碳绿色转型。

　　蔡军介绍道，低效产能压减、能效提升、原燃料替代、发展低碳胶凝材料、变革性低碳水泥技术与碳捕捉技术的加速推动、新能源综合利用是我国水泥行业节能减排的重要抓手。

　　通过提升工艺技术水平，降低水泥单位能耗。在产能减量置换的同时，在生产线级预热器、两档短窑、新型保温内衬、辊压机终粉磨、富氧燃烧等节能技术及智能化的手段能降低水泥单位能耗。

　　使用替代燃料，直接有效降低化石能源消耗及碳排放。使用垃圾、生物质等可燃废弃物，减少煤炭等传统化石燃料的消耗。数据显示，如果在水泥生产中使用40%的替代燃料，则每生产100万吨熟料将少排放约10万吨二氧化碳。

　　目前，欧洲发达国家已有超过2/3的水泥厂使用替代燃料，欧盟水泥工业平均替代率达39%，有比较完善的替代燃料加工产业链，并对替代燃料制备建立了非常完善的控制体系。但目前我国燃料替代仍处于研发和示范阶段，整体替代率偏低，不足2%，推广应用仍有巨大的空间。

　　使用钙质替代原料，包括采用电石渣、钢渣、矿渣等富钙废弃物，替代石灰石作为水泥生产用原料，能够节约大量的天然矿产资源，因此采用工业固体废弃物作为替代原料是水泥降低二氧化碳排放的重要手段之一，同时实现工业协同处置工业固废，并减少天然矿物消耗。

　　我国水泥年产量约24亿吨，每生产1吨水泥熟料需要消耗约1.3吨的石灰质原料。原料替代面临的问题是，富钙废弃物的可利用量难以满足水泥生产需求。

　　发展低碳胶凝材料，降低水泥熟料的用量。低碳胶凝材料主要有低钙水泥、低熟料水泥及碱激发胶凝材料等。相比传统硅酸盐水泥，低碳胶凝材料二氧化碳排放大大降低，以高贝利特水泥和硫铝酸盐水泥为代表的低碳水泥，二氧化碳排放相比普通硅酸盐水泥降低25%～35%。碱激发材料二氧化碳排放更是可以降低高达80%，且能消纳大量工业固废（粉煤灰、矿渣等）。

　　研发变革性的低碳熟料烧成技术。水泥熟料的烧成能耗占水泥生产总能耗的80%以上，而现有的水泥熟料烧成工艺——回转窑堆积式煅烧，决定了水泥工业是一个高耗能行业，若能研发出更高效的煅烧方式，发展变革性的烧成技术，将极大提升换热效率，从而大幅降低水泥熟料的烧成热耗。

　　研发碳捕集、利用与封存技术。国内碳捕集、利用与封存技术尚处于工业示范阶段，面临技术成熟度不足、经济成本高的问题。但随着技术的发展及关键技术的攻克，研发碳捕集、利用与封存技术将成为水泥工业实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑技术。

　　蔡军表示，我国水泥工业不能运动式节能减碳，而应该用科技创新和先进技术手段做支撑，来实现“双碳”目标。

　　近年来，中国科学院工程热物理研究所针对“双碳”目标下煤炭清洁高效利用的问题开展持续攻关，提出基于物质与能量双重属性的煤和煤基固废利用整体思路，完成了气化飞灰焚烧发电技术的工业应用、熔融处置的中试研究，并开展煤炭“纯化－燃烧”近零排放基础研究，为“双碳”目标下煤炭清洁高效利用探索一条新路。

　　依托中科院“煤炭清洁燃烧与低碳利用”先导专项，中科院工程热物理研究所循环流化床团队提出了适用于水泥窑炉的煤粉活化高效燃烧的创新思路，着力突破煤粉活化、活化燃料窑内高效燃烧火焰调控、低氮高效燃烧器设计等关键技术，通过革新入窑燃料的燃烧方式，同时融合回转窑烧成带高效燃烧技术，解决制约水泥窑炉热效率提升的关键科学与技术问题。该技术经工业验证，还可用于贫煤、无烟煤等难燃煤种及煤矸石等煤基固废的活化处理，显著提高燃料反应活性，提高水泥生产的燃料适应性，扩大替代燃料使用范围。

　　此外，依托中科院“变革性洁净能源关键技术与示范”先导专项，中科院工程热物理研究所循环流化床团队进行了循环床低碳水泥熟料烧成技术的研发和攻关，打通了1.5t/d循环床水泥熟料烧成工艺，实现了生料分解、CS煅烧、CS低温烧成。目前，研究团队正在开展10t/d烧成中试研究，若能实现工业应用，有望将水泥熟料烧成能耗降低20%以上。

　　相关专家表示，鉴于水泥行业节能减排技术选项少，且成熟技术（如替代燃料）和新兴技术（如CCS）之间过渡难度大，因此水泥行业的碳减排路径亟需强有力的政策支持。只有政府、协会、研究机构、企业等真正统一认识，明确技术的发展方向，加强对于新兴技术的定向研发和财务激励，吸引更多资本的关注和支持，才能帮助水泥这一传统行业焕发新的生机和活力，支持我国碳中和进程行稳致远。