2023中国水泥行业碳中和路径研究.docx

中国水泥行业碳中和路径研究2023目录1 .中国水泥行业发展现状11.1. 产量进入高位平台期11.2. 消费集中在房地产和基础设施建设领域11.3. 熟料进口量小幅波动21.4. 熟料产能过剩局面仍未改变31.5. 技术装备水平短期内不具备跨越式发展可能42 .水泥行业碳排放现状42.1. 工艺过程CCh排放（E过程）42.2. 燃料燃烧C02排放（E燃烧）52.3. 电力消耗间接CO2排放（Eiw）52.4. 原材料及产品运输Co2排放62.5. 单位水泥熟料C02排放总量（碳排放强度E小）62.6. 2007年-2022年中国水泥行业碳排放分析63 .水泥行业碳中和路径及关键减碳技术74 .1.碳中和愿景下熟料与水泥需求94.1.1. 水泥熟料消费关联因素趋势分析101）经济发展形势预测102）产业结构形势分析103）人口及城镇化发展形势104）固定资产投资趋势114.1.2. 水泥熟料与水泥消费量预测结果115 .2.燃料替代情景125.1.1. 固体废物燃料125.1.2. 生物质燃料145.1.3. 其他新型燃料145.1.4. 燃料替代情景下的碳减排效果1433能效提升情景163.4. 低¾水泥情景183.5. CCUS技术情景203.5.1. 国内外发展现状203.5.2. CeUS政策导向233.5.3. 实现碳中和目标过程中CCUS作用263.5.4. CCUS技术应用预测273.6. 碳中和创新技术293.6.1. 外燃式旋窑碳捕集技术303.6.2. 悬浮煨烧技术313.6.3. 全氧燃烧技术313.6.4. 跨行业联合创新颠覆性新技术313.7. 水泥行业碳中和技术路径324.政策建议344.1. 压减水泥低效、高排放产能344.2. 促进循环经济，实现固体废物燃料的大规模生产和应用354.3. 注重高质量发展，将效率提升做到极致354.4. 加大水泥行业CCUS技术研发投入354.5. 推动行业实施碳排放强度控制及碳排放权交易364.6. 强有力的政策支持和财务激励361. 中国水泥行业发展现状1.1. 产量进入高位平台期自1985年以来，我国水泥产量已连续38年稳居世界第一，目前产量约占世界水泥总产量的55%左右。2014年我国水泥产量达到阶段性高点24.8亿吨，2015年-2022年，全国水泥产量基本在22-24亿吨波动。但是，由于近年水泥产品结构变化，高标号水泥使用比例增长，在水泥消费量进入平台期的同时.，水泥熟料消费量仍有小幅增加。受疫情和市场因素影响，2022年全国水泥产量21.18亿吨，降至近十年以来的最低值，创下自1969年以来最大降幅，同比降幅首次达到两位数水平。但是人均水泥消费量约1500千克，依然远高于发达国家人均220500千克的水泥消费峰值。求/遗载姗忙w数据来源：国家统计局图12003-2022年中国水泥产量及增速情况(20年)1.2. 消费集中在房地产和基础设施建设领域水泥应用领域几乎涉及20个国民经济行业门类，房地产(40-45%)和基础设施建设(35-40%)是水泥消费的最重要领域。其中，房地产投资与水泥消费呈正相关关系，其对水泥消费的影响更加直接，甚至成为部分地区影响水泥消费需求的主导因素。农村建设及其图2水泥消费需求构成1.3. 熟料进口量小幅波动中国是水泥生产与消费大国，水泥熟料的进出口量小幅波动，存在不确定性，目前总量较小，对碳排放影响有限。2017年以前，我国一直是水泥出口远高于进口的国家，进口量一直保持在300万吨以下。自2018年以来，水泥行业实施“错峰生产”、“停窑限产”等政策措施，造成了水泥区域性、阶段性短缺和价格高位运行，为水泥产能过剩的东南亚国家向中国出口水泥创造了契机。2018年，对于中国水泥贸易是个特殊的年份，作为全球最大的水泥需求市场，中国从水泥出口远高于进口的国家，转变为一个水泥进口国。2018年进口总量为1363万吨，高于出口总量459万吨。2020年水泥熟料进口规模达到历史最高峰，约占全国水泥熟料消费量的2.1%o越南是我国水泥熟料进口数量最多的国家，2021年占比最高达80.65%o进入2022年，我国水泥熟料价格持续下行，叠加海运费的大幅提高，以及主要进口来源国越南等地，以美元结算导致双向挤压，进口熟料已经无利润空间。根据海关总署统计，2022年我国进口水泥熟料总量为838.48万吨，同比下降69.75%o35.O3000.02500.02000.01500.01000.0).()5()0.0il2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年熟料进口熟料出口图32015年-2022年中国水泥熟料进出口规模变化l()(X).()S(X).()600.0400.0200.0).()Btei2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年水泥进口水泥出口图42015年-2022年中国水泥进出口规模变化1.4. 熟料产能过剩局面仍未改变截止到2022年底，全国新型干法水泥生产线累计共有1572条（注：剔除已关停和拆除生产线，不包括日产700吨以下规模生产线），设计熟料年产能18.4亿吨，实际熟料年产能超过20亿吨。从数据来看，新型干法熟料设计产能较2021年略有下降，但总量依旧处于高位。水泥熟料产能利用率的区域差异较大，2022年熟料产能利用率61%,创近年来新低，其中华东、中南、西南地区产能利用率在80%左右，而西北、华北、东北不足50%,产能过剩局面依然没有改变。产能利用率/%55502010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年数据来源：中国水泥协会信息研究中心图52010年-2022年全国水泥熟料产能利用率15技术装备水平短期内不具备跨越式发展可能水泥生产技术自1824年诞生以来，历经多次变革。从最初的间歇作业的土立窑到1885年的回转窑；从1930年德国的立波尔窑到1950年联邦德国洪堡公司的悬浮预热器窑；到1971年日本在悬浮预热技术的基础上研究成功窑外分解新型干法窑。随着新型干法水泥技术的出现，彻底改变了生产技术格局和发展进程。目前，中国水泥行业生产线近100%采用新型干法水泥生产技术和装备，在规模、技术装备水平上已达国际先进水平，短期内再次实现跨越式发展的可能性不大。2. 水泥行业碳排放现状水泥生产过程排放的温室气体主要涉及CO2,分为直接排放和间接排放，直接排放集中在窑系统，包括能源活动排放（煤炭燃烧）和工艺过程排放（碳酸盐分解），间接排放主要是电力消耗，此外还有少量原材料及产品运输引起的CCh排放。2.1. 工艺过程CC>2排放（E过程）工艺过程的二氧化碳排放强度取决于原料类型及水泥品种。生产中所用原材料可分为石灰质原料、粘土质原料、辅助原料三类。考虑到可比性，本研究以熟料产量为基准计算过程碳排放。凡是以CaCo3为主要成分的原料称为石灰质原料，如石灰石、石灰质泥灰岩、白垩。在熟料煨烧过程中，石灰质原料受热分解，生成CaO放出CO20石灰质原料是水泥熟料中CaO的主要来源，是水泥生产中使用最多的一种原料，在生料配比中约占80%,生产1吨熟料约需1.31.5吨石灰质原料。石灰石中伴生的白云石是熟料中Mgo的主要来源。以石灰石为主要原料的硅酸盐水泥熟料中CaO含量约为60-70%,碳酸盐分解公式如下：CaCO3=CaO+CO2MgCO3=MgO÷CO2据此计算碳酸盐分解时获得1吨CaO同时产生0.786吨CO2,因此每吨熟料排放C20472-0.551吨；MgO含量在1.5%3%区间居多，碳酸盐分解时获得1吨MgO同时产生1.1吨CO2，因此每吨熟料排放CO20.016-0.032吨。由此可以看出，以石灰石为主要原料生产1吨硅酸盐水泥熟料，CO2工艺过程排放量约为0.488-0.583吨。2.2. 燃料燃烧CO2排放（E燃烧）目前我国水泥生产用燃料以煤为主，少量柴油用于回转窑启动时的点火，其CO2排放基本可以忽略。如果以燃烧1吨原煤排放1.93吨CO2,每吨熟料煤耗以150-164公斤原煤估算，生产1吨熟料燃料燃烧排放Co2约为0.290-0.317吨。2.3. 电力消耗间接CCh排放（E间接）水泥生产过程电力消耗造成的CO2排放强度取决于企业自身电力消耗水平和电网的CO2排放因子。2021年12月，生态环境部办公厅发布的企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施（2021年修订版）首次对全国电网平均排放因子进行了更新，由0.6101tCO2MWh（2015年度值）调整为0.5839tC2/MWh,下降约4.3%；在2022年11月的征求意见稿中给出来最新的全国电网平均排放因子0.581OtCO2/MWh。这代表着我国风光等可再生电力的飞速发展以及火电机组单位供电标准煤耗持续下降。水泥熟料综合电耗按照GB16780标准各阶段现有企业限值进行计算（2012年以前为68kWht,2013-2020年为64kWht,2020年以后为61kWht）,电力CO2排放因子采用国家发布的全国电网二氧化碳排放因子，生产1吨水泥熟料电力消耗排放CCh0.035-0.042吨。2.4. 原材料及产品运输CO2排放原材料及成品运输产生的CO2排放取决于运输的距离和采用的运输工具。由于各企业情况不同，差距较大，同时相对前三项C02排放量较小，占总排放量不足1%,在此不作具体测试与计算。2.5. 单位水泥熟料CO2排放总量（碳排放强度反。2）每吨水泥熟料CO2排放总量为：E%&!=E诡+E惴+E须=（0.813-0.942）吨CO2/吨熟料。其中，工艺过程Co2排放、燃料燃烧CCh排放、电力消耗间接Co2排放占比情况如下图所示。石灰石«±砂岩外购电间接排放生料制备生料均化库国式冷却机35%能源活动排放粉煤仓煤磨回转窑水泥粉磨60%工程m放煤熟料库混合材水泥外购电间接排放(35%)直接排放熟料燃烧排放图6水泥行业碳排放环节示意图2.6. 2007年2022年中国水泥行业碳排放分析根据国家统计局及中国水泥协会的公开数据，2007年-2022年（15年）水泥和熟料产量及变化情况见下图。图 7 2007-2022 年(15 年)中国水泥与水泥熟料产量随着水泥熟料产量的增加，我国水泥行业二氧化碳排放量持续增长。2007-2011年排放量由8.24亿吨增加至12.83亿吨，年均增长13.55%,增长较快;2011-2014年二氧化碳排放量增速放缓，期间水泥产量增加较快，熟料产量增加缓慢，由此可见，熟料的产量直接影响水泥行业碳排放量；2015-2020年二氧化碳排放量呈缓慢上升趋势，到2020年达到13.79亿吨，“十三五”时期年均增长2.71%近两年全国水泥市场需求明显收缩，市场持续低迷叠加供给增加，以及煤炭、石灰石等原燃料价格大幅上涨推升成本，在量价齐跌、成本高涨的双向挤压背景下，伴随行业效益下滑，二氧化碳排放下降趋势也非常明显，根据项目组测算2022年二氧化碳排放量较2020年下降13.77%o5=0)IIM定岸 6。16.0014.()012.0010.008.006.004.002.000.00Iiiiiiiiiiiiiiii过程排放 燃料燃烧熟料间接排放 水泥间接排放图82007-2022年（15年）中国水泥行业二氧化碳排放情况3. 水泥行业碳中和路径及关键减碳技术由行业碳排放全过程分析可知，熟料煨烧环节的碳排放占比95%以上,主要来自碳酸盐原料在煨烧过程中分解产生的CO2（过程排放）以及化石燃料燃烧（燃烧排放）（见图6）0结合行业碳排放总量测算可知，熟料消费量变化是引起水泥行业碳排放总量变化的最大影响因素，除此之外，水泥行业减少碳排放主要的技术路径包括：1）现有工艺设备的极致能效提升；2）基于原料替代的低碳水泥技术；3）针对煨烧环节燃煤排放问题的燃料替代；以及4）针对末端处置的碳捕集、利用与封存（CCUS）。根据水泥行业现状、技术发展前景和市场准备等条件，这四类技术发挥主力作用的时期有所不同，近期减排技术寄望于现有工艺设备极致能效提升改造，中远期技术突破寄希望于原/燃料替代和CCUS技术。消费量降低固体废物燃料水泥品种改变绿电图9水泥行业碳减排策略框架考虑到水泥行业是能源密集型高耗能工业行业，本研究采用基于情景分析方法的模型，结合技术发展预测水泥行业碳中和路径。为了建立能源消费需求模型，分析了水泥生产过程涉及的近80个独立和连续过程，使用涉及的重型机械和设备，以及热量和能源。分部门能源需求和模型如下图所示。由力rnt>破碎W;生料粉磨电力（磨机、风>窑余热生料制备燃料供热>电力（窑、风机、治理设备）燃料供热>电力（风机、动力和熟料破碎）区预分解局温煨烧熟料冷却熟料懒烧电力（磨机、风>由力（句拈）、水泥粉磨包装调度水泥制备图10水泥生产各部门能源需求模型中能源消费量需求模型构建如下图所示。能源载体图11能源消费量需求模型水泥行业产量需求采用多因素拟合分析模型进行预测，并作为比较的基础,将产量变化设为参考情景，预测能效提升技术情景、低碳水泥技术情景、燃料替代情景下，水泥行业2021-2060年的碳排放量。3.1. 碳中和愿景下熟料与水泥需求基于中国水泥行业碳排放的特点，预测水泥及熟料产量是对水泥行业的碳中和路径进行分析的基础和关键。本研究采用多因素拟合分析法预测水泥行业熟料需求量，根据预测的熟料系数得出相应水泥需求量。经济发展模式和结构变化对水泥产品需求会产生很大影响，主要的影响因素包括：城镇化率、人均GDP、固定资产形成总额、三次产业结构、固定资产投资结构等。分析水泥熟料消费与上述影响因素的相关关系，以发达国家和地区水泥消费典型特征为借鉴，采用AHP法确定各因素在预测水泥熟料消费量时的权重，建立多因素拟合分析模型，所建立的模型如下：(Y=CA/()=0.1(X*)+0.02(X+)+0.09f(X,)+0.1(X-)+0.69f(X(),)*式中：Y熟料消费量；An模型赋权；f(Xl):熟料消费量与城镇化率的关系；f(X2)：人均熟料消费量与人均GDP的关系；f(X3)：熟料消费量与固定资本形成总额的关系；f(X4)：熟料消费量与三次产业结构的多元线性关系；f(X5):熟料消费与投资结构的多元线性关系。3.1.1, 水泥熟料消费关联因素趋势分析1)经济发展形势预测结合国内外疫情防控和经济发展现状，参考国内外机构对国际和国内经济发展趋势的研究结论，2021-2030年GDP增速保持4.5%-5.5%的区间，2030-2040年、2040-2050年、2050-2060年经济潜在增长率中枢呈不同下降趋势，人均GDP在2050-2060年达到23.5-27.6万元区间。2)产业结构形势分析2020-2035年是产业结构调整升级快速推进的时期。预计“十四五”时期，传统产业尤其是传统工业加快技术改造和升级，先进制造业、高新技术产业的规模和水平持续提升，创新能力显著增强，第三产业比重继续呈稳步上升趋势，到2025年三次产业结构调整为7、38.2、54.8,到2060年调整为4、15、8k3)人口及城镇化发展形势综合有关机构研究，2022年中国人口会首次出现负增长，近期到2025年，我国人口将保持基本平稳态势，人口数量稳定在14.2亿左右，预期至2060年，中国人口总量将下降至11.7亿人。2020年，我国常住人口城镇化率达到64%,城镇化进程总体进入到后期阶段。当前至2035年，是我国城镇化由后期迈向成熟期关键阶段，城镇化仍是高质量发展的主要推力与标志。预期到2025年，我国常住人口城镇化率将达到68%左右，进入中级城市型社会；到2050年左右，达到80%左右的成熟阶段。4）固定资产投资趋势水泥消费预测研究中以固定资本形成总额指标表征固定资产投资状况。虽然受投资结构优化的影响，中国经济增长中的投资拉动因素趋于弱化，但固定资本形成总额上行的趋势将保持不变，且有动力保持中等增速。预测2030年和2050年，我国固定资本形成总额（2000年不变价）将分别达至J45.2和57.1万亿元。制造业、房地产和基础设施是固定资产投资的三大领域，其中房地产和基础设施投资与水泥消费量关联密切。在人口增长、经济发展、城市化进程、乡村振兴等政策因素推动下，“十四五”期间我国对新建房屋的刚性需求仍可支撑年均26亿平方米以上的建设规模，到2025年房地产投资占固定资产投资的比重为19.1%。“十四五”之后，随着国家住房保障体系的逐步完善和基本住房需求的饱和，预计2060年房地产投资的比重将下降至12.7%o未来基建领域投资仍将是稳定经济增长的重要举措之一，预计2025-2060年，我国基础设施投资占固定资产投资总额的比重将在38%-54%波动。3.1.2, 水泥熟料与水泥消费量预测结果预测结果显示，中国水泥熟料消费量在2020年已达到峰值，峰值为15.77亿吨，到2030、2050和2060年,水泥熟料需求量分别为11.93、6.38和4.19亿吨。水泥需求量由2020年的24亿吨，下降到2060年的5.7亿吨左右。30.00图12碳中和背景下熟料和水泥需求量预测3.2. 燃料替代情景我国水泥行业燃料以煤炭为主，生产过程约有35%的碳排放来自燃料燃烧。燃料替代既可以减少煤炭资源的消耗，为碳减排作出贡献，也可为固废、生物质等资源的高效利用提供新途径。使用低碳燃料替代化石燃料是水泥碳减排的重要技术路径，同时还可为水泥行业单一的燃料来源拓宽渠道，为企业带来更多绿色转型的选择。现阶段我国替代燃料普遍为粗加工，呈现高水分、低热值、成分不稳定的特点，无法实现规模化、大掺量、高值化利用，全行业燃料平均替代率不足2%,仅个别头部企业生产线的燃料替代率达到40%以上，而在欧盟等国替代率普遍已达到了39%以上，荷兰甚至达到了85%o水泥行业替代燃料的应用仍有很长的路要走。从目前在研发和应用的技术发展态势来看，中短期行业主要是使用固体废物燃料、生物质燃料等，中远期将有其他新型燃料如氢能、绿电等作为可选择的替代燃料。3.2.1, 固体废物燃料以固体废物作为替代燃料的技术方案基础较好。能作为水泥替代燃料的固体废物种类繁多，分类复杂，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（表1）o其中以城市固体废物来源最广，加工为RDF后能使燃料品质更稳定。表1水泥生产固体废弃物替代燃料性能汇总I类别发热量(MJkg)CO2排放SCMIF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（TDF）35.6减少增加减少30无低废电解池（SPD9.29减少未检测到未检测到8无低I落基ft研究所，中国水泥协会，加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路，2022类别发热量(MJkg)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城市固体废弃物（MSM）15.4减少增加增加30小高动物骨粉（MBM）14.47减少减少未检测到40小中干市政污泥（DSS）15.28减少增加不变5小高农作物（稻壳，麦秆）14-21减少减少减少20无低废塑料29-40减少增加增加-中中废油和废溶剂43-45减少未检测到减少-小低国际上，水泥大集团都实现了以固体废物燃料为主的较高燃料替代率（表2）O以欧盟为例，水泥的燃料替代率平均已接近40%,对我国发展水泥替代燃料具有极强借鉴意义。表2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Italcement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来源：IFC,IncreasingtheUseofAlternativeFuelsatCementPlants:InternationalBestPractice推广固体废物替代燃料在中国具有技术上的可行性和实际减排意义，但目前水泥生产的燃料替代率较低，相比国外40%以上比率（最高值可达85%）仍有较大提升空间。3.2.2. 生物质燃料使用生物质燃料替代传统化石燃料不需要对水泥窑进行大规模改造，与碳捕集技术能形成负碳技术组合，目前国内已有示范应用。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，充分证明生物质掺烧替代部分燃煤具有技术可行性。但生物质燃料在北方地区具有季节性，大量应用需要解决可获取性及收储和运输成本问题。此外，生物质燃料在多个行业中均具有适用性，双碳背景下未来生物质燃料的获得将极具竞争性。3.2.3. 其他新型燃料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，但目前仍处于研发和试点阶段。水泥窑利用氢能需要大幅改造现有水泥窑结构和充分的绿氢供给，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（1300°C1450C）,使用电力加热也需要全面改造现有窑炉结构。但不能排除未来新型能源和技术在生产低碳水泥中的潜力。3.2.4. 燃料替代情景下的碳减排效果燃料替代是更优先、更具成本效益的减排手段，据本研究测算，到2060年可推动行业约9.2%的碳减排。根据全球气候变化联盟预测，在全球范围内替代燃料（含氢能、生物质能和电加热等）的平均替代率将从目前的6%增加到2030年的22%,到2050年将会增加到43%o借鉴以上数据，结合我国国情，对可为水泥生产供热的主要燃料逐个分析，认为固体废物依然是最可行的煤炭替代燃料。煤炭：目前为逾95%的水泥生产供热，是现阶段石灰石煨烧使用的主要燃料源。随着环境政策压力加剧以及新技术的研发推广，熟料生产的燃料结构将不断改善，预计在2060年煤炭占水泥生产所使用燃料的份额在0-5%。生物质：目前为不足1%的水泥生产供热，被认为是无排放的清洁资源，并且搭配碳捕获技术可实现净负排放。但是中国生物质资源整体紧张，且多个行业均出现需求显著增长的可能，考虑到生物质供给端的不确定性，预计在2060年生物质将构成水泥生产所使用燃料的6-10%o固体废物：目前固体废物燃料替代率不足2%,但仍被认为是较好的潜在碳减排资源。一方面有机废弃物可作为燃料，另一方面无机固体废物可代替原料，减少石灰石的使用，从而进一步减少生产过程中的碳排放。同时，为落实双碳目标，固体废物利用相关利好政策不断推出，垃圾分类状况逐步改善，且供应量相对充足，对燃料替代率的提升将起到积极的作用。预计在2060年固体废物构成水泥生产所使用燃料的30-60%O新型燃料替代技术在未来20年会经历技术发展与初步商业化应用期。电力和氢能在水泥行业中的应用目前尚在早期研发阶段，己有水泥集团尝试利用氢能煨烧水泥、以及利用太阳能煨烧水泥。随着传统水泥窑设备寿命终结、基于氢及电力的新型水泥窑技术的发展以及绿氢、绿电的经济性显现，在远期（2050年之后）氢能与电力制水泥将占据更多份额，合计约可替代40-60%燃料。不同能源品种在水泥行业应用情况预测：0%0%0%0%0%0%0%0%0%0%0% 0987654321年 2() 2040煤固体废物燃料生物质燃料绿电氢能图13不同能源品种应用情况根据预测，2060年燃料替代技术路径情景下，单位熟料碳排放强度降低292kg；水泥行业整体二氧化碳排放量减少1.2亿吨。燃料替代5 0626020502020 O 1 8 6 4 2 O 2 。 。 。0. 穹7、般若矮ZOU图14清洁能源替代技术路径情景下碳减排量33能效提升情景我国目前水泥生产的能效水平参差不齐，部分已经位列国际前列。水泥熟料单位产品综合能耗在90136kgcet(2.64.0GJt)之间，与欧美水平持平甚至更优。根据工业和信息化部公布的能效领跑者名单，2017-2022年共有39家水泥企业熟料综合能耗在100kgcet(2.9GJt)及以下，达到世界先进水平。同时.，水泥行业仍存在超过10%以上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。因此水泥行业将持续推广能效提升技术，提高行业平均能耗水平。本研究中，水泥生产能效提升技术特指基于现行水泥生产工艺基础的改良优化技术手段，主要包括生料粉磨能效提升、熟料烧成能效提升、水泥粉磨能效提升技术三个类别。具体技术节能情况见下表：表3具体技术节能情况技术类别具体技术名称每类包含的技术生料粉磨能效提升生料磨节能技术系统单位电耗1013kWhl,一般为25kWht,节能46-58%熟料烧成能效提升旋风预热器改造熟料烧成综合能耗降低15kgcet燃烧系统节能改造熟料烧成综合能耗降低I5kgcet分解炉节能改造熟料烧成综合能耗降低515kgcel耐火材料整体提升熟料烧成能耗降低5-20kgcet.cl冷却机提升技术熟料烧成综合能耗降低l3kgcel技术类别具体技术名称每类包含的技术数字化智能化熟料综合电耗降低l5kWhl,标准煤耗降低1.05.0kgcel风机能效提升技术风机效率达到82%85%,实现节能30%40%；吨熟料或水泥电耗下降3-6度电以上水泥粉磨能效提升水泥磨节能技术系统单位水泥电耗2326kWht能效提升情景下各具体技术应用比例数据如表4所示。表4能效提升情景下相关技术应用潜力序号能效提升技术应用比例（）2025年2030年2040年2050年2060年1冷却机提升技术35507075802分解炉节能改造15304055603悬浮预热器节能30406065704数字化智能化技术3060951001005水泥磨节能技术40507080906燃烧系统节能改造15305060707生料磨节能技术40507080908耐火材料整体提升30506580909风机能效提升技术4560708090不考虑其他低碳技术应用的节能效果，按上表中各年度技术应用比例，各项能效提升技术对水泥行业碳减排的贡献,2025、2030、2040、2050、2060年分别为2073万吨、2753万吨、6224万吨、8362万吨、12098万吨CO2o预计2060年由于能效提升实现的熟料碳强度下降289kgto冷却机提升技术分解炉节能改造悬浮预热器节能数字化智能化水泥磨节能技术燃烧系统节能改造生料磨节能技术耐火材料整体提升机能效提升技术图15不同节能措施分阶段碳减排量34低碳水泥情景基于水泥生产工艺特点，降低碳酸盐分解产生的碳排放是降低行业单位产品碳排放强度的重要路径之一。低碳水泥情景就是充分考虑降低碳酸盐分解的过程排放，主要有原料替代、低碳水泥熟料、低碳水泥复合材料三种技术途径。原料替代技术指利用某些天然矿物或其他工业企业产生的工业废料，如电石渣、造纸污泥、脱硫石膏、冶金渣尾矿等，主要成分包含非碳酸盐钙、镁，在水泥生产中替代传统石灰石原料，减少生料燃烧过程中因石灰石等碳酸盐矿物分解排放的CO20近中期，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中短期措施。低碳水泥熟料指生产不基于硅酸钙的新型熟料体系；主要低碳水泥熟料品种的生产工艺及减碳情况如图16和图17所示。低碳水泥熟料的典型例子主要有：高贝利特水泥熟料、硫（铁）铝酸盐水泥熟料、X-Clinker水泥熟料、CeEement水泥熟料、可碳化硅酸钙水泥熟料等。值得注意的是，新型水泥熟料的应用潜力尚有不确定性，主要体现在原料可获得性，水泥产品稳定性、建筑施工性能要求等方面，此外经济性也是一个非常关键的指标。但随着水泥行业减碳压力与建筑市场低碳建材需求的增长，可以预计新品种低碳水泥的市场份额占比将不断提高。R*ilttK*高。!利特尔*BH» zI HCSHt 21A阱处Q-AAum 1. (I25r ),文楸/S配比AttlUl.2(1250V)/kHcst X2-X4,，汨加E (MSOt?)I： (I250r)翻磨> “Hl筑加L实际悔川被钻管公水泥MM生NCS!比陵州!1 I.实我应刖X-CIinkorBM. f*2lMM MHIMlN I实 HMtNiA”：?江比*-H"瑟丁*>AM*精州航探E蚌府州M碳化豌Nm木龙能XlHCS!lt t-i.s>1： (12V)MJH COt 养护实除脚”I图16低碳水泥熟料生产主要流程示意传统水熟科高贝利将水泥5m ½*W 快Ig蝙水燃料 XCHnke咏麴料 Cdhement水泥期料可裱化11翻修度泥菜料生物分解G逑科蜷第髓分解JiHK分比化石翻蹄百分比一总艇百分比图17低碳水泥熟料碳排放及节碳比例低碳水泥复合材料，即掺加矿渣、粉煤灰等工业废渣之类的低碳混合材，减少熟料在水泥产品中的使用比例。随着水泥粉磨技术的不断发展，利用矿渣和粉煤灰等混合材进行超细粉磨，充分发挥其矿物活性，在保证熟料质量前提下，可大幅降低熟料应用比例，进而降低水泥单位产品碳排放强度。目前磨细矿渣已部分实现高水平利用，粉煤灰利用受多重原因限制，有待进一步开发。需要注意的是提高混合材用量需要大量工业废渣类新型辅助胶凝材料，且要求这类辅助胶凝材料具备量大、就近易得、高活性等特征，而未来重工业整体脱碳背景下，工业废渣可用量将呈下降趋势。为应对这一趋势，行业正在研发一些新型混合材，例如煨烧粘土、碳化混凝土细粉等。低碳水泥技术应用路线图如图18所示。低碳水泥技术预测推广应用情况原料替代（替代率$）2025年2030年2040年2050年2060年掌握现仃技术掌握现仃技术掌握新型技术掌握新型技术实现低碳水泥的设计建造能产业化能力.的产业化能力的产业化能力技术的广泛应力验证新型技术I1用及产业新业；的胃行性：奉IllllIIII1I2368101ii11；,低碳水泥熟料（应用比例%）IIIIII1,25,815:2025-303)>1"1II,"i'v低碳水泥复合材料（应用比例）I；IIZI1-23T015-2025-4040-60)IIIII/图18低碳水泥技术应用路线图根据预测，低碳水泥技术路径情景下，到2060年吨熟料碳排放强度降低98kgO2025年-2060年行业减排量见图19。原料替代().5O )525 )5220605 062图19低碳技术应用情景下水泥行业碳减排量3.5. CCUS技术情景水泥生产中约60%的碳排放来自原料中碳酸盐分解，由于目前尚未看到能完全替代石灰石、免除过程排放、且能大规模应用的替代原料和工艺，碳捕集、封存与利用（CCUS）将是水泥碳中和的必要技术。3.5.1. 国内外发展现状IEA2023年CCUS工程数据库显示，截止2023年3月，全球范围内投入使用的所有二氧化碳捕获、运输、储存和利用项目，产能超过10万吨/年（或1000吨/年直接空气捕获设施）共有573个，其中水泥行业有27个，包括3个CCUS全链条项目，20个捕集项目和4个CCU项目。除挪威的NorcemBrevik项目正在建设中外，其余均为计划建设2。水泥行业30%的CO2捕集量集中在美国，占比最高，其次是德国和比利时。573个CCUS项目中有503个项目在2017年-2023年期间宣布建设，目前已有3项已实施，8项正在建设，其余还在前期规划和准备阶段。由此可见，在全球气候压力下，CCUS技术作为最有希望的负碳技术，近年来研发、应用等的投入呈现爆发式增长，未来也将助力水泥等难减排行业实现深度脱碳。CCUS在水泥行业的最早也最为典型的示范项目于2015年9月在美国德克萨斯州的圣安东尼奥水泥厂运行，其产量超过75OOOtCO2a<>采用SkyMine工艺从水泥厂的一个烟气管道中捕获90%的CO2,约占该厂CO2排放总量的15%oSkyMine工艺利用捕获的Ce)2生产可销售的副产品，如小苏打、盐酸和漂白剂等。图20圣安东尼奥水泥厂化学吸收法碳捕获工艺流程2018