水泥行業(yè)碳中和需應(yīng)用“顛覆性”燃料技術(shù)！

    數(shù)據(jù)顯示，2020年我國水泥產(chǎn)量23.8億噸，占全球水泥產(chǎn)量的50%以上，水泥及熟料產(chǎn)品產(chǎn)銷量連續(xù)多年位居世界首位。與此同時(shí)，水泥行業(yè)也是我國碳排放重點(diǎn)行業(yè)，占比達(dá)13%以上。因此，在碳達(dá)峰、碳中和愿景下，水泥行業(yè)如何進(jìn)一步減污降碳、提質(zhì)增效已成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。

 

 

    和廢棄物的替代比例是減排重點(diǎn)

 

    水泥產(chǎn)銷量與國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)，其市場需求具有剛性。過去20年，我國水泥行業(yè)基本完成技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在節(jié)能降耗方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，進(jìn)一步減排二氧化碳的潛力與彈性已十分有限。因此，水泥行業(yè)需應(yīng)用“顛覆性”技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

    目前，國家對通過碳交易市場購買排放權(quán)履行減排責(zé)任的企業(yè)有明確要求，其占比不能超過排放量的5%。因此，對水泥企業(yè)而言，要么從源頭控制和減少碳排放，要么壓減產(chǎn)能，才能滿足碳中和要求。目前，水泥行業(yè)要從源頭控制碳排放，除大規(guī)模大范圍運(yùn)用生物能源等顛覆性技術(shù)外，沒有其他成熟且可行的技術(shù)路徑。

 

    水泥行業(yè)碳排放主要來源于熟料生產(chǎn)，一噸熟料排放約0.85-0.90噸二氧化碳，其主要原燃料是石灰石、砂巖、鋁鐵質(zhì)原料及燃煤。熟料生產(chǎn)中二氧化碳的50-65%來源于不可再生資源石灰石的分解，35%左右來源于燃煤。今后很長一段時(shí)期內(nèi)，預(yù)計(jì)難有經(jīng)濟(jì)可行、能大范圍大比例替代石灰石的原材料。因此，水泥行業(yè)從源頭控制、碳減排的重點(diǎn)是節(jié)約燃煤及提高原燃料和廢棄物的替代比例。實(shí)踐證明，以可再生生物能源替代燃煤是可行路徑。

 

    如歐洲某大型水泥集團(tuán)在非洲實(shí)施的2000t/d水泥生產(chǎn)線及3000t/d水泥生產(chǎn)線中，生物燃料進(jìn)入分解爐替代部分燃煤，替代率約20%；我國水泥行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)海螺樅陽水泥廠利用農(nóng)作物秸稈，在分解爐實(shí)現(xiàn)部分燃煤替代，日處理秸稈廢棄物200噸，理論上實(shí)現(xiàn)20%生物燃料替代燃煤。然而，由于運(yùn)營機(jī)制不完善及缺乏生物燃料工程技術(shù)等問題，導(dǎo)致生物燃料供應(yīng)不上，上述項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行替代率僅10%左右。

 

 

    目前，海螺垃圾氣化所得的生物燃?xì)?、歐洲及我國生物燃料直接燃燒技術(shù)，由于燃燒溫度不夠、水泥產(chǎn)線物料平衡及生物能源專業(yè)化運(yùn)營不完善等問題，生物燃料只在分解爐(900左右)嘗試替代部分化石能源，世界范圍內(nèi)尚未有水泥回轉(zhuǎn)窯生物能源替代燃煤的先例。

 

    因此，使用高溫生物燃?xì)?400以上，通過工業(yè)化熱解裂解生產(chǎn))在水泥回轉(zhuǎn)窯燃燒(達(dá)1700左右)，需解決的技術(shù)難題主要集中在回轉(zhuǎn)窯燒成溫度和水泥產(chǎn)線物料平衡等方面，這需要水泥企業(yè)及技術(shù)機(jī)構(gòu)與生物燃?xì)馄髽I(yè)協(xié)同攻關(guān)，解決以下技術(shù)與經(jīng)營難題：

 

    在技術(shù)方案中，應(yīng)考慮使用高溫生物燃?xì)?，并利用水泥熟料回收的熱量，預(yù)熱窯頭用于燃燒的空氣，以900二次風(fēng)助燃空氣，提高回轉(zhuǎn)窯燒成溫度達(dá)1700左右。

 

    全面替代燃煤涉及水泥分解爐和回轉(zhuǎn)窯等水泥生產(chǎn)線的物料平衡，應(yīng)進(jìn)行物料平衡再設(shè)計(jì)和水泥生產(chǎn)溫度場(帶)、生物燃?xì)饧叭紵裏煔饬髋c物料流再設(shè)計(jì)，以及氣固液相反應(yīng)和傳質(zhì)傳熱、工藝設(shè)備等再設(shè)計(jì)。

 

    此外，還需推動(dòng)水泥企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營方式創(chuàng)新，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命；推動(dòng)解決生物燃料工程技術(shù)、水泥行業(yè)價(jià)值工程技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)升級和效率提升，以及大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用等系列問題。

 

    其中，最重要的是，實(shí)現(xiàn)高溫生物燃?xì)庠诨剞D(zhuǎn)窯1700燒成溫度的技術(shù)突破。此前，中科院廣州能源研究所所長吳創(chuàng)之團(tuán)隊(duì)在深圳迪森華美的鋼鐵項(xiàng)目，成功實(shí)現(xiàn)敞開式推鋼加熱爐運(yùn)用生物燃?xì)馊紵?300軋鋼，并穩(wěn)定運(yùn)行3年的產(chǎn)業(yè)化突破。

 

 

 

    5月18日，國際能源署發(fā)布年度報(bào)告，提出了碳中和技術(shù)路線圖：2030年全球凈零排放中大部分二氧化碳減排量來自于當(dāng)今實(shí)際可用的技術(shù)(現(xiàn)有技術(shù))，2050年近一半的減排量將來自目前仍處于演示或原型階段的技術(shù)(未來技術(shù))。

 

    報(bào)告明確提出，以CCUS技術(shù)(碳捕獲、利用與封存技術(shù))解決現(xiàn)有能源資產(chǎn)排放問題，如水泥等難以減碳的行業(yè)；支持迅速擴(kuò)大低排放氫氣生產(chǎn)并從大氣中去除一些二氧化碳，在電力等無法輕易或經(jīng)濟(jì)地替代化石燃料的領(lǐng)域，在有限的可持續(xù)生物能源供應(yīng)無法滿足需求的地方，氫和氫基燃料將填補(bǔ)空白。

 

    人類對生物質(zhì)資源的能源化利用經(jīng)歷了三代技術(shù)，農(nóng)村傳統(tǒng)的燒火做飯取暖是第一代生物能源技術(shù)，能源利用效率平均13%左右；生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電或供熱是第二代生物能源技術(shù)，能源利用效率約30%；生物質(zhì)氣化是第三代生物能源技術(shù)，能源利用效率達(dá)85%左右。目前，第二代生物能源技術(shù)的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電與供熱產(chǎn)業(yè)正逐步退出市場，其催熟的生物燃料市場正讓位于第三代生物能源技術(shù)——生物燃?xì)饧夹g(shù)。

 

    雖然IEA報(bào)告明確了CCUS技術(shù)可用于水泥等難以減碳的行業(yè)，海螺水泥也實(shí)現(xiàn)了CCUS技術(shù)突破，但真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日。因此，水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和不能依靠不確定的CCUS技術(shù)。在風(fēng)、光發(fā)電已實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的時(shí)代，我國約30億噸有限的生物質(zhì)資源不宜再被用于直接燃燒發(fā)電或供熱，應(yīng)用于生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展，并優(yōu)先用于水泥、鋼鐵等難以實(shí)現(xiàn)碳中和的行業(yè)。