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水泥行業(yè)碳中和需要“顛覆性”燃料技術(shù)

2021/7/8 13:59:42       

  數(shù)據(jù)顯示,2020年我國(guó)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(guó)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)。

  節(jié)約燃煤及提高原燃料

  和廢棄物的替代比例是減排重點(diǎn)

  水泥產(chǎn)銷量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān),其市場(chǎng)需求具有剛性。過去20年,我國(guó)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(guó)家對(duì)通過碳交易市場(chǎng)購(gòu)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(duì)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(zhǎng)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2000 t/d水泥生產(chǎn)線及3000 t/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(guó)水泥行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)海螺樅陽(yáng)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(yíng)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。

  生物燃?xì)庠诨剞D(zhuǎn)窯的

  燒成溫度達(dá)1700℃是關(guān)鍵

  目前,海螺垃圾氣化所得的生物燃?xì)、歐洲及我國(guó)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(yíng)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(yíng)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(chǎng)(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(yíng)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(jí)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(zhǎng)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。

  CCUS技術(shù)尚難產(chǎn)業(yè)化

  生物燃?xì)饧夹g(shù)減碳擔(dān)重任

  5月18日,國(guó)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(wú)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(wú)法滿足需求的地方,氫和氫基燃料將填補(bǔ)空白。

  人類對(duì)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(chǎng),其催熟的生物燃料市場(chǎng)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(guó)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)。

 。◤堒姖抵袊(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)監(jiān)事、中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)碳中和專業(yè)委員會(huì)常務(wù)副秘書長(zhǎng);張文斌系深圳碳中和生物燃?xì)夤煞萦邢薰径麻L(zhǎng)、中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)碳中和專業(yè)委員會(huì)副主任委員。文章僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)。)


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