2023年新材料系列：中国低碳水泥行业概览

摘要 低碳水泥，走向碳中和路线的必由之路 基于水泥窑协同处置技术的固废替代燃料成为低碳水泥的关键点 中国水泥工业的替代燃料发展较晚。现有技术主要是水泥窑协同处置技术，属于固体废物利用的初级阶段，为进一步开发替代燃料奠定了基础。2020年，中国已有约17%的水泥生产线配备了协同处置能力，生活垃圾产生量约为3.1亿吨。按照一吨生活垃圾经过预处理后的垃圾衍生可燃物热值为300千克标煤计算，生活垃圾燃烧后可替代0.9亿吨标煤。固体废物对于中国水泥熟料的1.7亿吨标煤的燃料总量而言具有巨大的替换潜力 2020年，中国水泥行业 CO2 排放量约为13.7亿吨，水泥行业占全国总碳排放的比例约13%，仅次于电力和钢铁行业。水泥的生产过程为“两磨一烧”，这些环节产生的碳排放以原料分解、燃料消耗产生的直接碳排放和高温煅烧所需的煤炭、电力热力等能源活动碳排放为主。其中直接碳排放是水泥生料通过化学反应直接将温室气体排放至空气中，难以在较短时间内消除，水泥行业存在减碳难度大的问题。因此，水泥行业亟需加速推进低碳发展。2021年11月，国家出台了《“十四五”工业绿色发展规划》，对水泥行业低碳发展的目标与举措进行了规划，持续推进水泥行业的节能降碳，水泥行业面临着越来越严格的节能降碳政策。 2022年煤炭价格上涨、房地产市场需求紧缩，水泥行业承压 2022年2月至2022年8月，由于煤炭价格的快速上涨，出厂价格指数最高达159.3，水泥原材料价格持续上涨，中游水泥制品价格相应上涨。以房地产市场为主的下游建材需求将决定水泥的市场需求。2022年9月至2023年2月，由于房地产市场不景气，水泥等建材需求收紧，中游水泥厂商的原材料采购量下降，库存有所累积，上游水泥原材料出厂价格迅速下降。同期，中游水泥厂商相关的水泥制品制造工业生产者出厂价格指数下降 产线技改难以支撑水泥行业的零碳排放愿景 现阶段中国水泥的低碳生产主要通过改善原材料易烧性和易磨性、改进生产工艺及装备降低能耗等手段，虽然近期内仍能发挥减排效能，但长期依赖现有技术路径较难实现水泥行业完全脱碳的净零排放愿景。加大低碳能源在燃料及电力中的替代率、调整水泥生产中的熟料及原料配比、并推广碳捕集与封存利用技术以抵消难以消除的过程排放 低碳水泥行业的发展将直接关联国家基于“双碳”目标的顶层设计，是绿色发展的重点关注行业 名词解释 水泥：凡细磨材料（粉末状），加入适量水后，成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥 生料：由石灰质原料、黏土质原料及少量校正原料（立窑生产时需加煤）按比例配合，粉磨到一定细度的物料，称为水泥生料熟料：水泥生产过程中的半制成品，适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物 校正原料：硅质校正原料，例如砂岩；铝质校正原料，如粉煤灰、铝矾⼟；铁质校正原料，如天然低品位铁矿ce：即coal equivalent，指标准煤，按煤的热当量值计量各种能源的能源计量单位，通常1kg煤当量等于29.27MJ 烟气：是气体和烟尘的混合物，气体中包括水蒸汽、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高温裂解产物等 回转窑：是水泥厂熟料烧成系统中的重要主机设备，可将水泥生料煅烧成熟料，窑体一般由20毫米厚的钢板焊接（或铆按）成圆筒，工作时窑体能作回转运动 篦冷机：即篦式冷却机，是水泥厂熟料烧成系统中的重要主机设备，其主要功能是对水泥熟料进行冷却、输送；同时为回转窑及分解炉等提供热空气，是烧成系统热回收的主要设备 CCUS：即Carbon Capture，Utilization and Storage，指碳捕获（集）、利用与封存技术。CCUS技术可以将生产过程中排放的二氧化碳封存，或者进行提纯后投入到新的生产过程中循环再利用 RDF：即Refuse Derived Fuels，指各类垃圾经分拣、破碎、涡电流除铝、磁选除铁，再破碎、风选、压缩和干燥等工序制成的固体形态（圆柱条状）燃料SRF：即Solid Recover Fuel，指固体回收燃料，具有清洁、均质、高质量、高热值的燃料，可用于发电厂或水泥厂中替代传统化石燃料，如煤炭等热值：在燃料化学中，表示燃料质量的一种重要指标，量化单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量 第一部分：行业综述 主要观点： 低碳水泥指通过技术创新实现的碳足迹较低的水泥产品，其能耗限额符合国家强制性标准中的先进值，能够有效降低水泥单位产品生产中的碳排放，实现节能减排、绿色发展 1992年至2005年，中国在低碳水泥领域的研发取得成果，低碳水泥得到应用。2006年至2012年，中国政府开始重视低碳水泥，用政策推动行业发展。2013年发展至今，低碳水泥已成为重点产业 国际社会对低碳水泥产业的要求为提高水泥生产效率、发展协同处置技术、降低水泥的熟料系数、应用碳捕集与利用(CCU)技术，中国的水泥熟料系数已达到先进水平，正大力发展协同处置技术等 中国水泥行业的低碳化以产线技改为主，综合技改不仅实现节能减排，还可降本增效，因此部分水泥厂商正积极推动技改项目。到2025年，水泥行业能效标杆水平以上的熟料产能比例有望达到30% 中国是全球最大的水泥生产国和消费国，2021年的水泥产量占世界的57%，低碳水泥对中国的低碳经济发展至关重要。中国水泥产量在2022年下降，主要由市场供需两端的变化引起 2018年，中国头部水泥厂商开始大规模投入产线技改项目，低碳水泥市场规模在2020年达到1,034.6亿元。2020年，国家发布双碳目标，中国低碳水泥市场规模在2021年快速增长至1,945.0亿元 中国低碳水泥行业综述——定义与分类 低碳水泥指通过技术创新实现的碳足迹较低的水泥产品，其能耗限额符合国家强制性标准中的先进值，能够有效降低水泥单位产品生产中的碳排放，实现节能减排、绿色发展 低碳水泥的定义与架构 中国水泥能耗限额等级及限额值标准，2012vs.2021年 低碳水泥的技术：低钙高胶凝性水泥熟料技术、水泥窑燃料替代技术、少熟料水泥生产技术、水泥窑富氧燃烧等碳捕集关键技术等 国家对水泥行业的低碳排放提出更高标准，推动低碳水泥产业发展。国家标准化管理委员会于2021年发布新版水泥单位产品能耗指标，与2012版标准相比，对水泥单位产品的能耗限额更为严格。中国水泥行业内持续施行节能技改，使产品能耗符合国家新的强制性标准要求。低碳水泥行业的发展契合国家推行水泥低碳排放的要求，有广阔的发展前景 低碳水泥的意义：2020年，中国水泥行业 CO2 排放量约为13.7亿吨，水泥行业占全国总碳排放的比例约13%，仅次于电力和钢铁行业。水泥行业的减排对中国实现碳中和至关重要，低碳水泥的发展与应用成为重中之重 中国低碳水泥行业综述——发展历程 1992年至2005年，中国在低碳水泥领域的研发取得成果，低碳水泥得到应用。2006年至2012年，中国政府开始重视低碳水泥，用政策推动行业发展。2013年发展至今，低碳水泥已成为重点产业 低碳水泥行业的发展历程 萌芽期（1992-2005年） 启动期（2006-2012年） 高速发展期（2013年至今） 1992年，国家技术监督局发布了首个低碳水泥（当时低碳标准）国家标准——GB175-92《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》。 2006年，中国政府发布《节能减排综合治理工作方案》，提出了要推广低碳水泥等新型建材的使用，以减少建筑业的碳排放。 2013年，中国政府发布《关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》提出“尽快取消32.5复合水泥产品标准”，推动新型低碳水泥应用。 关键事件 1995年，中国国家科委启动了“九五”期间的科技攻关项目“低碳水泥的研究与开发”，旨在推动低碳水泥的产业化和推广应用。 2012年，中国政府发布《节能减排“十二五”规划》，提出了要推动低碳水泥、高性能混凝土等新型建材的研发和应用。 2022年，海螺水泥建成白马山水泥厂水泥窑烟气二氧化碳捕集纯化示范项目，利用二氧化碳作为植物气肥，水泥窑余热为温室采暖。 1996年，中国建筑材料科学研究总院成功研制出了第一批低碳水泥（当时低碳标准），并将其应用于工程实践中。 2012年，中国政府发布《水泥工业“十二五”发展规划》，提出要加快低碳水泥推广应用，淘汰落后水泥产能，推进清洁生产。 2022年，中联水泥建成全球首条钢渣捕集水泥窑烟气二氧化碳制备固碳辅助性胶凝材料与低碳水泥生产线在河南竣工投产。 中国在水泥领域的研发实现突破，开始推广水泥材料的规模化应用。在该阶段，高炉矿渣水泥、粉煤灰水泥、石膏水泥等新型水泥材料的研发开始推进，这些新型水泥材料在生产过程中能够减少二氧化碳的排放，并且具有较好的性能和使用效果。 中国政府基于节能减排的要求，开始发布推动低碳水泥的政策，代表低碳水泥行业发展得到国家大力支持。国家发改委在2012年发布《国家重点节能技术推广目录（第五批）》，首次将低碳水泥相关技术列入其中，反映出国家对低碳水泥产业的重视程度。 中国对低碳水泥的研发和推广越来越重视，并且取得了一些重要的成果。未来，低碳水泥将成为中国建筑材料行业的重要发展方向。 阶段特点 以海螺水泥为代表的水泥龙头企业积极推动低碳水泥行业发展，低碳水泥相关产品已得到广泛应用。 中国低碳水泥行业综述——政策分析 2021至2022年，国家多部门发布多项降低水泥行业碳排放有关政策，大力推动水泥降碳工程示范项目的落地，减少水泥生产中的煤炭消费；鼓励关键低碳技术的研发，带动低碳水泥行业发展 中国低碳水泥行业的相关政策解读，2021-2022年 中国低碳水泥行业综述——国际低碳水泥发展路线 国际社会对低碳水泥产业的要求为提高水泥生产效率、发展协同处置技术、降低水泥的熟料系数、应用碳捕集与利用(CCU)技术，中国的水泥熟料系数已达到先进水平，正大力发展协同处置技术等 国际能源署（IEA）建议的低碳水泥产业发展路线 国际水泥行业龙头的碳减排路线 现排放量（kgCO2/t） 2025年排放量（kgCO2/t） 2030年排放量（kgCO2/t） 根据2018年IEA发布的《2050年水泥工业低碳转型技术路线图》，聚焦于水泥生产的各个环节提出四个技术阶段。然而，无论如何提高能效、降低化石燃料用量、减少熟料用量，因水泥生产需要使用石灰石这一特殊性而使得原料分解的碳排放无法避免，需要采取诸如碳捕集与利用等技术才能实现碳中和。因此，IEA认为碳捕集与利用是水泥工业实现碳中和的重要选择，甚至认为其是“兜底”技术 企业名称 海德堡集团 590 525 <500 拉法基豪瑞集团 561 555 475 Cemex集团 622 / 520 提高水泥生产效率 发展协同处置技术 技术路径：提高原燃料替代率；降低单位水泥中熟料占比；提高能源利用效率；开发新型低碳水泥；碳捕集利用及封存（CCUS）技术；提高低碳混凝土制品比例2030年目标：替代胶凝材料、回转窑电气化、燃料氢能替代、CCUS技术成熟 运用数字化技术、新一代装备提高水泥生产效率，通过生产线技改降低水泥单位能耗，单位水泥减碳潜力约为3% 将各种高热值的可燃废弃物用作水泥窑的替代燃料，鼓励水泥厂与废弃物回收产业合作，单位水泥减碳潜力约为12% 中国与国际水泥行业的低碳发展差异 中国水泥工业混合材替代部分熟料比例平均已大于30%，进一步降低的空间有限，因此国际能源署推荐的四项减排技术中的”降低水泥的熟料系数”不具有参考性。其他三项将成为我国水泥工业未来的主要减排技术。据预测，2030年和2060年，中国水泥工业单位熟料热耗将分别降至3,360kJ/kg和3110kJ/kg； 应用碳捕集与利用(CCU)技术 降低水泥的熟料系数 研发混合材深加工技术以部分替代熟料，减少水泥单位产品的熟料用量，单位水泥减碳潜力