2024年中国水泥行业CCUS发展现状与展望报告

报告 中国水泥行业CCUS发展现状与展望 中国建筑材料联合会是我国建材行业唯一的全国性、综合性权威社团组织，是民政部授予的“全国先进社会组织”和“AAAAA级全国性社会团体”，现有会员1500多家，管理着9家国家级建材事业单位，领导着23家全国性建材产业协会、综合协会/学会，联系着26家省区市建材行业协会。中国建筑材料联合会以“服务会员、服务行业、服务国家、服务社会”为己任，以“宜业尚品、造福人类”为建材行业发展目标，积极搭建政府与行业、企业之间的桥梁和纽带，推动建材行业绿色低碳安全高质量发展。 课题编写人员： 周丽玮 中国建筑材料联合会 教授级高工 曹元辉 中国建筑材料联合会 高级工程师 王胜杰 中国建筑材料联合会 工程师 刘宁 中国建筑材料联合会 助理工程师 朱哲 中国建筑材料联合会 工程师 沈玉露 中国建筑材料联合会 工程师 张瀚文 中国建筑材料联合会 工程师 王欣宇 中国建筑材料联合会 教授级高工 郑云生 中国建筑材料联合会 高级工程师 陈苏芹 中国建筑材料联合会 助理工程师 李敏 中国建筑材料联合会 工程师 感谢自然资源保护协会专家为报告提供的宝贵建议。 所使用的方正字体由方正电子免费公益授权 感谢自然资源保护协会专家为报告提供的宝贵建议。所使用的方正字体由方正电子免费公益授权 目录 摘要1 第一章CCUS技术概况2 1.1CCUS介绍2 1.2CCUS定位4 1.3CCUS政策5 第二章CCUS项目概况8 2.1全球CCUS项目概况8 2.2我国水泥行业CCUS项目概况9 第三章CCUS标准概况11 3.1国际标准11 3.2国内标准13 3.3我国水泥行业标准体系16 第四章水泥行业CCUS技术应用面临的挑战18 4.1技术应用影响因素评价18 4.2技术成熟度评价19 第五章水泥行业CCUS需求预测21 5.1原料替代减碳预测21 5.2化石燃料替代减碳预测22 5.3低碳水泥减碳预测22 5.4能效提升减碳预测23 5.5CCUS需求预测24 第六章水泥行业CCUS技术应用与推广建议25 附表28 宜业尚品造福人类——我国建筑材料行业发展目标诠释30 参考文献32 摘要 水泥行业是我国重要基础原材料产业，其产品广泛应用于土木建筑、水利工程等领域，在改善民生、推动国家经济建设方面发挥了重要作用。我国是全球最大的水泥生产和消费国，连续十余年保持世界首位。根据国家统计局数据，2023年全国水泥产量达到20.23亿吨，占全球总产量的49.68%。 水泥生产消耗大量的煤炭、电力及石灰石原材料，是我国能源消耗和碳排放量较高的工业之一，也是建材行业中碳排放量最大的行业。根据《中国建筑材料工业碳排放报告（2020年度）》[1]数据显示，2020年我国建材行业二氧化碳排放总量为14.8亿吨，其中水泥行业的直接二氧化碳排放量为12.3亿吨，占建材行业总碳排放的83.11%，占全国碳排放总量的12.4%。 二氧化碳捕集利用与封存（CarbonCapture,UtilizationandStorage，CCUS）作为一项能够实现二氧化碳深度减排并资源化利用的关键技术，在全球范围内备受关注。鉴于我国能源结构以高碳为主，工业制造碳排放量较大，大力推动减污减碳和末端固碳的CCUS技术，将为我国生态文明建设以及实现碳达峰碳中和目标提供有力支撑。 水泥烧成碳排放量大，CCUS既是水泥行业实现碳中和目标的必然选择，也是亟需发展的对象。近年来，在双碳目标的推动下，国家加大了对CCUS的系统性支持，从政策、技术、产业、标准、金融等多个角度推动CCUS发展。水泥行业也积极推进CCUS项目建设并取得了一系列重要进展和成果。但是，由于水泥窑烟气成分复杂、粉尘量大且二氧化碳浓度低等技术特点，导致CCUS在水泥行业的项目应用案例较少，并存在生产运营成本高、技术推广难等问题。 本报告通过调研国内外水泥行业CCUS技术现状，采用环比法对影响技术应用的主要因素进行了权重评价。结果表明，技术成熟度、政策支持和项目利润是目前水泥行业最关心的三个方面。报告参考国外已有的技术成熟度评价体系，建立了我国水泥行业技术成熟度评价体系，并对捕集、运输、利用和封存环节现有的不同技术进行了成熟度评价，分析提出了各环节需要重点攻克的技术难题。报告预测，在2060年碳中和情景下，单位水泥碳排放仍有约270kgCO2/t需要依靠CCUS实现碳中和，水泥行业CCUS布局需要加快。为了更好地服务技术及产业化发展，报告系统编制了我国水泥行业的标准体系，明确了亟需制定的相关标准，提出了加速推动我国水泥行业CCUS技术产业化发展的建议。 第一章 CCUS技术概况 1.1CCUS介绍 二氧化碳（CO2）捕集利用与封存（CCUS）是指将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程[2]。CCUS是在二氧化碳捕集与封存（CarbonCaptureandStorage，CCS）的基础上增加了“利用”（Utilization，U），CCUS按技术流程主要分为捕集、输送、利用与封存环节（见图1-1[3]）。 图1-1CCUS技术环节 ——CO2捕集技术是指将CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来并捕集的过程，是CCUS技术系统中的关键环节，同时也是耗能和成本较大的部分。碳捕集方式主要包括燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集[3][4]。其中，燃烧后捕集的常用方法有化学吸收法、物理吸附法、吸附分离法（变温吸附法和变压吸附法）、膜分离法、钙循环法和低温蒸馏法等[5]。 ——CO2运输是指将捕集或纯化后的CO2通过公路/铁路、船舶、管道等方式运输到可利用或封存场地等指定地点的过程，是CCUS技术系统的中间环节。鉴于不同运输方式的优缺点，CCUS项目的运输需要从运输容量、运输距离、运输成本、市场因素以及运输沿线交通布局等方面综合考虑。 ——CO2利用是指通过工程技术手段将捕集的CO2实现资源化利用的过程，利用方式主要包括： （1）物理利用，主要应用于食品、制冷、发泡材料、焊接等行业。例如，在食品行业中，CO2被用作碳酸饮料、啤酒的添加剂，以及在食品冷链运输过程中作为制冷剂（干冰）；在发泡材料领域，CO2被用作发泡剂以生产挤塑板保温材料；在金属加工领域，CO2被用作惰性气体用于焊接。其特点是利用后的CO2最终仍会排放到大气中。 （2）化工利用，是指以CO2为原料，与其他物质发生化学反应，产出附加值较高的化工产品。目前CO2作为化工原料被广泛应用于多种生产过程中。如通过加氢合成甲烷、醇类（如甲醇、乙醇等）、醚类（如二甲醚）、有机酸（如甲酸）及低碳烷烃等工业合成气。此外，CO2还用于生产纯碱、小苏打、白炭黑、硼砂及各种金属碳酸盐等大宗无机化工产品。然而，部分化工产品在之后的应用过程中，仍可能因化学反应再次释放CO2。 （3）矿化利用，是指利用富含钙、镁的大宗固体废弃物（如炼钢废渣、水泥窑灰、粉煤灰、磷石膏等）将CO2化学吸收转化成稳定的无机碳酸盐的过程，在实现CO2减排的同时得到具有一定价值的无机建筑材料产品，以提高CO2和固体废弃物资源化利用的经济性。 （4）生物利用，主要是指生物固碳，利用生态系统中植物的光合作用吸收CO2。目前研究主要集中在微藻固碳和农作物CO2气肥使用上。目前微藻固碳技术主要通过微藻将CO2固定后转化为液体燃料、化学品、生物肥料、食品和饲料添加剂等，通过微藻的固碳实现人工碳循环。农作物CO2气肥技术是将来自能源和工业生产过程中捕集的CO2调节到一定浓度注入温室，来提升作物光合作用速率，以提高作物产量。 （5）地质利用，主要是用CO2来驱油/气（石油/煤层气、天然气、页岩气等）。CO2驱油/气是一种把CO2注入油层（或煤层）中以提高油气采收率的技术，其主要目的是最大限度地提高油气采收率，而不是储存CO2，虽然在实现驱油/气后有一部分CO2被永久储存在以前含有碳氢化合物的孔隙空间中，但是CO2封存量少、封存时间短，且可能会从钻井中泄漏出来。因此，CO2驱油/气只能看作是部分消纳CO2的过程。 ——CO2封存，是通过一定技术手段将捕集的CO2注入深部地质储层，使其与大气长期或永久隔绝，从而实现碳减排的过程，封存方式主要包括地质封存和海洋封存： （1）地质封存是将捕捉到的CO2压缩（不小于CO2的临界压力74bar，通常为100bar或更高，以提供适当的安全裕度并考虑管道中的压降）储存在至少800m深度的地质构造当中（目前主要有咸水层、油气层、煤层和页岩气层四种），实现与大气长期或永久隔绝。目前主要采用油气层封存方式。 （2）海洋封存主要有两种封存方式：“溶解型”海洋封存和“湖泊型”海洋封存。“溶解型”海洋封存是将CO2通过固定管道或移动船只注入海洋深层 （水深1000米以下较为常见）并使其溶解到水体中；“湖泊型”海洋封存是将CO2通过固定管道或者安装在海床深度3000米以下的沿海平台注入海底，使其沉降。初始状态下，CO2以液体形式沉积在海床上，由于其密度高于水，因此会形成一个“湖”，从而延缓CO2向周围环境的分解和扩散（见图1-2）[6]。 图1-2海洋封存情景图 1.2CCUS定位 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）历次评估报告中对CCUS技术定位演变大致可以分为三个阶段（见表1-1）[7]，从最初的“可行方案”到“关键技术”，再到如今的“不可或缺”，逐步明确了CCUS技术在各领域实现碳中和目标进程中的关键性和重要性。 表1-1IPCC历次报告中对CCUS技术的定位演变 阶段 时间 IPCC报告 评估结论 定位演变 第一阶段 1992年 第一次评估报告（FAR）补充报告 CO2的分离和地质或海洋处置是一种中长期温室气体减排方案。 可行方案 1995年 第二次评估报告 （SAR） 碳捕集与处置是指将能源转换过程中产生的CO2还原、收集并隔绝于大气的过程。 2001年 第三次评估报告 （TAR） 将捕集CO2并将其长期封存作为一种切实可行的温室气体减排方案，被纳入多个减排情景中。 第二阶段 2005年 TAR特别报告： 《CO2捕集与封存》 正式提出CCS的定义：是指把CO2从工业或能源相关的排放源分离出来，输送到适宜封存的地点，并且长期与大气隔绝的过程。 关键技术 2014年 第五次评估报告 （AR5） 如果不考虑生物能源、CCS及其组合BECCS，大多气候模式评估结论显示，21世纪末升温难以控制在2℃以内。 第三阶段 2018年 特别报告：《全球升温1.5℃》 包括CCS、生物质能碳捕集与封存（BECCS）在内的技术手段将能够实现全球温控1.5℃目标所需要的减排量，正式提出CCUS概念。 不可或缺 2021— 2022年 第六次评估报告（AR6）：第一，第三工作组报告 CCS是化石能源系统和工业部门大规模减排的技术选择。BECCS、直接空气碳捕集与封存（DACCS）等碳移除技术是实现净零排放的重要工具。 2023年 第六次评估报告综合报告：《气候变化2023》 CCS在电力部门以及水泥和化学品生产中是一个关键的缓解方案。深度减少水泥工艺排放将依赖于水泥材料的替代和CCS的可用性。 随着CCS技术的发展以及认识的不断深化，我国于2006年在北京香山会议首次提出CO2捕获、利用与封存技术（CCUS），引入了CO2资源化利用技术。在双碳目标的驱动下，随着新的应用场景不断涌现和深度减排需求的增加，CCUS技术的内涵和外延得到了丰富与拓展，我国对CCUS技术的定位也在不断被重新审视和调整，已经从碳减排储备技术变成了碳中和关键碳减排技术。 1.3CCUS政策 1.3.1国际政策 为推动CCUS技术研发和项目建设，美国、欧盟、加拿大在产业发展、技术研发、标准规范以及资金税收等方面建立了“四位一体”的CCUS支持政策体系 （见图1-3），有效促进了CCUS技术的研发创新和建设应用。其中，税收抵免、直接资金支持以及碳税等资金支持政策在CCUS项