一、成果背景
（一）我国建材行业碳排放基本情况
我国已确定力争2035年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的目标。建材行业碳排放量占钢铁、化工、建材三类主要工业碳排放量35%，其主要碳排放来源于水泥生产，2020年水泥生产碳排放量为13.2亿吨，约占建材行业总碳排放量的80%。水泥生产的碳排放可分为燃料排放、生产过程排放和间接排放，各环节排放比例约为35%、60%、5%，其中，生产过程排放主要来源为水泥生产原料石灰石的分解。水泥生产的碳排放主要来源于熟料烧成阶段，因此，降低水泥生产碳排放的重点为降低熟料烧成的化石能源消耗、降低石灰石的用量。
（二）碳减排技术路径及减碳潜力分析
降低化石能源消耗的技术途径有提高能源效率技术、替代能源技术，降低石灰石用量的主要技术途径有原材料替代技术、新型低碳水泥熟料技术。上述四类技术部分已相对成熟，如高效冷却技术、高效粉磨技术和余热发电技术等；部分处于研发和示范阶段，如大比例替代燃料技术、高贝利特硅酸盐熟料生产应用技术、高贝利特硫（铁）铝酸熟料生产应用技术等；部分仍处于技术模型研发阶段，如新能源（包括绿氢、光伏、微波、红外等）煅烧水泥熟料技术。碳捕集、封存和利用技术（CCUS）是建材行业实现碳中和的“兜底”技术手段，而由于水泥生产碳排放的特点，现已基本成熟的后捕集方法相对成本较高，而与熟料煅烧过程结合的全氧燃烧后捕集技术被认为是最经济的碳捕集手段。此外，由于水泥基材料矿物组成的特性，二氧化碳可用于矿化养护、改性此类材料，建材产业有一定的碳吸收利用能力。初步预测，到2060年实现碳中和时，能效提升、替代燃料、替代原料、低碳水泥和CCUS技术降碳比例分别为3%、27%、4%、11%和55%。
1．碳减排技术路径
（1）化石能源、原料替代技术
建材工业能源消耗品种主要是煤炭、电力、燃料油及少量的天然气、煤气、焦炭等。其中，煤炭作为所有化石能源中含碳量最高的一种，无论是作为能源被直接燃烧还是被用于原料、还原剂等非能源使用目的，都不可避免会产生大量二氧化碳。燃煤产生的二氧化碳排放总量大约占我国二氧化碳排放总量的85%以上。水泥行业是建材行业中的“碳排放大户”，也是全球二氧化碳排放的主要“贡献者”之一。
在环境条件许可和需要的情况下，水泥窑可实现利用废弃物、城市垃圾、替代燃料达到40%。据统计目前中国水泥行业的燃料主要为煤和天然气，采用替代燃料的时间短，燃料种类少，年替代量不足。在欧盟一些国家，水泥行业平均燃料替代率超过50%，荷兰高达98%。欧美水泥工业使用废旧轮胎，固体废弃物，屠宰业弃置的肉、骨头，废弃塑料，废机油及生物质燃料等。我国水泥工业的燃料替代主要是协同处置生活垃圾，其他生物质燃料如秸秆等仅有个别企业正在开展示范项目工作，预计未来将有相当的减排潜力。
建材行业碳排放主要源于燃料燃烧排放、过程排放和外购电力和热力排放。在水泥生产过程中，原材料碳酸盐分解产生的二氧化碳排放这种过程排放占到60%多。生产水泥熟料的原料主要为石灰石、粘土、铁矿石和泥灰岩等钙硅铝铁质矿物。当废弃物中的钙硅铝铁含量较高时（如矿渣、粉煤灰、煤矸石、炉渣、硅钙渣、磷渣、赤泥和电石渣等），一般作为替代原料从水泥窑的预热器、分解炉或窑尾入窑进行协同处置；当废弃物的热值较高时（如废旧轮胎、废纸、废木材、焦油和城市生活垃圾等），一般作为替代燃料从水泥回转窑的主燃烧器入窑加以回收利用。原燃料替代能够充分发挥建筑行业消纳废弃物的优势，进一步提升工业副产品在建筑材料领域的循环利用率和利废技术水平，替代和节约资源，降低CO2等温室气体过程排放。着力推广水泥窑炉协同处置废弃物等技术，大幅度提高燃料替代率，可积极推进碳达峰和碳中和。欧洲水泥工业中替代燃料的使用率较高，2018年达到了43%，而全球水泥工业中替代燃料的使用比例仅为6%。我国采用替代燃料的时间短，燃料种类少，只有不到50余条水泥厂使用替代燃料，总体的燃料替代率不足2%。研究表明，水泥回转窑在协同处置工业和城市废弃物方面较其他工业窑炉有优势，尤其是水泥窑的碱性和氧化环境对替代燃料和原料中重金属离子的固化有正面作用。但是，替代燃料中氯离子（Cl-）、硫酸根（SO42-）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）等离子对熟料烧成过程和熟料质量均有影响，因此，替代燃料组成及其预处理、熟料烧成工艺参数调整等方面的研究是提高替代燃料原料使用率的重要前提。
表1-1 原燃料替代技术
（2）能效提升
通过使用提高能效的技术，建材行业的能耗和电耗持续下降，CO2排放也相应减少。主要建材行业水泥、玻璃等主要节能技术有：
水泥行业：截至2018年底，我国1681条熟料生产线中69.84%为2500t/d以上熟料产能生产线，提高单条熟料生产线产能可有效促进单位熟料能耗，降低熟料生产碳排放。近年来，低能耗烧成和新型粉磨技术的开发也对水泥生产能效提升起到积极的作用，如天津水泥工业设计研究院开发了六级组合重构预热预分解系统和生料辊压机终粉磨技术，并对供风系统和篦板结构进行了优化，实现了熟料标煤耗≤93kg/t。水泥熟料生产过程中的余热再回收利用是降低水泥生产综合能耗的有效手段，南京凯盛开能环保能源有限公司开发了智能控制的水泥窑余热发电系统，该系统使用后，吨水泥产品发电28.11kWh，同时实现了降低碳排放量的目标。我国水泥生产种能源效率正在逐步提升，如湖州槐坎南方7500t/d熟料新型干法水泥生产线，吨熟料综合电耗小于42kwh；在吨熟料余热发电量为29kwh的情况下，实现生产统计吨熟料标准煤耗为95kg。低能耗、超低排放、与环境相容的绿色生态理念，项目排放指标、能耗指标在全国乃至国际上均处于先进行列。我国熟料生产企业已基本全面配置，通过进一步提高能源回收利用率所起到的作用有限，如南方水泥吨熟料余热供电量已达32 kWh/t.cl。但在如风能、太阳能利用方面，国内水泥企业也同样有较大的空间。国内太阳能年利用小时数为1000～1600h之间，按1300h计算，每1 MW（占地约15亩）的太阳能光伏发电组件每年可以发电1300 MWh，如年产200万吨水泥厂内建设分布式光伏发电项目，利用厂房办公楼屋顶、空闲地面、废弃矿山安装5组（约75亩）该太阳能光伏板，按照2020年电网排放因子0.53kg CO2 /kWh计算，年减少间接碳排放3445t，每吨水泥碳排放减少17.22kg CO2/t。
充分利用余热及更低品位热源、风能、太阳能发电，到2030年基本实现水泥生产线（含熟料）零外购电，较2020年国内平均水平，吨水泥碳排放降低37.8kg；在此基础上，加强氢能等新型能源生产熟料的技术储备，结合玻璃、玻纤生产中电解氢技术基础和优势，进一步利用水泥企业周边风能、太阳能发电生产氢能，降低化石能源使用比例。以热耗100kg标煤/吨水泥熟料核算，使用氢气作为水泥生产的替代能源，吨熟料仅消耗约22kg氢气，可减少燃煤造成的碳排放约270kg/吨水泥熟料。
根据国际和国内水泥工业技术的发展现状，目前可行的提高能效的30多种技术，其中包括熟料制备技术和节能粉磨系统技术，其中主要的节能技术和减排潜力如下：
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