环保处理技术

大气:编者按:在《中国加速迈向碳中和》系列开篇文章中，我们想象了2050年，一个以电动汽车、氢炼钢、光伏发电、绿色储能等新能源元素为主导的碳中和世界。这一愿景的实现也意味着全球需要在2030年比2010年减少约45%的人为二氧化碳净排放量，到2050年实现“净零排放”。面对目标和时间的双重挑战，碳中和转型之路亟待开启。在各国竞相开展具体研究和落地工作的同时，中国也在第75届联合国大会一般性辩论中率先提出了“二氧化碳排放峰值，碳中和”的目标。联合国可持续发展目标13“气候行动”也是麦肯锡中国社会责任的重点之一。在这个关键节点，麦肯锡在中国正式启动了中国碳中和转型研究大型公益项目。凭借麦肯锡全球可持续发展研究的丰富经验，结合对中国社会、行业和企业的全面了解和深刻洞察，动员全球100余人开展跨主要产业领域的碳中和转型趋势、对策和技术研究，希望早日为中国实现碳中和。

本文将以水泥行业为样本，继续进行碳中性转变的研究。未来将陆续发表系列文章，涵盖煤化工、油气、电力等高碳排放行业。，涉及碳减排路径分析、新兴技术探讨、投资成本预测、国际实践分享等诸多话题。我们还将探索传统碳减排过程的创新，以及新兴的碳减排趋势，如碳捕获和存储(CCUS)和氢能。在推进这项研究的过程中，我们非常欢迎各行各业的专家和同事给我们提出意见。你可以在留言区提出你的宝贵意见，或者直接和团队取得联系。我们期待与社会各界合作，共同推进绿色中国的碳中和转型之路。

中国水泥工业碳中和改造的必要性

水泥工业是我国国民经济的重要基础产业，也构成了现代城市建筑的主干。从全球来看，水泥行业的碳排放量占总排放量的7%。如果将全球水泥行业视为一个国家，将是仅次于中国和美国的第三大碳排放国。中国生产了全球近60%的水泥，水泥行业的碳排放量也超过了全球水泥行业碳排放总量的一半。

水泥生产中的二氧化碳排放主要来自熟料生产过程(见图1)，其中石灰石煅烧生产生石灰过程中排放的二氧化碳约占整个生产过程碳排放总量的55-70%；高温煅烧过程需要燃烧燃料，因此产生的二氧化碳约占整个生产过程碳排放总量的25-40%。

目前，我国水泥行业的碳排放量约占全国碳排放总量的9%，是制造业二氧化碳排放的主要来源。中国是世界上最大的水泥生产国。2019年全球水泥产能37亿吨，其中中国约占60%。根据麦肯锡的计算，为了实现全球变暖小于1.5℃，中国水泥行业的碳减排需要在2050年达到70%以上。

中国水泥行业碳减排路径

综合考虑碳减排的成本、技术可行性和资源可得性，我们认为减少需求、提高能源效率、加快替代燃料和碳捕集技术是中国水泥行业碳减排的重要抓手。基于此，我们绘制了2020年至2030年和2050年中国水泥行业碳减排路径图(见图2)。

根据能源转换委员会(ETC)、国际能源署(IEA)、麦肯锡全球水泥需求预测模型和中国水泥行业专家的意见，我们预测，到2050年，正常情况下的需求将贡献中国水泥行业约27%的碳减排，主要受城市化和建筑放缓的推动。随着中国城市化率趋于稳定，预计GDP拉动的水泥需求将进一步下降，现有建筑的维护和更新将逐渐主导未来的水泥需求。此外，替代建筑材料的混凝土(如钢材、预制材料、交错层压木材等。)将进一步减少对水泥的需求。然而，需求预测的准确性受到城市化和建筑业发展实际情况的影响。如果需求达不到预期，就需要依靠其他的手来推动碳减排，尤其是碳捕获与封存(CCS)。

提高能效是成熟技术的一个不可逆转的趋势，到2050年，它可以为水泥行业减少约5%的碳排放。水泥行业的能效改造包括两个方面:一是节能减排的贡献(包括生料粉磨、预分解窑、水泥车间电耗等。).为了避免重复计算，我们将这部分潜力纳入电力行业碳减排的分析中。二是节油对减排的贡献。预计到2030年可节省油耗5%，到2050年可节省14%。

替代燃料是一种更优先、更具成本效益的手段，到2050年可促进行业碳减排10%左右。如果我们逐一分析可以为水泥生产提供热量的主要燃料，我们会发现可再生废物是最可行的煤炭替代燃料:

煤:目前为95%以上的水泥生产提供热量，是现阶段石灰石煅烧的主要燃料来源。由于煤炭价格低廉，煤炭燃料不太可能被完全替代，但在燃料结构改善的过程中，其份额将继续降低。据估计，到2050年，煤将占水泥生产所用燃料的20-30%。

生物质:目前为不到1%的水泥产量提供热量，被认为是无排放的清洁资源，与碳捕集技术结合可能产生净负排放。然而，中国的生物质资源总体上短缺，许多行业的需求可能会大幅增加。目前行业内还没有一家公司使用生物质为水泥车间供热。考虑到生物质供应的不确定性，预计2050年生物质将占水泥生产所用燃料的5-10%。

废物:目前，废物为不到5%的水泥生产提供热量。我们认为废弃物是一种更好的潜在碳减排资源。一方面，有机废物可以用作燃料，另一方面，固体废物可以替代熟料，减少石灰石的使用，从而进一步减少生产过程中的碳排放。与此同时，中国的垃圾利用得到了政策的支持，相对持续的供应和垃圾分类的不断改善。据估计，到2050年，废物将占水泥生产所用燃料的55-75%。

加热:对于水泥生产来说，电加热无论从技术要求(要求更高的温度和功率)、设备改造还是运行经济性来看，都不是很可行，未来也未必会成为重要的减排手段。

天然气:天然气虽然不能帮助水泥行业实现燃料的零碳排放，但可以显著降低燃料的碳排放强度，因此可能在未来的碳减排中发挥重要的过渡性技术作用；同时，天然气作为替代燃料，也面临着成本上升、设备技术改造等挑战。本文尚未定量分析天然气在水泥行业未来碳减排路线图中的作用。

在需求下降、能效提升、替代燃料都发挥作用的情况下，预期的碳减排效果与1.5℃情景下的碳减排目标仍有较大差距，需要新兴技术的支撑。鉴于水泥生产中熟料工艺排放的特点，在没有新技术大规模替代熟料的情况下，碳捕集与封存(CCS)将成为水泥行业实现碳中和的唯一选择。预计到2050年将为行业贡献约50%的碳减排。CCS需要匹配的地质条件，比如靠近衰退油田和盐水层；由于水泥厂规模小，位置分散，单个企业很难承担大规模的CCS基础设施建设。因此，我们可以考虑参与“CCS工业园”模式，并与其他行业(如钢铁、煤电等)组织一个试点项目。)需要依靠CCS技术来减少排放。比如可以从产业集中度高的河北或者山东开始实验。

国内某水泥生产头部企业于2018年下半年启动了国内首个水泥CCS示范项目(如图3)，也是国内唯一一个水泥企业CCS项目。投资5000多万元的CCS项目，每年捕集约5万吨二氧化碳，捕集率约为1/30。这是一个小规模的试点项目。未来水泥行业CCS试点的重点将集中在捕集技术的创新突破、捕集规模的大幅提升、CCS产业链的逐步建立上。

此外，水泥行业一直在推动开发新的水泥替代技术，如二氧化碳养护混凝土(见图4)。碳养护混凝土技术是通过二氧化碳与混凝土中的钙镁成分发生矿化反应，同时实现温室气体的封存，提高混凝土的强度和耐久性，从而减少水泥用量。但是这项技术还处于试点阶段，需要进一步大规模推广。此外，基于非碳酸钙的替代熟料技术也是行业未来技术创新的重点。

目前我国水泥熟料比是0.67，低于全球平均水平0.74。一个值得注意的政策动向是，根据2019年10月1日起实施的GB175-2007《硅酸盐通用水泥》第三次修订，复合硅酸盐水泥(PC32.5R)的32.5强度等级将被取消，修订后将保留42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。此举旨在提高水泥行业的产能利用率和产品质量，但也会增加水泥行业熟料的使用比例，从而提高单位二氧化碳排放强度。应对这一挑战，需要在满足建筑施工技术要求的前提下，综合考虑碳排放强度与熟料消耗总量的平衡，通过技术创新和突破加以解决。

我们深知，水泥行业是减排难度较大的主要行业之一。这不仅是因为水泥有固定的工艺排放，也是因为水泥行业整体体量大但单体规模小，绝对价格低难以承担高减排成本。这些都加大了CCS在水泥行业的规模化和新型水泥替代技术突破的难度。同时，由于当前供给侧改革效果显著，水泥企业整体利润水平良好，行业整合程度提高，处于健康发展期，有能力未雨绸缪，大刀阔斧推进技术创新，把握低碳转型的机遇期。

对水泥企业的启示

1 .抓住低碳趋势带来的商业模式变革的机遇，主动适应下游趋势。

水泥企业应重新思考自身的产品结构、合作关系以及自身在整个建筑行业中的价值，评估低碳环境下建筑开发商等主要下游客户的需求变化，及早布局新的增长机会。例如，水泥企业可以考虑推进替代建材领域的技术研发和企业收购，提前布局下游建筑商可能出现的新型建材、建筑信息化模型和装配式、模块化建筑解决方案，将生产和建筑信息化模型结合起来，向下游拓展更多的商业可能性。对于未来可持续燃料资源(如生物质能)的获取，水泥企业应根据区域特点尽早布局，因为其他行业也会参与到这场碳中和的竞争中，他们也希望通过可持续燃料实现碳减排目标。

在“十四五”高质量发展的主题下，大力推进“低碳+数字化”的运营转型，将效率提升到极致。

了解“十四五”期间国家碳减排目标对水泥产业链的影响，积极开展端到端碳足迹评估和减排成本曲线评估；将数字化运营与低碳转型相结合，利用人工智能和机器学习减少生产过程中的波动和提高能源效率，在降低企业能耗和碳排放的同时，不断提高企业效率。例如，一家欧洲水泥生产商通过创建炉子热量曲线的自学习模型，优化了炉子火焰的形状和强度，节省了6%的燃料。未来，水泥龙头企业可以通过“低碳+数字化”运营超越竞争对手。

3关注低碳趋势对水泥行业生态的长期影响，探索可能的绿色增长新机遇。

跟踪新材料、新工艺、新减排技术等领域，在有条件的前提下开展试点，获取行业发展的先行者优势。对于产业链新兴绿色产品可能出现的“绿色溢价”，通过开发相应的“低碳零碳产品线”，在有环保意识的客户中赢得口碑。未来水泥行业的生态可能会被碳中和的大趋势重塑，转危为机的办法就是提前布局创新技术。

给决策者的建议

由于水泥行业碳减排技术选择少，成熟技术(如替代燃料)与新兴技术(如CCS)之间的过渡困难，该行业碳减排的路径需要强有力的政策支持。总的来说，首先是要有明确的方向和目标；其次，应尽快出台并实施将水泥纳入碳价格体系的政策；第三是加强对新兴技术的有针对性的RD和财政激励。以此吸引更多资本的关注和支持，推动绿色水泥产业联盟的形成，帮助水泥这一传统产业焕发新的活力，支持中国的碳中和之旅。

结束语

为了实现“零碳中国”，我们需要在未来十年坚持不懈地采取关键措施和实际行动。我们认为，碳中和转型不再是一个“选项”，而是一个迫在眉睫的“必须选项”。我们希望通过近期发表的一系列文章，能够为尽快实施碳中和转型提供思路和见解，引发更多的思想激荡和观点碰撞，与社会各界共同努力建设零碳共同体，推动各方共同努力实现深入变革。