碳中和｜从中材国际调研看水泥行业减排
【要点】一、中国水泥行业碳减排难点：
1、总量大：中国水泥行业产生的二氧化碳总量约13点几亿吨，占我国总排放量13%-14%。
2、一般来讲，当尾气中二氧化碳浓度越高，碳捕捉成本越低；而生产水泥过程中排出的尾气，二氧化碳浓度偏低（20%-30%），导致碳捕捉成本较高。
3、成本收益不平衡：碳的交易价格才几十块钱，而捕捉成本要二三百块钱。
二、如何碳减排？
常规方式（提升热效率、替代燃原料、用低碳熟料）以及CCUS-碳捕捉技术（解决40-60%的水泥碳排放）。2030年以前主要发展常规方式，但到2050年要实现零排放的话必须CCUS技术要占到50%。
三、碳减排进展？
海螺水泥CCUS技术成本约300元一吨，中材国际全氧燃烧技术收集一吨二氧化碳要200-250块钱。不论是CCUS还是全氧燃烧，都没有进入工业化应用，只是实验阶段。
四、政策展望：
一方面技术进步，把捕集成本由50-80美元降到30-50美元，这是可以实现的。另一方面，政策上，国家征收碳税，或给一个二氧化碳排放总量限制，超过的话就要关门。
【正文】
一、中国水泥行业碳减排情况和难点。
从全世界来讲碳达峰、碳中和都是一个很关注的话题，2020年9月22号习总书记在联合国大会上也承诺我们国家在二氧化碳力争在2030年达到碳达峰，2060年努力实现碳中和。水泥协会对碳达峰也做了部署和安排，初步来说建材协会希望建材行业大概在2025年实现碳达峰，水泥行业是要求在2023年实现碳达峰。水泥行业来讲，特别是中国水泥行业，碳减排的压力个人觉得是很非常大的，压力主要体现在这么几种数据：
1）目前中国2020年水泥的总产量是23.77亿吨，占全球总产量的55%；
2）2020年中国熟料产量是15.8亿吨，每生产一吨的熟料大概需要产生0.8到0.9吨的二氧化碳，按照国家标准的准入值是0.87吨，先进值是0.845吨，也就是说每吨硅酸盐熟料产生小于0.845吨的二氧化碳就是一个先进水平，目前中材国际能做到0.82，在技术水平上是比较好的。
3）那这么算下来的话，去年中国水泥行业产生的二氧化碳总数大概是13点几亿吨，中国水泥行业产生的二氧化碳占中国总排放量大概是13%-14%，所以讲，也就是说中国水泥行业的二化碳的排放的压力还是挺还是挺大的，压力大体现在以下几个方面：量大、治理成本高、政策力度小：
1、规模大：整体基数大，而且每吨产品产生二氧化碳的规模大；
2、尾气中二氧化碳浓度低，治理成本高：水泥行业产生的二氧化碳，主要来自两块，一方面是煤粉燃烧，生产水泥要加热，加热用煤或者油或者天然气，中国绝大多都是用的煤，这个就占每吨熟料产生二氧化碳的三分之一；另一方面，来自于水泥的生料，也就是水泥的原料，大概是三分之二。所以煤粉和生料产生的二氧化碳加起来是0.8~0.9吨。但是我们生产水泥过程中排出的烟气当中二氧化碳的浓度还是偏低的，浓度大概是在20%-30%。当排出去的二氧化碳浓度越高，相对来讲碳捕捉的成本就会越低，一般来讲，不管是二氧化碳垃圾利用、还是储存或其他方式，必须把二氧化碳提纯到95%或者99%以上的浓度才能把他捕捉下来去填埋或者去利用，所以要捕捉或者提纯到二氧化碳比较高浓度的成本直接与原料气的浓度相关，而水泥行业的原料气浓度大概小于30%，这就导致了我们水泥行业二氧化碳捕捉成本比其他行业高，电力行业、化工行业、水泥行业、钢铁行业这些烟气中二氧化碳浓度相对来讲偏低的行业捕捉成本相对的比较高，像酒精发酵行业尾气二氧化碳浓度都达到了95%以上，还有煤化工的尾气二氧化碳浓度达到了80%以上，这些行业捕捉成本相对来讲就会比较低。所以第二个压力就是水泥行业二氧化碳治理难度大，二氧化碳浓度低导致的捕集成本高。
3、成本收益不平衡：虽然二氧化碳捕集也好、利用也好成本比较高，但是我们国家大概从2017年开始正式启动了发电行业的碳交易体系，目前逐年正在推进。今年有石化、化工、建材，有色，钢铁，造纸，电力、航空等行业已经加入了这个全国的碳交易体系。但是就交易成本来讲，总共有八个省市有个试点，其中北京大概是碳交易是最贵的，交易价格大概是每一吨92块钱，广东、重庆、天津、深圳、福建、湖北、天津这几个省相对来讲会比较便宜，才20多块钱。也就是说一份碳的交易价格才几十块钱，而捕捉成本要二三百块钱，碳捕捉的成本是不平衡的。碳捕捉、碳交易发展比较好的是欧盟，截止到今年年底，欧盟的每吨二氧化碳的交易价格大概是30欧元，估计到21年底可能要到32欧元，预计到2030年可能要到50欧元。在中国的话，根据2019年中国碳价的调查，2020年碳交易平均价格是27块钱，预估2025年可以到70多块钱，到2050年可能不到200块钱，即使是不到200块钱，在水泥行业要整个执行碳捕捉的话还是收入-成本不平衡的。
以上这三个因素直接决定水泥行业在碳减排的容易度和技术推广就会受一些限制。
二、水泥行业基于碳减排，应该怎么做，要做什么。
刚才说了我们的二氧化碳主要来自于煤粉燃烧和水泥生料，所以我们技术上来讲，碳减排我们一般要采用四项主要的技术。
第一块是提升热效率。但是从目前的技术水平预判，预计3-5%的碳减排来自于提高能源的利用效率。
1）提高能源的利用效率，尽可能把热耗成本降低，每吨产品少烧煤；
2）提高电耗效率，每吨产品少用电；
3）增加余热的利用效率，也就是第一项说的提高热效率。
第二块是替换原料技术。我们可以在水泥行业处理一些其他行业的废弃物，作为一个主要的替代来源，目前的水泥行业规定，如果采用了替代原料，这一部分产生的二氧化碳是不计入水泥的，这块对碳减排贡献大概在12%-20%。也就是说我们通过少烧煤以及原料当中少含碳酸盐的钙质原料，水泥行业常规的东西都是碳酸钙分解得到的，碳酸钙分解就会产生大量的二氧化碳，如果我用的钙质原料，不需要用碳酸钙的分解，比如氢氧化钙，就可以很好地实现碳减排。欧洲替代原料在水泥行业是比较普遍的，对碳减排贡献大概在40%-80%的水平，中国在替代原料这一块还是刚刚起步或者偏低的水平。这跟国情有关，欧洲国家有垃圾分类，废弃物的分类做的比较好，以及环保的要求，废弃物的收集处理也比较严，而在中国的话相对来讲，对垃圾分类、废弃物处置、废弃物要求，比如哪些东西必须要送到水泥厂消化是相对来讲政策没那么严，所以导致好多水泥厂要大规模利用废弃物比较难。一方面是在中国要资质，另一方面水泥厂远离城市比较难得到废弃物，所以整个中国替代原料发展比较落后。
第三块是低碳水泥、低碳熟料。也就是说在水泥强度一样的情况下，水泥当中尽量少用产生二氧化碳高的熟料，有一些替代的熟料，还有比方说我们可以用研磨煅烧技术，高贝利特水泥（HBC）技术，碳化水泥技术等等，为整个水泥生产实现二氧化碳减排创造条件。
以上三块是水泥生产碳减排的一些常规技术。
第四块是有标志性的水泥碳减排，碳捕捉技术，俗称CCUS。第一个C是碳（Carbon），第二个C是捕捉（Capture），U是利用（Utilization），S是储存（Storage）。水泥厂在碳减排方面目前是拥有这个标志性技术，水泥行业大概50%左右（40%-60%）二氧化碳减排必须要采用CCUS技术。欧洲那些国家一般目前的路线图都是要求2050年必须要达到碳中和，就是说水泥行业自身的水泥产品碳排放为零，一方面尽量少排，通过替代原料，提高能源利用效率，低碳水泥、低碳熟料减少碳排放，第二方面已经排放的、必须要排放二氧化碳要把它捕捉回来进行利用。所以说碳减排的一个标志性技术就是碳捕捉利用储存技术CCUS。
碳捕捉技术CCUS目前在世界上通用的有四方面的技术。
第一个，比如海螺水泥，在中国有唯一一个水泥厂采用的碳捕捉技术就是（水泥窑烟气）捕捉技术，所谓（水泥窑烟气）捕捉技术就是水泥厂在排出二氧化碳之前的烟囱把二氧化碳捕捉回来，是通过化学吸附，也就是容积吸附的方法把它提纯到99%以上，海螺把捕捉下来的二氧化碳当作食品或者工业二氧化碳在市场上销售，但是刚刚说的目前中国整个二氧化碳的市场潜力大概是800万到1000万吨，对比水泥行业去年2020年总共排13亿-14亿吨，1000万吨仅仅是1/130的水平，所以远远满足不了我们把碳捕捉下来以后利用的量。海螺采用的（水泥窑烟气）捕捉技术主要用的就是容积吸附，好处就是简单，坏处就是成本高。为什么成本高呢？因为它采用的是氨法吸附，窑尾废气通过溶液，升温和降温交替，一会把氨合成碳酸氢铵，一会把它又解析出来，通过温度不断交替提纯，但是又导致外面需要大量的蒸汽来升温，利用了大量蒸汽以后，导致健康成本、运行成本比较高，像海螺如果把终身性成本加上去估计要超过300多块钱一吨，如果捕捉一吨的二氧化碳，要多300多块钱，还得考虑捕捉下来将来怎么用，怎么储存。
第二个技术是全氧燃烧，中材国际走的就是这个技术，我们现在废气当中二氧化碳浓度之所以低，主要是采用空气做助燃燃料，空气中有21%的氧，79%的氮气，所以氮气会通过氧带入这个系统，所以烟气中氮气的浓度是很高的，把二氧化碳的浓度拉低了，如果我们采用的纯氧燃烧、全氧燃烧的技术，燃烧提供的是全氧，那么废气就不含有氮或含量很低了，燃烧产生排出来烟气的浓度就会很高，我们就可以不采用化学吸附、溶剂吸附，而是采用物理吸附、变压吸附的方式，可以把二氧化碳浓度从70%多提到90%多，这样吸附这一块的投资和运行成本就会得到大幅度下降，全氧燃烧我们认为运行成本可以降低30%以上。另外还有间接换热、钙循环，总体来讲大部分就是全氧燃烧的一个技术。其实大致可以分两类，一个是燃烧后捕集，类似于海螺的，另一种叫燃烧过程的捕集，有全氧燃烧、有间接换热、有钙循环这几大类。国际上主流的水泥行业的碳捕集技术分为这四种，中材国际采用的就是全氧燃烧技术，整个中材国际在系统的设计和整个燃烧机理的研究上有自己的独到之处。我们这个技术在同样水泥行业不容易捕捉下来的前提下，我们可以比其他技术相对来讲运行成本要降低一点，我们这个技术收集一吨二氧化碳要200-250块钱，燃烧后捕集方式要300-350块钱，是这样的一个运行成本。我们预估包括世界上IEA世界能员组预估，在2030年之后，所有的水泥生产线都会面临要上碳捕集系统的技术，在2020年到2030年之间，是一个碳捕集技术的研究开发的阶段，一方面技术需要积累，一方面目前碳捕集在欧洲也好、全世界也好，目前不具备经济效益，如果我们的成本能做到250块钱左右，除以7，是四十美元左右，如果欧盟捕捉一吨二氧化碳，能补贴30-50欧元，那么经济效益就出来了。也许欧盟的那些国家，在2030年以后都会以水泥生产排出去的二氧化碳做交税的指标，你要是不减排，就让你交碳税，或者给你一年多少指标，超过了这个指标就关停。在这个情况下，水泥行业碳捕捉才会纳到一个比较高的高度，2030年之前是技术储备和经济效益的平衡阶段。水泥行业总共有四种技术，前面三种是水泥生产过程中常规性的工作，最后一种技术碳捕捉利用技术，这是一个水泥行业一个标志性的技术，如果碳捕捉利用一旦进入水泥行业常态化，对行业的碳中和会起到一定的效果，目前世界上的著名的水泥集团海德堡集团和拉豪集团做得比较好，他们在全世界范围内有20多条中间实验的生产线，中间实验也好、理论研究也好得生产线在一起启动研究。我们认为在2030年以前，这块技术还处于储备阶段。
三、水泥行业一年十几亿吨二氧化碳，将来怎么用这是一个很大的课题，一方面是如何捕集，另一方面是怎么用。
目前市面上有这么几种方法，第一种也是最简单的，作为工业化或食品进行销售，整个中国也就八百到一千万吨，量是很少的。第二种技术，用做二氧化碳的驱油，也就是开采石油生产过程中都要加入一种其他的东西把石油赶出来，二氧化碳作为一种介质，在驱油过程中把它打到地底下去，把石油挤出来，把二氧化碳留在矿井里面，目前这几年，二氧化碳驱油储存技术有比较大的发展。上周我们去了中石化设计研究院，我们共同探讨如何运用二氧化碳的驱油来进行有效的利用。第三是二氧化碳的矿化，对一些矿物通过二氧化碳形成碳酸盐的矿物，把二氧化碳固化下来。第四，目前比较前沿的研究，整个化工行业都在研究二氧化碳加氢制甲烷乙醇的技术，这个技术的技术水平是最高的，但是难度和成本也是最高最贵的，二氧化碳通过和氢气结合生成甲烷乙烷，我们用二氧化碳替换掉煤作为化工原料的基础原料，现在用煤作为化工的基础原料，煤生成甲醇乙醇，做成乙烯等，将来用二氧化碳加氢通过加催化剂，做成甲醇乙醇乙烯，作为化工原料，这样的话形成了二氧化碳的循环利用，但目前经济效益不好，目前，一年产生不到两千吨的甲醇乙醇，但投资上亿元，这样经济效益很不好，这是目前将来可能的二氧化碳捕集下来业务的方向，
Q&A
Q：目前，中材国际做的比较好的全氧燃烧技术，目前技术层面比较成熟吗，比如200-250块钱每吨的成本是大部分企业都是这个水平还是我们在这个领域最领先最有经济性的？
A：水泥行业的全氧燃烧技术目前还没有，全世界也还没有纳入工业化的应用，都做了一些中间实验、实验室的研究，目前在世界上也只是小规模的中间实验，没有一个水泥企业采用了全氧燃烧技术，拉法基也好，海德堡也好，只是一小时几吨的量在进行实验，我们自己发现了全氧燃烧的实验平台，自己进行了一些计算和推导，提出来了全氧燃烧的方案，还没有工业运用。全世界没有，我们目前也没有。
Q：从政策层面讲，最有可能怎么推动，比如碳税等？
A：欧洲两条腿，第一是碳税的价格不断走高。目前碳捕集成本是50-80美元，将来有信心降低到30-50美元。目前欧盟碳税是30欧元，到30年要到50欧元。如果捕集成本低于碳税成本，捕集效益好于排放效益，企业肯定考虑捕集而非排放。而目前捕集成本还是高于碳税的，而且捕集还涉及封存、利用，因此企业可能缺乏捕集动力。因此主要是两方面，一个是技术进步，把捕集成本由50-80美元降到30-50美元，我觉得这是可以实现的。第二个是政策方面，国家征收碳税，或给一个二氧化碳排放总量限制，超过的话就要关门，这样的话企业最后必须要走这条路。主要还是政策和成本效益的问题。现在大家主要还是在技术研究，没有真正说要把碳捕捉下来实现减排，比如海螺每年至少排放一百多万吨，现在只有五万吨采用碳捕捉，只有3%，更多的只是实验和技术研究性质。要达到减排的程度，必须要规模很大才能达到碳减排、碳中和的程度。这块技术必须要做，如果不做到2030年要求普遍高了，要是没有技术储备就会走在人家后面。
Q：对于我国政策执行，一个是减少单吨二氧化碳排放量，另一个是直接减少水泥产量，从行业层面有一个平衡，从执行角度，哪一个可执行？占比更高？欧洲是怎么做的？
A：碳减排通过技术进步，让单吨水泥排放量下降，各水泥企业都在做，一个是提高能源利用效率，二是提高替代能源量的比例，三是利用低碳水泥低碳熟料的量。中国水泥行业的技术指标在全世界处于领先地位，中国水泥的热耗电耗普遍低于欧洲，中国水泥热耗电耗的技术先进性走在世界前列。但在替代原料方面还是落后于欧洲。相对欧洲来说，一方面提高能源利用效率，另一方面增加替代能源使用量，第三个2030年以后要走CCUS技术路线。至于欧洲目前怎么限制二氧化碳排放，我理解是更多是给每一条生产线一个排放总量，当超过时要么进行碳捕集，要么关门。比如一个生产线，现在允许排放120万吨，中国目前是随便排，未来可能排放标准收紧，只能排放100万吨，对企业来说，要么就减少运转时间，要么减少每吨排放量，要么捕捉下来。未来欧洲也好中国也好，都会走这样给每个生产线排放量的路。超过的话超过部分交税，欧洲去年是30欧元，今年到32欧元。
Q：现在世界上技术也没有规模化应用，欧洲现行产量要压减多少？
A：现在各国都做了碳减排路线图，现在每个国家都把CCUS比例加大放到2030年以后，2030年以前主要发展替代原料技术、提高能源利用效率技术、水泥低碳熟料技术。但到2050年要实现零排放的话必须CCUS技术要占到50%。现在还是在走常规路线，对产量减少的力度还不是很大。举例来说，2030年要在2019年的基础上下降30%。但由于2019年排放量很大，所以提高这三项技术在2025年就可以实现碳排放下降30%的目标，但2030年以后还要再下降，就要发展碳捕捉碳利用的技术。看路线图可以看出，目前主打常规技术，2030年以后强迫使用碳捕捉碳利用技术。
Q：交易现在的价格比自己捕捉要低很多，像煤化工高浓度的二氧化碳如果捕捉成本比较低，那水泥行业以后直接买他们的指标就可以，有没有这种可能？他们那种高浓度的成本是多少？
A：我们低浓度的大概是200-400元的水平，高浓度的，捕捉成本是120-200元。现在即使成本低也是不合适的，因为捕集还涉及怎么用的问题，现在国家的碳交易平均27元，最高也只有92元。第二个，目前中国水泥行业二氧化碳排放占全国排放13-14%，目前水泥总产量远大于其他行业，比如石油行业一年一亿多吨，水泥行业一年十几亿吨，你买它的指标，但你产量比他要大很多。从国家层面来说，也不会允许占13%的行业去买指标。
Q：我们公司在这一块的优势
A：中材国际的主要优点是我们可以做工程设计和开发。一般像海螺水泥，它做了一个五万吨的碳捕捉系统，但是他是一个水泥企业，他只是生产水泥，比如说全氧燃烧它不知道怎么做。但我们是这个烧成系统整个技术是我们自己研发的，自己进行技术改进，相对来说只有我们能做到。比如说在提纯技术跟大连理工合作，可以在源头对浓度进行提纯，后面的成本大幅度下降，这是别的企业不具备的。要想走减排技术路线，还是要像中材国际这样研发、设计性质的企业，一体化，可以综合采用，降低碳捕捉碳减排成本。
Q：公司目前如何开展碳减排研究的？
A：目前全世界行业对碳减排，特别是水泥行业碳减排非常关注，我们定期会收集世界上所有水泥行业，或者欧盟、欧盟政府对碳减排技术的一个发布和路线图，也就是说目前世界上碳减排的技术路线，以及采用什么技术，能降低到什么程度，我们都有。我们在这些技术的基础上，针对不同的技术进行经济分析，比如我们想走全氧燃烧的技术路线，目前有些技术难度，如果用空气燃烧，里面有大量的氮气，产生二氧化碳的风压比较小，燃烧和分解很容易进行，如果用纯氧气，产生的只有二氧化碳，分解和燃烧产生的产物也是二氧化碳，在相同温度情况下，对分解反应、燃烧反应起抑制作用，如何突破这个技术，我们专门建了一个全氧燃烧实验室，在实验室阶段如何保证在高二氧化碳浓度情况下保证分解和原料的燃烧完成，技术突破了才可行。第二块，我们和大连理工进行了专门合作，他们提出来如果采用后捕集，空气中氧浓度是30%的话，每吨大概300-350块钱才能捕集下来，如果浓度75%以上，告诉我们成本在200块钱，他这里一百多块钱，我这里再一百多块钱，加一起两百多就可以把二氧化碳捕集到99%这么一个浓度。我们集团一方面大量参考国内外的技术，第二个基于我们的实验，第三个和我们的战略合作伙伴系统性的方案进行投资分析和运行成本的分析，最后得到了我们认为比较经济的可行的方案。但全氧燃烧技术还没有走向真正的工业应用，包括世界著名的水泥公司和集团，目前都是在实验阶段。
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