从国内外8家水泥头部公司看低碳转型技术路径：燃料替代

　　水泥工业过程中释放的二氧化碳主要来自熟料生产过程，一方面产生于碳酸钙高温分解生成的CO2,另一方面在超高温加热的过程中，化石燃料燃烧排放的CO2。目前煤炭依旧是现阶段石灰石煅烧使用的主要燃料源，为超过95%的水泥生产供热。

燃料替代的发展进程

　　燃料替代技术目前是水泥行业发展较为成熟的减碳技术。从世界范围来看，欧洲处于领先地位，替代燃料替代率高达约39%，接下来是巴西和北美地区，大约5%左右，而我国水泥行业燃料替代率不足2%，位于末位。[1]

　　目前我国水泥行业燃料替代技术的发展相对落后，仍处于使用水泥窑炉协同处置技术的阶段。多数水泥企业建设的水泥窑协同处置生产线生产的“替代燃料”由于废弃物的预处理处置质量不高，导致生产的“替代燃料”热值波动大，对水泥熟料生产线运行造成较大影响，并未达到国际上认可的替代燃料质量标准。[2]

各替代燃料的介绍

　　替代燃料(AF)是指能替代传统化石燃料的总称，分为生物质替代燃料和非生物质替代燃料，一般由可燃的废弃物制备而成。水泥工业可利用的替代燃料达上百种，如废旧轮胎、RDF、秸秆、废油、焦油、垃圾沼气等。[3]

　　本文将对生物质燃料、轮胎衍生燃料(TDF)、废弃物衍生物(RDF)及新型能源氢能、电力及太阳能作主要介绍。

　　能作为水泥替代燃料的固体废弃物燃料分类复杂，种类繁多，除部分生物质燃料外，主要包括轮胎衍生燃料(TDF)、废电解池(SPL)、干市政污泥(DSS)、固体回收燃料(SRF)、城市固体废弃物(MSM)、垃圾衍生燃料(RDF)、次煤和塑料废弃物等，其中以城市固体废弃物来源最广，加工为RDF后能使燃料品质更稳定。[4]

　　在水泥工业应用可燃废弃物工程技术方面，发达国家早已步入应用“替代燃料”的高级阶段，而我国还处在水泥窑炉协同处置的初级阶段，多数水泥企业建设的水泥窑协同处置生产线生产的“替代燃料”并未达到国际上认可的替代燃料质量标准。国家发改委于2019年公布了《产业结构调整指导目录(2019本)》，首次将“水泥窑协同处置”和“替代燃料技术”分开，作为两项技术内容提出，表明我国对水泥窑炉协同处置可燃废弃物工艺技术和替代燃料应用技术的认知水平已有了很大的提升和转化，对其发展均已提出了重点要求。尽管目前我国水泥行业的可燃废弃物仍处于于一家一户、自制自用、效率极低的阶段，相信未来随着对替代燃料认识及配套链条的完善，我国水泥行业也会步入替代燃料的高级阶段。

1. 生物质燃料

　　生物质是指所有植物、微生物、部分动物等及其废弃物的总称。生物质燃料泛指由生物质萃取的固体、液体或气体燃料。水泥工业常用的生物质替代燃料主要有：秸秆、稻壳、废木材、农林废弃物等。不同于石油、煤炭等传统燃料，这新兴的生质燃料是种可再生燃料，相较于其他燃料也较不容易造成环境污染。[3]

　　生物质燃料具备碳中性、可再生性、环境友好性(碳含量低、不含硫、重金属等元素)的特点，成为未来各国水泥公司发展的重要方向之一。

　　我国生物质资源丰富，每年约可产生秸秆约8.29亿吨，其中约6.94亿吨可收集;产生的林业残余物中有960.4万吨未来可用于能源;未来与CCUS结合时可成为负碳技术。总之，我国的生物质燃料碳潜力巨大，但由于生物质燃料存在热值波动性大、回收难度大、燃烧稳定性差等特点，目前生物质替代燃料在我国的水泥行业还未得到大规模应用。[4]

　　国外生物质燃料替代进程起步较早，Holcim、Cemex、Heildelberg的生物质燃料(动物骨粉、农作物、木屑和其他农作物)在替代燃料中的占比超过了15%。2021年，Heidelberg Cement替代燃料在燃料结构中的比例为26.4%。其中，所使用的基于废物的生物质占替代燃料组合的42%左右。(2017年之前Holcim集团和Lafarge集团还未合并。)

　　表1. 世界先进水泥企业替代燃烧种类及占比

　　来源:IFC, Increasing the Use of Alternative Fuels at Cement Plants: International Best Practice(2017)

　　海螺水泥(股票代码：600585,00914)：海螺水泥是使用生物质燃料的领先者——2018年，海螺水泥在柬埔寨马德望地区结合当地水稻规模种植的优势，建成了第一条生物质燃料系统;2020年10月，在枞阳海螺熟料生产线建设中国首套生物质替代燃料系统顺利建成投产，同时解决了农业秸秆处理难、易引发环境污染等问题，该项目是中国水泥行业首套生物质替代燃料系统，每年可减少二氧化碳排放近20万吨。

　　图1. 枞阳海螺秸秆输送

　　亚洲水泥(中国)(股票代码：00743)：使用生物质衍生燃料，减少用煤。

　　Heidelberg Cement：解决工厂附近的市政当局和工业公司所面临的与废物处理有关的问题。在2021年所使用的基于废物的生物质占替代燃料组合的42%左右。2021年，替代燃料在燃料结构中的比例为26.4%。到2030年，集团计划将这一数字提高到45%。

　　UltraTech Cement：与印度生物质供应商达成协议，用生物质替代燃煤，将建立一个可持续的农业废弃物供应链，用于UltraTech的窑炉生物质能。这种以生物质为基础的燃料模型将有助于安全处理目前在开阔地燃烧的农业残留物，从而有助于减少范围1和范围2的排放。泥窑中增加农业残渣的使用也将增加农民的收入，同时减少国家对煤炭进口的依赖。

2. 垃圾衍生燃料RDF

　　RDF全称为 Refuse Derived Fuel，即垃圾衍生燃料，是从生活垃圾中分拣出废塑料、废纸、废木料、纺织品等，经过破碎、干燥、成形，制成的无害固体燃料。(美国SSI破碎系统工程公司对RDF的说明)RDF发热量为14595～20016 kJ/kg，大大高于煤(约10870kJ/kg)，而我国一般城市生活垃圾的平均发热量在4000kJ/kg左右。[5]成都建筑材料工业设计研究院有限公司技术中心高敏先生在《水泥窑协同处置城乡生活垃圾工艺技术》一文中写道：“(1)城乡生活垃圾经过预处理后被分选为三部分：初级RDF、腐植物渣土、无机重质物……;(2)风选所得到的有机可燃物经过进一步多级破碎处理，将有机可燃物制成初级RDF，在制备过程中未加入任何添加剂(石灰粉、煤粉等)，未经过烘干、成型等传统必要工艺，简化了处置方法。”

　　美国材料实验协会(ASTM)依据垃圾加工的程度、性质等将RDF分为7类。[6]国外RDF起步早，目前已经发展较为成熟，美国建有RDF发电站 30多处，日本多家公司已将RDF制造产品化。在我国，仍处于起步阶段，RDF落地项目较少，近年来成都建材院、华新水泥等设计投运了多个生活垃圾制备RDF及水泥窑协同处置项目。

　　目前我国水泥行业替代燃料方面处于低级发展阶段，对于“垃圾衍生燃料RDF”和“可燃废弃物”概念混淆。有些人将中材国际溧阳、华新豪瑞武穴、金隅芬兰邯郸等利用水泥窑炉协同处置原生态城镇生活垃圾的技术模式，通过预处理获得投入分解炉的轻质可燃物都误称为 “RDF”。(水泥窑协同处置技术，是根据所处置危险废物的物理形态、包装方式、化学特性等制定针对性的处置方案，分别从生料磨、分解炉及窑门罩等位置进行投加，在进行熟料或水泥生产的同时，实现对危险废物的无害化处置过程。)在国内外8家水泥头部公司的燃料替代行动中，都有利用水泥窑协同处置技术进行燃料替代和固废处理的行动。江旭昌(2021)搜集梳理了我国现有十二个单位研发出十种不同规模的水泥窑炉协同处置城镇生活垃圾的技术模式，表明到目前为止还没有一种是应用真正意义上符合欧洲标准的“RDF”。

　　由于RDF由生活垃圾制备而来，我国现行的垃圾分类政策并未普及，只是在个别城市开始推行。因此，国内所制备的RDF水分高，热值低，距国际主流的RDF-5有明显差距。

　　2020 年，我国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300千克标煤计算，我国生活垃圾燃烧后可替代0.9 亿吨标煤,RDF发展潜力大，未来RDF产业和标准有待建立，特别是垃圾预处理产业。

　　海螺水泥(股票代码：600585,00914)通过阶梯炉、热盘炉等技术的集成与应用，将协同处置和CKK项目进行升级改造，直接RDF燃料入窑，进一步提高热值利用率。计划到2025年，RDF替代化石燃料的比例约10%。

　　Holcim和Heidelberg Cement具有相对更完善的固体废弃物处理、替代燃料生产体系和经营管理体系。Holcim正在努力用来自当地的、可替代的和从废物中提取的非采掘燃料取代传统的化石燃料，并开始采用近红外光谱技术,可用于分析进料过程中的替代燃料性质，并使用最佳燃料组合实时补偿质量变化。这种解决方案增加了替代燃料的使用，从而减少了二氧化碳的排放。我国应借鉴其相关成功经验，完善替代燃料的生产标准体系和替代燃料质量控制管理标准体系。

　　UltraTech Cement: 利用城市固体废物同时增加工业废物的联合处理，以减少运往堆填区或焚烧的废物量。将城市固体废物(MSW)用作水泥厂燃料，垃圾衍生燃料(RDF)在印度越来越受欢迎，RDF有潜力取代其水泥制造业15-20%的主要化石燃料。

　　此外，在2022年初，Cemex宣布收购Broquers Ambiental公司，这是一家专注于分离、回收和处理墨西哥克雷塔罗市产生的城市固体废物的可持续发展公司。此次收购是Cemex未来行动计划的一部分，该计划的目的是实现碳中和;Cemex在可再生柴油的使用方面处于行业领先地位,这种先进的第二代生物燃料与其目前的车队完全兼容，在100%比例使用时，可以减少60%至80%的运输碳足迹。

3. 轮胎衍生燃料TRF

　　废旧燃料具有热值高、含水量低的优势，因此也最早成为水泥行业的替代燃料，上世纪50年代，最早应用于德国，目前在国外已较为普及，美国约有40%以上的水泥厂都在焚烧废旧轮胎，日本废旧轮胎用作水泥窑替代燃料的约占10%，而波兰、乌克兰等东欧国家将废旧轮胎作为回转窑的主要能源(燃料替代率达60% 以上)。[7]Holcim水泥、Cemex水泥、Heildelberg水泥、Lafarge水泥轮胎衍生燃料在替代燃料中的占比分别为10%、16%、11.6%和19.7%。而我国废旧轮胎则以生产再生胶为主，综合回收率约为50%，应用于水泥窑的比重较少。

　　废旧轮胎的热值高，改造成本较低，流程简单，且其燃烧所排放的氮氧化物及灰分中的重金属都比煤炭要少，(《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》中也已明确指出，废轮胎中20% 化石碳仍计入碳排放，80%的生物碳不计入碳排放。)是我国水泥工业未来应着力发展的替代燃料之一。

4. 氢燃料

　　水泥生产中的氢燃料替代是指在熟料煅烧过程中，用清洁能源氢来代替化石燃料加热，将氢气注入窑内。

　　图2.

　　Heidelberg Cement：2021年，Heidelberg Cement子公司Hanson UK英国里布尔斯代尔工厂的一座水泥窑成功实心全球首次以零燃料混合方式运行，由油轮运送的氢气(39%)、生物质成分(肉和骨粉12%)和甘油(49%)组成。这项由政府资助的试验达到了100%的替代燃料替代率。

　　Cemex: Cemex是氢气使用的领导者，早在2019年就开始在工厂中使用氢能，并在2020年开始将其所有欧洲水泥厂进行技术改造。2022年，CEMEX对HiiROC进行了投资，HiiROC以独特的等离子工艺生产氢气，是一家拥有一种低成本、零排放制氢技术的初创公司。 CEMEX此次投资的目标是提高CEMEX水泥窑的注氢能力，从而提高替代燃料对化石燃料的取代率。

　　Holcim也在进行用氢作为替代燃料的研究。

　　图3.

　　国内目前对熟料煅烧氢能利用技术目前还处于研究阶段，中国建材(股票代码：03323)牵头成立了碳排放标准化领域委员会，其将结合国家需求和行业发展态势，正在开展CCUS、氢燃料替代等联合攻关。

5. 电力、太阳能等新型能源加热

　　对于水泥生产来说，采用电加热无论从技术要求(需要较高温度和功率)、设备改造还是运营经济性上看均不具备很高的可行性，未来可能不会成为重要的减排手段，但不排除其潜力。太阳能加热的方式目前也处于研究和试点中。Cemex和Synhelion使用太阳能加热CO2­和水蒸气的混合气体煅烧熟料;瑞典Cemzero项目和2018年挪威的某项目验证了水泥生产和电加热结合。

　　中国建材(股票代码：03323)：加大对太阳能、风能等新能源的利用。例如宁夏建材通过“光伏 + 风电 + 储能 + 余热发电”提出“零外购电工厂”概念，于丽江西南建设碲化镉光伏发电系统;该集团亦宣导使用可再生能源，2021年报告期内使用约 404716 兆瓦时可再生能源。

　　图4.

　　华润水泥(股票代码：01313)：集团计划先于广东封开、罗定，广西武宣、田阳、陆川、平南等水泥生产基地，以及部份骨料、装配式建筑工厂等条件合适的位置，推动分布式光伏项目试点，并逐步推广至其他生产基地。

　　海螺水泥(股票代码：600585,00914)：2021年，集团升级了风力发电系统，完成了海螺新能源的战略收购，并拓展了储能系统的技术开发及光伏发电等新能源板块业务，在水泥生产的过程中加大清洁能源使用比例，进一步加强清洁生产，降低产品碳足迹。截至报告期末，本集团已建成19个合计200MW的光伏发电项目，年累计发电量1.64亿千瓦时。

　　Heidelberg Cement：自2021年初以来，海德堡水泥公司已与各大洲的试点项目签署协议，增加150兆瓦的风能和太阳能可再生能源发电，预计每年总发电量为350吉瓦时。其中一些项目最早将从2022年开始为海德堡水泥公司生产绿色电力。

　　Cemex: 2021年，西麦管理了近2300万吨废物和不可回收的副产品，是送往垃圾填埋场的废物的近57倍。水泥窑中共同处理废物作为替代燃料，对社会来说，这是一种比填埋或焚烧更有效的废物管理解决方案。2021年，Cemex继续在清洁电力领域处于行业领先地位，其水泥厂清洁电力消耗接近30%。

　　2020年，由于与PGE Obrót达成协议, Cemex在波兰的业务实现了100%的可再生能源供应。此外，Cemex与Engie的协议延长了三年，为其在英国的业务提供100%的可再生能源;Cemex与瑞士光热技术企业Synhelion合作，2022年首次将水泥熟料生产过程与Synhelion的聚光热利用系统结合起来并成功完成生产。Synhelion是可持续太阳能燃料领域的全球先驱，其独特技术将集中的太阳能热能转化为市场上现有的最热门的热处理工艺。

　　在未来，我国水泥行业替代燃料的发展，会受到煤和石油焦的价格变化、垃圾分类的逐渐普及、以及预处理技术等相关技术的完善的影响，若伴随政策正确的引导，相信水泥行业的燃料替代会越走越远，水泥的低碳之路也会倍道而进。

　　注：除特别说明外，各公司使用的技术内容均摘自其ESG报告。

　　参考文献

　　[1]崔源声,方艳欣,王硕.国外水泥工业替代燃料的最新发展趋势[J].水泥,2018,No.488(01):9-12.

　　[2]夏凌风,郭珍妮,邱林等.水泥行业碳减排途径及贡献度探讨[J].中国水泥,2022,No.246(11):14-19.

　　[3]江旭昌.浅论可燃废弃物应用技术在水泥工业发展的两个阶段[J].新世纪水泥导报,2021,27(04):1-18

　　[4]RMI,2022,加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路

　　[5]江旭昌.对“垃圾衍生燃料”RDF之探析[J].新世纪水泥导报,2021,27(03):2-6.DOI:10.16008/j.cnki.1008-0473.2021.03.001.

　　[6]徐昕. 城市生活垃圾制备衍生燃料(RDF)工艺实验研究[D]. 浙江工业大学,2010

　　[7]马旭,吴佳泺,李文祎.碳中和背景下我国水泥工业替代燃料发展的若干思考[J].新世纪水泥导报,2022,28(03):1-5.DOI:10.16008/j.cnki.1008-0473.2022.03.001.

　　撰写：郑薇

　　审校：刘春蕾

　　原创 青悦数据 青悦ESG