引言
水泥是重要的基础原材料，在社会经济建设中有着重要的作用，2021年世界水泥产量约为42.8 亿吨。水泥生产需要消耗大量的石灰质原料和化石燃料，单位产品二氧化
碳排放平均约为610千克，由此也可推算出2021年世界水泥行业产生二氧化碳排放接近26亿吨，约为人类生产活动相关的二氧化碳排放量的7%。从全球多个国家经济发展状况来看，水泥产量仍有一定的增长潜力，未来几年内水泥生产的碳排放量占全球碳排放量的比重仍会呈上升趋势。碳
减排是水泥行业绿色、可持续发展的必由之路，也是水泥行业面临的机遇和挑战。
亚洲地区大多为发展中国家，近几十年来水泥产量持续快速增长，尤其是中国和印度，两国水泥产量约为世界水泥产量的63%。
2021年中国水泥产量24亿吨，熟料产量18亿吨，基本与2013年持平。中国为世界第一水泥生产和消费国，产量占世界总产量的56%左右，但近几年来产量基本稳定在24亿吨左右，表明其产能已经达到了峰值。有调研分析表明，中国吨水泥生产二氧化碳排放约为560千克，水泥行业产生的二氧化碳排放约为13.4亿吨。从技术层面分析，中国水泥生产企业全部采用了以预分解窑为核心的新型干法生产工艺技术，并配置低温余热发电减碳设施，整体处于国际先进水平；主要供能燃料为煤炭，生物质和垃圾衍生燃料的占比为2%左右。
为实现“双碳”目标，中国建筑材料联合会发布《推进建筑材料行业碳达峰、
碳中和行动倡议书》，提出中国水泥行业要在2023年前率先实现碳达峰，具体的碳减排路径及技术措施则包括：(1)去产能，中国政府实行供给侧改革去除产能过剩。产能置换是推动水泥行业供给侧改革的重要手段，也是淘汰水泥落后产能以减少能耗和碳排放有效方法；(2)替代原料，采用电石渣、钢渣等高氧化钙废渣替代石灰质原料，进而减少生产过程二氧化碳排放；(3)替代燃料，利用生物质燃料、工业废弃物替代化石燃料，推广使用水泥窑协同处置废物技术；(4)进一步提高既有工艺技术的能效水平，实现生产企业“两化”融合；(4)大力发展和利用新能源，充分利用风力发电和光伏发电技术，积极开发新型燃烧工艺技术；(5)研究和开发二氧化碳捕集和利用(CCUS)技术。
淘汰落后产能是中国水泥行业与其他国家水泥行业的一大区别，主要原因在于中国的水泥需求已接近峰值，预计未来会呈逐步下降趋势。中国的
政策引导水泥企业整合产业链，淘汰落后赘余产能，优化资源和技术配置，使优化后的产业链效率更高，水泥单位产品二氧化碳排放量也会逐步下降。在原料替代方面，中国水泥企业较为重视使用电石渣、钢渣等高含氧化钙材料作为石灰石替代，以实现水泥生产过程碳减排。中国各工业门类齐全，高含氧化钙工业副产品或废弃物产出量大，通过水泥生产综合利用，可获得多重的经济和环境效益。在替代燃料方面，中国水泥企业物质和垃圾衍生燃料的平均使用率较低，通过政策引导和技术革新(如：水泥窑协同处置废物技术)，替代燃料在未来水泥生产过程中具有较大减碳潜力。在能效技术方面，中国水泥企业在新技术的研发和应用上更为积极，新型干法工艺和余热利用方面处于领先水平，特别是近期实施的“两化”融合战略，也有利于生产工艺技术和管理水平的提升。在二氧化碳捕集和应用方面，有中国水泥企业也正积极尝试应用，可为未来规模化应用积累技术和经验。
2021年印度水泥产量约为3亿吨，产量居世界第二，占世界水泥总产量的7%左右。水泥工业二氧化碳排放约1.75亿吨，占全印度总碳排放量的8%。吨水泥生产二氧化碳排放量约为565千克。印度拥有一些比较先进的水泥厂，新建水泥厂大都采用预分解窑，主要供能燃料为煤炭占95.3%，石油占1.3%，生物质燃料和工业废弃物占比约3.4%。
印度的城市化率为34%，人均水泥消费仅有209千克/年。印度水泥需求结构中，房地产约占67%，商业化建筑占11%，基础设施建设约占13%其余工业建筑需求占9%。
印度水泥行业的总体减碳目标是在2030年碳排放减少到2005年的33%~35%，燃料替代率达到30%，可再生能源发电占比达到100%，在2050年吨水泥生产直接二氧化碳排放降低到350千克，并通过CCUS技术应用基本实现碳中和。
2013年印度水泥行业研究制定了低碳发展路线图、并于2018年进行了更新，主要的技术措施包括：(1)采用
节能措施和设备进一步提高热能效率和用电效率；(2)建立和采用高效余热回收系统；(3)大力采用替代原燃料技术；(4)降低水泥熟料系数，推广应用混合水泥和低碳水泥；(5)研发采用创新型技术，例如，矿化剂使用、碳捕集利用等。
二、北美地区水泥行业碳减排发展现状
北美地区仅有美国和加拿大两个发达国家、国情基本相同，但与亚洲国家区别较大。
2021年美国水泥产量约为8500万吨，其中波特兰水泥产量约8300万吨，砌筑水泥产量约200万吨，产量占世界总产量的2%左右，水泥行业二氧化碳年排放量约为6400万吨，吨水泥二氧化碳排放量约为750千克。美国水泥行业工艺技术发展相对比较滞后，水泥厂主机设备大部分靠进口输入，部分水泥生产窑炉设备老旧，热效率较低，主要供能燃料为煤炭和石油焦占60%，天然气约占22%，其他燃料为生物质燃料、替代燃料等。
美国城市化率已达到80%以上，水泥消费结构是预拌混凝土占70%~75%，混凝土产品占10%，建筑占8%~10%，其他占8%~12%。美国各大水泥集团以水泥产业为中心，上下游产业链配套完善，水泥集团大多都拥有自己的原料处理基地及一定规模的骨料生产基地、水泥生产工厂、合理布局的混凝土搅拌站和水泥配送终端，从水泥生产原料供应到水泥成品多渠道销售各环节都有一定的保障。
美国水泥行业的总体目标是在2050年前实现碳中和，2030年减碳目标是替代原料率6.8%，替代燃料率20%，能源效率达到3.69GJ/t水泥熟料，熟料系数0.85；2050年减碳目标是替代原料率10%，替代燃料率50%，能源效率达到2.95GJ/t水泥熟料，熟料系数0.75。为此，美国波特兰水泥协会(PCA)也提出了相应的碳减排路线图，近期是提高能效，采用回收的废弃物替代原料，生产低碳水泥混合材料，优化设计实现生命周期内最低排放；中期是增加替代燃料和可再生能源的使用；远期是碳捕捉和引入新的水泥基材料。
美国现有水泥厂大部分比较老旧，水泥生产的热能效率和电效率均较低。近年来一些水泥厂升级为预分解窑工艺技术装备，提高了能源效率，并且增加了工业废弃物替代燃料的使用，降低了单位产品碳排放强度。目前单位熟料热耗为3.768GJ/t，单位水泥电耗为134kWh/t。美国水泥生产原料替代率为5%，燃料替代率不高，其种类主要是一些生物质能。由于水泥熟料系数大于0.9，熟料是水泥生产的主要碳排放源，新开发的波特兰石灰石水泥(PLC)允许石灰石在水泥中的添加量为15%，而普通波特兰水泥要求石灰石的添加量不超过5%，可见推广应用波特兰石灰石水泥有助于降低单位产品二氧化碳排放。在CCUS技术应用方面，一水泥公司拟建设运营一个小型商业
化工厂，将捕集到的二氧化碳转化为低碳辅助胶凝材料。
加拿大水泥年产量长期维持在1200万吨至1500万吨之间，水泥行业二氧化碳排放约900万吨，吨水泥二氧化碳排放约为670千克。加拿大水泥行业集中度较高，豪瑞水泥等跨国公司的产能占比为81%。加拿大水泥出口美国，但随着美国水泥消费量的减少，出口量也随之降低。
加拿大水泥工厂单位水泥熟料热耗为3.695GJ，单位水泥电耗为139kW。加拿大水泥行业的总体减碳目标是：到2030年二氧化碳累计减排量为1500万吨，此后每年减少400万吨，2050年实现净零排放。加拿大水泥协会(CAC)提出了水泥生产净零排放技术路线图，也包括提高水泥生产的能源效率、低碳水泥、替代燃料技术、二氧化碳捕集和利用以及重要科技创新等几个方面。
水泥生产企业已开始生产波特兰石灰石水泥(PLC)和混合水泥，以降低熟料系数，每年减少近300万吨的碳排放。加拿大水泥行业正致力于新型的替代燃料的使用，包括新型生物燃料、清洁氢能和电气化等。加拿大水泥行业二氧化碳捕集和应用也在积极推进过程中，例如，Lehigh Hanson 水泥联合中国中材节能公司对全面的碳捕获系统进行了一项可行性研究，该系统可以从其埃德蒙顿水泥厂的烟气中捕获高达95%的二氧化碳；拉法基加拿大公司在里士满水泥厂安装烟气预处理系统，为随后的碳捕集利用提供技术支撑，同时将捕获的二氧化碳注入到水泥混凝土中的技术作为试点推广。
三、欧洲地区水泥行业碳减排发展现状
欧洲地区国家较多，但水泥生产大多被一些跨国公司垄断，包括瑞士豪瑞、德国海德堡、爱尔兰老城堡等。基于欧盟的统一
市场机制，这些水泥生产企业集团也独自承担着碳减排的工作任务，欧洲水泥工业协会(CEMBUREAU)也制定出台了水泥行业碳减排路线图。
欧洲水泥工业协会成员包含33个国家的水泥生产企业，年水泥产量约为2.4亿吨、二氧化碳排放量约为1.5亿吨；协会于2013年提出的碳减排路线图目标是到2030年二氧化碳减排30%、2050年二氧化碳减排80%。欧洲水泥工业每吨水泥二氧化碳排放量约为667千克；为进一步降低碳排放，协会提出使用脱碳原料、提高热效率、碳捕集利用等类似方式。欧洲水泥工业的替代燃料占比已接近50%，其中生物质燃料占比16%，并要求在2050年替代燃料达到90%以上，包括50%的生物质燃料。具体的减碳技术措施有如下几个方面：在水泥生产过程中，通过废弃物分拣等方式获取和和利用更多的脱碳原料和替代燃料，通过技术改造提高生产能效，开发新型低碳熟料，尝试应用氢能和电气化技术，大力推进二氧化碳捕集和应用技术，采用更多的混合材、以降低水泥中熟料掺量，以及在混凝土建筑施工过程和建筑环境中吸附捕集二氧化碳。预计在2030年吨水泥二氧化碳排放量可降至472千克，到2060年实现水泥生产零碳排放。
在欧洲水泥协会制定的碳减排路线框架下，瑞士豪瑞水泥提出了碳减排三方面内容。原燃料应用产生的直接二氧化碳排放占水泥生产总排放约75%，通过原燃料替代、低钙熟料及低熟料水泥生产、建筑材料及建筑环境固碳、二氧化碳捕集和利用，在2030年可将直接二氧化碳排放降低至475千克/吨；
电力消耗产生的间接二氧化碳排放占水泥生产总排放约5%，物流等其他能源消耗产生的间接二氧化碳占水泥生产总排放约20%，在2030年可通过社会面上新能源利用等技术措施将间接二氧化碳排放降低至13千克/吨和20%；而到2050年则实现水泥生产完整产业链的零排放。
德国海德堡水泥在2020年替代燃料用量为26%、水泥熟料系数为74%，吨水泥二氧化碳排放576千克，通过替代燃料应用和提高能效、优化窑炉系统和降低水泥熟料系数、提升二氧化碳捕集和应用、促进循环经济和创新产品开发，预计在2025 年和2050年吨水泥二氧化碳排放分别降至525千克和500千克以下；再通过未来新产品、新工艺、新技术的开发应用，实现水泥生产二氧化碳零排放。
爱尔兰老城堡水泥提出的减碳技术则包括(1)替代燃料技术：目前替代燃料率平均为30%、最高已达到60%；(2)熟料替代技术：充分利用石灰石粉、粉煤灰等资源，生产II型高混合材掺量的复合水泥；(3)针对水泥生产工艺过程，研究制定和应用“最佳可获得技术”，目前吨水泥熟料烧成热耗已下降至3300MJ，水泥生产电耗也有显普下降。
四、结语
(1)应对气候变化是世界各国共同带有区别的责任；水泥行业二氧化碳排放量较大，减少碳排放是行业发展面临的紧迫任务；目前，发展中国家水泥生产有的已经接近碳达峰、有的还有较大量的增加；发达国家水泥生产产能和二氧化碳排放量已基本锁定，技术减排的任务巨大。
(2)现阶段水泥生产二氧化碳减排技术主要包括替代原燃料、工艺设备能效提升、水泥混合材的大掺量应用；随着科学技术的发展，未来一段时间内新能源利用、新工艺技术装备研发、新型低碳水泥开发和全新的二氧化碳捕集和利用技术必将为水泥生产零碳流程再造提供强有力的技术支撑；
(3)中国是水泥生产大国，但单位产品二氧化碳排放相对较低，随着“双碳”目标的推进和减碳技术的应用，水泥行业也必将迎来大幅度碳减排的重大变化，进而实现水泥行业绿色、可持续发展，为国家社会经济建设和应对气候变化作出更大的贡献！
