瞻望我國CCF/CNC 項目成功與推廣

——推薦水泥廠和化工廠共同組成的碳中和聯(lián)合體 

為了敘事清晰方便，CCF/CNC是筆者起名的《 水泥廠和化工廠共同組成的碳中和聯(lián)合體》 英文名稱 ”Cement plant and Chemicals plant Formed Carbon Neutralization Complex” 的簡稱。通過最近10來年的調(diào)查分析和研究，本人發(fā)現(xiàn)并看好CCF/CNC，認(rèn)為這是水泥工業(yè)高質(zhì)量實現(xiàn)碳中和的一條有效途徑。特撰寫此文，鄭重推薦給我國政府主管部門和建材水泥龍頭集團及其掌門人士?，F(xiàn)將其主要技術(shù)經(jīng)濟內(nèi)涵及效益闡述如下。

中國水泥網(wǎng)高級顧問 高長明

大家知道，水泥工業(yè)要實現(xiàn)碳中和，首先是水泥生產(chǎn)的全過程本身必須深入研發(fā)創(chuàng)新，從品種、原料、燃料 、工藝、裝備、數(shù)字化、智能化等.全方位審視改進研發(fā)創(chuàng)新，盡最大可能把水泥單位能耗和單位碳排放降到最低。其次是采用二氧化碳捕集利用和封存技術(shù)CCU/S，并爭取 CCU(利用)最大化，CCS(封存)最小化。因為前者的技經(jīng)效益比后者的優(yōu)越許多。組建CCF/CNC是一個高效高質(zhì)利用水泥廠二氧化碳廢氣生產(chǎn)清潔人造汽油的整體解決方案。它可以充分發(fā)揮水泥廠和化工廠各自的特點，優(yōu)勢互補。既可幫助水泥廠減碳，實現(xiàn)CCU，還給化工廠提供生產(chǎn)汽油所須的原料——二氧化碳，為兩者共同實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)創(chuàng)造了有利條件。同時，這個聯(lián)合體給全社會提供的最終產(chǎn)品主要是綠色零碳水泥、綠氫和人造清潔汽油。這些都是國民經(jīng)濟建設(shè)不可或缺的重要資源和材料，尤其是汽油，對我們這個缺油國家來說，其意義更為顯著。

2014年美國海軍研究院成功實現(xiàn)了從海水中獲取氫氣H2的實驗室電解試驗，與氫氣共存的還有一種低碳?xì)湓咏M成的所謂合成氣體Syngas。進一步的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，往一定比例的氫氣和合成氣所組成的混合氣體中注入二氧化碳，在一定的溫度和壓力下，進行催化耦合反應(yīng)可以生成某些化學(xué)產(chǎn)品(甲醇等)或人造燃料(汽油)。這是一項十分重大的科技發(fā)現(xiàn)。為了把這項實驗室的成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的大量后續(xù)研發(fā)試驗工作，諸如深入的基礎(chǔ)研究、半工業(yè)性中試、工業(yè)生產(chǎn)示范試驗等，一直在包括中國在內(nèi)的世界一些國家不懈的努力探索之中，現(xiàn)在已經(jīng)進入最后的逐步收官階段。這對水泥工業(yè)或許可以說是來得正當(dāng)時。

我國中科院大連化學(xué)物理研究所位健、孫劍、葛慶杰團隊2015年立項開展利用二氧化碳生產(chǎn)汽油的試驗研發(fā)工作。2017年獲得實驗室研究試驗成功。之后該所和珠海市福沺能源科技有限公司合作，在山東濟寧鄒城工業(yè)園區(qū)建設(shè)了一套年產(chǎn)汽油1000噸(相當(dāng)于日產(chǎn)3噸)的半工業(yè)性中試裝置。2020年中試投運。2021年該中試裝置已生產(chǎn)出1000噸汽油，質(zhì)量達(dá)到國家VI汽油標(biāo)準(zhǔn)。屬清潔汽油之列。目前正在籌備進行年利用二氧化碳40萬噸，即年產(chǎn)汽油10萬噸以上的工業(yè)生產(chǎn)示范試驗。筆者認(rèn)為, 這對我國水泥工業(yè)減碳CCU的工程實踐，無疑是一個大喜訊和好機遇。給水泥企業(yè)創(chuàng)造了一個工程實踐CCU的大平臺。希望我國位于前10~20的水泥集團抓住這個絕佳的機遇，積極創(chuàng)造條件，主動尋求和配合大連化學(xué)物理所, 以及有關(guān)研究機構(gòu)、化工企業(yè)等，共同組成碳中和聯(lián)合體， 推進 CCF/CNC項目的工程實踐應(yīng)用和發(fā)展，爭取早日實現(xiàn)水泥企業(yè)和化工企業(yè)的合作共贏。

本人推薦的CCF/CNC 項目總體框架示意圖，如圖1所示。

圖1 ：CCF/CNC 水泥廠和化工廠共同組成的碳中和聯(lián)合體

CCF/CNC由5個專業(yè)行業(yè)所組成：①和②分別是光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電及儲能裝備，主要功能是給聯(lián)合體提供足夠的零碳電能。③是水泥廠，主要功能是生產(chǎn)低碳水泥產(chǎn)品，同時給化工廠⑤提供二氧化碳，用作生產(chǎn)人造汽油的原料。④是CCU，其功能是將水泥窯廢氣中的二氧化碳全部捕集后送到化工廠。⑤ 是化工廠，功能是先電解海水或普通水獲得綠氫和合成氣，再利用水泥廠的二氧化碳生產(chǎn)汽油。同時向水泥廠提供一部分綠氫用作替代燃料，供水泥窯煆燒熟料之用。

二氧化碳和綠氫在聯(lián)合體內(nèi)部屬于水泥廠和化工廠之間的單向供應(yīng)原燃料。聯(lián)合體的最終產(chǎn)品主要是零碳水泥、綠氫和清潔人造汽油，以及少量的其他化學(xué)產(chǎn)品。整個聯(lián)合體實現(xiàn)碳中和運營，二氧化碳排放為0。

從我國現(xiàn)有的科技和經(jīng)濟實力, 以及技術(shù)裝備水平考量，光伏電、風(fēng)電和水泥廠三個行業(yè)已經(jīng)具備勝任聯(lián)合體所要求的足以完成任務(wù)的能力。 碳捕集行業(yè)則處于基本上能勝任的狀態(tài)，可以在工程生產(chǎn)應(yīng)用中逐步改進提高，問題不大。相對而言，在利用二氧化碳生產(chǎn)汽油關(guān)鍵技術(shù)的成熟度、可靠性與技經(jīng)效益等方面尚須要一定程度的提高鞏固或改進，可能還會遇到某些有待妥善解決的問題。也就是說，在聯(lián)合體運行初期，化工廠的壓力或?qū)^大一些，成為整個碳中和聯(lián)合體正常投運生產(chǎn)的關(guān)鍵。 我們水泥廠應(yīng)該做好應(yīng)對的思想準(zhǔn)備，以及人、財、物等全方位的準(zhǔn)備，始終積極主動大力配合聯(lián)合體各成員單位的工作，以利及時解決問題。保障工業(yè)生產(chǎn)試驗的順利開展，有備無患。

其實這里起決定性作用的是，筆者對我國利用二氧化碳生產(chǎn)汽油的工業(yè)生產(chǎn)示范項目即將開展并獲得成功的高度信心。而這個信心的來源是有充分的實際數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)支撐的。因為在這個科技領(lǐng)域和高效催化劑等的研發(fā)方面，事實上我國已達(dá)到國際先進甚至領(lǐng)先水平。因而本人有所預(yù)感，如果我國龍頭水泥集團有意“跨行業(yè)”參與這項研發(fā)工作。這對整個項目的進展和圓滿收官很可能發(fā)揮并收獲“異軍突起，功效疊加”的效果。本人謹(jǐn)此進諫我國龍頭建材和水泥集團，對是否參與利用二氧化碳生產(chǎn)汽油這個項目的課題, 認(rèn)真的進行一番可行性研究。與其像現(xiàn)在這樣，無奈的重復(fù)建設(shè)，擴大水泥產(chǎn)能，束縛于”以大取勝”的硬拼做法，造成水泥產(chǎn)能過剩的惡性循環(huán)；還不如擴大視野和魄力，跨出水泥行業(yè)將這一部分人力、物力、財力資源投入新興的CCF/CNC項目，“以碳中和取勝“？利弊風(fēng)險如何判斷抉擇，敬請龍頭建材水泥企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層、董事會、掌門人深思遠(yuǎn)謀進行慎審科學(xué)的決策。

根據(jù)筆者不完全搜集和統(tǒng)計，有關(guān) CCF/CNC項目國際上的進展情況是, 2017~2018年德國和加拿大完成中試后，現(xiàn)今世界上正在籌建、籌備、籌措、籌議等在建和擬建的工業(yè)生產(chǎn)示范試驗的已建成和正在組建的聯(lián)合體有18家之多。德國最多有6家，包括首創(chuàng)的Rudersdorf水泥廠。美國有3家，加拿大有2家，都以CCS為主，CCU為輔。其余是比利時、意大利、挪威、西班牙、奧地利、英國、澳大利亞等國家各有1家。 這些項目的熟料產(chǎn)能大多介于2000t/d~3200t/d，水泥年產(chǎn)能70萬噸~110萬噸，二氧化碳年利用量50萬噸~80萬噸，人造汽油年產(chǎn)能12萬噸~20萬噸之間。計劃投入工業(yè)生產(chǎn)示笵試驗的時限是2024~2026年之間。如果這些都能正常的進展，那么這18個項目，在2028~2030年以前均將陸續(xù)通過工業(yè)生產(chǎn)示范試驗的考核，相繼投入正常的商業(yè)運營。由此可以看出，國際上對CCF/CNC項目的預(yù)期可以說是高度一致的樂觀。這更益增強了筆者看好CCF/CNC項目的信心。

上述18個國際CCF/CNC項目的進展設(shè)想計劃，給我國提供了一些趕超的參考標(biāo)桿。 基于我國現(xiàn)今已經(jīng)擁有的綜合國力和發(fā)展動力及其趨勢，適當(dāng)參考世界首富美國馬斯克的“2030年中國GDP將趕上美國”的預(yù)言。如果我國現(xiàn)在著手啟動CCF/CNC項目。筆者預(yù)計到2028年，我國投入工業(yè)生產(chǎn)示范試驗的CCF/CNC項目有望達(dá)到3~5家，技經(jīng)指標(biāo)先進，與德國等并駕齊驅(qū)躋身世界領(lǐng)先之列。我國的發(fā)展空間更大, 發(fā)展?jié)摿Ω渑妗?/p>

不難想見，屆時CCF/CNC項目很可能是多家水泥廠和多家化工廠共同組成的效率更高，生產(chǎn)規(guī)模更大，覆蓋地域更廣的大中型碳中和聯(lián)合體，可以為綠色零碳社會的經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。讓我們共同努力砥礪奮進吧！前景可期，動力更大！

2021年初，本人曾經(jīng)向我國幾家頂尖的水泥集團通報過德國Rudersdorf水泥廠CCF/CNC項目的情況，也發(fā)表過有關(guān)文章。希望這次本文的推薦能夠得到政府主管部門、中國建材工業(yè)聯(lián)合會以及我國水泥行業(yè)的關(guān)注重視。CCF/CNC項目同樣可以開拓國際市場，促進國際技術(shù)和經(jīng)濟的交流與合作, 其市場需求目前處于萌芽狀態(tài)。

（作者：中國水泥網(wǎng)高級顧問 高長明）