自1994年《联合国气候变化框架公约》生效后，全球正式进入低碳减排时代。2015年12月通过的《巴黎协定》是继《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》之后，人类历史上应对气候变化的第三个里程碑式的国际法律文件，将为2020年后全球应对气候变化行动做出安排。我国“十三五”期间，单位国内生产总值二氧化碳排放和单位国内生产总值能耗将分别下降18%和15%，非化石能源占一次能源消费比重将提高至15%，于2017年启动碳交易市场，逐步削减氢氟碳化物的生产和消费。

 

    科学家们预测，本世纪全球平均气温将上升２℃～4℃，可能引发干旱、洪水、冰川融化和海平面上升等多种自然灾难（又称厄尔尼诺现象）。CO₂排放量超限被公认为是全球变暖的主要因素。水泥行业是一个主要的工业温室气体排放源，约占全球人为温室气体排放的5%。国际能源署（The International Energy Agency,IEA）研究表明，按照现行的政策和预测市场需求，从目前的水平到2050年CO₂排放量减少一半，水泥行业需要将CO₂排放量从2.34Gt/a减少到1.55Gt/a[1]。在减排方面，虽然采取了提高能源效率、使用替代燃料、替代原材料和降低水泥中熟料掺量等措施，但依然还有减排潜力。从中长期发展考虑，碳捕获和封存技术（Carbon Capture and Storage，简称为CCS）将在实现全球CO₂减排中起着至关重要的作用。到现在为止，还没有在水泥回转窑使用任何碳捕获技术的工业应用，水泥工业碳捕获还处在理论研究与有限的工业试验阶段。本文将主要介绍碳排放相关的法律法规及欧美在碳捕获领域的相关活动。

 

 

 

    （1） 国际公约《联合国气候变化框架公约》[2]1992年联合国政府间谈判委员会就气候变化问题通过了《联合国气候变化框架公约》。该公约于1994年3月21日生效，是世界上第一个全面控制二氧化碳、甲烷和其他温室气体排放，以应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是国际社会在应对全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架。目前已有192个国家（称为“缔约国”）批准了该公约。为实现《框架公约》目标确立了五个基本原则：

 

    1）“共同而区别”的原则，要求发达国家应率先采取措施，应对气候变化；

 

    2）要考虑发展中国家的具体需求；

 

    3）各缔约国应当采取必要措施，预防和减少引起气候变化的因素；

 

    4）尊重各缔约国的可持续发展权；

 

    5）加强国际合作，应对气候变化的措施不能成为国际贸易的壁垒。

 

    1997年12月，《框架公约》第3次缔约国大会在日本京都举行，会议通过了具有法律约束力的《京都议定书》，对2012年前主要发达国家减排温室气体的种类、减排时间表和额度等做出了具体规定，同时确立了三个实现减排的灵活机制，即：联合履约（JI）、排放贸易（ET）和清洁发展机制（CDM）。其中，清洁发展机制同发展中国家关系密切，其目的是帮助发达国家实现减排，同时协助发展中国家实现可持续发展，是由发达国家向发展中国家提供技术转让和资金，通过项目提高发展中国家能源利用率，减少排放，或通过造林增加二氧化碳吸收，碳排放的减少和增加的二氧化碳吸收计入发达国家的减排量。《京都议定书》于2005年开始生效。

 

    根据这份议定书，从2008年～2012年间，主要工业发达国家的温室气体排放量要在1990年的基础上平均减少5.2%，其中欧盟将6种温室气体的排放量削减８%，美国削减7%，日本削减6%。

 

    2007年12月，《框架公约》第13次缔约国大会在印度尼西亚巴厘岛举行，会议着重讨论“后京都”问题，即《京都议定书》第一承诺期在2012年到期后如何进一步降低温室气体的排放。12月15日，联合国气候变化大会通过了“巴厘岛路线图”，启动了加强《框架公约》和《京都议定书》全面实施的谈判进程，致力于在2009年年底前完成《京都议定书》第一承诺期2012年到期后全球应对气候变化新安排的谈判并签署有关协议。

 

    2009年12月7日～19日，《框架公约》第15次缔约方会议暨《京都议定书》第5次缔约方会议在丹麦哥本哈根举行。经过谈判，大会分别以《框架公约》及《京都议定书》缔约方大会决定的形式发表了不具法律约束力的《哥本哈根协议》。该协议维护了《框架公约》及《京都议定书》确立的“共同但有区别的责任”原则，就发达国家实行强制减排和发展中国家采取自主减排行动做出了安排，并就全球长期目标、资金和技术支持、透明度等焦点问题达成广泛共识。大会授权《框架公约》及《京都议定书》两个工作组继续进行谈判，并在2020年年底完成工作。

 

    2015年世界气候大会于11月30日在法国巴黎召开，在经历了长达13天的艰难谈判后，终于于2015年12月12日签订《巴黎协定》首份具有法律约束力的全面气候变化协议，标志着哥本哈根会议之后“减排裸奔时代”的终结。《巴黎协定》确立了2020年后，以“国家自主贡献”目标为主体的国际应对气候变化机制安排。已有184个国家提交了应对气候变化“国家自主贡献”文件，涵盖全球碳排放量的97.9%。

 

    《巴黎协定》涵盖了全球一致减排的目标、措施、资金补偿、技术援助、透明减排、减排核查等29大类内容，此协议将在2020年正式运作。该协定的主要内容是：

 

    1）确定长期目标：全球气温在工业化时期控制在升高2℃以内，到2050年后实现碳排放与碳吸收的平衡（净零排放）；2）共同但有区别的责任原则：2020年之前发达国家每年对发展中国家提供1000亿美元共同资金；3）“自上而下”方式：各国将以“国家自主贡献（INDC）”的方式参与全球应对气候变化行动；4）全球盘点的约束机制：建立从2023开始，每5年将对各国行动总体进展进行一次盘点的约束机制。

 

    （2）国际自愿减排机制[3]国际上除强制性减排机制外，还有一些基于项目的自愿减排机制，不受法律强制性约束，允许企业和个人购买碳抵消量实现其“碳中和”。该机制具有项目审批周期短、申请费用低、总体要求较宽松，通常作为强制碳减排交易市场的前身或补充形式存在。

 

    国际自愿减排机制主要有以下几个优点：1）可以使没有签署《京都议定书》的国家参与到减排交易市场中来；2）对标准、方法和政策管理进行创新与实验；3）为将来发展强制碳减排交易市场积累经验；4）提升企业或个人的公众信誉。国际上较为有影响力的七个自愿减排标准主要有： 黄金标准（The Gold Standard，GS），核查碳标准（Verifi ed CarbonStandard ，VCS），核查减排标准（The Standard for Verified Emission Reductions，2017.9 CHINA CEMENT 47 VER+），芝加哥气候交易标准（Chicago Climate Exchange，CCX ），气候行动储备方案（Climate Acti on Reserve，CAR），气候、社区和生物多样性标准（The Climate, Community & Biodiversity Standards，CCB）和维沃计划（The Plan Vivo Standards，Plan Vivo），并将各自愿减排标准所包含的核心要素分为基本信息、项目信息、核算方法、可持续性要求、审定核查与注册五大项进行比较研究，鉴于自愿减排标准和清洁发展机制（Clean Development Mechanism，CDM）标准同为基于项目减排开发的标准，所以将部分标准信息同CDM标准进行类比分析。

 

 

    为了兑现《京都议定书》承诺，欧盟于1998年3月23～24日召开了成员国环境部长理事会，通过了《欧盟关于气候问题战略》文件，提出了欧盟应对气候变化的基本立场和战略方针，建立了欧盟碳排放交易体系（European Umission Trading Scheme, EU-ETS）。

 

    欧盟应对气候变化措施需要在欧盟各成员国不同水平上制定和实施，其协调手段为法规、指令、决定和建议。应对政策包括：排放贸易、标准、财政手段等，其中，对排放贸易的期望值最高，鼓励各成员国使用《京都议定书》提出的灵活运行机制作为各成员国减排行动的补充。减排措施将针对主要的排放源和减排潜力大且成本低的领域，重点是能源、民用和服务业、工业、交通等领域。

 

    欧盟在2003年10月13日正式颁布《排放交易指令》（Directive 2003/87/EC），指令规定欧盟27国的厂商必须符合EU-ETS规定的二氧化碳减排标准，如减排量超标，就可卖出称为“欧盟排碳配额”（EUA）的二氧化碳排放权；反之，如果减排没达标，就必须从市场购买相应配额的排放权。

 

 

    英国2008年通过的《气候变化法案》（Climate Change Act, 简称CCA）使英国成为世界上第一个为减少温室气体排放、适应气候变化而建立具有法律约束性长期框架的国家。《气候变化法案》提出的碳预算体系是英国为了达到减排目标而采取的行动。作为《气候变化法案》的一部分，英国政府要求气候变化委员会为碳预算提出可供参考的目标。《气候变化法案》设定了具有法律约束力的全国性目标：以1990年为基准，到2050年前温室气体排放至少要减少80%，2020年前至少要减少20%。现在，英国的中期目标已从20%改为34%。《气候变化法案》提出的碳预算体系要求，以5年作为一个减排周期，每个周期要做3个预算，以设定英国到2050年时的减排路线。

 

 

    碳关税由法国提出，用意是希望欧盟国家应针对未遵守《京都协定书》的国家征收商品进口税，否则在欧盟碳排放交易机制运行后，欧盟国家所生产的商品将遭受不公平的竞争，特别是境内的钢铁业及高耗能产业。征收“碳关税”违反了世界贸易组织的基本规则，是以环境保护为名，行贸易保护之实。这种做法违反了WTO基本规则，也违背了《京都议定书》确定的发达国家和发展中国家在气候变化领域“共同而有区别的责任”原则，严重损害发展中国家利益。

 

 

    2009年6月26日，美国通过了旨在降低温室气体排放、减少对外国石油依赖和建立能源节约型经济的《清洁能源安全法案》，这是美国历史上第一次以法案的形式限制其国内温室气体排放。该法案的核心是限制碳排放量，通过设定碳排放上限，对美国的发电厂、炼油厂、化学公司等能源密集型企业进行碳排放限量管理。该法案要求美国到2020年时温室气体排放量要在2005年的基础上减少17%，到2050年减少83%。并引入名为“总量控制与排放交易”的温室气体排放权交易机制，该法案允许各企业通过植树和森林保护等手段抵消自己的温室气体排放量。

 

 

    日本于1990年制定了阻止全球变暖行动计划，设立了减少温室气体排放的国家目标；在签署《京都议定书》后，承诺要更严格地履行减排义务。2009年提出到2020年在1990年基础上减排25%的目标。2010年再次通过了《阻止全球变暖措施指南》，明确了日本中长期温室气体减排目标。为促进温室气体减排目标的实现，又提出通过科学分析各行业的温室气体减排潜力，确定各行业减排目标，将减排对国际竞争力的影响减至最小的行业减排新机制。

 

    《阻止全球变暖措施指南》作为日本的气候变化政策方案，给所有的部门和国际合作指出了有章可循的行动方法，既关心环境，又关心经济，目的是使制定的政策和措施能够带来气候和非气候方面的收益。指南中列出的步骤说明了怎样随着时间的推移监视计划进展，确保日本在履行《京都议定书》义务方面路线正确。

 

 

    (1) 我国应对气候变化国家方案我国是最早制定实施《应对气候变化国家方案》的发展中国家。作为履行《气候公约》的一项重要义务，我国在2007年制定了《中国应对气候变化国家方案》。该方案明确到2010年中国应对气候变化的具体目标、基本原则、重点领域及其政策措施。中国国家发展和改革委员会于2014年9月19日发布了中国应对气候变化领域首个国家专项规划《国家应对气候变化规划（2014-2020年）》，明确了2020年前中国积极应对气候变化的指导思想和主要目标，从控制温室气体排放、适应气候变化影响等方面提出政策措施和实施途径。到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，非化石能源占一次能源消费的比重增加到15%左右，森林面积和蓄积量分别比2005年增加4000万公顷和13亿立方米。抑制高碳行业过快增长，推动传统制造业优化升级并大力发展战略性新兴产业，优化能源结构，合理控制煤炭消费总量、加快石油天然气资源勘探和开发力度，安全高效发展核电，大力开发风电，推进太阳能多元化利用，发展生物质能源等。

 

    (2) 节约能源法及可再生能源法化石能源消耗是温室气体排放的主要来源。我国在2005年和2007年先后通过了《中华人民共和国可再生能源法》及《中华人民共和国节约能源法》，在节能和可再生能源使用方面为减少碳排放提供了法律保障。

 

    (3) 关于发展低碳经济的指导意见政府方面开始探索开展碳排放交易的管理和指导方案。2009年8月26日国家发改委副主任解振华表示，发改委正在研究制定《关于发展低碳经济的指导意见》，从我国国情和实际出发，开展低碳经济试点示范，试行碳排放强度考核制度，探索控制温室气体排放的体制机制，在特定区域或行业探索性地开展碳排放交易。

 

 

    1.相关行业对碳捕获和碳封存（CCS）的看法及相关的活动调查

 

    国际能源署温室气体研发计划机构（The IEA Greenhouse Gas R＆D Programme，IEAGHG）通过问卷调查，对不同地区的公司、不同企业规模和不同的行业进行了调查。调查的结果见图1[1]。

 

 

    从图1及相关调查统计可以看出，大多数被调查者都知道CCS技术，但中东和亚洲被调查对象相比欧洲关于CCS和在这一领域的活动的了解要少很多；大约82%的受访者认为CCS是一个相关的问题，或者将成为与他们相关的一个问题；中小型水泥生产商和设备制造商认为与CCS是不相关的，技术可行性和经济风险规避的不确定性，使他们更喜欢传统的二氧化碳减排方法；近一半的被调查者，尤其是来自欧洲，希望参与CCS的活动；近90%的被调查者认为，碳捕获技术在水泥行业有潜力，如果可能，会采用该技术；超过一半的被调查者愿意提供财政援助，但由于成本高，只有约35%的被调查者表示愿意提供试点或示范厂；大约40%的被调查者认为有替代CCS的CO₂减排新技术的出现，其中有10%的被调查者对排放控制技术发展持不确定性观点。

 

 

    根据二氧化碳的产生过程，碳捕获技术可以分为燃烧前捕获、富氧燃烧技术和燃烧后捕获。

 

    (1) 燃烧前捕获

 

    燃烧前捕获又称预燃烧技术（ Pre -combustion technologies），是指在燃料燃烧前，将其进行气化处理，得到可燃气体和含碳固体，可燃气体用于水泥熟料的烧成，含碳固体再作为其他燃料用，分离出燃料中的碳，从而减少水泥碳排放。

 

    最后，从CO₂和H₂的混合物中除去CO₂。当CO2浓度在15%～60%（干基），温度为500℃～600℃，压力为2MPa～7MPa时即可分离出CO₂，并进行存储。此方法同样适用于固体化石燃料。

 

    由于水泥熟料燃烧工艺特点，燃烧前CO2捕获的一个显著的缺点是仅分离出燃料燃烧产生的CO2，而石灰石原材料煅烧产生的约60%的CO2随着烟气排放了。此外，预燃烧技术相比于其他捕获技术熟料煅烧过程对氢燃烧的条件非常苛刻。因此该技术在水泥行业中应用效果不被看好，基本可以被排除[1]。

 

    (2) 富氧燃烧捕获

 

    富氧燃烧技术是水泥窑的CO₂捕获的又一种方法。其原理是利用空气分离装置（Air Separation Unit，简称ASU）将空气分离为O₂和N₂，利用高浓度的O2（大于空气中的浓度21%）进行熟料的烧成。用这种高浓度的O₂代替空气会得到较纯净的CO₂，只需要再经过净化和压缩后，即可以进行储存。为了维持适当的火焰温度，将一定量的富含CO2的烟气再循环。该集成系统将对熟料烧成过程会产生较大影响，主要是由不同气体性质以及烟气的热焓与熟料煅烧所需的能量比造成的。此时可以通过优化操作，改变O₂浓度来改善熟料烧成过程。由于水泥窑的富氧燃烧，可以提高窑的生产能力，增加替代燃料使用比例。该技术已在热电厂成功使用，水泥窑可以借鉴。

 

    富氧燃烧在水泥熟料生产中又分为全富氧燃烧和局部富氧燃烧。全富氧燃烧是指分解炉和窑都采用富氧燃烧；局部富氧燃烧是指只对分解炉采用富氧燃烧。表1列出了从2006年以来已公开的在水泥工业中的富氧燃烧技术领域的研究活动[2]。

 

 

    (3) 燃烧后捕获

 

    燃烧后捕获又称为烟气脱碳技术，就是指在燃烧后的烟气中进行捕获或者分离出CO2。该技术是目前最佳燃煤和燃气机组大装机容量的脱碳技术，通过1台捕获装置将CO2有选择性地去除。燃烧后捕获技术不仅适用于新建生产线，也适用于现有生产线的改造。烟气脱碳技术主要有吸收法、吸附法、膜分离法、钙循环法和矿物碳化法等。

 

    1) 化学吸收法

 

    一般认为化学吸收是一种较成熟的CO2碳捕获技术，因为有长期的试验经验，可从不同的工业部门得到求证，如电力部门的试点项目。在大多数情况下，采用胺的水溶液作为吸收剂。然而，化学吸收技术在水泥窑烟气的应用仅处在初期的试验阶段，即试验室试验或小规模的工业试验研究阶段。

 

    化学吸收法的一个重要过程就是解吸，解吸过程中需要大量的热量。由于窑系统60%的热量用于熟料烧成，大部分的余热用于原料的干燥和余热发电，这时就要引入再沸器，用水泥厂附近的电厂的低压蒸汽从吸附剂中解吸CO₂。粗略估计，解吸增加的能耗可能会使水泥熟料能耗增加一倍。

 

    2) 吸附法

 

    吸附法是指在一定的条件下（温度、压力等）利用吸附剂对CO2进行有选择性地吸附，然后通过改变条件将CO₂解吸，从而达到分离CO2的目的。吸附法按照吸附条件可以分为变温吸附法和变压吸附法。该法主要依靠范德华力将CO₂吸附在吸附剂的表面，其吸附能力主要取决于吸附剂的比表面积以及操作的温度差或压力差条件。由于温度调节控制速度较慢，效率较低，需要大量的吸附剂，导致此种技术的成本较高,在工业中一般较少采用变温吸附法[4]。

 

    3) 膜分离法

 

    膜分离法是指在一定的条件下，通过膜对气体的渗透有选择性地将CO2分离出来。膜分离技术具有投资少、能耗低、占地少以及维修方便等优点，在CO2捕获领域颇受关注。我国在膜分离法捕获CO2技术上已经取得了一定进展。大连化学物理研究所研制的CO2膜分离装置，已经能够实现低品位天然气燃烧时CO2的捕获。按照膜材料的不同，主要有无机膜、聚合体膜以及正在研究的混合膜等[4]。

 

    4) 钙循环法

 

    钙循环过程（也称为碳酸盐循环）是一个有发展前景的碳捕获技术。碳酸化过程是在一定的温度和压力下碳酸钙与氧化钙和二氧化碳的平衡为基础的。在碳酸化过程中，氧化钙与富含CO2的烟气接触，在放热反应中产生碳酸钙。在随后的煅烧过程的钙碳酸盐再分解生成二氧化碳和氧化钙。碳酸化器安装在熟料生产的下游。关于燃烧后碳捕获技术在水泥窑中的应用研究大多集中于钙循环技术。此外，也有一些是关于化学吸收和个别的化学吸附的研究。具体见表2[1]。

 

 

    (4) 混合捕获

 

    混合捕获技术是指不同的捕获方法的组合，一般是富氧燃烧技术结合其他的燃烧技术。如燃烧前捕获结合富氧燃烧；燃烧后捕获结合富氧无烟气再循环；燃烧后捕获结合富氧燃烧与部分烟气再循环；燃烧后捕获结合全富氧操作包括烟气再循环等。在水泥行业的混合捕获技术目前还没有相关的文献和资料报道。

 

    (5) 水泥厂和电厂之间的联合碳捕获

 

    化学吸收技术在水泥熟料烧成过程中的应用，需要一个额外的电厂提供低压力蒸汽进行溶剂再生。除蒸汽生产外，发电厂也可以满足水泥厂的电能需求，或产生一个可用于二氧化碳压缩或剩余电能可以并入电网，而且现在一部分水泥厂也同时有余热发电或电厂存在，所以水泥厂和电厂之间的联合碳捕获已成为可能，也可以利用电厂和水泥生产之间的其他协同效应。例如，电厂采用钙循环过程捕获CO2，产生的碳酸钙又可以重复使用作为水泥熟料烧成过程的替代原料。最佳的方案是如果电厂和水泥厂可以作为集成的工厂也能为吸附剂的大量使用减少运输成本，降低二氧化碳排放，降低熟料烧成过程的能耗。此外，在使用钙循环的过程中，不需安装额外的减排措施（如脱硫、脱硝，此法兼具脱硫、脱硝功能），从而降低投资和运行成本。

 

 

    从国际国内与碳排放相关的法律法规入手，重点介绍了欧美水泥工业CO₂捕获潜在的几种方式和相关领域的研究活动。虽然水泥工业CO₂的排放量相对较少（5%），但由于全球变暖趋势的高压，世界各国都在采取措施限制CO₂的排放。我国从2017年开始正式启动碳交易市场，通过CO₂配额来控制其排放。欧美一些发达国家也在积极采取应对措施，努力寻求减少CO₂排放的策略，CCS在CO₂减排中承担80%的任务。尽管美国最近宣布退出《巴黎协定》，给美国温室气体减排增加了不确定性，但不会改变绝大多数国家减缓气候变暖的决心和行动。

 

    参考文献：

 

    [1] IEAGHG. Deployment of CCS in the Cement Industry[R]. 2013,9.

    [2http://wenku.baidu.com/linkurl=OQU43wEvon4hkxtnmYMTiB8fNVZvzauBuJhUDbZ

    S6yiRmiXgB4UgwVYo74DbYwotBZ9mhg NbVU VXW3JxCx13LguIxSnhVuTlC8ouscEsde.

    [3]钱政霖,马晓明.国际自愿减排标准比较研究[J].生态经济，2012（5）：39-42+48.

    [4]韩东升，任吉萍，吴干学，等.碳捕获与封存技术综述[J].四川化工，2012,15（2）:17-21.