自从工业革命开始，人类各种生活及生产活动产生的碳排放呈现快速增长的趋势，对环境的影响愈发明显。据国际知名网站CO2.Earth的报道显示，2022年8月2日大气中二氧化碳的浓度为418.45 ppm，比2021年8月2日的413.59 ppm增加了约1.18%。二氧化碳含量的增加造成了全球气温上升，进而导致全球气候发生明显变化，危害到人类及各种生物的生存。如海平面升高、冰川退缩、冻土融化、湖泊水位下降和面积萎缩等，极端天气气候事件出现的几率大大增加。
为了应对气候变化，减少温室气体排放，世界上绝大多数国家先后签订了《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》和《巴黎协定》，并相继提出了碳中和的目标。截止至2021年8月底，全球已有包括中国、日本、美国、德国等130多个国家提出了碳达峰、碳中和的具体时间。
化石能源作为燃料是碳排放的主要来源，2020年，全国石油、煤和天然气燃烧造成的二氧化碳排放量为89亿t。水泥生产过程造成的碳排放为13.9亿t，其中燃煤造成的碳排放约为4.7亿t。因此，用可再生能源替代煤炭，降低水泥生产过程中煤炭燃烧的碳排放，是水泥行业实现碳达峰、碳中和的关键途径之一。
1 氢的概述
氢能被认为是一种碳中和能源，是替代传统化石燃料的能量载体。氢气的来源广泛，可以从化石燃料、水、酒精和生物质等不同的来源获取。当今，氢气的96%来源于化石燃料。工业上大规模的氢气主要是通过天然气或甲烷蒸汽重整实现的。其中甲烷的蒸汽重整是最受欢迎的商业制氢技术，生产成本约为1.5~3.7美元/kg，占氢气供应量的96%。
氢分为灰氢、蓝氢、绿氢、青氢。灰氢是指通过化石能源及天然气重整制备的氢能，生产过程中会生成大量的二氧化碳。蓝氢是指通过捕集和封存法制备的氢能，生产过程中生成的二氧化碳不会进入到大气中。从平衡关系上看，蓝氢的生产可以认为是碳中性的。绿氢是指利用可再生能源制备氢能，过程中没有碳的生成。青氢是指通过甲烷裂解生成的氢能，生产的过程中不产生二氧化碳，而是生成固体碳。
纵观能源的发展历史，从最初使用固态的木柴、煤炭，到液态的石油，直至气态的天然气，可以看出其氢碳比提高的趋势和固-液-气形式的渐变过程。木柴的氢碳比在1.3~10之间，煤为1∶1，石油为2∶1，天然气为4∶1。在18世纪中叶至今，氢碳比上升超过6倍。每一次能源的氢碳比提高都会推动人类社会的进步和文明程度的提高，因此可预见未来能源利用形式中，氢的占比将会继续提高。
氢是低碳社会的最佳能源，也是物质互通的平台，氢的释放场景在石化、化工、钢铁、交通、农业、医学等行业尤为显著，相关行业的氢能应用场景呈现更为多元化的趋势。例如，氢气是氨生产的重要原料，还可以应用于石化工业中的加氢、加氢处理和加氢脱硫等工艺；氢气可以应用到内燃机的电动机及燃料电池中；氢气能改善土壤的环境，达到调节大多数植物生长的效果，增强植物的抗氧化能力。
2 国内外氢气作为燃料的战略及政策
全世界越来越多的国家意识到了氢的重要作用，相继出台政策强有力地支持实施氢能系统。美国、德国、日本在各自发布的氢能经济路线图和氢能战略中分别明确提出了发展氢能的重要性、氢能应用战略目标以及具体的氢能战略实施路线。尤其在氢能的利用方面制定了具体的行动计划或路线，这些计划内容丰富、详实且具有建设性，包括氢的生产、运输、分销和使用，法规、规范及标准的建立，国际及区域合作等，并提出了大概的行动时间表。
为了加快寻找安全的替代能源以实现减少二氧化碳排放的承诺，2017年12月26日，日本经济产业和贸易省发布了《基本氢能战略》，提出了“氢能社会”的概念。战略指出氢能可以作为难以电气化的工业领域的燃料或者可以直接作为燃料代替化石燃料从而减少碳排放。2019年11月6日，美国燃料电池和氢能协会在2019燃料电池国际研讨会暨能源展上发布了《美国氢能源经济路线图》。它强调了氢能作为可再生能源系统推动力的多功能性，可以在交通、发电和电网平衡、工业燃料、原料以及住宅和商业建筑燃料五个主要经济领域发挥作用。同时，该路线图指出温度高于500 ℃燃烧的工业过程，采用氢气作为能源是合适选择。2020年6月10日，德国联邦经济和能源部发布了《国家氢能战略》。德国高度重视“绿色氢能源”，将氢能视为德国能源转型成功的关键原材料，推出38项具体措施，涵盖氢的生产制造和应用等多个方面，旨在通过氢能的使用避免工业生产过程中产生的温室气体的排放。该战略还认为，在水泥行业可采用氢气燃烧替代煤炭提供动力。
为了实现碳达峰、碳中和的目标，我国也推出相应的氢能政策，鼓励各行各业共同努力推进能源绿色转型，降低电力、热力、交通、水泥及化工等工业生产过程中的碳排放。
2014年，国务院办公厅发布了《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》，正式将“氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略方向。2018年，科技部发布了《关于对国家重点研发计划高新领域可再生能源与氢能技术等9个重点专项2019年度项目申报指南建议征求意见的通知》，强调提升我国可再生能源自主创新能力，推进氢能技术发展及产业化。2020年4月，国家能源局发布《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》，征求意见稿提出，国家鼓励高效清洁开发利用能源资源，支持优先开发可再生能源，合理开发化石能源资源，因地制宜发展分布式能源，推动非化石能源替代化石能源、低碳能源替代高碳能源，支持开发应用替代石油、天然气的新型燃料和工业原料。氢能被列入能源的范畴，这是我国首次从法律上确认氢能属于能源。2021年9月，国家能源局发布《关于公开征求对<关于能源领域深化“放管服”改革优化营商环境的实施意见（征求意见稿）>意见的公告》，公告的重点是创新推动能源低碳转型，促进新能源加速发展，推进多能一体化发展。
3 氢气作为燃料的应用分析
水泥工业是世界第三大能源消耗工业，并产生了第二大的工业部门二氧化碳排放量。其中燃料燃烧和原料石灰石分解是水泥生产碳排放的主要来源。以每吨熟料消耗106 kg标煤计算，使用氢气作为水泥生产的替代能源，生产1 t熟料消耗约22 kg氢气，可减少燃煤造成的碳排放约270 kg，为水泥熟料生产二氧化碳排放总量的35%。以此计算，2020年如果全行业使用氢气替代煤，二氧化碳排放量可以减少4.7亿t。目前，我国尚无氢能在水泥行业应用研究的相关报道。因此，我们通过政策调研和模拟计算，从理论上分析了氢气作为燃料煅烧熟料的可行性。
利用氢气替代煤烧制熟料，是一个新的研究课题，到目前为止，我国尚未发现有关实验室研究或工厂研究的报道。从环境领域讲，采用绿氢作为燃料替代煤炭，可以减少二氧化碳排放，而且减少了煤燃烧产生的二氧化硫及痕量汞排放，改善世界气候变化问题。从应用基础研究领域讲，一方面通过水泥窑氢气燃烧的研究，将提升我国在燃烧器技术的应用研究；另一方面通过水泥熟料煅烧的适应性及烧成系统烟气平衡研究，会极大推动氢作为燃料烧成熟料过程的应用基础研究。
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