劉 晶 段 銳

(1.中國建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024; 2.北京萬強(qiáng)建業(yè)建筑工程有限公司，北京 100096)

水泥生產(chǎn)CO2減排技術(shù)及案例分析★

劉 晶1段 銳2

(1.中國建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024; 2.北京萬強(qiáng)建業(yè)建筑工程有限公司，北京 100096)

簡要介紹了水泥生產(chǎn)工藝過程、CO2排放源及排放量核算方法，詳細(xì)闡述了從生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)能耗和新技術(shù)角度實施CO2減排的技術(shù)措施，并列舉了部分企業(yè)的減排措施、減排效果，提出了水泥工業(yè)減排的主要技術(shù)途徑。

水泥工業(yè)，二氧化碳，減排

0 引言

水泥生產(chǎn)過程產(chǎn)生的溫室氣體排放約占全球人類活動排放的5%[1]，我國水泥行業(yè)排放的CO2已占全國CO2排放總量的14%～15%[2]，控制CO2排放是水泥工業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是實現(xiàn)水泥工業(yè)科技進(jìn)步的重要機(jī)遇。根據(jù)國家《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》指示，國內(nèi)大型水泥集團(tuán)積極開展水泥產(chǎn)品低碳認(rèn)證示范工作[3]，強(qiáng)化企業(yè)生產(chǎn)管理，挖掘節(jié)能減排潛力，實現(xiàn)了水泥產(chǎn)品CO2排放的有效控制和持續(xù)減排。本文基于認(rèn)證企業(yè)的工藝流程，分析了各項減排技術(shù)及其減排能力，以探索水泥工業(yè)的節(jié)能減排方向。

1 水泥生產(chǎn)工藝過程及CO2排放

1.1 生產(chǎn)工藝過程

水泥生產(chǎn)包括原料開采及運輸、生料和燃料制備、水泥熟料煅燒、水泥制備及發(fā)送、余熱發(fā)電、輔助生產(chǎn)工藝過程、生產(chǎn)管理等多個工藝環(huán)節(jié)，涉及運輸、破碎、粉磨、煅燒等工藝設(shè)備，這些工藝環(huán)節(jié)和設(shè)備都需要消耗一定的電能或熱能，形成CO2排放單元。

1.2 CO2排放源

水泥生產(chǎn)工藝特點表明水泥企業(yè)的CO2排放主要源于:

1)熟料煅燒過程石灰質(zhì)原料分解產(chǎn)生的排放;

2)各種燃料燃燒產(chǎn)生的排放;

3)電力消耗產(chǎn)生的排放，包括礦山開采、生料制備、熟料煅燒、水泥制成、生產(chǎn)管理等過程。

1.3 排放量核算方法

通過大量的基礎(chǔ)性調(diào)研、統(tǒng)計與核算研究確定，水泥熟料中CaO,MgO含量一般為64%～67%，1%～3%，依據(jù)《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求 水泥》[4](以下簡稱《環(huán)標(biāo) 水泥》)規(guī)定的運營邊界和計算公式進(jìn)行分析、核算，確定生料中石灰質(zhì)原料分解產(chǎn)生的碳排放約為0.53 t CO2/t熟料；水泥生產(chǎn)消耗的燃料包括各種燃煤、燃油等，由燃料的熱值、相應(yīng)的CO2排放因子即可推算出單位燃料燃燒時的碳排放量。對我國不同生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)線能耗情況調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，熟料燒成熱耗平均約為770 kcal/kg熟料[5]，依據(jù)《環(huán)標(biāo) 水泥》規(guī)定的標(biāo)煤CO2排放因子，核算得到燃料燃耗產(chǎn)生的CO2排放量約為0.31 t CO2/t熟料；水泥生產(chǎn)的電力消耗也會產(chǎn)生CO2排放，水泥生產(chǎn)的全球平均電耗為111 kWh/t水泥[6]，結(jié)合我國權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的電力消耗CO2平均排放因子(約為0.86 t CO2/MWh)，得到單位水泥電力消耗產(chǎn)生的CO2排放量約為0.095 t。按水泥熟料系數(shù)0.75計，核算出生產(chǎn)單位水泥CO2總排放量約為726 kg，其中原料分解、燃料燃耗和電力消耗引起的CO2排放量分別占55%，32%和13%，與其他文獻(xiàn)的研究結(jié)果相一致[7-9]。水泥生產(chǎn)各工藝過程CO2排放量見表1。

表1 水泥生產(chǎn)各工藝過程CO2排放量

2 水泥生產(chǎn)CO2減排技術(shù)

通過對各工藝過程碳排放量的分析核算，可以準(zhǔn)確把握水泥生產(chǎn)過程的碳減排方向，基于我國水泥生產(chǎn)企業(yè)實際運行狀況及節(jié)能減排技術(shù)途徑，本文將減排途徑分為生產(chǎn)工藝碳減排、生產(chǎn)能耗碳減排和新技術(shù)碳減排三個方面。

2.1 生產(chǎn)工藝碳減排

生產(chǎn)工藝CO2排放是指能耗消耗之外的生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放，主要指石灰質(zhì)原料中碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO2排放。采用碳排放強(qiáng)度低的原料代替石灰質(zhì)原料生產(chǎn)水泥熟料可以減少相應(yīng)的工藝碳排放。可利用的替代原料包括電石渣、高爐礦渣、粉煤灰、鋼渣等，這些經(jīng)高溫煅燒的廢渣中的鈣質(zhì)組分以CaO，Ca(OH)2形式存在，在生產(chǎn)熟料時不會釋放CO2。電石渣作為替代原料生產(chǎn)水泥熟料時具有最顯著的減排效果，同時也是實現(xiàn)電石渣資源綜合利用的最有效途徑，表2列出了摻加電石渣的減排效果。

表2 電石渣作為替代原料的減排效果

由表2可見，生料配料時電石渣摻量每增加2%，由鈣質(zhì)原料分解產(chǎn)生的工藝CO2排放可減少7 kg左右，若電石渣完全替代石灰質(zhì)原料生產(chǎn)水泥熟料，即可減少約530 kg的工藝CO2排放。

除采用電石渣替代鈣質(zhì)原料外，調(diào)整工藝操作后多種工業(yè)廢棄物都能用于水泥熟料生產(chǎn)，不僅能夠減少化石燃料使用，降低生產(chǎn)成本，同時減少CO2排放，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的共同發(fā)展。水泥生產(chǎn)可利用的替代原料如表3所示。部分鋼渣中CaO含量達(dá)40%左右，若替代20%的石灰質(zhì)原料，噸熟料可減少110 kg工藝CO2排放。高鈣粉煤灰中CaO含量達(dá)10%～20%，不僅可作為硅鋁質(zhì)原料，通過合理配比若替代約2%的石灰質(zhì)原料，噸水泥熟料可減少約10 kg的工藝CO2排放。

表3 替代原料實例

熟料替代是指用其他具有膠結(jié)性的低碳排放強(qiáng)度材料代替高碳排放強(qiáng)度的熟料來生產(chǎn)水泥。其技術(shù)手段是通過提高水泥熟料強(qiáng)度或采用活性混合材，在保證水泥性能的同時減少熟料用量，增加混合材摻量。粉煤灰、高爐礦渣、水渣、天然火山灰等活性材料和石灰石等非活性材料是常用的水泥混合材。由前述各工藝過程排放量可知單位水泥熟料的碳排放量約為840 kg，水泥中每增加1%的混合材摻量即可減少碳排放量約8 kg，同時減少與熟料生產(chǎn)相關(guān)的工藝、燃料和電力消耗產(chǎn)生的CO2排放。

開發(fā)低鈣水泥新品種是實現(xiàn)CO2減排的重要措施之一。硫鋁酸鹽水泥熟料中CaO含量比硅酸鹽水泥熟料低24%，使原料中石灰石配比顯著下降，由石灰石分解產(chǎn)生的工藝CO2排放量相應(yīng)減少。同時硫鋁酸鹽水泥熟料的煅燒溫度比硅酸鹽水泥熟料低100 ℃，因此燃煤消耗量減少，由燃煤燃燒產(chǎn)生的能耗CO2也相應(yīng)減少。據(jù)分析，硫鋁酸鹽水泥生產(chǎn)比硅酸鹽水泥減排CO2約30%[10]。

2.2 生產(chǎn)能耗碳減排

水泥生產(chǎn)燃料和電力消耗都會產(chǎn)生能耗CO2排放，提高能源利用效率、水泥工藝技術(shù)水平可顯著減少能耗CO2排放。

采用替代燃料是實現(xiàn)能耗CO2減排的重要途徑。替代燃料是具有較高熱值的廢棄物，經(jīng)加工處理后，其能源組分可代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料用于水泥熟料的煅燒，其無機(jī)組分在煅燒后可與熟料相結(jié)合。由于替代燃料中通常含有部分碳?xì)浠衔铮瑹嶂迪嗤瑫r其碳排放強(qiáng)度僅為傳統(tǒng)化石燃料強(qiáng)度的80%左右。發(fā)達(dá)國家替代燃料應(yīng)用通常采用由專業(yè)公司進(jìn)行收集、加工，形成顆粒細(xì)小、含水量較低、熱值穩(wěn)定的成品供給水泥廠使用的模式。我國的可燃廢物數(shù)量有限、燃料熱值較低，替代燃料技術(shù)仍處于起步階段，常用的替代燃料有酒糟、蘑菇渣、有機(jī)溶劑、廢油、玻璃鋼等。

水泥生產(chǎn)過程伴隨著電力消耗，生料磨、水泥磨、風(fēng)機(jī)、電機(jī)等設(shè)備都是主要耗電單元，粉磨設(shè)備的電耗約占全部電耗65%～75%，采用高效粉磨技術(shù)，可顯著降低粉磨電耗，減少能耗CO2排放。合肥水泥研究院設(shè)計的HRM原料立磨系統(tǒng)生料粉磨電耗約為16 kWh/t，較傳統(tǒng)球磨機(jī)電耗降低27%；該設(shè)備粉磨原煤電耗約為20 kWh/t～25 kWh/t，較國內(nèi)平均水平下降11%～28%。水泥粉磨系統(tǒng)多采用輥壓機(jī)和球磨機(jī)的聯(lián)合粉磨技術(shù)，產(chǎn)品電耗約為32 kWh/t～35 kWh/t，與單獨采用球磨機(jī)相比單位產(chǎn)品電耗下降8%～10%。

余熱發(fā)電技術(shù)是水泥行業(yè)提高熱效率的有效措施，通過余熱鍋爐將窯頭、窯尾排放的大量廢氣余熱進(jìn)行熱交換回收，產(chǎn)生過熱蒸汽推動汽輪機(jī)實現(xiàn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。按照國家電力監(jiān)管委員會公布的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗335 g/kWh，標(biāo)煤CO2排放因子2.75 t/t標(biāo)煤計算，余熱發(fā)電1 kWh即減少CO2排放約0.9 kg。由此計算2 500 t/d，5 000 t/d兩種典型規(guī)模配備余熱發(fā)電項目的減排效果，見表4。

表4 余熱發(fā)電減排效果分析

根據(jù)國家工信部的有關(guān)指導(dǎo)意見，中國建筑材料科學(xué)研究總院研發(fā)了水泥企業(yè)能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可全面監(jiān)測水泥生產(chǎn)企業(yè)用能設(shè)備、工藝流程，對比、分析生產(chǎn)過程能耗數(shù)據(jù)，優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，建立企業(yè)能耗評估、管理體系，提高企業(yè)能源效率水平，實現(xiàn)節(jié)能增效。某企業(yè)采用能源管理系統(tǒng)后實現(xiàn)能源消耗監(jiān)控實時化，能夠及時調(diào)整生產(chǎn)異常狀況，優(yōu)化工藝操作，使能源消耗處于最佳狀態(tài)，熟料標(biāo)煤耗降低2.62 kg/t ，熟料綜合電耗降低4.3 kWh/t，僅適用8個月即節(jié)約標(biāo)煤15 420 t，節(jié)約用電2 531萬kWh，減少CO2排放2萬多噸，若全國10%的水泥生產(chǎn)企業(yè)采用該項技術(shù)，則每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤110多萬噸，減少CO2排放310多萬噸。

2.3 新技術(shù)碳減排

生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)能耗碳減排都是從源頭治理方面減少CO2的排放，為大幅度減少CO2排放，還可以從末端處理角度對水泥工業(yè)排放的CO2進(jìn)行分離、捕集、封存、固定轉(zhuǎn)化等。

碳捕集和碳封存(CCS)技術(shù)是在CO2排放時即將其捕集，然后壓縮成液體，通過管道運輸?shù)降叵律顚佑谰觅A存。水泥行業(yè)正在積極研發(fā)CO2捕集技術(shù)，燃燒后捕集因其不需要改造熟料燒成工藝，認(rèn)為最適用于新窯及舊窯的改造。2009年CEMEX在德克薩斯州水泥工廠進(jìn)行商業(yè)規(guī)模的CCS項目示范研究，該CCS驗證項目捕集高達(dá)100萬t CO2。我國擁有世界上單廠規(guī)模最大的熟料生產(chǎn)基地，年產(chǎn)熟料1 450萬t，水泥600萬t，年排放CO21 000余萬噸，以捕集效率85%計，采用CCS技術(shù)可實現(xiàn)年減排CO2約800萬t。

3 水泥生產(chǎn)CO2減排案例分析

為推動水泥行業(yè)向低碳、環(huán)保、可持續(xù)方向發(fā)展，減少水泥在生產(chǎn)、使用、包裝、運輸和處置過程中的CO2排放，國內(nèi)各大水泥集團(tuán)的優(yōu)秀企業(yè)積極開展節(jié)能減排技術(shù)改造，大力提升生產(chǎn)工藝技術(shù)水平，顯著減少生產(chǎn)過程和單位產(chǎn)品的CO2排放，有力促進(jìn)水泥行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。

中建材集團(tuán)南方水泥旗下某公司長期重視科技進(jìn)步，大力推廣應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)，實現(xiàn)CO2排放的有效控制和持續(xù)減排。該公司自有石灰石礦山品位低，難以配料生產(chǎn)，自2009年起采用電石渣進(jìn)行配料，促使窯系統(tǒng)穩(wěn)定運行，熟料煅燒質(zhì)量顯著改善，同時顯著減少工藝CO2排放。根據(jù)《環(huán)標(biāo) 水泥》中二氧化碳排放量計算方法，以電石渣替代10%的石灰石作生料配料，電石渣中CaO，MgO含量分別為66%，0.15%計算，可得采用電石渣后噸水泥熟料減少CO2排放約35 kg。由于窯系統(tǒng)穩(wěn)定運行、熟料產(chǎn)量提高，燒成熱耗顯著下降，同時減少了生產(chǎn)能耗CO2排放。通過采用替代原料技術(shù)，該公司2012年減排CO2近3 000萬t，使企業(yè)順利通過國家環(huán)境標(biāo)志低碳產(chǎn)品認(rèn)證，為行業(yè)低碳發(fā)展、實現(xiàn)碳排放有效控制樹立典范。

拉法基集團(tuán)某公司積極發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，打造綠色水泥產(chǎn)業(yè)，企業(yè)充分利用當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢，在原煤中搭配使用酒糟、蘑菇渣等生物質(zhì)替代燃料，表5列出2012年該公司替代燃料利用情況。

表5 替代燃料利用情況

由消耗量和熱值計算可知，采用替代燃料后年節(jié)約標(biāo)煤近1萬t，由于替代燃料均為生物質(zhì)燃料，其排放的二氧化碳視為碳中性，應(yīng)用替代燃料后實現(xiàn)年減排CO2約2.5萬t。在推廣應(yīng)用替代燃料技術(shù)的同時，拉法基集團(tuán)普遍采用高效粉磨技術(shù)裝備，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)能耗、CO2排放。

4 結(jié)語

水泥工業(yè)CO2減排的主要技術(shù)途徑為:1)生產(chǎn)工藝碳減排，如替代原料、熟料替代技術(shù)等；2)生產(chǎn)能耗碳減排，如替代燃料、高效粉磨、余熱發(fā)電等；3)新技術(shù)碳減排，如碳捕集和碳封存技術(shù)。各項減排技術(shù)都有一定的減排潛力，大力研發(fā)并推廣應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)將推進(jìn)水泥工業(yè)的節(jié)能減排，實現(xiàn)水泥工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，進(jìn)而為應(yīng)對氣候變化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出積極貢獻(xiàn)。

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Cement producing CO2emission reduction technology and cases analysis★

LIU Jing1DUAN Rui2

(1.GreenBuildingMaterialNationalLaboratory,ChinaBuildingMaterialScienceAcademy,Beijing100024,China;2.BeijingWanqiangJianyeBuildingEngineeringCo.,Ltd,Beijing100096,China)

The article briefly introduces cement producing technology process, CO2emission source and emission amount calculation methods, specifically implement emission technology measures from aspects of producing technology, producing energy consumption and new technology, lists some emission reducing measures and emission reducing effects, and finally puts forward major cement industry emission reducing methods.

cement industry, CO2, emission reduction

1009-6825(2014)28-0211-03

2014-07-10

★:國家科技支撐計劃“重點行業(yè)溫室氣體減排評價及控制共性技術(shù)研究與示范”(項目編號：2012BAK30B03)

劉 晶(1987- )，女，助理工程師； 段 銳(1986- )，男，助理工程師

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