水泥行業熟料生產CO2排放調查研究

王靈秀 王雅明 郝慶軍 袁秀霞 丁新淼 孔凡成

（中國建筑材料科學研究總院，中國建筑材料檢驗認證中心有限公司 北京 100024）

1 前言

CO2是一種大氣增溫物質，其能夠阻擋地面和近地氣層向宇宙空間長波輻射能量的支出，從而使地球氣候變暖，也就是人們常提到的溫室效應。 CO2的化學性質穩定，可在大氣中留存十年、數百年甚至更長時間，所以其排放對氣候影響不容忽視。美國橡樹嶺國家實驗室和歐洲、澳大利亞等國際研究小組研究發現，1980年全球CO2排放量約為50×108噸，之后持續增加，至2004年已超過73×108噸，并預測2030年全球二氧化碳排放量將逾400×108噸。因此，抑制全球氣候惡化，減少碳排放行動勢在必行。目前我國政府已結合經濟社會發展規劃和可持續發展戰略，對外宣布控制溫室氣體排放的行動目標，決定到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。

水泥被譽為“建筑工業的糧食”，是全球消耗量最大的人造材料之一，同時也是 工業CO2排放的主要來源。對我國水泥企業 CO2排放量進行監測、調查、計算與統計分析是研究綜合降低水泥工業CO2排放的基礎。本文根據2009年對我國部分水泥企業CO2排放調查結果，統計了不同生產能力的水泥企業孰料生產過程中噸熟料平均排放量情況，分析討論目前國內水泥行業CO2減排的措施及方法。

2 水泥熟料生產 造成的 二氧化碳排放

2.1 中國企業二氧化碳排放現狀

白冰等[1]對中國八類企業 CO2排放情況作了調查，調查結果表明火電企業CO2年排放量約為18×108t，占2004年總排放量的63%，其次是水泥、鋼鐵企業，排放量分別為5.7×108和2.8×108t，所占比例分別為19%和10%，三者合計91%，是主要的排放源，如圖1 所示。排放總量居前8 位的省份依次是山東、江蘇、河北、遼寧、浙江、河南、廣東、山西。近年來由于我國經濟快速增長，大規模的水泥生產在為我國基礎建設提供保障的同時，也向大氣排放了大量的二氧化碳。

圖1 2004年中國各類企業CO2排放構成比例

2.2 水泥熟料生產C O2排放途徑及排放量計算

普通硅酸鹽水泥是以石灰石和粘土為主要原料，經過粉磨、煅燒，再加入石膏及混合材粉磨而生成。因此水泥熟料生產過程中CO2排放量的統計主要包括[2][3]：石灰石中碳酸鈣分解生成的CO2；煅燒水泥熟料和烘干原料用燃料燃燒產生的CO2以及生產過程中消耗的能源（如電力）折算后排放的CO2。

根 據 化 學 反 應 方 程 式：C aCO3=C aO+C O2，每生成1 份CaO的同時生成0.786 份C2O，若按普通硅酸鹽水泥熟料中含Ca O 65%計算，每生產1 噸水泥熟料生成0.511 噸CO2。

根據化學反應方程式：C+ O2=CO2，每噸 碳完全燃燒時生成3.667 份CO2，若按水泥廠用的燃料煤含65%固定碳計算，燃燒1 噸煤將產生2.383 噸CO2。一般水泥生產過程所用燃料分為熟料燒成用燃料和原燃料烘干用燃料，目前多數企業利用余熱烘干原燃料，所以這部分因燃煤造成的CO2排放不計入統計結果。

以燃燒煤碳的火力發電為參考，根據國家公布的火電標準煤耗 356 g/kwh 計算，即發1 kWh 電需要消耗標煤 0.356 噸，若按1 噸煤產生2.383 噸CO2計算，則發電 1 kwh 排放二氧化碳0.848 噸。

對國內部分水泥企業CO2排放量的統計為以上三部分之和。

2.3 國內 部分水泥企業熟料生產排放量調查

依據2.1 中提出的計算方法，對全國具有代表性的幾家水泥企業進行了抽樣檢測，檢測及計算結果表1。表1 數據顯示，目前國內 生產能力在2500～6000t/d的水泥企業平均每生產1 噸水泥熟料排放0.753 噸CO2。

表1 不同水泥企業噸熟料CO2排放情況調查

3 討論

3.1 采用先進的燒成技術

圖2 為所有被測企業的噸熟料CO2排放量直方圖及正態分布曲線，從圖中可以看出，數值分布高峰陡峭，曲 線呈尖頂峰狀，說明目前生產能力在2500～6000t/d 之間的企業噸熟料CO2排放水平與其生產能力關系不大，統計數值0.753在一定程度上代表了目前的行業水平。要進一步實現水泥行業的減排，應著重從燒成技術和設備等方面考慮，如日本川崎重工朱式會開發的沸騰爐（流化床）煅燒工藝是繼窯外分解之后水泥煅燒工藝的又一次突破。由流化床驟冷器和移動床冷卻器組成的冷卻器使熟料在冷卻過程中獲得很高的熱回收率，而且冷卻空氣全部作為造粒爐和燒成爐中燃料燃燒所需的空氣量，因此與傳統回轉窯技術相比，其熱耗低，CO2排放量可降低 l0%～25%[4]。

圖2.噸熟料CO2排放量直方圖及正態分布曲線

3.2 優化水泥熟料組成及提高熟料性能

圖3 三種排放途徑產生的排放量占總排放量的百分比

圖3 描述了被測企業不同排放途徑排放量占總排放量的比例。從圖中可以看出碳酸鈣分解是企業CO2排放的主要來源，通常其排放量約占總排放量的70%左 右。通過另外兩種排放途徑產生的排放量中，燒煤占到總排放量的25%，耗電折算后的CO2排放量則占不到排放總量的10%。三種途徑的平均排放比例分別為碳酸鈣分解67.9%，煤燃燒26.3%和耗電折算5.7%。所以尋求水泥生產替代原燃材料，優化水泥熟料組成，探索和研究新的水泥品種可實現水泥行業的大幅減排。我國有大量的鋼渣、電石渣、高爐礦渣、粉煤灰、爐渣等廢渣，可作為水泥生產替代原料，能減少配料中石灰石的比例。據報道[5]澳大利亞一家水泥廠發明的環保水泥的主要制作原料，是發電站和煉鋼廠生產過程中殘余的爐渣和廢棄顆粒，這種水泥能將CO2排放量減少80%左右。利用電石渣和廢棄混凝土中的漿體做生料或混合材對降低CO2排放也十分有效[6]。阿利特—硫鋁酸鹽水泥是目前的研究熱點。將硫鋁 酸鹽礦物（一種早強型水硬性礦物，具有燒成溫度低 、水化過程體積微膨脹等特性）引入硅酸鹽水泥熟料中，形成阿利特一硫鋁酸鹽水泥熟料礦物體系，發揮硫鋁酸鹽礦物和硅酸鹽礦物各自的優點，不但可顯著提高傳統硅酸鹽水泥的性能，而且能大幅降低熟料中CaO的比例，減少生產時碳酸鈣的用量，有助于減排CO2。

此外，注重水泥生產過程中微量元素的影響[7]。特定的礦物和元素 如重晶石尾礦、鉛鋅尾礦等工業副產品摻入生料中可以使硅酸鹽水泥熟料在燒成過程中燒成熔點降低，液相提前出現，增加液相含量，降低液相粘度，使粒子擴散速度大大加快。加之特種礦物在次環境中能迅速形成，加速了熟料礦物的反應速度，使熟料中的C3S 在低溫下快速大量形成。因此，微量元素不僅降低了熟料的形成熱耗，同時在一定程度上改善了水泥熟料的性能。

3.3 余熱利用，節約能源

水泥生產中注重余熱回收利用，節約能源，也是減少CO2排放的一種措施。用廢 棄的余熱烘干原燃料，采用低溫余熱發電技術等都是通過利用余熱，來達到節約能源和減少排放的目的，據相關文獻[8]報道，用廢棄的余熱烘干原燃料每生產一噸熟料可節約用煤0.02 噸，減少0.0476噸CO2排放。水泥工 業低溫余熱發電技術是利用水泥窯尾及窯頭排出的廢氣余熱，在不增加任何熱源的情況下采用先進的技術及設備進行發電的技術，采用該技術每生產一噸熟料平均發電30kWh，據測算一條5000t/d 水泥熟料的新型干法生產線每年可減排5萬多噸CO2。

4 結論

水泥工業二氧化碳排放占目前國內工業企業總排放量的20%左右。在水泥熟料生 產過程中，二氧化碳排放主要通過碳酸鈣分解、煤燃燒、耗電折算三種途徑，其中碳酸鈣分 解是CO2排放的主要原 因，其排放量約占總排放量的65%左右。統計分析表明，目前國內2500～6000t/d的水泥企業平均每生產1 噸水泥熟料約排放0.753 噸CO2。針對排放原因分析，水泥行業應從改變生料配比、采用先進燃燒技術以及節約能源 等方面入手，探索新的技術和設備，達到節能減排的目的。

[1]白冰,李小春等.中國 CO2集中排放源調查及其分布特征.[J]巖石力學與工程學報,2006.1.

[2]何宏濤，袁文獻.水泥生產中減排二氧化碳措施和效果分析.[J]中國水泥,2005(003)∶ 47-49.

[3]何宏濤.水泥生產二氧化碳排放分析和定量化探討.[J]水泥工程,2009(00 1)∶ 61-65.

[4]傅子誠.水泥熟料沸騰煅燒工藝新進展.[J]水泥工程,1999.5∶ 55-56.

[5]曉于.環保水泥—減少二氧化碳 80%的排量.[J]技術與市場,2009(005)∶ 92-92.

[6]胡曙光，何永佳.利用廢棄混凝土制備再生膠凝材料.[J]硅酸鹽學報,2007.35(005)∶ 593-599.

[7]馬保國,李相國等.低環境負荷型高性能水泥生產技術研究.[J]環境科學與技術,2005.28(003)∶ 87-89.

[8] 彭毅，孫欣林.水泥廠主要有害氣體及其防治.[J]水泥工程,2008(005)∶ 6-10.