步入低碳經濟時代的水泥工業

□□韓仲琦

1 前言

近年來，大氣中二氧化碳濃度升高帶來的全球氣候變化已被世界各國人民所關注，在此背景下，產生了“低碳經濟”（Low－Carbon Economy）新概念。 所謂低碳經濟就是以低能耗、低排放、低污染為基礎的經濟模式，其實質是提高能源利用效率和創建清潔生產機制，減少CO2的排放量，核心是技術創新和發展循環經濟。

1997年12月在日本京都召開了氣候變化框架條約締約國第三次會議，會上把2008年至2012年作為減少CO2排放量的目標年，各國也分別制定了目標值，主要工業發達國家的CO2等溫室氣體排放量要在1990年的基礎上平均減少5.2%。中國于1998年5月簽署并于2002年8月核準了該議定書,2005年2月16日，《京都議定書》正式生效，這是人類歷史上首次以法規的形式限制CO2等溫室氣體的排放。

圖1 水泥工業循環經濟示意圖

2009年11月25日，我國政府宣布到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。雖然我國作為發展中國家目前并沒有減排的義務，但我國是僅次于美國的世界上第二大二氧化碳排放國，此次主動提出減排，力度還如此之大，說明了中國通過推廣低碳的生產生活方式，實現可持續發展的決心。

2009年12月，聯合國氣候變化框架公約15次締約方會議在丹麥首都哥本哈根舉行。會上可持續發展倡議組織（CSI）與國際能源署（IEA）聯合發布了全球水泥行業減排路線圖，作為全球首個行業性減排路線圖，設定了2050年前水泥行業CO2減排的宏偉目標。呼吁各國政府制定明確的政策框架，增加對水泥碳減排、碳捕捉和碳封存技術的科研投入。

在中國重要的產業部門中，除了煤電和鋼鐵業，水泥工業是生產過程中二氧化碳排放量最大的產業，因此，水泥工業發展低碳經濟、促進CO2減排、開發CO2捕捉和碳封存技術有著舉足輕重的意義。近20年來，我國水泥工業有了很大發展，2008年全國水泥產量達14億多噸，連續24年居世界第一。天津水泥工業設計研究院有限公司科技創新工作也取得了很大成績，通過優化設計已形成1000～10000t／d高質量生產線系列。2009年9月，工業和信息化部發出了征求《水泥行業準入條件》的函和印發了《關于抑制產能過剩和重復建設引導水泥產業健康發展的意見》，在相關文件中提出了新建水泥（熟料）生產線必須采用新型干法生產工藝，鼓勵新線建設配置余熱利用、可替代原料、燃料利用等節能減排技術和設施，以滿足節能環保和資源綜合利用的要求。一方面政府加強了宏觀調控，另一方面為水泥工業加強節能減排和實現低碳經濟提供了政策支持，出現了構建低碳水泥工業體系的有利形勢。

2 水泥工業低碳經濟的內涵

2.1 低碳經濟與節能環保的目標

水泥是一種人造膠凝材料，具有水硬性并且是既可在水中硬化又可在空氣中硬化的一種建筑材料，至今已有185年的歷史。水泥與鋼材、木材、塑料統稱為四大基礎工程材料。水泥作為重要的基礎原材料之一，以其數量大、用途廣、耐久性強和具備許多其他材料不可取代的性能而在國民經濟發展中處于非常重要的地位，在相當長的時期內沒有其他材料能夠代替它。另外，水泥的主要化學成分是氧化鈣、氧化硅和氧化鋁，與地表巖石的化學成分相同，因此水泥對人類無毒無害，資源相對其他材料豐富而易得。

然而，水泥工業是典型的能源和資源依賴型產業，又是排放CO2的主要產業之一，隨著國民經濟的發展和保護地球環境的呼聲越來越高，我國水泥工業的節能環保和減排CO2的任務日趨嚴峻，低碳經濟與節能減排已成為我國水泥工業當前的重要課題，水泥工業已經步入低碳經濟時代。

2.2 構建循環經濟系統

水泥工業的 “低碳經濟”，就其包含的范圍和內容來看，有著非常豐富的內涵和外延，其目的是拋棄以無限消耗碳能源、碳酸鹽類資源和影響地球環境氣候為代價的發展，減少CO2的排放、開發低碳水泥產品，代之以人、社會和自然的和諧、友好的可持續發展，因此從廣義上說水泥工業低碳經濟屬于循環經濟的范疇 （參看圖1）。

國家在“十一五”規劃中已明確指出必須轉變現行的發展模式，走以有效利用資源和保護環境為基礎的循環經濟之路。循環經濟是一種與環境和諧的經濟發展模式，發展低碳經濟必需走循環經濟道路。遵循CO2減量化、資源化的原則，實現水泥工業與國民經濟協調發展。水泥企業首先要在企業的層面上開展低碳排放工作，做好水泥工業的節能、降耗和環境保護工作，然后促進區域性的循環經濟發展，充分利用其他產業的廢棄物，開發CO2的生物質能源技術，供給國民經濟建設所需的低碳產品，不斷為節約型社會作出貢獻，最終成為社會循環經濟鏈的一環。

2.3 “以質代量”是低碳經濟的重要工作

水泥工業低碳經濟的范圍包括全部生產與消費過程，例如包括原燃料的采集與制備、水泥生產制造的粉體與熱工過程、產品的包裝與銷售、水泥混凝土的制備與工程應用、建筑垃圾與廢棄物的再利用或無害化處理等。因此，發展低碳經濟、減排CO2不單是生產領域一個環節的工作，從產品的生命周期來看它涉及社會的許多領域，如果只偏重某一領域的減排，而忽略了其他領域的減排，勢必會事倍功半，達不到低碳經濟的目標。為此，國家要在法律法規方面給與支持，還要完善和編制相應的技術標準和規范，全社會都要給與支持和協作。

表1 我國各類窯型熟料平均能效指標

圖2 2007水泥制造業礦產資源消耗結構圖

我國水泥工業要逐步增加高性能與特種水泥的產量，提高高質量水泥與混凝土的比例，形成混凝土的功能化，延長建筑物和構筑物的壽命。“以質代量”是現代建筑工程中越來越高的要求，“以質代量”也是水泥領域中最好的減排CO2措施。

3 水泥生產過程中CO2的主要排放源

水泥生產過程中CO2的主要排放源有：工藝過程的CO2排放（碳酸鹽分解）、燃燒反應（熟料煅燒與物料烘干）以及電力消耗的間接CO2排放。還有一些其他因素，如生料成分中的有機碳燃燒、生產中的熟料飛灰和粉塵等所包含的CaCO3分解、輔助生產的電力消耗等，此外還有余熱發電、余熱烘干、采用可燃廢棄物作為代用燃料、采用鈣質代用原料、添加混合材等因素，相對減少了CO2排放。是否計算其他因素增加或減少的CO2排放量，要根據其因素的重要性和所占比重來決定，例如當采用純低溫余熱發電時，要扣除相應的CO2排放量，熟料粉塵排放量較大時，可考慮增加這一因素的CO2排放量。

據估算，我國新型干法水泥工藝單位產品CO2排放源所占比例為：

碳酸鹽分解：燃煤：電力消耗＝62%：34%：4%

我國水泥工業每年排放的CO2約占全國總排放量的13%～15%，如果按每噸水泥排放0.7噸CO2計，則2008年全國生產14億噸水泥，要產生溫室氣體10億噸，詳細計算CO2排放量時，要設定許多生產條件并要選用許多CO2排放因子，可變化因素較多，常常使得詳細計算的準確性受到質疑、計算結果沒有實際意義，所以制定生產企業CO2計算法的標準非常重要。

圖3 我國水泥工業能源消耗結構

應該指出的是，實現CO2的減排是水泥工業進行產業結構調整、加強生產管理、提高能源、資源利用效率的綜合體現，也是實現中國水泥工業可持續發展的重要保證。表1是我國水泥工業現有幾種窯型的能效平均數據，從表中數據可以看出，必須盡快淘汰除新型干法水泥窯型外的所有落后工藝窯型，才能提高能源利用效率。CO2的減排不僅是中國水泥工業面臨的嚴峻挑戰，同時也是中國水泥實現技術水平全面提升的重要機遇，為了實現水泥工業節能減排的目標和發展低碳經濟，應該把發展建材經濟、節約能源和環境保護進行三位一體平衡，用綜合的觀點制定長遠戰略目標。

水泥企業生產過程中，主要CO2的排放源有如下幾方面：

（1）碳酸鹽分解

一般石灰石在硅酸鹽水泥原料中的配比占80%～85%，在水泥中約占70%左右（參看圖2），所以生產水泥需要的石灰質資源是很大的，工藝過程中排放的CO2也最多，石灰石中的固定碳越多，分解出的CO2也越多。

2008年我國水泥的原生態礦產資源及混合材的消耗量共計約20億噸，大約使用了14億噸石灰石，因為我國使用廢棄物作為石灰質原料的替代率很小，但在水泥粉磨時混合材的摻入量較多，可以代替相當一部分熟料，從而減少了石灰石的用量，減少了CO2的排放。

（2）燃料燃燒排放CO2

熟料煅燒是水泥工業的核心工藝，由生料煅燒成熟料需要大量的熱量，此外，水泥粉磨需要大量的電能。2008年我國每噸水泥綜合能耗平均約為115kg標煤，14億噸水泥約需1.6億噸標準煤炭 （含水泥粉磨綜合電耗1400億kWh）,水泥工業消費煤炭約占全國總消費量的6%。

因煤炭的燃燒反應而產生CO2，因此煤炭中的固定碳的含量與CO2的排放有很大的關系，在完全燃燒的情況下，煤質越好固定碳含量越多排放的CO2越多，如此說來水泥熟料煅燒效率不好、熟料煅燒的熱耗越大則排放的的CO2越多。所以應該采用先進的煅燒工藝，提高熟料燒成的熱效率。煤燃燒CO2的排放量計算，要根據國家公布的排放因子進行。

燃料包括煤炭、各種燃油和各種燃氣等，石油和天然氣單位熱量消耗的碳排放量較煤炭低l0%～30%，但由于價格與來源問題，我國水泥廠幾乎均采用煤炭為主要燃料，燃油為輔（圖3所示為2005年我國水泥工業能源消耗結構）。我國煤炭資源雖然豐富，但探明可采資源量只有1300億噸（2002年數據）,并且分布不平均，低揮發分煤和含硫量大的煤較多，能夠用于水泥工業的煤質越來越差。水泥工業是能源資源消耗較大的產業，能源問題是循環經濟的核心問題，能否實現循環經濟并使其持續下去，最終還是要取決于能源。

表2 水泥工業節能環保應用技術

（3）電力消耗折算的CO2排放

水泥廠所用的電力，大部分為從國家電網采購的電力，少部分為自家發電，外購電力必需折算出因火力發電而排放的CO2,計算時要采用國家公布的CO2排放因子，因為這是由于生產水泥而排放的，可稱為間接排放的CO2。然而當水泥廠采用余熱發電時要從全廠總電耗中扣除自家發電量。如果不是純低溫余熱發電，則補燃鍋爐的煤耗應加在全廠的能源消耗中。

4 減排二氧化碳構建低碳經濟體系的模式

（1）加強產業結構調整

我國落后工藝水泥產量占總產量的30%以上，落后產能約有5億噸，所以仍存在著嚴重的產業結構問題，表現出整體技術經濟指標低、能源效率低、能耗高、資源消耗大、CO2排放量大、對環境污染嚴重等問題。繼續加強產業結構調整，淘汰落后產能，則能有效減少CO2排放量。

據估算，若按淘汰5億噸落后工藝水泥考慮，可節煤7000萬噸，節電450億度，減少二氧化碳排放3.5億噸，減少粉塵排放700萬噸。

（2）推廣節能環保的應用技術

如上述，在水泥生產過程中CO2的排放源主要有燃料的碳燃燒、CaCO3分解和電耗折算的CO2排放量，其中以碳酸鈣分解排放的CO2最多。在水泥制造過程中，煅燒工藝與粉磨工藝是兩大重要工藝過程，必須做好節能減排工作，才能有效減少CO2的排放。主要內容有：高效預熱分解的熟料煅燒技術與裝備、料床粉磨的節能新技術與新裝備、余熱利用、電氣變頻技術、新型高效袋收塵器、水泥窯共處置廢物和細摻合料技術等，水泥工業節能環保的應用技術及節能減排潛力分析如表2所示。

在水泥常規生產上除了加強節能減排、推廣純低溫余熱發電技術之外，要加強廢棄物的利用 （代替石灰質原料和化石類燃料）和盡可能多地使用混合材，即用超細粉磨的電石渣、礦渣、鋼渣、粉煤灰等廢渣代替熟料，從而較大幅度減少石灰石的用量。

（3）加強國際合作，開發CO2減排的新技術

抓住機遇，利用CDM機制，加強國際合作，在促進傳統工藝減排CO2的同時，開發和引進CO2捕獲與封存等領域控制溫室氣體的新技術，水泥企業就能為社會減排CO2承擔更大的任務。

例如利用水泥工廠的碳資源再生制造生物能源的方案，利用藻類與水泥工業產生的煙道廢氣進行光合作用，捕捉水泥廠排放的CO2，建立藻類養殖生物反應器，生產生物能源，即藻類成熟后可成為生物燃料，從而控制CO2的排放。

（4）開發低碳型水泥新產品

近年來，非波特蘭水泥體系的研究有了一定進展，如硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和阿利尼特水泥等，其中硫鋁酸鹽水泥的原料為低品位礬土、石灰石和石膏，由于石灰石的配合量低，所以燒成溫度低，CO2排放量也低。氟鋁酸鹽水泥用于搶修、堵漏等特殊工程，鋁酸鹽水泥主要應用在耐火材料方面。盡管非波特蘭水泥體系的水泥還不能大量生產和使用，但在某些特殊場合可以代替普通水泥發揮很大的作用。

另外，近年來國內外出現了對堿激發膠凝材料的研究與報導，稱為堿膠凝材料，主要原料是工業排放的廢渣、尾礦、粘土類物料和含堿物質等，堿的作用是激發原料，使之具有膠凝性，并且形成含堿水化物，因為大部分原料中都含有一定量的鈣，因此不用專門的含鈣物質也可以形成膠凝性。采用粉磨、混合等操作加工制造，不需要高溫煅燒，因此這樣的堿膠凝材料具有節能、節約資源、減排CO2的優點，但這種膠凝材料還不能大量代替具有工業標準的硅酸鹽水泥。

5 結言

總括來說，水泥工業低碳經濟的總目標是要構建循環經濟系統，主要包括以下幾點內容：

（1）提高能源效率，少用或不用煤炭及含有機碳的燃料，盡可能使用不排放CO2等溫室氣體的其他能源，可以減少CO2或相關廢棄物的排放。捕獲CO2制造生物質能源,減少溫室氣體對氣候和環境的影響，提高行業的可持續發展能力。

（2）發展循環經濟，盡可能少用碳酸鹽原料（CaCO3、MgCO3），使用垃圾焚燒灰等代替石灰質原料，使用工業廢渣替代熟料，減少CO2排放量。使用窯尾余熱和冷卻機廢氣余熱發電或烘干原料，間接減少了能源消耗，從而減少了CO2排放。提高資源利用效率，提高利用劣質資源的技術水平，也是循環經濟的注意點。

（3）提高產品質量，包括功能、耐久性和壽命，此外，開發低碳水泥產品，建立低碳產品體系。另外，提高產品的功能是提高產品質量和性能的內容之一，功能的增多或強化，相當于擴大或延長產品的使用范圍或服務年限，對減排CO2、保護地球環境起到相同的作用。

我國水泥工業發展環保型低碳經濟勢在必行，水泥工業正在努力實現與資源、環境、經濟和社會的全面協調發展，即從不可持續發展的傳統工業向可持續發展的生態工業過渡。增強自主創新能力，高度重視研發工作，重點著眼于中長期戰略技術的儲備,推廣現有的節能環保低碳技術，開發新的碳捕獲技術和低碳產品,水泥工業將為全社會減排CO2作出更大的貢獻。

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