水泥行業二氧化碳減排途徑綜述

王帥紅王敏麗

在氣候問題備受關注的國際大背景下,發展低碳經濟已經成為全球性共識。在2009年召開的哥本哈根世界氣候大會上,溫家寶總理向全世界莊嚴承諾，到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%,這意味著中國從此進入了低碳經濟時代。而所謂低碳經濟是指在可持續發展理念指導下，通過制度創新、技術創新、產業轉型、新能源開發等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經濟社會發展與生態環境保護雙贏的一種經濟發展形態，其核心是能源技術和減排技術創新、產業結構和制度創新及人類生存發展觀念的根本性轉變。

水泥是經濟建設的重要材料，水泥工業也是國民經濟的重要的基礎產業，水泥工業的快速發展有力支撐了國家社會經濟建設。然而，在為社會進步及經濟發展作出巨大貢獻的同時，也消耗了大量的資源、能源，并向環境中排放了大量溫室氣體CO2。消耗量在國民經濟各行業中仍居于前列。據統計，2010年我國原煤產量約為32億噸，燃燒所排放的CO2為79.68億噸，其中水泥生產能耗約3.1億噸煤，CO2排放總量約7.719億噸（不包括生產水泥用碳酸鈣分解排放的CO2），約占當年全國CO2總排放量的10%。水泥工業傳統的發展和生產模式，使得資源、能源都難以為續，對生態環境也造成了極為不利的影響。同時，今年國務院出臺了對包括水泥工業等在內的《抑制部分行業產能過剩和重復建設引導產業健康發展若干意見的通知》，對水泥工業等產業開始調整。剛剛閉幕的全國人大十一屆三次會議上，如何迎接低碳經濟時代也是重要內容之一。因此，低碳經濟是水泥工業發展的必由之路；推動水泥工業低碳生產技術研發和應用，促進水泥工業大幅度節能減排，實現水泥工業先進綠色制造，是水泥工業發展面臨的緊迫任務。

一、水泥企業生產過程中主要CO2排放源

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%，所以生產水泥需要的石灰質資源是很大的，石灰石質原料分解會放出大量的CO2。

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，熱量來源于燃料燃燒，我國水泥廠幾乎均采用煤炭為主要燃料。煤炭燃燒產生大量的CO2。

3、電力消耗折算的CO2排放

水泥生產包括原料開采、生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨等多個工藝環節，使用多種輸送、破碎、粉磨、煅燒工藝設備及電機、風機等，需要消耗一定量的電力。水泥廠所用的電力必需折算出因火力發電而排放的CO2，因為這是由于生產水泥而排放的，可稱為間接排放的CO2。

二、水泥行業二氧化碳減排的途徑

⒈水泥純低溫余熱發電技術

2009年底，我國已有512臺預分解水泥窯配備了余熱發電裝置，裝機容量高達3320 MW,年回收電能235億度，相當于節省標煤880萬噸，CO2減排2200萬t。預計2010年將有700臺以上預分解窯采用余熱發電技術，年減排CO2將達3200萬t。

但基于我國以及廣大發展中國家和新興國家水泥工業的現實情況，水泥窯余熱發電是具有其顯著優點的，適用性很廣，市場需求空間很大，是一項頗具競爭力的適用技術。我國應堅持這條技術發展途徑，在不額外增加熟料熱耗的前提下，繼續研發創新，將噸熟料余熱發電量由現今的最高40度左右提升到50度或更高。

⒉城市生活垃圾焚燒處理技術

城市生活垃圾焚燒處理技術的基本原理是利用水泥窯穩定高溫環境完全降解垃圾焚燒產生的二惡英，實現無害化處理，垃圾燃燒的熱能可替代水泥熟料生產所需要的部分燃料，灰燼用作水泥原料，對水泥生產及產品品質不產生任何影響，從而以有效解決我國城市垃圾處理中大量占用土地、產生二次污染的難題。

在過去的20多年間，世界水泥工業從少量采用/替代一小部分煤開始起步，一直發展到現今許多發達國家已相當廣泛地采用水泥窯協同焚燒廢料，成效顯著。水泥工業協同燃燒可燃廢棄物已經是一項環境安全、經濟合理、工藝成熟的最佳適用技術。同時，水泥窯協同焚燒廢料不僅可以節省相當數量的不可再生的天然化石燃料（煤），減少噸熟料的CO2排放30%，降低熟料生產成本，同時還為社會妥善地消納了一部分廢棄物，為環境保護作出貢獻，實屬一舉多得。

⒊生物質燃料研發

生物燃料主要是指農業或林業生物質的固體成型顆粒，屬可再生能源，如秸稈、薪柴、人畜糞便、城鎮生活垃圾、有機廢棄物等。經過加工后都可成為生物燃料，它具有低硫、永續、清潔、高效的特點，可用來替代中小型燃煤（油）鍋爐的用煤（油）。據估算，每使用一噸生物燃料，可減少煤燃燒產生的1.6噸的二氧化碳排放量。以現今比較看好的——利用藻類光合固碳作用生產生物燃料為例：因為藻類在光合作用中需要吸入CO2，水泥窯廢氣中則含有約25%的CO2，兩者形成互補。藻類光合作用所生產的生物燃料足以替代煤供水泥窯燒成熟料之用。水泥窯排放的1/3 CO2則可供藻類光合吸碳之需，這樣從理論上的理想情況來說，既解決了水泥窯的燃料供應問題，還減少了其1/3的CO2排放，效益甚佳。

⒋徹底淘汰落后水泥

落后水泥是指落后工藝生產的水泥和所謂的采用的是新型干法先進工藝但規模達不到產業政策要求、技術指標不先進的生產線生產的水泥。主要是立窯、干法中空窯、濕法窯、立筒預熱器窯、小型新型干法窯。按照國發〔2009〕38號文件要求，各地必須盡快制定3年內徹底淘汰落后產能時間表。只有通過重組聯合，淘汰落后產能，提高產業集中度，才能實現水泥產業結構調整。盡快徹底淘汰落后水泥產能是實現水泥產業結構調整的需要，也是水泥產業走低碳經濟發展道路的必要。

⒌發展節能粉磨技術與裝備

開發能量轉換效率更高的粉磨裝備，提高物料粉磨效率，降低粉磨能耗，減少電能的浪費，也是水泥工業實施低碳經濟的潛力所在，因為噸水泥消耗的電能折合CO2排放約80 kg。物料粉磨電耗約占噸水泥總電耗的60%以上，其中水泥粉磨的電耗約占總電耗的40%。粉磨又是一個效率極低的過程，如傳統的球磨機能量利用率僅為1%~3%，絕大部分轉化成熱量而散失、浪費，相應的噸水泥電耗高達110 kWh。隨著粉磨技術的進步，如采用能量利用率高達10%以上的無球料床粉磨技術代替傳統的球磨技術，噸水泥電耗可降低至80 kWh以下。另外，經實踐表明，通過改變輥盤形狀、盤速、輥壓及擋料圈高度以增加粉磨時間、提高中間產品細度、加寬粒度范圍，并配套轉子速度調節范圍大的籠式轉子選粉機，采用無球化料床粉磨技術是可以生產出顆粒分布合格的各種水泥的。

⒍優化水泥熟料和混合材性能

C3S是水泥熟料中最主要的礦物，膠凝性能最好，但是在實際生產工藝中C3S含量過高會造成熟料燒成困難，熱耗急劇增加。因此，優化C3S結構、調整熟料礦物匹配與燒成制度是制備高膠凝性水泥熟料的關鍵。通過確定C3S晶體結構、晶形、晶格內雜質分布及其與水化活性之間的關系，并采用摻雜、熱歷史控制等手段可提高熟料礦物C3S的介穩化程度，從而大幅提高熟料礦相體系的膠凝性，熟料的燒成變得容易一些，熱耗降低，即CO2排放量降低。

⒎開發綠色環保型膠凝材料

開發與傳統膠凝材料具有相近性能的新型膠凝材料，是近年來無機非金屬材料領域就節能減排展開的研究熱點。該類材料以粉煤灰、礦渣、垃圾焚燒底灰、尾礦等各種廢料為原料，在激發劑的激發下產生膠凝性能，其“低碳”效應主要體現在：能耗低，煅燒溫度低甚至不用煅燒；排放低。例如：卡爾斯魯厄技術研究所（KIT）的科學家研制出了一種新的黏合劑Celitement。與傳統水泥相比，在生產這種新型建材的過程中，可減少50%的CO2排放。英國Novacem公司發明了一種新型水泥生產公司，能夠大幅度降低水泥生產過程中的二氧化碳排放量。該研究使用氧化鎂取代了傳統的碳酸鈣作為水泥的主要成分。生產每噸新型水泥可以為大氣減少100千克的CO2，而生產每噸傳統水泥則需要排放800千克CO2。另有研究機構采用輕燒氧化鎂，與粉煤灰等工業廢棄物混和、加水攪拌后制成鎂建筑制品，再通過碳化或是對水泥窯爐煙氣中CO2進行吸附、反應，形成碳氫化合物 Mg(HCO3)(OH)·2H2O，使鎂建筑制品在2周的強度達18MPa，超過硅酸鹽水泥建筑制品強度的兩倍多。還有研究提出了采用廢棄水泥砂漿及廢棄水泥混凝土，通過組分的適當調整及在700℃下的中溫煅燒，生產制備二次水泥的新工藝。水泥礦物水化后形成有C-S-H凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等。這不僅有效地處置和利用了大量的建筑廢棄物，而且消除了水泥生產過程CO2的減排。

三、結語

盡管優化工藝、改良裝備、替代原燃料、利用廢棄物作混合材等成熟技術為水泥工業的節能減排作出了巨大貢獻，但為使水泥工業最大程度地滿足低碳經濟發展的要求，必須創新與發展水泥工業低碳經濟的工程科學技術，例如開發綠色環保型膠凝材料，一些新型生物質燃料研發都將是未來水泥行業減排的重要途徑，需要進一步的研究和推廣。另外，一些低碳經濟技術方案組合起來實施，將在降低從水泥生產到應用過程中的CO2排放方面發揮更大作用。

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