水泥生產CO2減排技術及案例分析★

劉 晶 段 銳

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

水泥生產CO2減排技術及案例分析★

劉 晶1段 銳2

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

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

水泥工業，二氧化碳，減排

0 引言

水泥生產過程產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排放是水泥工業面臨的嚴峻挑戰，也是實現水泥工業科技進步的重要機遇。根據國家《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》指示，國內大型水泥集團積極開展水泥產品低碳認證示范工作[3]，強化企業生產管理，挖掘節能減排潛力，實現了水泥產品CO2排放的有效控制和持續減排。本文基于認證企業的工藝流程，分析了各項減排技術及其減排能力，以探索水泥工業的節能減排方向。

1 水泥生產工藝過程及CO2排放

1.1 生產工藝過程

水泥生產包括原料開采及運輸、生料和燃料制備、水泥熟料煅燒、水泥制備及發送、余熱發電、輔助生產工藝過程、生產管理等多個工藝環節，涉及運輸、破碎、粉磨、煅燒等工藝設備，這些工藝環節和設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

水泥生產工藝特點表明水泥企業的CO2排放主要源于:

1)熟料煅燒過程石灰質原料分解產生的排放;

2)各種燃料燃燒產生的排放;

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

1.3 排放量核算方法

通過大量的基礎性調研、統計與核算研究確定，水泥熟料中CaO,MgO含量一般為64%～67%，1%～3%，依據《環境標志產品技術要求 水泥》[4](以下簡稱《環標 水泥》)規定的運營邊界和計算公式進行分析、核算，確定生料中石灰質原料分解產生的碳排放約為0.53 t CO2/t熟料；水泥生產消耗的燃料包括各種燃煤、燃油等，由燃料的熱值、相應的CO2排放因子即可推算出單位燃料燃燒時的碳排放量。對我國不同生產規模的生產線能耗情況調研分析發現，熟料燒成熱耗平均約為770 kcal/kg熟料[5]，依據《環標 水泥》規定的標煤CO2排放因子，核算得到燃料燃耗產生的CO2排放量約為0.31 t CO2/t熟料；水泥生產的電力消耗也會產生CO2排放，水泥生產的全球平均電耗為111 kWh/t水泥[6]，結合我國權威機構發布的電力消耗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生的CO2排放量約為0.095 t。按水泥熟料系數0.75計，核算出生產單位水泥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%，與其他文獻的研究結果相一致[7-9]。水泥生產各工藝過程CO2排放量見表1。

表1 水泥生產各工藝過程CO2排放量

2 水泥生產CO2減排技術

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

2.1 生產工藝碳減排

生產工藝CO2排放是指能耗消耗之外的生產過程產生的碳排放，主要指石灰質原料中碳酸鹽礦物分解產生的CO2排放。采用碳排放強度低的原料代替石灰質原料生產水泥熟料可以減少相應的工藝碳排放。可利用的替代原料包括電石渣、高爐礦渣、粉煤灰、鋼渣等，這些經高溫煅燒的廢渣中的鈣質組分以CaO，Ca(OH)2形式存在，在生產熟料時不會釋放CO2。電石渣作為替代原料生產水泥熟料時具有最顯著的減排效果，同時也是實現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%，由鈣質原料分解產生的工藝CO2排放可減少7 kg左右，若電石渣完全替代石灰質原料生產水泥熟料，即可減少約530 kg的工藝CO2排放。

除采用電石渣替代鈣質原料外，調整工藝操作后多種工業廢棄物都能用于水泥熟料生產，不僅能夠減少化石燃料使用，降低生產成本，同時減少CO2排放，實現綠色生產和循環經濟的共同發展。水泥生產可利用的替代原料如表3所示。部分鋼渣中CaO含量達40%左右，若替代20%的石灰質原料，噸熟料可減少110 kg工藝CO2排放。高鈣粉煤灰中CaO含量達10%～20%，不僅可作為硅鋁質原料，通過合理配比若替代約2%的石灰質原料，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性的低碳排放強度材料代替高碳排放強度的熟料來生產水泥。其技術手段是通過提高水泥熟料強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相關的工藝、燃料和電力消耗產生的CO2排放。

開發低鈣水泥新品種是實現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，由石灰石分解產生的工藝CO2排放量相應減少。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，由燃煤燃燒產生的能耗CO2也相應減少。據分析，硫鋁酸鹽水泥生產比硅酸鹽水泥減排CO2約30%[10]。

2.2 生產能耗碳減排

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

采用替代燃料是實現能耗CO2減排的重要途徑。替代燃料是具有較高熱值的廢棄物，經加工處理后，其能源組分可代替傳統化石燃料用于水泥熟料的煅燒，其無機組分在煅燒后可與熟料相結合。由于替代燃料中通常含有部分碳氫化合物，熱值相同時其碳排放強度僅為傳統化石燃料強度的80%左右。發達國家替代燃料應用通常采用由專業公司進行收集、加工，形成顆粒細小、含水量較低、熱值穩定的成品供給水泥廠使用的模式。我國的可燃廢物數量有限、燃料熱值較低，替代燃料技術仍處于起步階段，常用的替代燃料有酒糟、蘑菇渣、有機溶劑、廢油、玻璃鋼等。

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

余熱發電技術是水泥行業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行熱交換回收，產生過熱蒸汽推動汽輪機實現熱能向機械能的轉換，從而實現發電機發電。按照國家電力監管委員會公布的發電標準煤耗335 g/kWh，標煤CO2排放因子2.75 t/t標煤計算，余熱發電1 kWh即減少CO2排放約0.9 kg。由此計算2 500 t/d，5 000 t/d兩種典型規模配備余熱發電項目的減排效果，見表4。

表4 余熱發電減排效果分析

根據國家工信部的有關指導意見，中國建筑材料科學研究總院研發了水泥企業能源管理系統，該系統可全面監測水泥生產企業用能設備、工藝流程，對比、分析生產過程能耗數據，優化用能結構和生產工藝，建立企業能耗評估、管理體系，提高企業能源效率水平，實現節能增效。某企業采用能源管理系統后實現能源消耗監控實時化，能夠及時調整生產異常狀況，優化工藝操作，使能源消耗處于最佳狀態，熟料標煤耗降低2.62 kg/t ，熟料綜合電耗降低4.3 kWh/t，僅適用8個月即節約標煤15 420 t，節約用電2 531萬kWh，減少CO2排放2萬多噸，若全國10%的水泥生產企業采用該項技術，則每年可節約標準煤110多萬噸，減少CO2排放310多萬噸。

2.3 新技術碳減排

生產工藝、生產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排放的CO2進行分離、捕集、封存、固定轉化等。

碳捕集和碳封存(CCS)技術是在CO2排放時即將其捕集，然后壓縮成液體，通過管道運輸到地下深層永久貯存。水泥行業正在積極研發CO2捕集技術，燃燒后捕集因其不需要改造熟料燒成工藝，認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行商業規模的CCS項目示范研究，該CCS驗證項目捕集高達100萬t CO2。我國擁有世界上單廠規模最大的熟料生產基地，年產熟料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技術可實現年減排CO2約800萬t。

3 水泥生產CO2減排案例分析

為推動水泥行業向低碳、環保、可持續方向發展，減少水泥在生產、使用、包裝、運輸和處置過程中的CO2排放，國內各大水泥集團的優秀企業積極開展節能減排技術改造，大力提升生產工藝技術水平，顯著減少生產過程和單位產品的CO2排放，有力促進水泥行業的綠色轉型。

中建材集團南方水泥旗下某公司長期重視科技進步，大力推廣應用節能減排技術，實現CO2排放的有效控制和持續減排。該公司自有石灰石礦山品位低，難以配料生產，自2009年起采用電石渣進行配料，促使窯系統穩定運行，熟料煅燒質量顯著改善，同時顯著減少工藝CO2排放。根據《環標 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。由于窯系統穩定運行、熟料產量提高，燒成熱耗顯著下降，同時減少了生產能耗CO2排放。通過采用替代原料技術，該公司2012年減排CO2近3 000萬t，使企業順利通過國家環境標志低碳產品認證，為行業低碳發展、實現碳排放有效控制樹立典范。

拉法基集團某公司積極發展循環經濟，打造綠色水泥產業，企業充分利用當地資源優勢，在原煤中搭配使用酒糟、蘑菇渣等生物質替代燃料，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約標煤近1萬t，由于替代燃料均為生物質燃料，其排放的二氧化碳視為碳中性，應用替代燃料后實現年減排CO2約2.5萬t。在推廣應用替代燃料技術的同時，拉法基集團普遍采用高效粉磨技術裝備，進一步降低了生產能耗、CO2排放。

4 結語

水泥工業CO2減排的主要技術途徑為:1)生產工藝碳減排，如替代原料、熟料替代技術等；2)生產能耗碳減排，如替代燃料、高效粉磨、余熱發電等；3)新技術碳減排，如碳捕集和碳封存技術。各項減排技術都有一定的減排潛力，大力研發并推廣應用節能減排技術將推進水泥工業的節能減排，實現水泥工業綠色轉型，進而為應對氣候變化、保護生態環境做出積極貢獻。

[1] 顧阿倫.我國水泥行業溫室氣體排放測量和報告現狀分析[J].中國經貿導刊,2012(11):54.

[2] 蔣小謙,康艷兵,劉 強，等.2020年我國水泥行業CO2排放趨勢與減排路徑分析[J].中國能源,2012,34(9):17.

[3] 魏麗穎,汪 瀾.南方水泥開展低碳認證 推動企業節能減排[J].中國水泥,2014(1):53.

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[5] GB 16780-2012，水泥單位產品能源消耗限額[S].

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[7] 汪 瀾.水泥低碳生產技術評述[J].中國水泥,2010(5):25.

[8] 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(1):61.

[9] 殷素紅,龐翠娟,穆 彥，等.水泥生產CO2排放量化方法分析及數學模型建立[J].水泥,2012(7):1.

[10] 王燕謀.中國水泥工業致力于減排CO2的現狀和展望[J].中國水泥,2009(11):17.

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“重點行業溫室氣體減排評價及控制共性技術研究與示范”(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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