開發(fā)低碳技術，構建低碳水泥工業(yè)體系

韓仲琦，趙艷妍

1 概論

通?？諝庵蠧O2的含量為0.030%，當空氣中CO2的含量達到0.050%時，會引起溫室效應，導致以變暖為主要特征的氣候變化，嚴重威脅經濟社會的發(fā)展和生態(tài)安全。2011年全球CO2總排放量達到340億噸的歷史最高點，中國、美國、歐盟、印度、俄羅斯、日本為全球CO2排放量最多的國家。為減小和消除CO2對環(huán)境的影響，世界各國都在限制其排量，并加強了對CO2的創(chuàng)新利用研究。2009年11月25日，中國政府宣布到2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～45%，表明了我國通過推廣低碳的生產生活方式，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的決心。

全球水泥生產中的碳酸鹽分解是最大的非燃燒類CO2排放源，世界水泥工業(yè)CO2排放占全球排放總量的5%～6%[1]。在我國重要的產業(yè)部門中，除了煤電和鋼鐵業(yè)，水泥工業(yè)是生產過程中CO2排放量最大的產業(yè)，約占全國總排放量的六分之一，約占全球的3%。隨著我國水泥產量持續(xù)增長，CO2排放量也在逐年增加（見表1）。由于我國混合水泥產量很大，減少了單位水泥中的熟料比率，所以每噸水泥CO2排放量為全球先進水平。若以每噸水泥排放0.605噸CO2計[1]，按照2012年全國水泥產量22.1億噸估算，全國水泥生產排放13.4億噸CO2。根據我國第二代新型干法水泥技術研發(fā)目標要求，2016年我國水泥工業(yè)降低20%CO2排放量，一年可減少2.65億噸溫室氣體排放量，將對環(huán)境做出較大的貢獻，所以降低溫室氣體排放，構建低碳水泥工業(yè)體系，對發(fā)展綠色經濟有著重要意義。

2 構建低碳水泥體系的背景分析

2.1 世界水泥生產與CO2排放量

世界水泥產量在很大程度上由中國主導，中國的水泥生產量約占全球的60%，緊隨其后的是印度、美國、土耳其、日本、俄羅斯、巴西、伊朗和越南。伴隨著中國水泥產量的持續(xù)增長，2011年全球水泥產量增長了6%，2012年也有很大的增長，全球水泥產量為36～40億噸，排放了25～30億噸CO2。水泥工業(yè)CO2排放總量并不是總與水泥生產量成正比，例如，近年來世界水泥中熟料的比例有減少的趨勢，使得CO2排放量小于產量增長的比率。近年來大多數國家生產的混合水泥的份額相對傳統(tǒng)的波特蘭水泥大幅增加，因此全球水泥產品中的平均熟料組分已下降到70%～80%，與比例為95%的波特蘭水泥相比，每噸水泥的CO2排放量減少了，這使得生產每噸水泥的CO2排放量與20世紀80年代比減少了20%。

關于每噸水泥CO2的排放系數（噸水泥的CO2排放量），根據統(tǒng)計者或研究者設定條件的不同而有很大的不確定性，例如有的研究者提出0.527，而我國建材情報所提出的是0.605，其實這個數據應在大量實時數據統(tǒng)計之后獲得。

2.2 我國水泥工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國水泥工業(yè)近20多年來有了很大發(fā)展，經濟運行質量明顯提高，科技進步加快，結構調整取得了很大進展，特別是新型干法水泥工藝技術與裝備的開發(fā)，通過優(yōu)化設計已形成1000～10000t/d高質量生產線系列。2012年全國水泥產量達22.1億多噸，連續(xù)29年居世界第一（見圖1），其中先進的、新型干法水泥產量約占總產量的90%?，F(xiàn)在我國典型的新型干法水泥主要技術經濟指標已達到國際先進水平，并且水泥制造工程業(yè)已進入國際市場。

然而，近年來我國水泥出現(xiàn)了嚴重的產能過剩的情況，目前產能約達29億噸/年，過剩產能約8億噸/年。當前水泥產能過剩的直觀表現(xiàn)是：全國有3700多家水泥企業(yè)，包括有一定數量的落后工藝生產線和小水泥企業(yè)；低水平的產品數量仍占有市場的相當份額；高質量產品和功能水泥的品種較少；雖然我國新型干法水泥技術的典型模式已達世界先進水平，但整體節(jié)能減排指標仍然落后于國際先進水平；水泥企業(yè)利潤降低，綠色水泥（或稱生態(tài)水泥）生產發(fā)展緩慢，協(xié)同處置廢物長期處于起步階段，水泥工業(yè)的環(huán)保功能還沒有充分發(fā)揮。

2.3 我國構建低碳水泥工業(yè)體系的有利形勢

現(xiàn)在我國政府有關部門和水泥行業(yè)協(xié)會都在努力尋找化解產能過剩的措施。2009年9月，工業(yè)和信息化部發(fā)出了征求《水泥行業(yè)準入條件》的函和印發(fā)了《關于抑制產能過剩和重復建設引導水泥產業(yè)健康發(fā)展的意見》；2010年11月工業(yè)和信息化部發(fā)布《關于水泥工業(yè)節(jié)能減排指導意見》；2012年10月22日工業(yè)和信息化部又出臺了《水泥行業(yè)清潔生產技術推行方案（征求意見稿）》。這些文件總的要求是水泥（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(jié)能減排技術和設施；降低CO2、NOx、SO2排放和提高協(xié)同處置的能力等。這說明政府一方面加強了宏觀調控，另一方面為水泥工業(yè)加強節(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經濟提供了政策支持，出現(xiàn)了構建低碳水泥工業(yè)體系的有利形勢。

（1）我國繼續(xù)加大力度進行水泥產業(yè)結構調整和兼并重組工作，大力減少落后工藝水泥產能和低水平工藝的水泥產能、減少小水泥企業(yè)數量。行業(yè)內正嚴格按照工信部的《水泥行業(yè)準入條件》及抑制產能過剩的文件要求整頓水泥市場，2012年淘汰了約2億多噸落后產能，2013年目標是淘汰7300萬噸，已逐步解決了整體技術經濟指標持續(xù)低下、能源效率不高等問題。加強產業(yè)結構調整、淘汰落后產能，可以明顯減少CO2的排放量。

表1 我國水泥工業(yè)CO2排放估算值，百萬噸

圖1 我國近年水泥產量圖

（2）在我國第二代新型干法水泥工業(yè)發(fā)展目標中，已明確提出加速向綠色功能產業(yè)轉變，一個具有高效節(jié)能減排、協(xié)同處置廢棄物、高效防治污染并具有低碳技術的水泥工業(yè)，不僅為國民經濟建設提供高質量的基礎原材料，而且是社會層面循環(huán)經濟的重要組成部分，水泥工業(yè)將逐步成為新型環(huán)保產業(yè)的一員，使一部分水泥產能具有處置廢棄物的功能，增加代用鈣質原料和代用化石類燃料，一方面減少了CO2排放，一方面為社會環(huán)保事業(yè)做出了貢獻。

（3）我國加強了政策導向，重視提升行業(yè)整體技術水平，《水泥單位產品能源消耗限額》和《水泥工業(yè)大氣污染物排放》等國家新標準已經完成，即將發(fā)布和嚴格執(zhí)行。按標準要求檢查、淘汰不合格的企業(yè)，把低水平、高能耗、不環(huán)保的企業(yè)淘汰出局，不僅可化解產能過剩，而且可全面提升我國水泥工業(yè)整體技術水平。

3 水泥生產過程中CO2排放源的研究[2]

在一般硅酸鹽水泥生產過程中，CO2產生的來源主要有生產工藝過程的排放（CaCO3和MgCO3分解）、生料煅燒和原料烘干所需煤炭的燃燒反應、生產過程中電力消耗折算的煤耗等。圖2所示為我國普通硅酸鹽水泥制造過程中CO2主要排放源所占的比例（設定水泥熟料熱耗為100kg標煤/t熟料，水泥綜合電耗為100kWh/t水泥，摻入20%混合材）。

當生產參數不同時，CO2排放的比例也會變化，在產生CO2的主要來源中，除去碳酸鹽分解的因素外，熟料煅燒煤耗和水泥粉磨電耗是主要因素。

關于水泥CO2排放量計算,目前有三種計算方法可以用于不同情況，包括：排放總量估算法、詳細計算CO2排放量法[3]、快速計算法。由于內容較多，且非本篇主要談及的內容，故此處不擬詳述。但不管哪種方法都應采用公認的基準實時數據，采用權威部門發(fā)布的CO2排放因子，以利于結果的準確性和可比性。當詳細計算時由于需要許多生產數據，而且要選用多種排放因子，此時要考慮一些因素或因子存在的不確定性，會產生計算結果準確性的質疑。

（1）石灰石分解排放CO2

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。因為我國使用廢棄物作為石灰質原料的替代率很小，所以生產水泥需要的石灰石資源較大。

石灰石中碳酸鹽的分解，CaCO3和MgCO3是CO2的主要來源，一般來說，水泥原料石灰石中的MgCO3含量比率比CaO小得多，故在一般估算時可忽略不計。碳酸鹽分解排放的CO2約占總排放量的60%左右。

（2）燃料燃燒產生的CO2

煅燒是水泥工藝的核心，原料烘干與生料煅燒需要大量的熱量，水泥工業(yè)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，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，當水泥熟料煅燒效率不高，熟料煅燒的熱耗越大則排放的CO2越多。

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10%～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，燃料燃燒排放的CO2約占總排放量的40%以下。

（3）電耗間接排放的CO2

水泥廠所用的電力是從國家電網采購，小部分水泥廠采用余熱發(fā)電，補充部分電力。外購電力必須折算出火力發(fā)電排放的CO2，排放因子取用權威部門公布的數據。水泥廠采用余熱發(fā)電要從全廠總電耗中扣除自家發(fā)電量，如果不是純低溫余熱發(fā)電，則補燃鍋爐的煤耗應加在全廠的能源消耗中。在水泥生產中因電耗折算的CO2排放量，一般不是很大。電耗折算的CO2約占總排放量的10%以下。

（4）其他影響CO2排放的因素

有一些因素增加了CO2的排放或減少了CO2的排放，如增加的因素有：生料中的有機碳燃燒、生產中的飛灰和粉塵、礦山開采的油耗所產生的CO2，輔助生產的電能消耗、物料輸送、生產照明、生產管理、控制系統(tǒng)的電能消耗、企業(yè)租用社會車輛進行運輸產生的CO2排放等；減少的因素有采用代用燃料和代用鈣質原料、添加混合材、生產低鈣水泥或低碳水泥等。

圖2 我國水泥生產過程中CO2排放的比例

4 低碳技術研究

4.1 CO2減排技術

（1）水泥窯協(xié)同處置廢物

水泥窯協(xié)同處置廢物的主要內容包括：工業(yè)廢棄物的水泥窯焚燒處置、污泥的水泥窯焚燒處置、城市垃圾的水泥窯處置等。水泥窯處置的許多可燃廢棄物可以替代一次能源使用，并且無外排殘渣。發(fā)達國家已經有多年的實踐經驗，例如歐盟50%的可燃廢物被水泥窯利用，年用量超過600萬噸，日本每噸水泥的廢棄物使用量約達500kg。

水泥工業(yè)用的可燃廢物主要有三大類：生物質、石油衍生品和化學危險品。替代燃料的數量和種類不斷擴大，由于材料及其制造過程的特性，水泥工業(yè)逐漸成為利用廢物的首選行業(yè)。根據歐盟的統(tǒng)計，歐洲18%的可燃廢物被工業(yè)領域利用，其中有一半是水泥行業(yè)，是電力、鋼鐵、制磚、玻璃等行業(yè)的總和。水泥窯協(xié)同處置廢棄物過程中，利用可燃廢物作為水泥窯熟料生產中替代燃料，不僅可以節(jié)約煤、天然氣等不可再生資源，同時有助于減少碳排放、保護環(huán)境。

此外，利用垃圾焚燒灰替代部分鈣質原料，不僅節(jié)約了石灰石天然原料，而且大大減少了水泥熟料煅燒過程中排放的CO2。日本在這方面已有很好的經驗，我國琉璃河水泥廠已經開始了這方面的嘗試。到2016年我國水泥工業(yè)協(xié)同處置廢棄物的目標是：可燃廢物替代率≥40%，水泥熟料可比CO2減排達到25%以上。

（2）提高能源和資源利用效率

雖然我國典型的新型干法水泥熱耗已達國際先進水平，但一次能源的利用效率比國外先進水平差，我國水泥單位產品平均綜合能耗目前比國際先進水平高，提高能源效率，以較少的能源消耗，創(chuàng)造更多的物質財富，不僅對保障能源供給、推進技術進步、提高經濟效益有直接影響，而且也是減少CO2排放的重要手段。

另外，在水泥常規(guī)生產上除了加強節(jié)能減排、推廣純低溫余熱發(fā)電技術之外，要加強大宗工業(yè)廢渣的利用，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，從而較大幅度地減少石灰石的用量，因此，水泥工業(yè)的節(jié)能減排與減少CO2排放的目的是一致的。

再如，利用粉煤灰配料、開發(fā)一種能夠大幅度降低能耗和CO2排放的低鈣水泥熟料，即新型貝利特水泥，噸熟料CO2排放量和燒成熱耗降低20%以上，噸熟料使用的粉煤灰比例超過40%，水泥綜合性能全面達到并優(yōu)于普通硅酸鹽水泥。

（3）利用CDM機制，開發(fā)CO2減排新技術

清潔發(fā)展機制（CDM）和碳交易使發(fā)達國家可以用較低的成本完成減排義務，發(fā)展中國家也可以從中引入先進的低碳技術，是一種促進低碳發(fā)展的模式。我國也逐步開展了這一工作，2011年9月11日，我國廣東省啟動了水泥企業(yè)碳排放權交易試點項目，4家水泥企業(yè)以每噸60元的價格認購了130萬噸碳排放權，交易金額共7800萬元，4家企業(yè)未來年新增產能2500萬噸水泥。

中國內地的碳排放權交易體系試點2013年6月在深圳推出，此次試點采用的是“碳強度”體系，所謂“碳強度”，就是“單位GDP產出（消耗）的碳排放量”，所有參與者必須達標，否則就要購買新的排放權，也就是在充分考慮企業(yè)產能的基礎上鼓勵減排。

利用CDM機制抓住機遇，加強國際合作，在促進傳統(tǒng)減排CO2的同時，開發(fā)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(yè)就能為社會減排CO2承擔更大的任務。

4.2 CO2的捕集與應用

4.2.1 CCS技術

碳捕集與封存技術稱為CCS技術（Carbon Capture and Storage）。碳捕集技術目前大體上分作三種：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集。三者各有優(yōu)勢，卻又各有技術與成本難題尚待解決，目前呈并行發(fā)展之勢。潛在的技術封存方式有：地質封存（在地質構造中，例如石油和天然氣田、不可開采的煤田以及深鹽沼池構造），海洋封存（直接釋放到海洋水體中或海底）以及將CO2固化成無機碳酸鹽。

目前中國的CO2捕集和封存整體上還處于起步階段，而且大都采用燃燒后捕集的方式。一些企業(yè)已在實踐上進行了嘗試，2008年7月16日中國首個燃煤電廠CO2捕集示范工程——華能北京熱電廠CO2捕集示范工程正式建成投產，并成功捕集出純度為99.99%的CO2。我國水泥工業(yè)是工業(yè)領域CO2的主要排放源之一，也已開始重視這方面研究。

CO2的地下儲存，作為溫室氣體減排和資源化利用之間的結合點，展示了實現(xiàn)溫室氣體資源化利用并提高油氣采收率的廣泛應用前景，有可能成為在經濟開發(fā)與環(huán)境保護上可實現(xiàn)雙贏的有效方法。

4.2.2 建立CO2循環(huán)應用產業(yè)鏈

CO2是一種重要的資源，適用于國民經濟各個領域，具有廣泛的利用價值。水泥工業(yè)是重要的CO2排放源，水泥企業(yè)可以循環(huán)利用CO2，或從水泥廠分離收集CO2后送到應用部門，形成循環(huán)應用CO2的產業(yè)鏈，產生新的生產模式。這是一項新的開拓領域，可以想象困難很多，需要許多相關科技領域部門的合作，開發(fā)CO2資源的綜合利用工作，變“廢”為寶，更好地為國民經濟建設服務。這樣既應對了氣候變化，又開發(fā)了新的市場，有利于低碳技術的商業(yè)化發(fā)展。CO2的應用有如下幾方面：

（1）在化工方面，如制備甲烷、制備甲醇、制堿、物質分離、提純、合成有機高分子化合物。

（2）在食品農業(yè)方面，如制備碳酸飲料，代替氟利昂做制冷劑，進行冷凍、冷藏、滅菌、防霉、保鮮，生產食品泡沫包裝盒，生產氮肥，用作植物氣肥。

（3）在石油化工方面，如油田助采劑，海藻生產石油。

（4）其他，如氣體保護焊接、污水處理、CO2染色、混凝土添加劑和核反應堆凈化劑。

4.2.3 水泥工業(yè)捕集與應用CO2的研究

（1）油藻新能源

藻類物質在吸收CO2的同時，又可吸收NOx，有的物種還可吸收SOx。在水泥生產過程中以CO2和藻類物質為載體充分利用太陽能，既解決了水泥生產過程中對能源的需求，又可達到CO2減排的控制目的，所以利用生長快速的藻類來固定CO2，為CO2的生物減排提供了一種非常具有應用前景的技術[4]。

油藻新能源的方法是利用微藻養(yǎng)殖的研究成果，將部分CO2供給藻種制成一定數量的干油藻，作為水泥回轉窯新燃料。考慮水泥工業(yè)可開發(fā)的因素是：回轉窯窯尾廢氣中CO2含量豐富，狀態(tài)穩(wěn)定，可滿足油藻養(yǎng)殖要求；水泥廠通常有大面積場地，有利于光反應器使用；油藻熱值高，符合回轉窯燒成熟料要求；油藻燃燒后剩余物很少，不影響熟料質量；油藻生成過程中釋放的O2，收集后可用于窯的富氧燃燒，可進一步節(jié)能。

這一技術若能成功，用油藻取代燃煤可以作為水泥回轉窯的新燃料，減少水泥生產中20%～30%的CO2排放量，實現(xiàn)CO2在水泥工藝中的循環(huán)。但這一技術開發(fā)要涉及農業(yè)、化工和生物工程等領域，成本問題和藻的養(yǎng)殖技術難度較大。水泥行業(yè)要開展的工作有：選育窯氣環(huán)境的最優(yōu)藻種，開發(fā)微藻預處理的方法，研究干藻燃燒特性，培養(yǎng)生物能源的專業(yè)人員等。

（2）球石藻的CO2固化法[5]

使用具有礦物化能力的“球石藻”固定CO2生產水泥的方法，國外已進行研究。這種方法是把廢棄混凝土置于海水中進行人工風化，吸收大氣中的CO2，此時HCO3-就會在溶液中溶出，混凝土中的Ca2+也會溶出，這樣富有HCO-3和Ca2+的海水就可以培育球石藻，被溶出和存蓄的HCO-3及Ca2+就會作為CaCO3微粒子及藻的有機物而被固化，與此同時大氣中的CO2被吸收成為藻體得到固定。這樣利用混凝土的人工化學風化與球石藻培育系統(tǒng)的CO2除去法，得到了CO2固化產物CaCO3微顆粒，這種微顆粒可以代替石灰石而再資源化，水泥生產也成為再循環(huán)系統(tǒng)，并可控制水泥生產排出的CO2量（見圖3）。

圖3 廢棄混凝土與球石藻的CO2除去系統(tǒng)

5 結語

傳統(tǒng)水泥工業(yè)加強技術創(chuàng)新、發(fā)展低碳技術和綠色經濟、促進轉型升級是水泥工業(yè)面對的現(xiàn)實，水泥工業(yè)的發(fā)展已經進入了新階段。提高資源利用效率和最大限度降低碳排放是綠色發(fā)展的理念。

水泥工業(yè)是繼煤電和鋼鐵業(yè)之后我國CO2排放量最大的產業(yè)，并且水泥生產中的碳酸鹽分解是最大的非燃燒類CO2的排放源，我們要根據水泥工業(yè)排放CO2的特點開發(fā)低碳技術：（1）水泥窯協(xié)同處置廢物；（2）提高能源和資源利用效率；（3）利用CDM機制開發(fā)低碳新技術；（4）CCS的技術研究和建立CO2應用產業(yè)鏈；（5）開展水泥工業(yè)捕集CO2和發(fā)展生物新能源的研究。

低碳水泥工業(yè)體系的實質是減排溫室氣體、提高能源利用效率和發(fā)展循環(huán)經濟。第二代新型干法水泥技術研發(fā)的目標是2016年達到減排CO220%～30%。

水泥工業(yè)正在努力實現(xiàn)與資源、環(huán)境、經濟和社會的全面協(xié)調發(fā)展，即從不可持續(xù)發(fā)展的傳統(tǒng)工業(yè)向可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)工業(yè)過渡，這需要全行業(yè)的努力和多行業(yè)的合作，我們期待著水泥工業(yè)為全社會減排溫室氣體做出更大的貢獻。

[1]王新春,等.促進水泥工業(yè)溫室氣體減排的政策建議[J].中國水泥,2013,（6）：39-41.

[2]劉長發(fā).中國建材產業(yè)發(fā)展研究論文集[G].北京：中國建筑材料工業(yè)出版社,2010,（5）：81-87.

[3]汪瀾.水泥生產企業(yè)CO2排放量的計算[J].中國水泥,2009,（11）：21-22.

[4]龔小寶,等.微藻在生物減排CO2中的應用[J].環(huán)境污染與防治.2010,（8）：75-79.

[5]Technology planning department of Taiheyo Cement Corporation R&D Center.Cement enterprise technology development ofthe forefront—Taiheyo Cement Corporation R&D Center[J].Cement&Concrete.2009,（4）：3-6.■