開發低碳技術，構建低碳水泥工業體系

韓仲琦，趙艷妍

1 概論

通常空氣中CO2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展和生態安全。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對環境的影響，世界各國都在限制其排量，并加強了對CO2的創新利用研究。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，實現可持續發展的決心。

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CO2排放占全球排放總量的5%～6%[1]。在我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CO2排放量最大的產業，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目標要求，2016年我國水泥工業降低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，構建低碳水泥工業體系，對發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計之后獲得。

2.2 我國水泥工業發展現狀

我國水泥工業近20多年來有了很大發展，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，通過優化設計已形成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%。現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已進入國際市場。

然而，近年來我國水泥出現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是：全國有3700多家水泥企業，包括有一定數量的落后工藝生產線和小水泥企業；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，但整體節能減排指標仍然落后于國際先進水平；水泥企業利潤降低，綠色水泥（或稱生態水泥）生產發展緩慢，協同處置廢物長期處于起步階段，水泥工業的環保功能還沒有充分發揮。

2.3 我國構建低碳水泥工業體系的有利形勢

現在我國政府有關部門和水泥行業協會都在努力尋找化解產能過剩的措施。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》；2010年11月工業和信息化部發布《關于水泥工業節能減排指導意見》；2012年10月22日工業和信息化部又出臺了《水泥行業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、燃料利用等節能減排技術和設施；降低CO2、NOx、SO2排放和提高協同處置的能力等。這說明政府一方面加強了宏觀調控，另一方面為水泥工業加強節能減排和發展循環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。

（1）我國繼續加大力度進行水泥產業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、減少小水泥企業數量。行業內正嚴格按照工信部的《水泥行業準入條件》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低下、能源效率不高等問題。加強產業結構調整、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發展目標中，已明確提出加速向綠色功能產業轉變，一個具有高效節能減排、協同處置廢棄物、高效防治污染并具有低碳技術的水泥工業，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經濟的重要組成部分，水泥工業將逐步成為新型環保產業的一員，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，一方面為社會環保事業做出了貢獻。

（3）我國加強了政策導向，重視提升行業整體技術水平，《水泥單位產品能源消耗限額》和《水泥工業大氣污染物排放》等國家新標準已經完成，即將發布和嚴格執行。按標準要求檢查、淘汰不合格的企業，把低水平、高能耗、不環保的企業淘汰出局，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電，補充部分電力。外購電力必須折算出火力發電排放的CO2，排放因子取用權威部門公布的數據。水泥廠采用余熱發電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。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、控制系統的電能消耗、企業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）水泥窯協同處置廢物

水泥窯協同處置廢物的主要內容包括：工業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，水泥工業逐漸成為利用廢物的首選行業。根據歐盟的統計，歐洲18%的可燃廢物被工業領域利用，其中有一半是水泥行業，是電力、鋼鐵、制磚、玻璃等行業的總和。水泥窯協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、保護環境。

此外，利用垃圾焚燒灰替代部分鈣質原料，不僅節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年我國水泥工業協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，要加強大宗工業廢渣的利用，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，水泥工業的節能減排與減少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于普通硅酸鹽水泥。

（3）利用CDM機制，開發CO2減排新技術

清潔發展機制（CDM）和碳交易使發達國家可以用較低的成本完成減排義務，發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碳排放權交易試點項目，4家水泥企業以每噸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。

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。三者各有優勢，卻又各有技術與成本難題尚待解決，目前呈并行發展之勢。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。我國水泥工業是工業領域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與環境保護上可實現雙贏的有效方法。

4.2.2 建立CO2循環應用產業鏈

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。水泥工業是重要的CO2排放源，水泥企業可以循環利用CO2，或從水泥廠分離收集CO2后送到應用部門，形成循環應用CO2的產業鏈，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，又開發了新的市場，有利于低碳技術的商業化發展。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。考慮水泥工業可開發的因素是：回轉窯窯尾廢氣中CO2含量豐富，狀態穩定，可滿足油藻養殖要求；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CO2在水泥工藝中的循環。但這一技術開發要涉及農業、化工和生物工程等領域，成本問題和藻的養殖技術難度較大。水泥行業要開展的工作有：選育窯氣環境的最優藻種，開發微藻預處理的方法，研究干藻燃燒特性，培養生物能源的專業人員等。

（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系統，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

5 結語

傳統水泥工業加強技術創新、發展低碳技術和綠色經濟、促進轉型升級是水泥工業面對的現實，水泥工業的發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展的理念。

水泥工業是繼煤電和鋼鐵業之后我國CO2排放量最大的產業，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排放CO2的特點開發低碳技術：（1）水泥窯協同處置廢物；（2）提高能源和資源利用效率；（3）利用CDM機制開發低碳新技術；（4）CCS的技術研究和建立CO2應用產業鏈；（5）開展水泥工業捕集CO2和發展生物新能源的研究。

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

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，這需要全行業的努力和多行業的合作，我們期待著水泥工業為全社會減排溫室氣體做出更大的貢獻。

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

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

[3]汪瀾.水泥生產企業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.■