基于生產(chǎn)流程的我國水泥工業(yè)碳減排潛力分析

王旭

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

基于生產(chǎn)流程的我國水泥工業(yè)碳減排潛力分析

王旭

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

本文在分析新型干法水泥生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上，對各環(huán)節(jié)碳排放的來源進(jìn)行了分類和研究，采用《水泥生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放量計算方法》計算了北京某水泥廠新型干法生產(chǎn)線碳排放各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，并從數(shù)據(jù)占比和生產(chǎn)技術(shù)兩方面對減少碳排放潛力進(jìn)行分析，提出相應(yīng)減排措施。

新型干法；水泥生產(chǎn)；碳排放；碳排放系數(shù)；減排潛力

我國是世界第二耗能大國，其中建材工業(yè)是僅次于冶金、化工的第三能源消耗大戶。建材工業(yè)占全國能源總消耗的7%左右，其中水泥工業(yè)又占建材能源消耗的75%。水泥行業(yè)生產(chǎn)排放的CO2約占我國工業(yè)生產(chǎn)CO2排放總量的20%。據(jù)統(tǒng)計，水泥生產(chǎn)中排放的CO2占人類活動制造的CO2總量的5%。

目前，單位水泥CO2的排放系數(shù)約為0.55-0.95t/t，主要取決于水泥生產(chǎn)過程中的能效、使用的燃料種類以及所生產(chǎn)的水泥品種。德國水泥行業(yè)CO2的平均排放系數(shù)約為0.57t/t，處于世界先進(jìn)水平。我國現(xiàn)有水平為生產(chǎn)1噸水泥熟料約排放0.94噸CO2。

1 新型干法水泥生產(chǎn)流程

新型干法水泥生產(chǎn)工藝簡單講就是“兩磨一燒”，其中兩磨是指：生料制備（一磨）、水泥粉磨（二磨），一燒是指熟料煅燒（見表1）。具體流程還有破碎、預(yù)均化、生料均化、快速冷卻等。

表1 水泥生產(chǎn)工藝流程

在水泥生產(chǎn)過程中，二氧化碳排放分為直接排放和間接排放，具體見表2。

其中各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放值可根據(jù)《水泥生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放量計算方法》進(jìn)行計算。

2 以北京某水泥廠水泥生產(chǎn)線為例計算碳排放量及測定碳排放系數(shù)

我國于2011年開始實施《水泥生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放量計算方法》的國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)此項標(biāo)準(zhǔn)，及北京某水泥廠新型干法水泥生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，本節(jié)對水泥生產(chǎn)各流程碳排放量進(jìn)行計算并對其碳減排潛力進(jìn)行分析。

2.1 原料碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的單位CO2排放量

原料碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的單位CO2排放量包括生料碳酸鹽礦物分解、窯爐排氣筒（窯頭）粉塵和旁路放風(fēng)粉塵部分碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的單位CO2排放量。按公式A.1計算：

式中，各參數(shù)表示生產(chǎn)單位熟料排放量，單位：kg/t

圖1 新型干法水泥生產(chǎn)工藝流程圖

P則c—原料碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO2排放總量；

R1—生料碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO2排放量；

R2—窯爐排氣筒（窯頭）粉塵中部分碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO2排放量；

R3—生產(chǎn)單位熟料，窯爐旁路放風(fēng)粉塵中部分碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO2排放量。

（1）生料碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的單位CO2排放量。

生料碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的單位CO2排放量，分別按以下兩種情況計算：

因未采用替代原料（包括電石|Ca（OH）2、鋼|等），按公式A.2計算R1：

式中，Cc—熟料中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為年平均64.85%；

Cm—熟料中MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為2.24%；

表2 水泥生產(chǎn)碳排放來源

（2）窯爐排氣筒（窯頭）粉塵中部分碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的單位CO2排放量，R2和窯爐旁路放風(fēng)粉塵中部分碳酸鹽礦物產(chǎn)生的單位CO2排放量R3，未能統(tǒng)計，故數(shù)據(jù)為0。

2.2 生料中非燃料碳燃燒產(chǎn)生的單位CO2排放量按公式A.3計算：

式中：Pro—生產(chǎn)單位熟料，生料中非燃料碳燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，kg/t；

ra—料耗比，北京某水泥廠數(shù)據(jù)為1.53；

Ro—生料中非燃料碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為0.1%；

2.3 生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物實物煤燃燒產(chǎn)生的CO2排放量

生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物實物煤燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，因具有實物煤中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值，按公式A.4計算：

式中參數(shù)表示，統(tǒng)計期內(nèi)：

Pbci—各生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物實物煤燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；

Si—各生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物實物煤用量，t；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為28.4萬t；

Ch—不同進(jìn)廠批次實物煤中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均值，%；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為51%；

i—表示各生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物，因無法分別計算各工藝用量故此項為1。

2.4 熟料煅燒工藝過程替代燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量

替代燃料含有源于化石燃料中的碳和源于生物質(zhì)中的碳，分別按公式A.5和公式A.6計算熟料煅燒工藝過程替代燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量：

式中參數(shù)表示統(tǒng)計期內(nèi)：

Pα—各生產(chǎn)工藝過程替代燃料源于化石燃料中的碳燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；

Pβ—各生產(chǎn)工藝過程替代燃料源于生物質(zhì)中的碳燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；

Aj—各種替代燃料用量，t；因燃料替代不足1%，忽略不計，北京某水泥廠數(shù)據(jù)為0，故熟料煅燒工藝過程替代燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量計為0。

2.5 協(xié)同處置廢物中非燃料碳燃燒產(chǎn)生的CO2排放量

協(xié)同處置廢物中含有源于化石燃料的非燃料碳和源于生物質(zhì)的非燃料碳，分別按公式A.7和公式A.8計算源于化石燃料的非燃料碳和源于生物質(zhì)的非燃料碳燃燒產(chǎn)生的CO2排放量：

式中參數(shù)表示統(tǒng)計期內(nèi)，協(xié)同處置廢物中：

Pγ—源于化石燃料的非燃料碳燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；

Pδ—源于生物質(zhì)的非燃料碳燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；

Wk—各種協(xié)同處置廢物量，t；

Qnwk—各種協(xié)同處置廢物的加權(quán)平均低位發(fā)熱量，MJ/kg；

Qwk—協(xié)同處置廢物燃燒的CO2排放因子，kg/MJ；

γk—源于化石燃料的非燃料碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

δk—源于生物質(zhì)的非燃料碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

k—表示協(xié)同處置廢物種類。

此項北京某水泥廠未作統(tǒng)計，故數(shù)據(jù)按0處理。

2.6 生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物燃油燃燒產(chǎn)生的CO2排放量應(yīng)按公式A.9計算：

式中參數(shù)表示統(tǒng)計期內(nèi)：

Poil—各生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物燃油燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；

Oil—各生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物所用的各種燃油量，t，應(yīng)區(qū)分化石燃油和生物質(zhì)燃油消耗，并分別統(tǒng)計計算；

Qnol—各種燃油的低位發(fā)熱量，MJ/kg；

Fol—各種燃油燃燒的CO2排放因子，kg/MJ；

l—表示不同種類的燃油。

此項北京某水泥廠未作統(tǒng)計，故數(shù)據(jù)按0處理。

2.7 生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物電力消耗對應(yīng)的CO2排放量

應(yīng)按公式A.10計算：

式中參數(shù)表示統(tǒng)計期內(nèi)：

Pei—各生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物電力消耗對應(yīng)的CO2排放量，t；

Ei—各生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物電力消耗量，kWh；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為2.26億kWh；

Fe——電力CO2排放因子，kg/kWh；電力CO2排放因子數(shù)值由國家統(tǒng)一規(guī)定確定，現(xiàn)取值為0.86kg/kWh；

2.8 窯爐廢氣余熱利用對應(yīng)的CO2排放量

窯爐廢氣余熱利用包括運營邊界外余熱利用、余熱發(fā)電、協(xié)同處置廢物烘干余熱利用。

2.8.1 運營邊界外的余熱利用對應(yīng)的CO2排放量應(yīng)按公式A.11計算：

式中：Pg—窯爐廢氣余熱用于運營邊界外對應(yīng)的CO2排放量，t；

G—統(tǒng)計期內(nèi)，用于運營邊界外余熱利用的廢氣量，Nm3；難以統(tǒng)計，故無法計算此項；

T—統(tǒng)計期內(nèi)，用于運營邊界外余熱利用廢氣的加權(quán)平均溫度，℃；

C—廢氣比熱，kJ/（Nm3·℃）；取值為1.42 kJ/（Nm3·℃）。

2.8.2 余熱發(fā)電對應(yīng)的CO2排放量應(yīng)按公式A.12計算：

式中：Per—統(tǒng)計期內(nèi)，余熱發(fā)電對應(yīng)的CO2排放量，t；

Er—統(tǒng)計期內(nèi)，余熱凈發(fā)電量，kWh；北京某水泥廠數(shù)據(jù)3.8kWh。

2.8.3 協(xié)同處置廢物烘干余熱利用對應(yīng)的CO2排放量

應(yīng)按公式A.13計算：

式中：Pc—協(xié)同處置廢物烘干對應(yīng)的CO2排放量，t；

φk—各種協(xié)同處置廢物中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；無此數(shù)據(jù)，故無法計算此項；

2.45—溫度為20℃時水的汽化熱，MJ/kg。

2.9 外購水泥熟料和外購磨細(xì)混合材對應(yīng)的CO2排放量

2.9.1 外購水泥熟料對應(yīng)的CO2排放量

應(yīng)按公式A.14計算：

式中參數(shù)表示統(tǒng)計期內(nèi)：

Pp—企業(yè)外購水泥熟料對應(yīng)的CO2排放量，t；

Kc—企業(yè)外購水泥熟料量，t；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為0；

Fp—外購水泥熟料的單位可比CO2排放因子，kg/t；如缺少實際統(tǒng)計值，可取值為940 kg/t。

2.9.2 外購磨細(xì)混合材對應(yīng)的CO2排放量

應(yīng)按公式A.15計算：

式中參數(shù)表示統(tǒng)計期內(nèi)：

Ps—企業(yè)外購磨細(xì)混合材對應(yīng)的CO2排放量，t；

Ks—企業(yè)外購的磨細(xì)混合材量，t；北京某水泥廠數(shù)據(jù)為76；

Fs—外購磨細(xì)混合材CO2排放因子，kg/t；如缺少實際統(tǒng)計值，可取值為50 kg/t。

2.10 水泥熟料的單位可比CO2排放量

應(yīng)按公式A.16計算：

式中參數(shù)表示統(tǒng)計期內(nèi)：

Cck—水泥熟料單位可比CO2排放量，kg/t；

Tck—直接CO2排放量和間接CO2排放量（不包括協(xié)同處置廢物電力消耗對應(yīng)的間接CO2排放量）的總和，t；

Qck—水泥熟料產(chǎn)量，t；北京某水泥廠數(shù)據(jù)1.68t；

Kck—水泥熟料單位可比CO2排放量修正系數(shù)，應(yīng)按公式A. 17計算：

式中：

Sck—水泥熟料28天平均抗壓強(qiáng)度，MPa；北京某水泥廠數(shù)據(jù)57MPa；

PL—水泥企業(yè)環(huán)境大氣壓，Pa；水泥企業(yè)海拔高度超過1 000米時，取生產(chǎn)企業(yè)環(huán)境大氣壓，否則取海平面環(huán)境大氣壓；

P0—海平面環(huán)境大氣壓，取值為101 325Pa；

52.5—水泥熟料28天對比強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)計算

從數(shù)據(jù)分析可得以下結(jié)論：

（1）北京某水泥廠水泥生產(chǎn)CO2排放系數(shù)為0.931 4；

（2）生料碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的單位CO2排放量Prc、生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物實物煤燃燒產(chǎn)生的CO2排放量Pbci、生產(chǎn)工藝過程及協(xié)同處置廢物電力消耗對應(yīng)的CO2排放量Pei是水泥生產(chǎn)CO2排放量的主要因素，分別占據(jù)總量的55.1%、32.6%、11.9%。因此減排潛力亦從此3項進(jìn)行挖掘。

（3）生料碳酸鹽礦物分解是原料中碳酸鈣等碳酸鹽在高溫形成硅酸三鈣的過程，基于此化學(xué)原理的水泥制備過程，除了采用一些替代原料外，此項碳排放減排潛力很小。因為此項排放約占總排放量的55%，因此若想取得大規(guī)模的減排，需要采用其他新工藝原理來制備水泥。

（4）實物煤燃燒約占總排放量的30%，此項過程在于給化學(xué)反應(yīng)提供熱量，基于碳酸鹽在高溫下形成硅酸三鈣的化學(xué)過程也是必不可少的。同時在我國現(xiàn)階段，以煤炭為主要工業(yè)燃料的現(xiàn)狀在短時間內(nèi)難以改變。因此，對于此項的減排措施有二：一是部分廢油、廢橡膠的燃燒可以提供熱量，將可燃燒廢物作為替代燃料加以利用；二是提高協(xié)同處置廢棄物的技術(shù)，加大處理量，使得燃燒過程同時發(fā)揮處理廢物的明顯作用。

（5）電力消耗中除了規(guī)范生產(chǎn)環(huán)節(jié)中設(shè)備用電量及設(shè)備節(jié)能技術(shù)改進(jìn)外，余熱回收發(fā)電仍有很大潛力。現(xiàn)在一些企業(yè)簡單追求噸熟料發(fā)電量或噸熟料熱耗，造成發(fā)電量提高了，但是單位熟料熱耗也提高了；或者不斷追求噸熟料熱耗的降低，沒有配置余熱發(fā)電系統(tǒng)。因此，需要建立一個統(tǒng)一的能耗考核指標(biāo)，遵循總能耗最小原則。此外，風(fēng)能、太陽能等清潔能源發(fā)電設(shè)備和技術(shù)的使用也是減少電力消耗的有效措施。

表3 水泥生產(chǎn)碳排放主要環(huán)節(jié)減排措施分析

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

［2］韓娟，趙晨，汪牡丹，等.我國水泥工業(yè)二氧化碳排放現(xiàn)狀與減排分析［J］.海南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，28（3）：252-256.

［3］李新，石建屏，呂淑珍，等.中國水泥工業(yè)CO2產(chǎn)生機(jī)理及減排途徑研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，31（5）：1115-1120.

［4］魏丹青，趙建安，金遷致.水泥生產(chǎn)碳排放測算的國內(nèi)外方法比較及借鑒［J］.Resources Science，2012，34（6）.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.01.059

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2014-09-22