水泥行業(yè)熟料生產(chǎn)CO2排放調(diào)查研究

王靈秀 王雅明 郝慶軍 袁秀霞 丁新淼 孔凡成

（中國建筑材料科學(xué)研究總院，中國建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司 北京 100024）

1 前言

CO2是一種大氣增溫物質(zhì)，其能夠阻擋地面和近地氣層向宇宙空間長(zhǎng)波輻射能量的支出，從而使地球氣候變暖，也就是人們常提到的溫室效應(yīng)。 CO2的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可在大氣中留存十年、數(shù)百年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，所以其排放對(duì)氣候影響不容忽視。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和歐洲、澳大利亞等國際研究小組研究發(fā)現(xiàn)，1980年全球CO2排放量約為50×108噸，之后持續(xù)增加，至2004年已超過73×108噸，并預(yù)測(cè)2030年全球二氧化碳排放量將逾400×108噸。因此，抑制全球氣候惡化，減少碳排放行動(dòng)勢(shì)在必行。目前我國政府已結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)外宣布控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，決定到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。

水泥被譽(yù)為“建筑工業(yè)的糧食”，是全球消耗量最大的人造材料之一，同時(shí)也是 工業(yè)CO2排放的主要來源。對(duì)我國水泥企業(yè) CO2排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)查、計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析是研究綜合降低水泥工業(yè)CO2排放的基礎(chǔ)。本文根據(jù)2009年對(duì)我國部分水泥企業(yè)CO2排放調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了不同生產(chǎn)能力的水泥企業(yè)孰料生產(chǎn)過程中噸熟料平均排放量情況，分析討論目前國內(nèi)水泥行業(yè)CO2減排的措施及方法。

2 水泥熟料生產(chǎn) 造成的 二氧化碳排放

2.1 中國企業(yè)二氧化碳排放現(xiàn)狀

白冰等[1]對(duì)中國八類企業(yè) CO2排放情況作了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明火電企業(yè)CO2年排放量約為18×108t，占2004年總排放量的63%，其次是水泥、鋼鐵企業(yè)，排放量分別為5.7×108和2.8×108t，所占比例分別為19%和10%，三者合計(jì)91%，是主要的排放源，如圖1 所示。排放總量居前8 位的省份依次是山東、江蘇、河北、遼寧、浙江、河南、廣東、山西。近年來由于我國經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，大規(guī)模的水泥生產(chǎn)在為我國基礎(chǔ)建設(shè)提供保障的同時(shí)，也向大氣排放了大量的二氧化碳。

圖1 2004年中國各類企業(yè)CO2排放構(gòu)成比例

2.2 水泥熟料生產(chǎn)C O2排放途徑及排放量計(jì)算

普通硅酸鹽水泥是以石灰石和粘土為主要原料，經(jīng)過粉磨、煅燒，再加入石膏及混合材粉磨而生成。因此水泥熟料生產(chǎn)過程中CO2排放量的統(tǒng)計(jì)主要包括[2][3]：石灰石中碳酸鈣分解生成的CO2；煅燒水泥熟料和烘干原料用燃料燃燒產(chǎn)生的CO2以及生產(chǎn)過程中消耗的能源（如電力）折算后排放的CO2。

根 據(jù) 化 學(xué) 反 應(yīng) 方 程 式：C aCO3=C aO+C O2，每生成1 份CaO的同時(shí)生成0.786 份C2O，若按普通硅酸鹽水泥熟料中含Ca O 65%計(jì)算，每生產(chǎn)1 噸水泥熟料生成0.511 噸CO2。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：C+ O2=CO2，每噸 碳完全燃燒時(shí)生成3.667 份CO2，若按水泥廠用的燃料煤含65%固定碳計(jì)算，燃燒1 噸煤將產(chǎn)生2.383 噸CO2。一般水泥生產(chǎn)過程所用燃料分為熟料燒成用燃料和原燃料烘干用燃料，目前多數(shù)企業(yè)利用余熱烘干原燃料，所以這部分因燃煤造成的CO2排放不計(jì)入統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

以燃燒煤碳的火力發(fā)電為參考，根據(jù)國家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗 356 g/kwh 計(jì)算，即發(fā)1 kWh 電需要消耗標(biāo)煤 0.356 噸，若按1 噸煤產(chǎn)生2.383 噸CO2計(jì)算，則發(fā)電 1 kwh 排放二氧化碳0.848 噸。

對(duì)國內(nèi)部分水泥企業(yè)CO2排放量的統(tǒng)計(jì)為以上三部分之和。

2.3 國內(nèi) 部分水泥企業(yè)熟料生產(chǎn)排放量調(diào)查

依據(jù)2.1 中提出的計(jì)算方法，對(duì)全國具有代表性的幾家水泥企業(yè)進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，檢測(cè)及計(jì)算結(jié)果表1。表1 數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi) 生產(chǎn)能力在2500～6000t/d的水泥企業(yè)平均每生產(chǎn)1 噸水泥熟料排放0.753 噸CO2。

表1 不同水泥企業(yè)噸熟料CO2排放情況調(diào)查

3 討論

3.1 采用先進(jìn)的燒成技術(shù)

圖2 為所有被測(cè)企業(yè)的噸熟料CO2排放量直方圖及正態(tài)分布曲線，從圖中可以看出，數(shù)值分布高峰陡峭，曲 線呈尖頂峰狀，說明目前生產(chǎn)能力在2500～6000t/d 之間的企業(yè)噸熟料CO2排放水平與其生產(chǎn)能力關(guān)系不大，統(tǒng)計(jì)數(shù)值0.753在一定程度上代表了目前的行業(yè)水平。要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)的減排，應(yīng)著重從燒成技術(shù)和設(shè)備等方面考慮，如日本川崎重工朱式會(huì)開發(fā)的沸騰爐（流化床）煅燒工藝是繼窯外分解之后水泥煅燒工藝的又一次突破。由流化床驟冷器和移動(dòng)床冷卻器組成的冷卻器使熟料在冷卻過程中獲得很高的熱回收率，而且冷卻空氣全部作為造粒爐和燒成爐中燃料燃燒所需的空氣量，因此與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)相比，其熱耗低，CO2排放量可降低 l0%～25%[4]。

圖2.噸熟料CO2排放量直方圖及正態(tài)分布曲線

3.2 優(yōu)化水泥熟料組成及提高熟料性能

圖3 三種排放途徑產(chǎn)生的排放量占總排放量的百分比

圖3 描述了被測(cè)企業(yè)不同排放途徑排放量占總排放量的比例。從圖中可以看出碳酸鈣分解是企業(yè)CO2排放的主要來源，通常其排放量約占總排放量的70%左 右。通過另外兩種排放途徑產(chǎn)生的排放量中，燒煤占到總排放量的25%，耗電折算后的CO2排放量則占不到排放總量的10%。三種途徑的平均排放比例分別為碳酸鈣分解67.9%，煤燃燒26.3%和耗電折算5.7%。所以尋求水泥生產(chǎn)替代原燃材料，優(yōu)化水泥熟料組成，探索和研究新的水泥品種可實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)的大幅減排。我國有大量的鋼渣、電石渣、高爐礦渣、粉煤灰、爐渣等廢渣，可作為水泥生產(chǎn)替代原料，能減少配料中石灰石的比例。據(jù)報(bào)道[5]澳大利亞一家水泥廠發(fā)明的環(huán)保水泥的主要制作原料，是發(fā)電站和煉鋼廠生產(chǎn)過程中殘余的爐渣和廢棄顆粒，這種水泥能將CO2排放量減少80%左右。利用電石渣和廢棄混凝土中的漿體做生料或混合材對(duì)降低CO2排放也十分有效[6]。阿利特—硫鋁酸鹽水泥是目前的研究熱點(diǎn)。將硫鋁 酸鹽礦物（一種早強(qiáng)型水硬性礦物，具有燒成溫度低 、水化過程體積微膨脹等特性）引入硅酸鹽水泥熟料中，形成阿利特一硫鋁酸鹽水泥熟料礦物體系，發(fā)揮硫鋁酸鹽礦物和硅酸鹽礦物各自的優(yōu)點(diǎn)，不但可顯著提高傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的性能，而且能大幅降低熟料中CaO的比例，減少生產(chǎn)時(shí)碳酸鈣的用量，有助于減排CO2。

此外，注重水泥生產(chǎn)過程中微量元素的影響[7]。特定的礦物和元素 如重晶石尾礦、鉛鋅尾礦等工業(yè)副產(chǎn)品摻入生料中可以使硅酸鹽水泥熟料在燒成過程中燒成熔點(diǎn)降低，液相提前出現(xiàn)，增加液相含量，降低液相粘度，使粒子擴(kuò)散速度大大加快。加之特種礦物在次環(huán)境中能迅速形成，加速了熟料礦物的反應(yīng)速度，使熟料中的C3S 在低溫下快速大量形成。因此，微量元素不僅降低了熟料的形成熱耗，同時(shí)在一定程度上改善了水泥熟料的性能。

3.3 余熱利用，節(jié)約能源

水泥生產(chǎn)中注重余熱回收利用，節(jié)約能源，也是減少CO2排放的一種措施。用廢 棄的余熱烘干原燃料，采用低溫余熱發(fā)電技術(shù)等都是通過利用余熱，來達(dá)到節(jié)約能源和減少排放的目的，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]報(bào)道，用廢棄的余熱烘干原燃料每生產(chǎn)一噸熟料可節(jié)約用煤0.02 噸，減少0.0476噸CO2排放。水泥工 業(yè)低溫余熱發(fā)電技術(shù)是利用水泥窯尾及窯頭排出的廢氣余熱，在不增加任何熱源的情況下采用先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)，采用該技術(shù)每生產(chǎn)一噸熟料平均發(fā)電30kWh，據(jù)測(cè)算一條5000t/d 水泥熟料的新型干法生產(chǎn)線每年可減排5萬多噸CO2。

4 結(jié)論

水泥工業(yè)二氧化碳排放占目前國內(nèi)工業(yè)企業(yè)總排放量的20%左右。在水泥熟料生 產(chǎn)過程中，二氧化碳排放主要通過碳酸鈣分解、煤燃燒、耗電折算三種途徑，其中碳酸鈣分 解是CO2排放的主要原 因，其排放量約占總排放量的65%左右。統(tǒng)計(jì)分析表明，目前國內(nèi)2500～6000t/d的水泥企業(yè)平均每生產(chǎn)1 噸水泥熟料約排放0.753 噸CO2。針對(duì)排放原因分析，水泥行業(yè)應(yīng)從改變生料配比、采用先進(jìn)燃燒技術(shù)以及節(jié)約能源 等方面入手，探索新的技術(shù)和設(shè)備，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

[1]白冰,李小春等.中國 CO2集中排放源調(diào)查及其分布特征.[J]巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006.1.

[2]何宏濤，袁文獻(xiàn).水泥生產(chǎn)中減排二氧化碳措施和效果分析.[J]中國水泥,2005(003)∶ 47-49.

[3]何宏濤.水泥生產(chǎn)二氧化碳排放分析和定量化探討.[J]水泥工程,2009(00 1)∶ 61-65.

[4]傅子誠.水泥熟料沸騰煅燒工藝新進(jìn)展.[J]水泥工程,1999.5∶ 55-56.

[5]曉于.環(huán)保水泥—減少二氧化碳 80%的排量.[J]技術(shù)與市場(chǎng),2009(005)∶ 92-92.

[6]胡曙光，何永佳.利用廢棄混凝土制備再生膠凝材料.[J]硅酸鹽學(xué)報(bào),2007.35(005)∶ 593-599.

[7]馬保國,李相國等.低環(huán)境負(fù)荷型高性能水泥生產(chǎn)技術(shù)研究.[J]環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005.28(003)∶ 87-89.

[8] 彭毅，孫欣林.水泥廠主要有害氣體及其防治.[J]水泥工程,2008(005)∶ 6-10.