中國水泥生命周期粉煤灰替代的CO2減排研究

肖 靜,梁學(xué)敏,張逸暢,張岳玲

中國水泥生命周期粉煤灰替代的CO2減排研究

肖 靜,梁學(xué)敏,張逸暢,張岳玲*

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,資源環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室,北京 102206)

采用中國水泥企業(yè)溫室氣體排放核算方法及政府間氣候變化專門委員會的能源使用CO2排放計算方法,將不同粉煤灰替代率下原料及能源使用引起的CO2減排進行核算.結(jié)果表明,與燃煤電廠產(chǎn)業(yè)共生可減排92.676kgCO2/t水泥.而粉煤灰替代熟料是中國水泥CO2減排的主要部分,與替代生料結(jié)合可產(chǎn)生最大CO2減排373.303kg/t水泥.另外,粉煤灰替代部分水泥形成混凝土的碳化作用,到2050年可吸收192.015kgCO2/t水泥.粉煤灰替代后,對余熱發(fā)電變化及外購清潔電力使用比例增加引起的減排進行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)此項舉措可有效促進水泥行業(yè)“雙碳”目標(biāo)達(dá)成.

水泥；生命周期；粉煤灰替代；CO2減排；產(chǎn)業(yè)共生

我國水泥行業(yè)在“雙碳”目標(biāo)中面臨的減排壓力巨大[1],粉煤灰替代帶來的CO2減排效應(yīng)是水泥行業(yè)綠色發(fā)展的重要方法.目前粉煤灰替代的研究主要集中在部分熟料[2-4]和水泥的替代[5-6],以往研究表明粉煤灰替代后均可顯著減少CO2排放,但鮮有粉煤灰替代原料的研究以及水泥生命周期粉煤灰替代引起的CO2減排計算,大多數(shù)研究聚焦水泥生產(chǎn)過程的CO2排放,然而我國水泥制品在其使用階段長期以來對CO2的吸收量巨大[7],對CO2減排意義重大,從全生命周期角度更能精確核算,從而更為全面體現(xiàn)粉煤灰替代對水泥行業(yè)CO2減排的影響.水泥生命周期各階段都會對CO2排放造成影響,需要科學(xué)系統(tǒng)的方法進行定量分析和評價.因此本文從生命周期視角出發(fā),考慮電廠作為上游產(chǎn)業(yè),粉煤灰在水泥生產(chǎn)中的CO2減排效應(yīng),探討了不同替代率下生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨及使用過程中對CO2減排的影響,核算了余熱發(fā)電的變化以及清潔電力使用引起的CO2減排量.

1 數(shù)據(jù)來源和方法

1.1 系統(tǒng)邊界及數(shù)據(jù)來源

資源開采數(shù)據(jù)獲取較為復(fù)雜且其CO2排放對整個生產(chǎn)流程影響較小,假設(shè)水泥企業(yè)未配備自有礦山,系統(tǒng)內(nèi)所有原料及能源獲取均采用外購方式.如圖1所示,系統(tǒng)邊界包括原料運輸(包括替代材料粉煤灰)、一次能源運輸、生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨以及水泥使用等階段,功能單元為1t水泥.系統(tǒng)邊界內(nèi)所有過程數(shù)據(jù)來自于數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn).其中水泥基礎(chǔ)情景(BS)下水泥原料和回轉(zhuǎn)窯各過程熱耗數(shù)據(jù)來源于《水泥生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)》[8],水泥廠和電廠的分布數(shù)據(jù)來源于中國工程院能源專業(yè)知識服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,其他數(shù)據(jù)來源于一些行業(yè)報告和相關(guān)文獻(xiàn).

圖1 水泥生產(chǎn)CO2排放系統(tǒng)邊界

1.2 研究方法

1.2.1 CO2排放、吸收原理及核算方法 如圖2所示,水泥生產(chǎn)CO2排放分為直接排放和間接排放,其中直接排放由碳酸鈣分解和煤炭燃燒產(chǎn)生,間接排放來自電力使用;CO2吸收來自水泥使用階段的碳酸化反應(yīng).

圖2 水泥生命周期CO2排放及吸收原理

水泥生產(chǎn)過程的CO2排放依據(jù)《中國水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》計算,能源消耗產(chǎn)生的CO2依據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提供的方法計算.水泥生產(chǎn)各階段CO2排放及吸收計算公式見表1.

表1 水泥全生命周期過程CO2排放計算方法

圖3 水泥廠和電廠分布示意

1.2.2 情景分類 運輸階段(T)——如圖3所示,根據(jù)電廠和水泥廠分布情況及電廠粉煤灰儲量[17],水泥廠直線距離10km的電廠覆蓋率約為13.64%,可提供1.8億t粉煤灰,代表產(chǎn)業(yè)共生政策尚未實施時;水泥廠直線距離50km的電廠覆蓋率約為64.37%,可提供6.1億t粉煤灰,代表產(chǎn)業(yè)共生政策初步實施;水泥廠直線距離70km的電廠覆蓋率約為79.13%,可提供6.8億t粉煤灰,代表產(chǎn)業(yè)共生政策實施良好.故將粉煤灰運輸距離分3種情景:10km(T1)、50km(T2)、70km(T3).石灰石、黏土、鐵粉等運輸?shù)剿鄰S的公路距離為3km[18],石膏的運輸距離為7km[19],煤炭運輸距離為50km[18].

生料替代(R)——為了保證水泥的性能,在水泥生產(chǎn)中要對二氧化硅、氧化鈣、氧化鋁和三氧化二鐵4種主要氧化物的投入量嚴(yán)格控制.通常用水硬率(HM)、硅率(SM)和鋁率(IM)作為水泥質(zhì)量控制的指標(biāo),HM的取值范圍為1.8～2.4;SM的取值范圍為1.7～2.7;IM的取值范圍為0.8～1.7,3個指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式1、式2和式3[8]所示,可通過HM、SM和IM 3個指標(biāo)綜合確定粉煤灰的替代率.

式中:CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3分別為原料中該化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù).石灰石、黏土、鐵粉、以及粉煤灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2[8],其中LOSS為燒失量.

表2 原料的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖4所示,將粉煤灰的替代率從1%開始,以1%的間隔增加,代入式1、式2、式3進行計算,符合這3個指標(biāo),替代率繼續(xù)增加,直至達(dá)到值不符合為止,水泥生料中粉煤灰的最大替代率為(-1)%.通過計算,9%為最大整數(shù)替代率,粉煤灰的生料替代率為3%(R1)、6%(R2)和9%(R3).

圖4 粉煤灰替代率計算流程

熟料替代(C)——粉煤灰代替10%的熟料制成普通硅酸鹽水泥(C1)、粉煤灰代替20%的熟料制成粉煤灰硅酸鹽水泥(C2)和粉煤灰代替40%的熟料制成粉煤灰硅酸鹽水泥[8](C3).

水泥替代(F)——粉煤灰替代10%的硅酸鹽水泥制成混凝土(F1)、粉煤灰替代30%的硅酸鹽水泥制成混凝土(F2)、粉煤灰替代50%的硅酸鹽水泥[19-20]制成混凝土(F3).

1.3 清單分析

表3 水泥生產(chǎn)原料清單(t/t水泥)

物質(zhì)輸入部分只考慮石灰石、粘土、鐵粉、粉煤灰和石膏等主要水泥生產(chǎn)原料,原料清單如表3所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 運輸階段

2.1.1 原料運輸 水泥企業(yè)所需粉煤灰的常規(guī)運輸距離為100km[21],但粉煤灰直線運輸距離為70km,粉煤灰總質(zhì)量約為6.8億t,基本已經(jīng)滿足按照2020年水泥產(chǎn)量23億t,需6.9億t粉煤灰的需求[22],在水泥廠70km范圍內(nèi)實現(xiàn)與電廠的產(chǎn)業(yè)共生是可行的.

表4 原料運輸CO2排放量及其與常規(guī)運距的比較(kg/t水泥)

注:負(fù)值為CO2減少,正值為CO2增加.

各替代率下CO2排放量及其與常規(guī)運輸距離比較結(jié)果如表4所示,其中基準(zhǔn)情形(BS)為無粉煤灰替代.表5顯示與BS相比,粉煤灰的運輸距離越長,替代率越高,CO2排放增加越多,盡管粉煤灰添加使其他原料量減少,繼而減少其運輸CO2排放,但粉煤灰的運輸距離較長,造成該階段排放增加.與常規(guī)運輸距離100km相比,通過與電廠相對地理位置優(yōu)化出的距離70km,最多可減少1.391kg/t水泥的CO2排放.

另外,粉煤灰作為燃煤電廠的副產(chǎn)品,與石灰石、粘土、鐵粉等原料相比,粉煤灰沒有開采階段的CO2排放,所以產(chǎn)業(yè)共生時,考慮無需開采的優(yōu)勢,可抵消其運輸?shù)腃O2排放.不同替代率下二者抵消結(jié)果如表5所示.

表5 產(chǎn)業(yè)共生下粉煤灰添加引起的CO2減排量(kg/t水泥)

由表5可知,產(chǎn)業(yè)共生情況下粉煤灰的替代均使CO2排放減少,當(dāng)運輸距離為70km,產(chǎn)業(yè)共生下粉煤灰引起的CO2減排最大為92.696kg/t水泥.可出臺相關(guān)政策,促進水泥廠和電廠的產(chǎn)業(yè)共生,從最大程度上減少由粉煤灰運輸帶來的CO2排放,不僅可推動粉煤灰的資源化利用,而且有助于實現(xiàn)水泥行業(yè)低碳發(fā)展.

表6 回轉(zhuǎn)窯熱耗?煤炭用量以及煤炭運輸CO2排放量(kJ/t水泥)

2.1.2 煤炭運輸 與水泥生產(chǎn)中煤炭的使用量相比,柴油的使用量可以忽略不計,此部分只對煤炭運輸產(chǎn)生的CO2排放進行計算[23].所需煤炭量根據(jù)煅燒階段所需熱耗計算,水泥生產(chǎn)中主要的吸熱來自于黏土脫水,物料的加熱,碳酸鹽分解以及加熱、熔融凈熱等過程,主要的放熱來自脫水黏土產(chǎn)物結(jié)晶放熱、水泥化合物形成等過程[8],回轉(zhuǎn)窯熱耗理論值為總吸熱量與總放熱量的差值.粉煤灰不同替代率下上述過程的熱耗結(jié)果如表6所示.

與BS相比,粉煤灰替代使煤炭的使用量減少,隨著替代率的增加,煤炭的用量減少越多.添加粉煤灰之后,常規(guī)原料的使用減少,這使相關(guān)吸熱過程的單位質(zhì)量熱耗減少.另外,粉煤灰還有其獨特的優(yōu)勢,與黏土相比,粉煤灰含水率低,所以黏土脫水所需熱耗降低.而且粉煤灰有相當(dāng)數(shù)量的CaO以硅酸鹽等形式存在,節(jié)省大量碳酸鹽分解熱.物料自450℃加熱到900℃時,由于粉煤灰的蓄熱系數(shù)為3.92W/(m2·K)[24],而黏土和石灰石的蓄熱系數(shù)高達(dá)10W/(m2·K)[25],加熱到同一個溫度所需熱耗也較少.粉煤灰的加入有效減少了煅燒階段的熱耗,進而使所需煤炭減少,因此煤炭的運輸階段CO2排放減少.該階段CO2排放量以及其與BS的差值如圖5(a)所示,生料替代最多可減少CO2排放0.063kg/t水泥,熟料替代最多可減少CO2排放0.282kg/t水泥.

2.2 生料制備

粉煤灰的含水量一般低于1%,而粘土等原料的含水量高達(dá)15%以上[26],另外粉煤灰粒徑一般小于10μm[27],而主要原料石灰石、鐵粉等粒徑大約為厘米和毫米,粉煤灰的替代可節(jié)省干燥耗電和粉磨耗電.單位原料干燥耗電8.19kW×h[28],單位原料粉磨耗電16kW×h[29].不同替代率下該階段耗電量如表7所示,CO2排放量及其與BS的差值如圖5(b)所示.粉煤灰的替代率越大,干燥和粉磨所需電耗越小,相應(yīng)的CO2減排量就越大,此處最大減排量為9.220kg CO2/t水泥.

另外,如前文2.1所述,粉煤灰替代造成煤炭用量減少,煤粉制備耗電也相應(yīng)減少.單位煤粉制備耗電30kW×h[29],則不同替代率下煤粉粉磨耗電量如表8所示,產(chǎn)生的CO2排放量及其與BS的差值如圖5(c)所示.此處最大減排量為0.852kg CO2/t水泥.

表7 各替代率下原料干燥和粉磨的耗電量(kW×h)及CO2排放量(kg/t水泥)

表8 各替代率下煤炭粉磨耗電量(kW×h)和CO2排放量(kg/t水泥)

2.3 熟料煅燒

原料中碳酸鹽分解和煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2約占總排放的92%[23,30-31],不同替代率下該階段由原料分解和煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2見表9.

表9 各替代率下熟料煅燒的CO2排放量(kg/t水泥)

表10 各替代率下水泥粉磨電耗(kW×h)及CO2排放量(kg/t水泥)

原料分解方面,粉煤灰替代生料,由于粉煤灰中的CaO以硅酸鹽、氯酸鹽和鐵酸鹽形式存在,含碳酸鹽的原料使用量下降,煅燒時CO2排放減少,而在替代熟料時,減少了熟料的使用量,也相應(yīng)減少了熟料生產(chǎn)的CO2.煤炭燃燒方面,粉煤灰替代生料,由2.1中對煤炭用量的分析可知,其獨特的物理性質(zhì)和化學(xué)成分可明顯降低煅燒時的理論熱耗,煤炭用量相應(yīng)減少,燃燒產(chǎn)生的CO2也減少.粉煤灰替代熟料,減少了熟料用量,相應(yīng)減少了熟料生產(chǎn)的煤炭燃燒CO2排放.與BS的差值如圖5(d)所示,此階段最大可減排363.231kg CO2/t水泥.

2.4 水泥粉磨

粉煤灰替代熟料,由于其自身粒度較小,可減少粉磨耗電,粉磨單位水泥耗電量為25kW×h[29],各替代率下粉磨電耗和CO2排放如表10所示.粉煤灰的替代率越高,此階段CO2排放量越少.與BS的差值如圖5(e)所示.此階段最大CO2減排量為5.796kg/t水泥.

圖5 各替代率下不同階段CO2排放量

2.5 使用階段

表11 各替代率下水泥使用階段CO2減排量預(yù)測(kg/t水泥)

水泥制成混凝土后,在使用過程中,空氣中CO2可滲透到混凝土內(nèi),與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水,使混凝土堿度降低,此過程稱為碳化過程[32].碳化條件相同,粉煤灰摻量越大,越有利于CO2氣體擴散,粉煤灰水泥的抗碳化性能越差,粉煤灰替代水泥有助于自身使用階段的CO2減排[33].張揚等[34]選取粉煤灰摻量為0%、10%、20%和30%的混凝土為研究對象,通過自然條件下的碳化,研究了粉煤灰摻量對混凝土碳化的影響,實驗結(jié)果表明:摻10%、20%和30%粉煤灰的混凝土碳化速度分別為不摻粉煤灰的1.6、1.9、2.4倍.線性擬合發(fā)現(xiàn)混凝土碳化速度和粉煤灰添加量之間呈線性關(guān)系,當(dāng)粉煤灰摻加量為40%和50%時,混凝土碳化速度分別為不摻粉煤灰的2.8和3.7倍.根據(jù)以上研究,各替代率下碳化作用的CO2減排情況如表11所示.當(dāng)替代率為F3時,到2030年CO2減排量為64.005kg/t水泥,到2050年CO2減排量為192.015kg/t水泥.

2.6 余熱發(fā)電及清潔電力使用

水泥生產(chǎn)總熱耗定義為單位熟料(kg)所需熱量(kJ),即物料預(yù)熱—脫水—分解—化合吸收熱+綜合損失熱.從水泥生產(chǎn)總熱耗的定義來看水泥生產(chǎn)總熱耗為2.1.2的理論熱耗.由2.1.2中討論,粉煤灰替代使物料的生產(chǎn)總熱耗變低,余熱發(fā)電量相應(yīng)變低,由2.2、2.3和2.4的討論,粉煤灰替代節(jié)省電耗、余熱發(fā)電及外購電力的變化如表12所示.余熱發(fā)電量的減少小于粉煤灰替代引起的電耗節(jié)省,因此可以減少外購電力,由此帶來的最大CO2減排量為12.484kg/t水泥.

表12 水泥生產(chǎn)外購電量減少(kW×h)及CO2減排量(kg/t水泥)

表13 2030年?2040年和2050年我國能源發(fā)電結(jié)構(gòu)預(yù)測

水泥企業(yè)通過粉煤灰替代策略可有效減少外購電量,但仍然需要大量的外購電力才能滿足生產(chǎn)需要,2030年、2040年和2050年的能源發(fā)電結(jié)構(gòu)[35-37]如表13所示.若外購電力采用清潔電力,各替代率下外購電量和采用清潔電力可實現(xiàn)的CO2減排量如表14所示,外購電量僅考慮生料制備階段及水泥粉磨階段電耗之和減去余熱發(fā)電量.水泥企業(yè)的外購電力采用清潔電力在CO2減排方面有巨大空間.隨著清潔電力比例的逐漸增加,CO2減排量在2030年、2040年2050年都有顯著增加,到2050年最大CO2減排量為17.319kg/t水泥.

表14 外購電量(kW×h)及清潔電力CO2減排量(kg/t水泥)

2.7 CO2減排評價

2020年我國水泥產(chǎn)量約23億t,排放CO2約14.66億噸,約占中國CO2排放總量的14.30%.如表15所示,各階段CO2減排量從高到低依次是熟料煅燒、使用階段、運輸階段、生料制備及水泥粉磨.熟料煅燒階段的CO2減排量可使全國CO2排放減少8.57%,運輸階段產(chǎn)業(yè)共生后的CO2減排量可使全國CO2排放減少2.08%;到2050年,粉煤灰替代的水泥制品吸收的CO2可使全國CO2排放減少1.23%.

實際生產(chǎn)中,生料制備和熟料煅燒兩個階段可同時進行粉煤灰替代,若結(jié)合清潔電力使用,單位水泥CO2減排為461.675kg,CO2總減排量為10.619億t,占2020年總排放量的74.10%.如果要使全球溫度升高控制在2℃以內(nèi),到2050年全球CO2排放量要比峰值水平減少50%以上[38-39].麥肯錫測算,要使全球溫度升高不超過1.5℃,中國水泥行業(yè)到2050年碳減排要達(dá)到70%以上.研究結(jié)果表明,要達(dá)到“雙碳”目標(biāo),粉煤灰替代及清潔電力使用可以是水泥行業(yè)未來的主要發(fā)展方向.

表15 水泥生命周期各階段最大CO2減排量及貢獻(xiàn)

3 經(jīng)濟可行性

如表16所示,將最大替代率下水泥企業(yè)的原料和煤耗、電耗等成本與BS成本進行比較,粉煤灰替代后1t水泥可節(jié)省成本159.973元,說明水泥企業(yè)采用粉煤灰作為替代物具有良好的經(jīng)濟可行性.

表16 粉煤灰替代后的水泥企業(yè)經(jīng)濟效益

注:-表示成本減少,+表示成本增加.

4 結(jié)論

4.1 水泥企業(yè)與直線距離70km的電廠進行產(chǎn)業(yè)共生,可滿足水泥企業(yè)的粉煤灰需求,并有效降低其運輸CO2排放.

4.2 保證水泥質(zhì)量前提下,生料替代率最高可為9%,該替代率下CO2減排量為82.511kg/t水泥.

4.3 同時進行生料替代和熟料替代,最多可減少CO2排放452.586kg/t水泥.

4.4 在清潔電力預(yù)測情況下,到2050年CO2減排最大為17.319kg/t水泥.

4.5 最高的生料和熟料替代率,結(jié)合清潔電力使用,到2050年,減排量為461.675kg/t水泥,占2020年水泥行業(yè)總排放的74.10%.

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致謝：本研究的水泥企業(yè)和電廠空間分布情況由中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所田亞峻老師協(xié)助完成,在此表示感謝.

Study on CO2reduction of cement with fly ash substitute from the perspective of life cycle in China.

XIAO Jing, LIANG Xue-min, ZHANG Yi-chang, ZHANG Yue-ling*

(MOE Key Laboratory of Resources and Environmental Systems Optimization, College of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)., 2022,42(4)：1934～1944

The CO2reduction induced by material in the situation of fly ash replacement is calculated by the guideline of Greenhouse Gas Emissions of Chinese Cement Enterprises. Meanwhile, the CO2reduction induced by energy employment also defined by the methods from Intergovernmental Panel on Climate Change. The results show that considering industrial symbiosis with coal-fired power plants, 92.676kg/t cement of CO2are reduced. It is demonstrated that the replacement of clinker with fly ash is the main part leading to CO2reduction in China's cement industry. When combined with the replacement of raw materials, the maximum CO2reduction per ton of cement can be up to 373.303kg. In the application stage, the carbonization effect of concrete formed by fly ash and Portland cement has increased, and one ton of cement will adsorb 192.015kg of CO2by 2050. In the context of fly ash replacement, the emission reduction caused by the change of waste heat generation and the clean electricity employment with different proportion are forecasted. It is found that the measure can also effectively promote the achievement of carbon peak and neutrality goals.

cement；life cycle；fly ash substitution；CO2reduction；industry symbiosis

X511

A

1000-6923(2022)04-1934-11

肖 靜(1996-),女,河北石家莊人,華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向為水泥生產(chǎn)碳排放計算.發(fā)表論文2篇.

2021-09-13

中國工程院咨詢項目(2016-ZD-14);總理基金資助項目(DQGG0209-13)

*責(zé)任作者, 講師, zhangyueling@ncepu.edu.cn