采用固廢制備的高貝利特硫鋁酸鹽水泥碳足跡核算與分析

光文濤，隋曉萌，王鵬剛，田 礫，趙明海

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525)

在全球人口持續(xù)飆升和城鎮(zhèn)化快速增長(zhǎng)的情況下，我國(guó)水泥產(chǎn)量居高不下。2020年，全國(guó)規(guī)模以上企業(yè)水泥產(chǎn)量23.77億t，保持在平臺(tái)高位，熟料產(chǎn)量15.79億t。然而，每生產(chǎn)1 t普通硅酸鹽水泥(OPC)約排放0.87 t二氧化碳[1]。2018年3月，國(guó)際能源署和水泥可持續(xù)倡議組織發(fā)布了《2050水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖》，旨在2050年水泥工業(yè)在全球氣候變化的情況下實(shí)現(xiàn)低碳的轉(zhuǎn)型[2]，除此之外，該技術(shù)路線圖也提出了水泥工業(yè)向低碳轉(zhuǎn)型的四大途徑，其中大力發(fā)展協(xié)同處置技術(shù)，將各種可燃廢棄物用作水泥窯的替代燃料這一途徑很大程度削減了熟料單位碳足跡。同時(shí)，堿激發(fā)水泥、鋁酸鈣水泥、硫鋁酸鈣水泥和硫鋁酸鋇鈣水泥等新型膠凝材料[3-5]均可減少二氧化碳排放，近年來(lái)受到工程界和科技界的重視。上述OPC的所有替代品中，硫鋁酸鹽水泥在實(shí)際工程應(yīng)用中的表現(xiàn)與OPC一樣好，甚至超過(guò)OPC的性能[6-8]。OPC中的大部分鈣來(lái)自石灰石(主要是CaCO3)的煅燒，而硫鋁酸鹽水泥原材料中鈣的含量較低且煅燒溫度比OPC低約200 ℃，所以CO2排放量顯著降低[9]。蘇敦磊等[10]利用工業(yè)廢棄物制備了低能耗、低排放的高貝利特硫鋁酸鹽水泥，其性能優(yōu)越，在減少原料開采的同時(shí)采用固體廢棄物為原料減少了CO2的排放。耿永娟[11]采用石油焦脫硫灰渣為原料，將其應(yīng)用于硫鋁酸鹽水泥的制備中，同時(shí)對(duì)水泥在生產(chǎn)過(guò)程中排放的二氧化碳做了定量分析，認(rèn)為采用石油焦脫硫灰渣為主要原料可減少49.1%的碳酸鈣使用量，且該項(xiàng)二氧化碳的排放量?jī)H為173.3 kg。任麗[12]采用電廠脫硫灰渣、粉煤灰、石灰石煅燒硫鋁酸鹽水泥，由于生料中脫硫灰和粉煤灰已足夠細(xì)且內(nèi)部還有部分未燃盡的殘留碳，其生料磨粉電耗與OPC相比降低了1/3的電耗。很顯然，硫鋁酸鹽水泥的碳足跡比OPC更低，但文獻(xiàn)中并沒(méi)有對(duì)水泥生產(chǎn)各生產(chǎn)工序進(jìn)行系統(tǒng)性分析。本文使用一種簡(jiǎn)化的生命周期評(píng)估方法，對(duì)一種利用全固廢制備的高貝利特硫鋁酸鹽水泥從原材料到最終產(chǎn)品出廠全過(guò)程進(jìn)行了全面定量碳足跡評(píng)價(jià)，為節(jié)能減排提供理論依據(jù)。

1 碳足跡及其計(jì)算方法

“碳足跡”由“生態(tài)足跡”一詞發(fā)展而來(lái)，它的發(fā)展得到了科研人員、非政府組織和私營(yíng)企業(yè)的推動(dòng)，從而出現(xiàn)了各種碳足跡的定義?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)“碳足跡”的定義有所偏差，主要表現(xiàn)在對(duì)“碳足跡”的單位以及所涉及到的氣體范圍之間的差別。DRUCKMAN[13]和BARTHELMIE等[14]認(rèn)為“碳足跡”的單位為CO2質(zhì)量，且都從產(chǎn)品的整個(gè)生命周期考慮，而HERTWICH[15]，STRUTT等[16]認(rèn)為“碳足跡”的單位為CO2質(zhì)量當(dāng)量，將CH4，N2O及氟化物等溫室氣體納入了計(jì)算范圍。但HERTWICH等沒(méi)有考慮到產(chǎn)品的全生命周期，而認(rèn)為“碳足跡”為用于最終消費(fèi)的商品、服務(wù)在生產(chǎn)及消費(fèi)過(guò)程中排放的氣體。直到2007年，WIEDMANN等[17]對(duì)碳足跡的所有定義進(jìn)行了整理，提出了一個(gè)得到學(xué)術(shù)界認(rèn)同的定義：碳足跡是指一項(xiàng)活動(dòng)在其活動(dòng)過(guò)程中或整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的直接或間接的二氧化碳排放量。在世界各國(guó)，碳足跡核算是現(xiàn)有產(chǎn)品鏈中不可或缺的一環(huán)，產(chǎn)品碳足跡核算可以幫助企業(yè)考慮其產(chǎn)品組合的溫室氣體排放量。此外，溫室氣體的排放往往與能源使用相關(guān)聯(lián)，因此碳足跡核算可以反映系統(tǒng)運(yùn)行的效率，幫助企業(yè)探索減少排放、節(jié)約成本的可能性。由于產(chǎn)品碳足跡計(jì)算從生命周期的角度出發(fā)，可以幫助企業(yè)避免將重點(diǎn)放在與產(chǎn)品制造最直接或最明顯相關(guān)的排放上，而在產(chǎn)品生命周期的其他部分捕捉到大量的減排和節(jié)支機(jī)會(huì)。

碳足跡因子是指單位產(chǎn)品生產(chǎn)活動(dòng)或完成某一工作所排放的溫室氣體量[2]，它是計(jì)算碳足跡的重要參數(shù)。碳足跡因子的計(jì)算范圍涵蓋了產(chǎn)品或活動(dòng)的全生命周期，是從產(chǎn)品的“搖籃階段”到“墳?zāi)闺A段”或是從產(chǎn)品的“搖籃階段”到“大門階段”所產(chǎn)生的溫室氣體總和，它涵蓋了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。這一特征也造就了其計(jì)算上具有傳遞性的特點(diǎn)，這種傳遞性使得碳足跡因子之間相互關(guān)聯(lián)。一種因子的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性往往關(guān)系到其他因子數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)，這種傳遞性也使得碳足跡因子在計(jì)算時(shí)條理清晰，數(shù)據(jù)計(jì)算方便，不易出錯(cuò)，所以碳足跡因子較大程度地影響著某一活動(dòng)碳足跡的準(zhǔn)確性。一個(gè)產(chǎn)品從生產(chǎn)到報(bào)廢都離不開能源的使用，所以在計(jì)算產(chǎn)品碳足跡時(shí)，能源將作為其計(jì)算的基礎(chǔ)，繼而向下傳遞。

為反映產(chǎn)品或活動(dòng)在生命周期內(nèi)的碳足跡，目前常用的 “碳足跡”計(jì)算方法包括[18-21]：IPCC碳排放法、投入產(chǎn)出法、Kaya碳排放恒等式和生命周期法(LCA)，每種方法有其各自的特征。IPCC碳排放法來(lái)源于聯(lián)合國(guó)氣候變化委員會(huì)編寫的溫室氣體清單指南，其在計(jì)算過(guò)程中全面考慮了溫室氣體的排放，雖有通用計(jì)算公式，但在具體計(jì)算區(qū)域碳足跡時(shí)存在弊端。投入產(chǎn)出法是一種自上而下的投入產(chǎn)出測(cè)算方法，常用于確定企業(yè)、公司和家庭等的碳足跡，這種體系的核算結(jié)果只能得到企業(yè)統(tǒng)計(jì)，無(wú)法得到商品的情況，所以無(wú)法測(cè)算出有這種產(chǎn)品的某一產(chǎn)品的碳足跡。Kaya碳排放恒等式通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式，將經(jīng)濟(jì)、政治和人口變量與人類活動(dòng)排放的二氧化碳聯(lián)系起來(lái)，但這一過(guò)程也存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，所以在工業(yè)應(yīng)用中使用較少。生命周期法(LCA)是一種自下到上的計(jì)算方法，是對(duì)產(chǎn)品及其“從開始到結(jié)束”的過(guò)程計(jì)算方法。

2 研究對(duì)象和研究方法

本文以文獻(xiàn)[10]中的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)配方作為研究對(duì)象，以文獻(xiàn)[22]中的OPC和硫鋁酸鹽水泥(SAC)作為對(duì)照組，通過(guò)表1各水泥熟料需要的原材料計(jì)算以固體廢棄物石油焦脫硫灰渣、粉煤灰、電石渣和低品位鋁土礦為原料制備高貝利特硫鋁酸鹽水泥(GF-HBSAC)熟料的碳足跡，并與同等條件下GF-HBSAC與OPC，SAC熟料各生產(chǎn)工序的碳排放進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 各水泥熟料需要的原材料 t

水泥生產(chǎn)的全生命周期包括原料的開采、運(yùn)輸以及將原料生產(chǎn)成水泥的全過(guò)程。在水泥生產(chǎn)的過(guò)程中主要考慮水泥生產(chǎn)工藝的“兩磨一燒”和各種燃料的消耗量(主要是煤炭)對(duì)環(huán)境直接輸出的二氧化碳，以及水泥生產(chǎn)所消耗的電量對(duì)環(huán)境間接輸出的二氧化碳。本文參照商品和服務(wù)在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評(píng)價(jià)規(guī)范[23](PAS2050：2008)和政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)國(guó)家溫室氣體清單指南[24]提供的碳排放因子，采用簡(jiǎn)化的LCA方法核算上述水泥熟料的碳排放量(文中涉及到的碳排放因子及碳足跡的質(zhì)量均為CO2質(zhì)量)。

3 GF-HBSAC全生命周期碳足跡

3.1 原料獲取產(chǎn)生的碳足跡

電能是人類生產(chǎn)活動(dòng)的必要能源。由于各個(gè)國(guó)家的電源結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致各國(guó)電力碳足跡因子不同。例如，歐洲國(guó)家大多使用核能發(fā)電，而我國(guó)很大程度上依賴火力發(fā)電，核能發(fā)電和火力發(fā)電的污染物排放量截然不同，所以碳足跡因子也不相同。我國(guó)不同地區(qū)的電力構(gòu)成不同，能源結(jié)構(gòu)比重也不相同，導(dǎo)致各個(gè)地區(qū)電力碳足跡因子也存在差異。為了便于我國(guó)發(fā)電項(xiàng)目確定碳排放因子，將電網(wǎng)邊界統(tǒng)一劃分為華北、東北、華東、華中、西北和南方區(qū)域電網(wǎng)[25]。根據(jù)2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子，華東區(qū)域電網(wǎng)排放因子為Egrid,OM Simple,y=0.7921 kg/kWh。

表2為三種水泥原材料開采的碳足跡。由于石油焦脫硫灰渣、粉煤灰、電石渣均取自于工廠固體廢棄物，屬上游產(chǎn)業(yè)鏈，這些材料均可直接購(gòu)買。然而，石灰石等材料都是原生礦物，必須從自然資源中開采。所以石油焦脫硫灰渣、粉煤灰、電石渣在高貝利特硫鋁酸鹽水泥熟料生產(chǎn)中不計(jì)算其原料開采的碳足跡，這里主要考慮礬土的開采，根據(jù)文獻(xiàn)[22]原材料的單位開采電耗為E0=0.014 kWh/kg，根據(jù)式(1)計(jì)算三種水泥原料開采的碳足跡?？梢钥闯觯珿F-HBSAC原材料開采碳足跡僅為SAC的13.57%，OPC的11.52%。

M1=Mcrm×(1-Wsw)×E0×Egrid,OM Simple,y

(1)

式中：M1為原料開采碳足跡，kg；Mcrm為單位水泥熟料需要消耗的水泥生料，kg；Wsw為固廢利用率，%；E0為單位開采電耗，kWh/kg；Egrid,OM Simple,y為區(qū)域電網(wǎng)邊際排放因子，kg/kWh。

表2 各水泥原材料開采碳足跡

3.2 運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的碳足跡

假設(shè)用5 t柴油卡車運(yùn)輸原材料，假定運(yùn)輸距離為5 km，滿載單位油耗為0.2 L/km[22]，柴油碳足跡因子采用基于熱值的計(jì)算模型[26]，如式(2)所示：

ECO2,do,heat=44/12×Cdo×Odo×Ndo

(2)

式中：ECO2,do,heat為化石能源柴油基于熱值的碳足跡因子，kg/L；44/12為二氧化碳與碳的相對(duì)分子質(zhì)量之比；Cdo為柴油的單位熱值含碳量，kg/GJ；Odo為柴油的碳氧化率，%；Ndo為柴油的平均低位發(fā)熱量，kJ/kg。

柴油的單位熱值含碳量及碳氧化率分別取20.2 kg/GJ與98%[24]，柴油的平均低位發(fā)熱量取42 652 kJ/kg[27]，經(jīng)計(jì)算得ECO2,do,heat=3.67 kg/L。

表3 各水泥原材料運(yùn)輸碳足跡

表3為各水泥原材料運(yùn)輸?shù)奶甲阚E，可根據(jù)式(3)計(jì)算得到?？梢钥闯觯珿F-HBSAC原材料運(yùn)輸碳足跡為SAC的85.44%，OPC的72.72%。

M2=Mcrm×Edo×ECO2,do,heat

(3)

式中：M2為水泥原材料運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的碳足跡，kg；Edo為柴油車滿載單位油耗，L/km。

3.3 水泥生料煅燒產(chǎn)生的碳足跡

由于普通硅酸鹽水泥的原材料主要是石灰石和黏土。石灰石分解是硅酸鹽水泥生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要過(guò)程，該過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)如式(4)(5)所示：

CaCO3=CaO+CO2↑

(4)

MgCO3=MgO+CO2↑

(5)

所以，OPC生料煅燒產(chǎn)生的碳排放量可按照式(6)計(jì)算：

(6)

式中：M3-1為以碳酸鹽為原料水泥生料煅燒的碳足跡，kg；γCaO和γMgO分別為水泥熟料CaO和MgO的百分含量，%；44/56為CO2與CaO分子量之比；44/40為CO2與MgO分子量之比。

由于固廢石油焦脫硫灰渣、電石渣鈣質(zhì)組分主要以CaO和Ca(OH)2的形式存在，通過(guò)CaO的含量計(jì)算CO2將不再適用。本文所用石油焦脫硫灰渣是青島石油煉化廠生產(chǎn)石油焦經(jīng)過(guò)脫硫后的產(chǎn)物。耿永娟[11]采用X射線衍射儀分析圖譜分析本文所用石油焦脫硫灰渣的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)石油焦脫硫灰渣的主要物相組成為CaSO4和CaO，還包含8.94%未分解的碳，該過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)如式(7)所示：

C+O2=CO2↑

(7)

所以，GF-HBSAC生料煅燒產(chǎn)生的碳排放量按照式(8)計(jì)算：

(8)

式中：M3-2為以非碳酸鹽為原料煅燒的碳足跡，kg；MDADFO為熟料石油焦脫硫灰渣的質(zhì)量，kg；γC為石油焦脫硫灰渣的含碳量，為8.94%。

表4為各水泥生料煅燒過(guò)程產(chǎn)生的碳足跡。可以看出，GF-HBSAC生料煅燒產(chǎn)生的碳足跡為SAC的52.80%，OPC的25.79%。

表4 各水泥生料煅燒產(chǎn)生的碳足跡

3.4 水泥煅燒過(guò)程中用電產(chǎn)生的碳足跡

石油焦脫硫灰渣只需簡(jiǎn)單粉磨無(wú)需破碎即可達(dá)到使用要求，因此生料磨的磨出量可大幅提高，粉磨電耗大大降低，生料的磨粉耗電可減少約50%[11]，劉全有[28]對(duì)水泥各工序單位產(chǎn)品綜合電耗，以及噸水泥綜合電耗精確計(jì)算并修正，得出生料工序單位產(chǎn)品綜合電耗為25.07 kWh/t。冉斌[29]歸納了普通硅酸鹽以及硫鋁酸鹽水泥綜合電耗以及熟料的標(biāo)準(zhǔn)煤耗。本文的煤耗以及電耗采用文獻(xiàn)[29]的相關(guān)數(shù)據(jù)，由于GF-HBSAC粉磨電耗的減少，所以在文獻(xiàn)[28]生料工序單位產(chǎn)品綜合電耗上折減50%，其余工序的耗電量按照文獻(xiàn)[29]的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。其中煤炭的碳足跡因子根據(jù)式(2)計(jì)算，標(biāo)煤的單位熱值含碳量及碳氧化率分別取29.3 kg/GJ與90%[24]，標(biāo)煤的平均低位發(fā)熱量取29 307 kJ/kg[27]，得到ECO2,c,heat=2.83 kg/kg。電力消耗的碳足跡因子采用上述Egrid,OM Simple,y值，根據(jù)式(9)(10)計(jì)算煤耗以及電耗的碳足跡，見(jiàn)表5、表6。可以看出，GF-HBSAC生產(chǎn)煤耗碳足跡為SAC的97.46%，OPC的92%。GF-HBSAC生產(chǎn)綜合電耗碳足跡為SAC的91.33%，OPC的88.78%。

M4=Mc×ECO2,c,heat

(9)

M5=Me×Egrid,OM Simple,y

(10)

式中：M4為水泥生產(chǎn)過(guò)程煤碳消耗的碳足跡，kg；Mc為水泥生產(chǎn)過(guò)程煤炭的消耗量，kg；ECO2,c,heat為煤炭的碳足跡因子，kg/kg；M5為水泥生產(chǎn)過(guò)程電力消耗的碳足跡，kg；Me為水泥生產(chǎn)過(guò)程電力的消耗量，kWh。

表5 各水泥生產(chǎn)煤耗碳足跡

表6 各水泥生產(chǎn)綜合電耗碳足跡

3.5 各類水泥生產(chǎn)全生命周期碳足跡對(duì)比分析

通過(guò)計(jì)算分別對(duì)3種水泥生產(chǎn)各階段碳足跡進(jìn)行核算，根據(jù)式(11)計(jì)算各水泥生產(chǎn)全生命周期的碳足跡，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，GF-HBSAC相對(duì)于其他兩種水泥，其生產(chǎn)全生命周期的碳足跡明顯降低， GF-HBSAC生產(chǎn)全生命周期的碳足跡較OPC與SAC分別降低了46.48%，22.6%。

M=M1+M2+M3+M4+M5

(11)

圖1 各種水泥生產(chǎn)全生命周期的碳足跡

圖2為GF-HBSAC全生命周期各工序碳足跡占比。原料的開采、運(yùn)輸以及煅燒過(guò)程中電耗的碳排放在整個(gè)生命周期中僅占13.45%，大量的碳排放主要來(lái)自于原料煅燒以及煤炭燃燒，這與OPC與SAC一致。但從圖3可以看出，GF-HBSAC與SAC原料煅燒的碳排放要小于OPC，主要因?yàn)镚F-HBSAC與SAC原材料中碳酸鹽使用的較少，碳排放降低， GF-HBSAC與SAC原料煅燒的碳排放相對(duì)于OPC分別減少了74.21%，51.15%，同時(shí)煤炭燃燒的碳排放比OPC分別減少了8%，2.5%，由于煤炭燃燒與水泥煅燒的溫度有關(guān)，三種水泥煅燒溫度差距不大，所以煤耗差距不大，總體上GF-HBSAC與SAC原料煅燒的碳排放小于其煤炭燃燒的碳排放。在電耗產(chǎn)生的碳排放方面，由于GF-HBSAC原材料易磨，比OPC與SAC分別降低了11.22%，8.67%。在原材料獲取方面，GF-HBSAC原材料使用大量的工業(yè)廢棄物，不僅將其變廢為寶，而且減少了對(duì)礦物的開采，根據(jù)計(jì)算，GF-HBSAC原材料獲取碳足跡比OPC與SAC分別降低了88.48%，86.43%。

4 結(jié)論

采用固廢制備的高貝利特硫鋁酸鹽水泥中幾乎不含碳酸鹽，在高溫煅燒中減少了大量CO2的排放，同時(shí)其原料大都來(lái)自于工業(yè)固體廢棄物，無(wú)需開采，在節(jié)省開采機(jī)械油耗的同時(shí)更有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。由于原料的易磨性，生料磨粉電耗降低，由電耗產(chǎn)生的碳足跡大大減少。由固廢制備的高貝利特硫鋁酸鹽水泥熟料在各工序的碳足跡均小于普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥，其生產(chǎn)全生命周期的碳足跡較普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥分別降低了46.48%，22.6%。這為應(yīng)對(duì)由于水泥生產(chǎn)排放二氧化碳引起的溫室效應(yīng)提供了一種新的思路，提升了水泥產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。同時(shí)運(yùn)用這種量化碳排放的方法對(duì)于衡量水泥生產(chǎn)企業(yè)碳排放是否合格，提升其產(chǎn)品附加價(jià)值意義重大。