水泥生產(chǎn)過程CO2減排潛力分析

摘要 在水泥生產(chǎn)過程中，由于燃料的燃燒和原料的分解造成的CO₂排放是相當嚴重的，為了實現(xiàn)水泥的清潔生產(chǎn)，必須采取有效的措施來減少CO₂的排放。本文以水泥化學和水泥窯系統(tǒng)熱工理論為基礎(chǔ)，結(jié)合我國水泥生產(chǎn)工藝等方面的實際情況，分析了水泥生產(chǎn)過程CO₂的減排潛力，為水泥生產(chǎn)節(jié)能減排提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 直接排放 間接排放 減排途徑 減排潛力

　　在我國，電力、鋼鐵、石油、化工和建材是能源和污染物排放最多的工業(yè)部門，而在建材產(chǎn)業(yè)中，由于水泥生產(chǎn)所造成的CO₂排放就占全國CO₂排放總量的18％～22％，所以分析水泥生產(chǎn)過程的減排潛力，從而采取有效的措施，實現(xiàn)水泥生產(chǎn)的節(jié)能減排，是當今水泥企業(yè)發(fā)展的重中之重。本文在對水泥生產(chǎn)過程CO₂排放情況進行全面分析的基礎(chǔ)上，討論了相應(yīng)的排放系數(shù)，然后結(jié)合我國水泥生產(chǎn)工藝及裝備水平、原燃料種類及消耗的實際情況，對水泥生產(chǎn)過程中CO₂減排潛力及其技術(shù)途徑進行了分析和討論。

1 水泥生產(chǎn)過程CO₂排放分析

　　水泥生產(chǎn)過程中，CO₂的排放可分為直接排放和間接排放兩種情況，我們將直接排放的考慮范圍規(guī)定為本水泥廠原料鍛燒分解和水泥窯燃料燃燒所造成的排放。間接排放的考慮范圍規(guī)定為由其他工廠和實體擁有和控制的排放。

1.1 CO₂直接排放分析

1.1.1 原料中的碳酸鹽分解

　?。?）CaCO₃分解產(chǎn)生的CO₂排放

　　根據(jù)國內(nèi)的平均水平，普通硅酸鹽熟料中CaO的含量為65％，由公式CaCO₃＝CaO+CO₂可知，每生成1份的CaO，就會同時生成0.7857份的CO₂，所以生產(chǎn)1t水泥熟料，由碳酸鈣分解產(chǎn)生的CO₂為：1t×65％×0.7857＝0.5107t

（2）MgCO₃分解產(chǎn)生的CO₂排放

　　根據(jù)國內(nèi)的平均水平，普通硅酸鹽熟料中MgO的含量為1.5％，由公式MgCO₃＝MgO+CO₂可知，每生成1份的MgO，就會同時生成1.1份的CO₂，所以生產(chǎn)1t水泥熟料，由碳酸鎂分解產(chǎn)生的CO₂為：1t×1.5％×1.1＝0.0165t。

　　因此水泥生產(chǎn)過程中，由碳酸鈣和碳酸鎂分解產(chǎn)生的CO₂排放總量為：0.5107t＋0.0165t＝0.5272t。

1.1.2水泥窯系統(tǒng)的窯灰煅燒

　　水泥窯系統(tǒng)的窯灰主要是從窯尾收塵器和增濕塔收集的物料，現(xiàn)在國內(nèi)主要的利用途徑是直接添加到水泥中或作為生料再次入窯煅燒。但是在計算窯灰的CO₂排放情況時，應(yīng)以窯灰的總量為準，與它的利用途徑無關(guān)。計算公式^[6]如下：

　　其中 EF_CKD ――部分煅燒水泥窯粉塵（t CO₂/t 水泥窯粉塵）的排放因子 EF_Cli ――工廠級熟料排放因子（t CO₂/t 熟料） d ――水泥窯粉塵煅燒速率

　　我們按經(jīng)驗值d＝0.1代入式1-1中，得EF_CKD＝0.0362。

　　在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)系統(tǒng)中，窯灰量一般占水泥熟料量的25%（20％～30％），所以生產(chǎn)1t熟料，由窯灰煅燒所產(chǎn)生CO₂為：1t×25％×0.0362＝0.009t

1.1.3 原料中有機碳的燃燒

　　用于熟料生產(chǎn)的原料中通常都含有一小部分有機碳，經(jīng)由高溫處理時，有機碳會轉(zhuǎn)化為CO₂。

　　原料的總有機碳含量根據(jù)地點和使用材料的種類可能有巨大變化，但是基本保持在0.1 ～0.3%（干重）之間，我們?nèi)?.2％，按國內(nèi)平均水平，生熟料折合比為1.65，則生產(chǎn)1t水泥熟料，由原料中有機碳產(chǎn)生的CO₂排放量為：1t×1.65×0.2％×3.67＝0.012t。

1.1.4水泥窯燃料燃燒產(chǎn)生的CO₂

　　水泥窯燃料以煤為主，其CO₂排放計算公式如下：

E=3.67Fqka （1-2）

　　其中 E——CO₂的排放量(kg)

　　　　F——燃料的消耗量(kg)

　　　　Q——燃料發(fā)熱量(MJ/ kg)

　　　　k——燃料的碳排放系數(shù)

　　　　a——燃料的碳氧化率

　　由式1-2和表1中原煤的數(shù)據(jù)，我們可以計算出，生產(chǎn)1t水泥熟料，煤燃燒的CO₂排放量為：E＝0.2067t

1.2 CO₂間接排放分析

1.2.1熟料生產(chǎn)電耗產(chǎn)生的CO₂排放

　　熟料生產(chǎn)電耗產(chǎn)生的CO₂排放系數(shù)由下表可得。

　　注：表2中，OM是指電量邊際排放因子，BM是指容量邊際排放因子，電網(wǎng)的電力排放因子是兩者的加權(quán)平均值，即EF=ω×OM＋×BM，ω=0.5，由此得出華北區(qū)域電力排放系數(shù)為1.0302 如果按2006年國內(nèi)新型干法水泥熟料電耗平均水平69.34KW·h計算^[7]，則華北區(qū)域的噸熟料電力排放系數(shù)為1.0302×0.06934＝0.0714t/t熟料^[2]。

1.2.2 水泥粉磨產(chǎn)生的CO₂排放

　　水泥生產(chǎn)中，水泥粉磨電耗約占水泥生產(chǎn)總電耗的40％，根據(jù)2006年我國水泥生產(chǎn)的平均電耗98.31 Kw·h/t水泥計算，水泥粉磨產(chǎn)生的CO₂排放量為：1t×0.09831×40％×1.0302＝0.04t。

1.3 水泥生產(chǎn)過程CO₂排放綜合比較分析

　　從上表中我們可以看出，水泥生產(chǎn)過程CO₂排放仍然以原料分解、燃料燃燒和電力消耗為主排放源，三者的總排放量約占水泥生產(chǎn)排放量的75％，所以在下面的分析中，我們將重點考慮這三方面因素，對水泥生產(chǎn)CO₂減排潛力進行分析。

2 水泥生產(chǎn)過程CO₂減排潛力分析

2.1使用替代燃料

　　水泥窯可使用的二次燃料主要有包括輪胎、塑料，聚合織物、橡膠、廢木材、動物骨骼等。

　　由于水泥窯系統(tǒng)是一個敏感的熱工系統(tǒng)，對替代燃料的熱值要求在4000Kca1/kg（干基）以上^[11]，所以我們就以熱值為4000Kcal/kg的廢木材為替代燃料，替代比例為10％，生產(chǎn)1t熟料時的減排量進行計算^[1]，公式如下：

AF_ER＝HC_FF×10％×HI_FF×EF_FF－Q_AF×HV_AF×EF_AF （2-1）

其中 HC_FF――指煤的使用量

　　Q_AF――替代燃料的使用量

　　HV_AF――替代燃料的熱值 HI_FF――煤的熱值

　　EF_AF――替代燃料的CO₂排放系數(shù)

　　EF _FF――煤的CO₂排放系數(shù)

　　代入數(shù)值后得AF_ER＝4.081kg/t熟料，對于一個日產(chǎn)2500t/d的生產(chǎn)線，如果使用該技術(shù)，可產(chǎn)生的減排量約為10203kg。

2.2 使用替代原料

　　目前可用的替代原料主要是電石渣^[13]，其主要化學成分為Ca(OH)₂，用其作原料不會產(chǎn)生CO₂，1t無水電石渣含0.54噸CaO，根據(jù)公式CaCO₃＝CaO+CO₂可知，每生成1份的CaO，就會同時生成0.7857份的CO₂，所以使用1t無水電石渣，可減排0.424t的CO₂。但是根據(jù)國內(nèi)的情況，電石渣可用量非常少，遠遠不能滿足水泥生產(chǎn)的需要。

2.3 添加混合材，減少熟料用量

　　國內(nèi)生產(chǎn)1t普通硅酸鹽水泥，熟料的摻入量約為75％，如果用礦渣替代40％的熟料計算，可減少熟料生產(chǎn)中0.16t CO₂排放量。

2.4 水泥窯余熱回收利用

　　在水泥生產(chǎn)過程中，由窯尾預(yù)熱器和窯頭篦冷機排出的廢氣余熱約占水泥熟料燒成熱耗的33％，這些廢氣余熱經(jīng)回收后可以用于烘干原燃料，從而減少了烘干物料所用的煤，間接的減少了CO₂的排放，也可以利用回收的余熱發(fā)電，將這些電能用于企業(yè)生產(chǎn)，減少向電網(wǎng)外購電量，換言之就是減少燃煤發(fā)電廠的煤的用量,從而減少了CO₂排放量。

　　（1）余熱發(fā)電技術(shù)

　　現(xiàn)在國內(nèi)余熱發(fā)電噸熟料發(fā)電能力約為30KW·h^[9]，根據(jù)上一節(jié)中確定的電網(wǎng)排放因子計算，生產(chǎn)1t水泥熟料，其減排能力可達31kg。

　?。?）利用余熱烘干原燃料

　　按原燃料的自然水分為18％，生產(chǎn)1t熟料需烘干0.5t左右原燃料計算，烘干用煤約為0.02t。利用余熱烘干原燃料可省去烘干用燃料煤，則生產(chǎn)每噸水泥熟料可省去烘干用煤0.02t，相當于減少41kg的CO₂排放。

2.5 改進粉磨設(shè)備，降低粉磨電耗

　　在水泥生產(chǎn)中，每生產(chǎn)1t水泥，粉磨電耗要占水泥生產(chǎn)總電耗的60％～70％，如果通過采用新型輥式磨及輥壓機終粉磨制備生料技術(shù)和輥壓機—鋼球磨或輥式磨—鋼球磨等半終粉磨系統(tǒng)制備水泥技術(shù)，來代替管式鋼球磨機粉磨技術(shù)的使用^[10]，可使水泥綜合電耗降低40％。

　　根據(jù)2006年我國水泥生產(chǎn)綜合電耗98.31 Kw·h/t水泥計算，生產(chǎn)1t水泥，該技術(shù)可使水泥綜合電耗降低39.324kWh/t，可間接減少約41kg的CO₂排放。

3 結(jié)論

　　從上面的分析中可以看出，當我們以2006年全國水泥產(chǎn)量12.4億t，新型干法水泥產(chǎn)量6.24億t，熟料產(chǎn)量4.5億t進行計算時，各種減排途徑的減排效果如表4所示。

　　根據(jù)表4和上一節(jié)的分析，我們得出如下結(jié)論：（1）粉磨設(shè)備的改進和混合材的使用，減排CO₂的效果最大，其次是余熱發(fā)電和余熱烘干原燃料技術(shù)，最后是替代燃料。（2）使用替代原料雖然在理論上具有較大的減排效果，但因可使用的替代原料有限，技術(shù)的發(fā)展也受到限制。（3）國際上已頒布了適合水泥行業(yè)的CDM方法學，如果能根據(jù)方法學的要求，將某些技術(shù)申請CDM項目，不但可以減排CO₂，而且減排額還可以在國際上出售，獲得額外的減排收益。

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