任勇：碳中和目標(biāo)下海螺水泥減排二氧化碳的實(shí)踐

水泥行業(yè)是二氧化碳排放大戶，其排放主要來自碳酸鹽的分解、燃料的燃燒和電力消耗。在生產(chǎn)工藝碳減排（如替代原料、熟料替代技術(shù)等）、生產(chǎn)能耗碳減排（如替代燃料、富氧燃燒技術(shù)、高效粉磨、余熱發(fā)電等）、新技術(shù)碳減排（如水泥窯二氧化碳捕集利用）及新能源技術(shù)等方面加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)力度和推廣力度，可實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，為達(dá)到碳中和目標(biāo)作貢獻(xiàn)。  

關(guān)鍵詞：水泥行業(yè)碳中和碳減排技術(shù)  

引言  

面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候變化形勢(shì)，關(guān)于碳中和的行動(dòng)舉措已經(jīng)被多個(gè)國(guó)家列入了發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)上發(fā)表重要講話時(shí)提出，我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)峰，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳中和。2019年中國(guó)二氧化碳年排放量約100億t，占世界二氧化碳年排放量的30%，其中水泥行業(yè)排放約13.2億t，占全國(guó)工業(yè)企業(yè)二氧化碳總排放量的15%，二氧化碳減排任務(wù)艱巨。本文介紹水泥企業(yè)的碳排放及海螺集團(tuán)在碳減排領(lǐng)域的舉措。  

01  

水泥生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放  

按照二氧化碳排放來源，水泥生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放可分為直接排放和間接排放。直接排放主要是生料中碳酸鹽分解和燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放，排放主要集中于水泥熟料燒成工序；間接排放主要是各工藝過程電力消耗產(chǎn)生的二氧化碳排放，其直接排放點(diǎn)主要集中在火力發(fā)電廠。根據(jù)相關(guān)計(jì)算推算，水泥企業(yè)二氧化碳排放中直接排放約占總排放的98%，間接排放僅占2%。  

02  

二氧化碳減排技術(shù)在海螺的應(yīng)用  

針對(duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)，碳減排主要途徑有：一是技術(shù)性減排，即通過改善工藝優(yōu)化指標(biāo)、使用替代原燃料、添加礦化劑降低熟料燒成溫度、利用水泥窯余熱進(jìn)行發(fā)電、新能源技術(shù)、水泥窯煙氣二氧化碳捕集純化、提高熟料質(zhì)量以及強(qiáng)化生產(chǎn)管理；二是市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)政策結(jié)合減排，即通過淘汰落后產(chǎn)能等手段進(jìn)行碳減排?，F(xiàn)結(jié)合上述二氧化碳減排途徑及相關(guān)實(shí)例，多角度闡述二氧化碳減排技術(shù)在海螺水泥的應(yīng)用。  

2.1提高能源利用率  

新型干法水泥生產(chǎn)線的熱耗主要集中在熟料煅燒；電力消耗主要發(fā)生在原料開采及均化，生料制備，熟料煅燒，煤粉粉磨，水泥粉磨、輸送及包裝等環(huán)節(jié)。以海螺水泥CZ公司3號(hào)線項(xiàng)目為載體，開展生產(chǎn)線綜合能效提升研究。具體措施：生料粉磨系統(tǒng)更換為輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)以降低電耗；預(yù)熱器系統(tǒng)采用低阻旋風(fēng)筒和管道式分解爐、新型隔熱納米耐火材料，以提高系統(tǒng)的換熱效率、生料的分解率及降低設(shè)備表面的散熱量；優(yōu)化風(fēng)管設(shè)計(jì)，以降低系統(tǒng)阻力；窯主電機(jī)更換交流變頻電機(jī)，冷卻風(fēng)機(jī)群?jiǎn)⒂米冾l高效風(fēng)機(jī)，以降低電耗；篦冷機(jī)整體采用新型高效第四代篦冷機(jī)，以提高熟料冷卻效率和熱回收效率。  

以上技術(shù)方案的實(shí)施，CZ公司3號(hào)線系統(tǒng)標(biāo)煤耗較改造前降低約10kg/t熟料，熟料綜合電耗較改造前降低約10kWh/t，按照年產(chǎn)熟料200萬t計(jì)算，則全年減少二氧化碳排放約67500t，若該改造方案在海螺集團(tuán)全面推廣，年減排二氧化碳約850萬t。  

2.2采用替代燃料  

在“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”和“綠色能源低碳化”理念的指引下，海螺ZL公司生產(chǎn)線啟動(dòng)替代燃料項(xiàng)目。通過研究生物質(zhì)替代燃料的物理特性、燃料特性及污染物排放特性，通過CFD模擬等手段對(duì)生物質(zhì)替代燃料使用后對(duì)分解爐工況參數(shù)進(jìn)行模擬分析，提出生物質(zhì)替代燃料技術(shù)應(yīng)用的最佳技術(shù)方案，開發(fā)生物質(zhì)替代燃料系統(tǒng)，降低煤炭資源的消耗，達(dá)到能源結(jié)構(gòu)綠色低碳化的創(chuàng)新目標(biāo)。  

海螺ZL公司替代燃料項(xiàng)目總規(guī)模為30萬t/a，項(xiàng)目已于2020年10月建成投產(chǎn)（見圖1），根據(jù)當(dāng)?shù)靥娲剂腺Y源情況，每年可消納稻草、油菜桿及樹皮總計(jì)26萬t，年節(jié)約標(biāo)煤7.5萬t，年減排二氧化碳20萬t。該項(xiàng)技術(shù)若在海螺集團(tuán)全面推廣應(yīng)用，年節(jié)約標(biāo)煤1080萬t，年減排二氧化碳約2800萬t。  

2.3選用替代原料  

水泥熟料生產(chǎn)的主要原料是石灰石礦，主要成分是碳酸鹽，其分解過程中CO₂產(chǎn)生量約占水泥生產(chǎn)企業(yè)二氧化碳排放的65%。在研究替代原料成分、生料配料最佳摻量的基礎(chǔ)上，選擇部分替代原料，可降低最低共熔點(diǎn)溫度，進(jìn)而降低系統(tǒng)能耗。海螺集團(tuán)LP公司采用黃磷渣配料，煅燒溫度降低，噸熟料煤耗下降1.5kg；采用電石渣、粉煤灰、硫酸渣等工業(yè)廢料替代部分原料，既減少了礦山的開采量，又降低了二氧化碳的排放。  

2.4充分回收利用水泥窯余熱  

在熟料生產(chǎn)過程中，由預(yù)熱器出口和篦冷機(jī)排出的廢氣余熱約占熟料燒成熱耗的33%。海螺水泥生產(chǎn)企業(yè)配套建設(shè)余熱發(fā)電系統(tǒng)（見圖2），利用預(yù)熱器出口和篦冷機(jī)中段出口的廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電，并將這些電能用于企業(yè)生產(chǎn)，減少外電的采購(gòu)量，實(shí)質(zhì)上減少了燃煤發(fā)電廠的煤的用量，間接地減少了二氧化碳排放。同時(shí)利用發(fā)電鍋爐后的廢氣余熱進(jìn)行物料的烘干，減少烘干物料所用的燃料，海螺集團(tuán)年余熱發(fā)電量約為87億kWh，水泥企業(yè)用電量大幅減少，全年減少二氧化碳的排放約790萬t。  

2.5富氧助力水泥熟料煅燒  

采用高于普通空氣的助燃?xì)怏w，有利于入窯爐煤粉的充分燃燒，海螺集團(tuán)在充分調(diào)研制氧技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和研究利用富氧對(duì)水泥熟料煅燒產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)上，以海螺CZ公司2號(hào)線為項(xiàng)目載體實(shí)施富氧燃燒技術(shù)，制取富氧代替一次風(fēng)和窯爐送煤風(fēng)，助力煤粉的燃燒，提高火焰的強(qiáng)度和窯內(nèi)溫度。  

項(xiàng)目于2020年9月建成（見圖3）投運(yùn)，實(shí)際測(cè)試，熟料燒成系統(tǒng)標(biāo)煤耗較技改前降低約6kg/t熟料，按照年產(chǎn)熟料200萬t計(jì)算，則全年減少二氧化碳排放約31000t。若該技術(shù)在海螺集團(tuán)全面推廣，年節(jié)約標(biāo)煤約150萬t，年減排二氧化碳約387萬t。  

2.6水泥窯煙氣中二氧化碳的捕集利用  

國(guó)際能源署發(fā)布2020年水泥行業(yè)技術(shù)路線圖，預(yù)計(jì)到2050年，水泥行業(yè)通過采取其他常規(guī)碳減排方案后，仍剩余48%的碳排放量。二氧化碳捕集利用是水泥等難以減排行業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放為數(shù)不多的可行性技術(shù)方案。目前，二氧化碳捕集利用技術(shù)在水泥行業(yè)的可行性已經(jīng)得到驗(yàn)證，海螺集團(tuán)于2018年建成世界首條水泥窯煙氣二氧化碳捕集純化示范項(xiàng)目（見圖4），規(guī)模為50000tCO₂/a，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳資源化利用。下一步將加大二氧化碳捕集利用技術(shù)和高附加值二氧化碳衍生產(chǎn)品的研發(fā)投入，爭(zhēng)取在“十四五”期間建成水泥廠全規(guī)模二氧化碳捕集利用示范項(xiàng)目，為水泥行業(yè)碳減排起示范引領(lǐng)作用。  

2.7新能源技術(shù)開發(fā)應(yīng)用  

為加速推進(jìn)新能源業(yè)務(wù)發(fā)展，提升增長(zhǎng)動(dòng)能，滿足綠色發(fā)展需要，海螺集團(tuán)全資成立海螺投資公司，聚焦新能源、新材料等新興產(chǎn)業(yè)。目前已利用建構(gòu)筑物屋頂及空地布局光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電和儲(chǔ)能等產(chǎn)業(yè)，以實(shí)現(xiàn)減排任務(wù)。  

公司光伏項(xiàng)目截止2020年底裝機(jī)量為130MW，累積發(fā)電量為2.79億度電，減排二氧化碳約25萬t。在海螺某子公司建成分散式風(fēng)電示范項(xiàng)目，裝機(jī)1.5MW，年發(fā)電量320萬度，年減排二氧化碳約3000t。同時(shí)在海螺某子公司開發(fā)建設(shè)了化學(xué)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，儲(chǔ)能電站裝機(jī)總?cè)萘?2MW/44MWh，共實(shí)現(xiàn)電力峰谷轉(zhuǎn)移4000萬度，為實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用、合理利用發(fā)揮能量。  

2.8創(chuàng)建“三綠”工廠，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳匯  

碳匯是指通過植樹造林、森林管理、植被恢復(fù)等措施，利用植物光合作用吸收大氣中的二氧化碳，并將其固定在植被和土壤中，從而減少溫室氣體在大氣中的濃度。海螺集團(tuán)每個(gè)工廠大力開展礦山覆綠、植樹造林等，廣泛創(chuàng)建綠色礦山、綠色工廠和綠色供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)部分碳匯。  

03  

結(jié)束語  

水泥行業(yè)是二氧化碳排放大戶，其排放主要來自碳酸鹽的分解、燃料的燃燒和電力消耗。進(jìn)一步在生產(chǎn)工藝碳減排（如替代原料、熟料替代技術(shù)等）、生產(chǎn)能耗碳減排（如替代燃料、富氧燃燒技術(shù)、高效粉磨、余熱發(fā)電等）、新技術(shù)碳減排（如水泥窯二氧化碳捕集利用）及新能源技術(shù)等方面加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)力度，大力推廣應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)的節(jié)能減排目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，進(jìn)而為達(dá)到碳中和目標(biāo)作出積極貢獻(xiàn)。