水泥生產(chǎn)中減排二氧化碳措施和效果分析

1　前言
　　為了２１世紀(jì)的地球免受氣候變暖的威脅，１９９７年１２月，在日本東京召開(kāi)的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》締約方第三次會(huì)議通過(guò)了旨在限制發(fā)達(dá)國(guó)家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書(shū)》。２００４年１１月，俄羅斯總統(tǒng)普京在《京都議定書(shū)》上簽字，截至２００４年１２月，已有１２９個(gè)國(guó)家及地區(qū)批準(zhǔn)加入議定書(shū)，議定書(shū)將于２００５年２月16日正式生效。《京都議定書(shū)》規(guī)定，２０１２年前，主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家溫室氣體排放量要在１９９０年的基礎(chǔ)上平均減少５％。
　　為了促進(jìn)各國(guó)完成溫室氣體減排目標(biāo)，議定書(shū)允許采取以下四種減排方式：
　?。?）兩個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家之間可以進(jìn)行排放額度買(mǎi)賣的“排放權(quán)交易”，即難以完成削減任務(wù)的國(guó)家，可以花錢(qián)從超額完成任務(wù)的國(guó)家買(mǎi)進(jìn)超出的額度。
　?。?）以“凈排放量”計(jì)算溫室氣體排放量，即從本國(guó)實(shí)際排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的數(shù)量。
　?。?）可以采用綠色開(kāi)發(fā)機(jī)制，促使發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家共同減排溫室氣體。
　?。?）可以采用“集團(tuán)方式”，即歐盟內(nèi)部的許多國(guó)家可視為一個(gè)整體，采取有的國(guó)家削減、有的國(guó)家增加的方法，在總體上完成減排任務(wù)。
　　該議定書(shū)確定的溫室氣體，二氧化碳占首位，我國(guó)是締約國(guó)之一，雖然在2012年之前不承擔(dān)減排溫室氣體的任務(wù)，但是可以通過(guò)“清潔發(fā)展機(jī)制”，由減排獲得我國(guó)發(fā)展急需的資金，也為承擔(dān)減排溫室氣體任務(wù)積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，這就必須研究各部門(mén)減排二氧化碳的實(shí)用技術(shù)。為此，本文根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝，從理論上分析水泥生產(chǎn)中削減排放二氧化碳的措施和效果。
2　水泥生產(chǎn)通常排放的二氧化碳量
　　水泥生產(chǎn)排放的二氧化碳包括：由生產(chǎn)水泥的主要原料石灰石中的碳酸鈣分解生成水泥熟料必需的氧化鈣的同時(shí)生成的二氧化碳；煅燒水泥熟料和烘干原料用燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳。
普通硅酸鹽水泥熟料含氧化鈣65%左右，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：
　　CaCO3=CaO+CO2
　　每生成1份CaO同時(shí)生成0.7857份CO2，所以每生產(chǎn)1t水泥熟料生成0.511t CO2。
　　水泥廠用的燃料煤發(fā)熱量為22 000kJ/㎏時(shí)，約含有65%左右的固定碳，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：
　　C+ O2=CO2
　　碳完全燃燒時(shí)，每噸煤產(chǎn)生2.38t CO2。
　　水泥生產(chǎn)過(guò)程所用燃料分為熟料燒成用燃料和原燃料烘干用燃料，熟料燒成用燃料的多少與生產(chǎn)水泥熟料的生產(chǎn)工藝及規(guī)模有關(guān)，現(xiàn)行我國(guó)各水泥生產(chǎn)工藝、規(guī)模和熱耗、燒成用煤的關(guān)系見(jiàn)表1。烘干用燃料的多少與對(duì)余熱的利用程度和原燃料的自然水分有關(guān)，不考慮烘干物料對(duì)余熱的利用，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(jì)算，烘干用煤約為0.02t。
　　生產(chǎn)1t熟料需0.161～0.296t煤，煤燃燒產(chǎn)生0.383～0.704t CO2。加上生成熟料時(shí)碳酸鈣分解產(chǎn)生的CO2，每生產(chǎn)1t水泥熟料排放0.894～1.215t CO2。一般地說(shuō)，每生產(chǎn)1t水泥熟料排放約1t CO2。按此計(jì)算，我國(guó)2004年生產(chǎn)7億t以上的水泥熟料，排入大氣中的CO2超過(guò)7億t。
3　減排二氧化碳措施
3.1　改變?cè)戏N類或熟料化學(xué)成分
3.1.1　用含有CaO但不產(chǎn)生CO2的物質(zhì)作原料
　　不產(chǎn)生CO2又含有CaO且對(duì)水泥熟料形成無(wú)不利影響的物質(zhì)在天然原料中很難找到，但是其它工業(yè)的廢渣中往往含有CaO而不會(huì)產(chǎn)生CO2，如化工行業(yè)的主要化學(xué)成分為Ca（OH）2，1t無(wú)水電石渣含0.54tCaO，用電石渣作為生產(chǎn)原料，則可減排0.424t CO2。另外，高爐礦渣、粉煤灰、爐渣中都比粘土中含有更多的CaO，能減少配料中石灰石的比例。上述廢渣每提供1t CaO則減少排放0.7857t CO2。另外，上述廢渣作為原料生產(chǎn)水泥還能降低熟料燒成溫度，從而降低煤耗，也起到減排CO2的作用。成都建材設(shè)計(jì)研究院和合肥水泥研究設(shè)計(jì)院分別設(shè)計(jì)了四川宜賓30萬(wàn)t電石渣水泥廠和安徽皖維高新材料股份有限公司年處理18萬(wàn)t工業(yè)廢渣（其中濕排電石渣為7.5萬(wàn)t）水泥廠，都取得了安全運(yùn)行、達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)的良好效果，明顯地減排CO2。若全用電石渣提供水泥熟料中的CaO，生產(chǎn)每噸水泥熟料可減排0.511t CO2。
3.1.2　降低水泥熟料中CaO的含量
　　現(xiàn)行硅酸鹽水泥熟料要求含有較高的硅酸三鈣（C3S），因此，熟料的化學(xué)成分中CaO含量在65%左右，若在保證水泥熟料性能的前提下，降低熟料化學(xué)成分中CaO的含量，可減少生產(chǎn)水泥熟料需要的碳酸鈣用量，有助于減排CO2。水泥熟料中CaO含量每降低1%，生產(chǎn)1t水泥熟料可減排7.857㎏ CO2。目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行低鈣水泥熟料體系的研究和開(kāi)發(fā)，即降低熟料組成中CaO的含量，相應(yīng)增加低鈣貝利特礦物的含量，或引入新的水泥熟料礦物，可有效降低熟料燒成溫度，減少配合生料的石灰石的用量，降低熟料燒成熱耗。低鈣高貝利特水泥是以貝利特礦物（C2S）為主，其含量在50%左右，該水泥與通用硅酸鹽水泥同屬硅酸鹽水泥體系，其燒成溫度為1 350°C左右，比通用硅酸鹽水泥低100℃，在水泥性能上，低鈣硅酸鹽水泥28天抗壓強(qiáng)度與通用硅酸鹽水泥相當(dāng)，后期強(qiáng)度高出通用硅酸鹽水泥5～10MPa，在水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中，比現(xiàn)行硅酸鹽水泥熟料少排10%左右CO2。貝利特硫鋁酸鹽水泥可把熟料中CaO降到45%，生產(chǎn)每噸熟料比現(xiàn)行硅酸鹽水泥熟料少排CO2約0.16t。
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摘處《中國(guó)水泥》2005年 03月號(hào)