工業(yè)固廢替代原料與水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展

歐盟制定的《歐盟2050低碳經(jīng)濟路線圖》明確提出，與1990年相比，2050年全球溫室氣體排放總量要降低80%~90%。國際能源署在《清潔能源轉(zhuǎn)型中的材料效率》中提出“清潔技術(shù)方案2050計劃”，對各行業(yè)如何實現(xiàn) “碳中性”目標(biāo)給出了明確的執(zhí)行路線和發(fā)展目標(biāo)。

隨著“碳中性”理念的提出，世界各國對溫室氣體排放的控制標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格。水泥工業(yè)作為碳排放重點行業(yè)，如何有效降低碳排放，成為一個無法回避而又十分緊迫的課題。

一、水泥行業(yè)面臨的問題

（一）碳排放

作為碳排放大戶，水泥行業(yè)面臨的減排挑戰(zhàn)正成為積極推進行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)綠色環(huán)保發(fā)展的契機。世界水泥可持續(xù)發(fā)展促進會預(yù)計，到2050年，水泥行業(yè)需要實現(xiàn)0.79 Gt CO2減排目標(biāo)。其中，提高能效占比10%、使用替代燃料占比24%、降低熟料用量占比10%、碳捕獲占比56%。對比分析國際發(fā)展需求，國內(nèi)對水泥行業(yè)碳排放控制會越來越緊迫，標(biāo)準(zhǔn)也必然會越來越高。

針對我國水泥行業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，實現(xiàn)上述國際減排目標(biāo)仍然需要在各個領(lǐng)域進一步開展廣泛而深入的技術(shù)研究，并借鑒一些發(fā)達(dá)國家成功的減排技術(shù)與經(jīng)驗，盡量少走彎路。

（二）資源消耗

在考慮碳排放的同時，水泥行業(yè)也是資源消耗大戶。以國內(nèi)2019年熟料總產(chǎn)量15.2億噸計算，消耗礦產(chǎn)資源高達(dá)24億噸左右（按照完全使用自然礦產(chǎn)資源生產(chǎn)熟料進行核算）。周邊有限的礦產(chǎn)資源已經(jīng)使部分水泥企業(yè)出現(xiàn)或者即將面臨“無米下鍋”的窘境。如果原材料需要通過長距離運輸，其帶來的成本上升將成為企業(yè)難以承受的負(fù)擔(dān)。

二、工業(yè)固廢作為替代原料

（一）潛在資源

鋼鐵、火力發(fā)電、乙炔、氨堿等生產(chǎn)企業(yè)每年排放大量的鋼渣、礦渣、粉煤灰、硅鈣渣、電石渣、堿渣等固體廢棄物，資源化利用這些大宗固體廢棄物，實現(xiàn)變廢為寶，值得不斷深入研究。

我國每年產(chǎn)生40億噸左右此類工業(yè)固體廢棄物，如果將其作為水泥企業(yè)的替代原料，以年利用率20%計算，能夠節(jié)省約8億噸的天然礦產(chǎn)資源，具有極大的社會價值與經(jīng)濟價值。

水泥行業(yè)的主要原料為石灰石，約占80%~85%左右，每生產(chǎn)1噸水泥熟料需要消耗約1.3噸~1.4噸的石灰石。很多鋼渣類的固體廢棄物，其有效化學(xué)成分與水泥熟料的化學(xué)成分比較接近，具有作為水泥替代原料的可行性。

（二）降低碳排放

礦（鋼）渣固廢作為水泥替代原料不會分解產(chǎn)生 CO2，因此，可以降低碳排放。

針對不同替代原料，依據(jù)溫室氣體排放核算國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 32150-2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》和GB/T 32151.8-2015《溫室氣體排放核算與報告要求第 8 部分：水泥生產(chǎn)企業(yè)》，通過理論計算，確定使用不同替代原料、不同替代比例時的碳減排量。

按照常規(guī)的原材料配料方案（石灰石83%、黏土12%、硅質(zhì)校正料與鐵質(zhì)校正料總計5%為計算標(biāo)準(zhǔn)）計算，單位熟料CO2排放量約為520kg/t.cl。

國內(nèi)在電石渣作為水泥替代原料替代石灰石比例達(dá)到60%~100%，如果以60%的替代率進行核算，單位熟料CO2排放量約為300 kg/t.cl，比常規(guī)生產(chǎn)單位熟料碳排放量降低約220kg/t.cl；以硅鈣渣替代30%左右石灰石質(zhì)原料，單位熟料CO2排放量約為425 kg/t.cl，比常規(guī)生產(chǎn)單位熟料碳排放量降低約95kg/t.cl；以鋼渣替代15%左右石灰石質(zhì)原料，單位熟料CO2排放量約為475kg/t.cl，比常規(guī)生產(chǎn)時碳排放量降低約45kg/t.cl。

2018年國內(nèi)熟料產(chǎn)量14億噸，2019年達(dá)到15.2億噸，按照常規(guī)生產(chǎn)方案核算，每年碳排放量將達(dá)到驚人的7億噸~8億噸。如果能夠采取替代原料等措施，將有助于實現(xiàn)30%左右碳減排目標(biāo)。因此，使用工業(yè)固廢作為水泥替代原料，在降低碳排放方面極具研究與應(yīng)用價值。

（三）降低系統(tǒng)能耗

使用礦(鋼)渣類固廢作為替代原材料，不僅降低CO2排放量，而且會降低系統(tǒng)煙氣總量，從而使預(yù)熱器內(nèi)通風(fēng)量降低、各個控制點的風(fēng)速下降，預(yù)熱器系統(tǒng)壓損減少，高溫風(fēng)機和尾排風(fēng)機的電耗降低，實現(xiàn)系統(tǒng)增產(chǎn)。

此外，因礦（鋼）渣類固廢中存在硅酸二鈣和硅酸三鈣礦物，在水泥熟料煅燒過程中起到晶種作用，可以改善生料的易燒性、降低煅燒溫度。

（四）典型案例

2010年，德國洪堡（KHD）公司在俄羅斯投建兩條3000t/d熟料生產(chǎn)線，利用附近鋼廠的鋼渣替代30%左右的原材料。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行核算，單位熟料CO2排放量僅為415 kg/t.cl左右，比常規(guī)降低約105kg/t.cl；現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)顯示，實際碳排放量只有385kg/t.cl左右。按照兩條熟料生產(chǎn)線年產(chǎn)140萬噸熟料進行核算，則年減排CO2約14萬噸~18萬噸。同時，熟料生產(chǎn)電耗下降1.5kwh/t.cl；熱耗降低至600kcal/kg.cl左右，低于系統(tǒng)生產(chǎn)熱耗指標(biāo)保證值716 kcal/kg.cl。節(jié)電節(jié)煤，又進一步降低碳排放量。

三、存在的問題與應(yīng)對措施

需要注意的是，部分工業(yè)固廢中含有一定比例的金屬成分或者氯離子等對生產(chǎn)過程和水泥性能有害的成分，摻入比例有嚴(yán)格的限制。因此，需要進行預(yù)處理從而提高替代比例。

同時，硅酸二鈣和硅酸三鈣晶種等因素降低了出現(xiàn)高溫液相的溫度，因此需要對現(xiàn)有燒成系統(tǒng)的熱工制度進行適當(dāng)調(diào)整，如降低總喂煤量（主要是降低尾煤量）、控制分解爐內(nèi)部及出口風(fēng)溫、控制各級旋風(fēng)筒出口風(fēng)溫等，以防止生產(chǎn)過程中過早出現(xiàn)液相，造成預(yù)熱器系統(tǒng)結(jié)皮、堵料及黃心料等現(xiàn)象。

替代原料種類和替代比例，需要在生產(chǎn)中根據(jù)實際情況進行摸索，確定具有針對性的熱工制度?？紤]到替代原料本身的特點，礦（鋼）渣類替代原料與“4級預(yù)熱器”的熱工制度有很多契合點，在節(jié)能及工程量投入等方面有更大的效益空間。

鑒于工業(yè)固廢作為替代原材料對水泥行業(yè)的重要潛在價值，北京建筑材料科學(xué)研究總院依托固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室和金隅集團所屬水泥企業(yè)的技術(shù)和資源優(yōu)勢，根據(jù)水泥企業(yè)周邊工業(yè)固廢的具體成分與形態(tài)，研究適合實際情況的處理技術(shù)，積極探索具有共性及針對性的生產(chǎn)與控制標(biāo)準(zhǔn)，最大化地發(fā)揮工業(yè)固廢在降低碳排放、替代天然礦產(chǎn)資源及節(jié)能等方面的綜合效應(yīng)。 

四、結(jié)語

控制溫室氣體排放，實現(xiàn)“碳中性”目標(biāo)，是大勢所趨。通過大力開展工業(yè)固廢替代水泥原材料的研究和規(guī)?；瘧?yīng)用，可顯著降低對天然礦產(chǎn)資源和能源消耗，是我國水泥行業(yè)實現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，更是踐行“綠水青山就是金山銀山”理念的積極行動。