水泥行業(yè)二氧化碳減排途徑綜述

王帥紅王敏麗

在氣候問題備受關(guān)注的國際大背景下,發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為全球性共識。在2009年召開的哥本哈根世界氣候大會上,溫家寶總理向全世界莊嚴(yán)承諾，到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%,這意味著中國從此進(jìn)入了低碳經(jīng)濟(jì)時代。而所謂低碳經(jīng)濟(jì)是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，通過制度創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)，其核心是能源技術(shù)和減排技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和制度創(chuàng)新及人類生存發(fā)展觀念的根本性轉(zhuǎn)變。

水泥是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要材料，水泥工業(yè)也是國民經(jīng)濟(jì)的重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，水泥工業(yè)的快速發(fā)展有力支撐了國家社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)。然而，在為社會進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)的同時，也消耗了大量的資源、能源，并向環(huán)境中排放了大量溫室氣體CO2。消耗量在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中仍居于前列。據(jù)統(tǒng)計，2010年我國原煤產(chǎn)量約為32億噸，燃燒所排放的CO2為79.68億噸，其中水泥生產(chǎn)能耗約3.1億噸煤，CO2排放總量約7.719億噸（不包括生產(chǎn)水泥用碳酸鈣分解排放的CO2），約占當(dāng)年全國CO2總排放量的10%。水泥工業(yè)傳統(tǒng)的發(fā)展和生產(chǎn)模式，使得資源、能源都難以為續(xù)，對生態(tài)環(huán)境也造成了極為不利的影響。同時，今年國務(wù)院出臺了對包括水泥工業(yè)等在內(nèi)的《抑制部分行業(yè)產(chǎn)能過剩和重復(fù)建設(shè)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展若干意見的通知》，對水泥工業(yè)等產(chǎn)業(yè)開始調(diào)整。剛剛閉幕的全國人大十一屆三次會議上，如何迎接低碳經(jīng)濟(jì)時代也是重要內(nèi)容之一。因此，低碳經(jīng)濟(jì)是水泥工業(yè)發(fā)展的必由之路；推動水泥工業(yè)低碳生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，促進(jìn)水泥工業(yè)大幅度節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)先進(jìn)綠色制造，是水泥工業(yè)發(fā)展面臨的緊迫任務(wù)。

一、水泥企業(yè)生產(chǎn)過程中主要CO2排放源

1、碳酸鹽分解

一般石灰石在硅酸鹽水泥原料中的配比占80%～85%，所以生產(chǎn)水泥需要的石灰質(zhì)資源是很大的，石灰石質(zhì)原料分解會放出大量的CO2。

2、燃料燃燒排放CO2

熟料煅燒是水泥工業(yè)的核心工藝，由生料煅燒成熟料需要大量的熱量，熱量來源于燃料燃燒，我國水泥廠幾乎均采用煤炭為主要燃料。煤炭燃燒產(chǎn)生大量的CO2。

3、電力消耗折算的CO2排放

水泥生產(chǎn)包括原料開采、生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨等多個工藝環(huán)節(jié)，使用多種輸送、破碎、粉磨、煅燒工藝設(shè)備及電機(jī)、風(fēng)機(jī)等，需要消耗一定量的電力。水泥廠所用的電力必需折算出因火力發(fā)電而排放的CO2，因為這是由于生產(chǎn)水泥而排放的，可稱為間接排放的CO2。

二、水泥行業(yè)二氧化碳減排的途徑

⒈水泥純低溫余熱發(fā)電技術(shù)

2009年底，我國已有512臺預(yù)分解水泥窯配備了余熱發(fā)電裝置，裝機(jī)容量高達(dá)3320 MW,年回收電能235億度，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)煤880萬噸，CO2減排2200萬t。預(yù)計2010年將有700臺以上預(yù)分解窯采用余熱發(fā)電技術(shù)，年減排CO2將達(dá)3200萬t。

但基于我國以及廣大發(fā)展中國家和新興國家水泥工業(yè)的現(xiàn)實(shí)情況，水泥窯余熱發(fā)電是具有其顯著優(yōu)點(diǎn)的，適用性很廣，市場需求空間很大，是一項頗具競爭力的適用技術(shù)。我國應(yīng)堅持這條技術(shù)發(fā)展途徑，在不額外增加熟料熱耗的前提下，繼續(xù)研發(fā)創(chuàng)新，將噸熟料余熱發(fā)電量由現(xiàn)今的最高40度左右提升到50度或更高。

⒉城市生活垃圾焚燒處理技術(shù)

城市生活垃圾焚燒處理技術(shù)的基本原理是利用水泥窯穩(wěn)定高溫環(huán)境完全降解垃圾焚燒產(chǎn)生的二惡英，實(shí)現(xiàn)無害化處理，垃圾燃燒的熱能可替代水泥熟料生產(chǎn)所需要的部分燃料，灰燼用作水泥原料，對水泥生產(chǎn)及產(chǎn)品品質(zhì)不產(chǎn)生任何影響，從而以有效解決我國城市垃圾處理中大量占用土地、產(chǎn)生二次污染的難題。

在過去的20多年間，世界水泥工業(yè)從少量采用/替代一小部分煤開始起步，一直發(fā)展到現(xiàn)今許多發(fā)達(dá)國家已相當(dāng)廣泛地采用水泥窯協(xié)同焚燒廢料，成效顯著。水泥工業(yè)協(xié)同燃燒可燃廢棄物已經(jīng)是一項環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)合理、工藝成熟的最佳適用技術(shù)。同時，水泥窯協(xié)同焚燒廢料不僅可以節(jié)省相當(dāng)數(shù)量的不可再生的天然化石燃料（煤），減少噸熟料的CO2排放30%，降低熟料生產(chǎn)成本，同時還為社會妥善地消納了一部分廢棄物，為環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)，實(shí)屬一舉多得。

⒊生物質(zhì)燃料研發(fā)

生物燃料主要是指農(nóng)業(yè)或林業(yè)生物質(zhì)的固體成型顆粒，屬可再生能源，如秸稈、薪柴、人畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾、有機(jī)廢棄物等。經(jīng)過加工后都可成為生物燃料，它具有低硫、永續(xù)、清潔、高效的特點(diǎn)，可用來替代中小型燃煤（油）鍋爐的用煤（油）。據(jù)估算，每使用一噸生物燃料，可減少煤燃燒產(chǎn)生的1.6噸的二氧化碳排放量。以現(xiàn)今比較看好的——利用藻類光合固碳作用生產(chǎn)生物燃料為例：因為藻類在光合作用中需要吸入CO2，水泥窯廢氣中則含有約25%的CO2，兩者形成互補(bǔ)。藻類光合作用所生產(chǎn)的生物燃料足以替代煤供水泥窯燒成熟料之用。水泥窯排放的1/3 CO2則可供藻類光合吸碳之需，這樣從理論上的理想情況來說，既解決了水泥窯的燃料供應(yīng)問題，還減少了其1/3的CO2排放，效益甚佳。

⒋徹底淘汰落后水泥

落后水泥是指落后工藝生產(chǎn)的水泥和所謂的采用的是新型干法先進(jìn)工藝但規(guī)模達(dá)不到產(chǎn)業(yè)政策要求、技術(shù)指標(biāo)不先進(jìn)的生產(chǎn)線生產(chǎn)的水泥。主要是立窯、干法中空窯、濕法窯、立筒預(yù)熱器窯、小型新型干法窯。按照國發(fā)〔2009〕38號文件要求，各地必須盡快制定3年內(nèi)徹底淘汰落后產(chǎn)能時間表。只有通過重組聯(lián)合，淘汰落后產(chǎn)能，提高產(chǎn)業(yè)集中度，才能實(shí)現(xiàn)水泥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。盡快徹底淘汰落后水泥產(chǎn)能是實(shí)現(xiàn)水泥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要，也是水泥產(chǎn)業(yè)走低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路的必要。

⒌發(fā)展節(jié)能粉磨技術(shù)與裝備

開發(fā)能量轉(zhuǎn)換效率更高的粉磨裝備，提高物料粉磨效率，降低粉磨能耗，減少電能的浪費(fèi)，也是水泥工業(yè)實(shí)施低碳經(jīng)濟(jì)的潛力所在，因為噸水泥消耗的電能折合CO2排放約80 kg。物料粉磨電耗約占噸水泥總電耗的60%以上，其中水泥粉磨的電耗約占總電耗的40%。粉磨又是一個效率極低的過程，如傳統(tǒng)的球磨機(jī)能量利用率僅為1%~3%，絕大部分轉(zhuǎn)化成熱量而散失、浪費(fèi)，相應(yīng)的噸水泥電耗高達(dá)110 kWh。隨著粉磨技術(shù)的進(jìn)步，如采用能量利用率高達(dá)10%以上的無球料床粉磨技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球磨技術(shù)，噸水泥電耗可降低至80 kWh以下。另外，經(jīng)實(shí)踐表明，通過改變輥盤形狀、盤速、輥壓及擋料圈高度以增加粉磨時間、提高中間產(chǎn)品細(xì)度、加寬粒度范圍，并配套轉(zhuǎn)子速度調(diào)節(jié)范圍大的籠式轉(zhuǎn)子選粉機(jī)，采用無球化料床粉磨技術(shù)是可以生產(chǎn)出顆粒分布合格的各種水泥的。

⒍優(yōu)化水泥熟料和混合材性能

C3S是水泥熟料中最主要的礦物，膠凝性能最好，但是在實(shí)際生產(chǎn)工藝中C3S含量過高會造成熟料燒成困難，熱耗急劇增加。因此，優(yōu)化C3S結(jié)構(gòu)、調(diào)整熟料礦物匹配與燒成制度是制備高膠凝性水泥熟料的關(guān)鍵。通過確定C3S晶體結(jié)構(gòu)、晶形、晶格內(nèi)雜質(zhì)分布及其與水化活性之間的關(guān)系，并采用摻雜、熱歷史控制等手段可提高熟料礦物C3S的介穩(wěn)化程度，從而大幅提高熟料礦相體系的膠凝性，熟料的燒成變得容易一些，熱耗降低，即CO2排放量降低。

⒎開發(fā)綠色環(huán)保型膠凝材料

開發(fā)與傳統(tǒng)膠凝材料具有相近性能的新型膠凝材料，是近年來無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域就節(jié)能減排展開的研究熱點(diǎn)。該類材料以粉煤灰、礦渣、垃圾焚燒底灰、尾礦等各種廢料為原料，在激發(fā)劑的激發(fā)下產(chǎn)生膠凝性能，其“低碳”效應(yīng)主要體現(xiàn)在：能耗低，煅燒溫度低甚至不用煅燒；排放低。例如：卡爾斯魯厄技術(shù)研究所（KIT）的科學(xué)家研制出了一種新的黏合劑Celitement。與傳統(tǒng)水泥相比，在生產(chǎn)這種新型建材的過程中，可減少50%的CO2排放。英國Novacem公司發(fā)明了一種新型水泥生產(chǎn)公司，能夠大幅度降低水泥生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放量。該研究使用氧化鎂取代了傳統(tǒng)的碳酸鈣作為水泥的主要成分。生產(chǎn)每噸新型水泥可以為大氣減少100千克的CO2，而生產(chǎn)每噸傳統(tǒng)水泥則需要排放800千克CO2。另有研究機(jī)構(gòu)采用輕燒氧化鎂，與粉煤灰等工業(yè)廢棄物混和、加水?dāng)嚢韬笾瞥涉V建筑制品，再通過碳化或是對水泥窯爐煙氣中CO2進(jìn)行吸附、反應(yīng)，形成碳?xì)浠衔?Mg(HCO3)(OH)·2H2O，使鎂建筑制品在2周的強(qiáng)度達(dá)18MPa，超過硅酸鹽水泥建筑制品強(qiáng)度的兩倍多。還有研究提出了采用廢棄水泥砂漿及廢棄水泥混凝土，通過組分的適當(dāng)調(diào)整及在700℃下的中溫煅燒，生產(chǎn)制備二次水泥的新工藝。水泥礦物水化后形成有C-S-H凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等。這不僅有效地處置和利用了大量的建筑廢棄物，而且消除了水泥生產(chǎn)過程CO2的減排。

三、結(jié)語

盡管優(yōu)化工藝、改良裝備、替代原燃料、利用廢棄物作混合材等成熟技術(shù)為水泥工業(yè)的節(jié)能減排作出了巨大貢獻(xiàn)，但為使水泥工業(yè)最大程度地滿足低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，必須創(chuàng)新與發(fā)展水泥工業(yè)低碳經(jīng)濟(jì)的工程科學(xué)技術(shù)，例如開發(fā)綠色環(huán)保型膠凝材料，一些新型生物質(zhì)燃料研發(fā)都將是未來水泥行業(yè)減排的重要途徑，需要進(jìn)一步的研究和推廣。另外，一些低碳經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案組合起來實(shí)施，將在降低從水泥生產(chǎn)到應(yīng)用過程中的CO2排放方面發(fā)揮更大作用。

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