可持續(xù)發(fā)展的日本水泥工業(yè)

劉硯秋

可持續(xù)發(fā)展的日本水泥工業(yè)

Sustainable Development of Japanese Cement Industry

劉硯秋

2008年，日本水泥工業(yè)排放的CO2約占日本總排放量的4%（見圖1、圖2）。而水泥工業(yè)的特點(diǎn)是：要生產(chǎn)水泥，除了不可避免地要排放起源于能源中的CO2，而且還要排放起源于原料中的CO2（其主要原料石灰石受熱分解生成CO2，即：CaCO3→CaO+CO2）。

水泥工業(yè)是典型的耗能大戶，即能源費(fèi)用占生產(chǎn)成本的比例很高，對(duì)于節(jié)能措施，世界各國的水泥工業(yè)，都率先把其作為最重要的課題進(jìn)行攻關(guān)。目前，日本一邊開發(fā)引進(jìn)各種新技術(shù)，一邊在原有的設(shè)備上采取辦法，徹底有效地利用其能源。為此，日本水泥工業(yè)的能源效率居國際先進(jìn)水平。

盡管像以前那樣大幅度節(jié)能的余地變得越來越少了，但是，今后仍要盡可能地促進(jìn)減排政策的落實(shí)。

普通水泥2009年各系統(tǒng)能源消耗比例見圖3。

1 自主行動(dòng)計(jì)劃目標(biāo)

圖12 008年日本各部門的CO2排放比例

圖2 2009年日本水泥工業(yè)CO2排放比例

圖3 2009年各系統(tǒng)能源的實(shí)際消耗比例

現(xiàn)在，日本水泥工業(yè)均參加了日本經(jīng)濟(jì)團(tuán)體聯(lián)合會(huì)的“環(huán)境自主行動(dòng)計(jì)劃”。1996年12月，制定了“關(guān)于水泥工業(yè)環(huán)保的自主行動(dòng)計(jì)劃”，1998年10月修訂，并確定了以下的目標(biāo)值。

需要說明的是，受經(jīng)濟(jì)和政策的影響，水泥行業(yè)上下變動(dòng)的量很大，因此難以預(yù)測(cè)將來的情況。但是，作為削減溫室效應(yīng)氣體的措施，作為可控制的指標(biāo)，采用了“水泥生產(chǎn)單位能耗”的辦法。

1.1 目標(biāo)

2010年水泥生產(chǎn)的單位能耗（水泥生產(chǎn)+自行發(fā)電+購電）要比1990年降低3.8%。

此外，上述目標(biāo)要達(dá)到2008至2012年5年的平均值。

在2006年以前，目標(biāo)為“3%左右”，而從2007年開始，已經(jīng)明確為“3.8%”。

圖4 水泥生產(chǎn)的單位能耗

表1 水泥工業(yè)解決溫室效應(yīng)方法的投資情況（2006～2009年）

圖5 水泥生產(chǎn)單位熱耗變化

圖6 單位電耗的變化

水泥生產(chǎn)用的能源種類包括：普通煤、重油、石油焦炭、城市燃?xì)夂唾忞姡ú话ㄌ娲茉吹膹U棄物）。水泥生產(chǎn)的單位能耗見圖4。

1.2 覆蓋率

2010年3月底，參加自主行動(dòng)計(jì)劃跟蹤調(diào)查的，有18家公司，這18家公司均參加了水泥協(xié)會(huì)。

只有3家特殊水泥公司未參加水泥協(xié)會(huì)，一家生產(chǎn)白水泥（裝飾用的白色水泥），另兩家生產(chǎn)生態(tài)水泥，分別于2001年3月在千葉縣市原市，2006年6月在東京都日出町建新廠，利用城市垃圾焚燒灰和污泥等廢棄物作為原料處理。2009年，這3家水泥公司的實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模，占整個(gè)日本的0.3%。

2 為完成目標(biāo)所采取的辦法

水泥工業(yè)為完成目標(biāo)所采取的辦法，主要是向以下4個(gè)方面進(jìn)行投資（見表1）：

（1）開展節(jié)能設(shè)備的普及工作；

（2）擴(kuò)大替代能源的廢棄物使用量；

（3）擴(kuò)大其他廢棄物的使用量；

（4）擴(kuò)大混合水泥的生產(chǎn)比例。

2.1 開展節(jié)能設(shè)備的普及工作

促進(jìn)節(jié)能設(shè)備的普及工作，如磨機(jī)采用輥磨，引進(jìn)預(yù)粉磨設(shè)備和高效選粉機(jī)，改善燃料噴嘴，控制大型風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)等。對(duì)于占能耗70%以上的燒成系統(tǒng)，已經(jīng)在1997年全部更換了新型先進(jìn)設(shè)備（NSP或SP窯）。此外，在提高余熱利用和熱交換率等方面已經(jīng)接近了極限，幾乎沒有改善余地，但是今后仍要按照自主行動(dòng)計(jì)劃，做最大程度的努力。

水泥生產(chǎn)單位熱耗變化見圖5，單位電耗的變化見圖6。

2.2 擴(kuò)大替代能源的廢棄物使用量

設(shè)置廢塑料、木屑、骨粉等燃燒設(shè)備，開展擴(kuò)大替代能源的廢棄物使用量。

擴(kuò)大替代能源的廢棄物使用量，成為增加預(yù)處理設(shè)備和廠內(nèi)運(yùn)輸?shù)人鄰S單位電耗的一個(gè)主要原因，然而，即便會(huì)引起一些負(fù)作用，還是能降低整個(gè)能源的消耗。

替代能源的廢棄物，如果不能充分地利用到水泥工業(yè)，其廢棄物就不得不焚燒或填埋處理，這時(shí)，廢棄物中的碳成分最終會(huì)生成CO2或具有強(qiáng)大溫室效應(yīng)的CH4（甲烷）。另一方面，水泥廠充分利用替代能源的廢棄物，僅此一項(xiàng)就可減少天然石灰石資源的使用量。如圖8所示，即便把水泥廠和單純焚燒設(shè)備合計(jì)起來，也會(huì)降低溫室效應(yīng)氣體的排放量。

水泥生產(chǎn)熱耗和替代能源的廢棄物之比例變化見圖7，由于水泥工業(yè)使用替代能源的廢棄物，降低了CO2的排放量（見圖8）。

2.3 擴(kuò)大其他廢棄物的使用量

充分利用粉煤灰、下水道污泥和城市垃圾等廢棄物，以降低天然原料的使用量。

幾乎不能再利用的廢棄物，經(jīng)燃燒或直接做填埋處理。水泥工業(yè)把這些廢棄物作為水泥原料或燃料的替代物充分利用，削減了新建的最終垃圾處理廠，節(jié)約了處理時(shí)所消耗的能源。此外，由于再次利用含有大量CaO的廢棄物，從而也消減了源于原料的CO2，不僅削減了溫室效應(yīng)氣體的排放，而且對(duì)創(chuàng)造循環(huán)型社會(huì)做出了巨大的貢獻(xiàn)。水泥產(chǎn)量和廢棄物使用量的變化見圖9。

2.4 擴(kuò)大混合水泥的生產(chǎn)比例

混合水泥，是普通水泥的熟料，除了石膏以外，還摻入各種混合材制作的水泥。各種混合水泥具有不同的特征，可用于各個(gè)方面。

和普通水泥相比，熟料的比例越小，則燒成所需的能源就越少，所以要增加混合水泥的生產(chǎn)設(shè)備，加強(qiáng)發(fā)貨設(shè)備的能力。

如圖10所示，2001年以后，混合水泥的生產(chǎn)比例逐年減少，但是在2006年以后，盡管民間需求仍在減少，然而由于公共需求的比例增加，混合水泥的比例仍有所增加。

3 能源消耗和CO2排放的情況

3.1 能源的使用量

圖7 水泥生產(chǎn)熱耗和替代能源的廢棄物之比例變化

圖8 由于水泥工業(yè)使用替代能源的廢棄物，降低了CO2的排放量

圖9 水泥產(chǎn)量和廢棄物使用量的變化

圖10 混合水泥生產(chǎn)比例的變化

2009年能源的使用量和1990年相比，減少了39%,這是因?yàn)閱挝荒芎慕档土?.2%，而產(chǎn)量減少了38%。3.2CO2排放量

2009年，源于能源的CO2排放量和1990年相比，減少了36%，而CO2的單位排放量和1990年相比，卻增加了1.9%。

單位能耗降低，而CO2單位排放量增加的主要原因是，廠家自身余熱發(fā)電的比例上升（余熱發(fā)電和由各種電源構(gòu)成的外購電源相比，CO2的單位排放量要大）。

火力余熱發(fā)電量的絕對(duì)數(shù)量，自1997年后沒有太大的變動(dòng)，但是1997年以后，由于產(chǎn)量減少，外購電減少，結(jié)果火力余熱發(fā)電量的比例卻上升了。

為了應(yīng)對(duì)這個(gè)情況，最近紛紛引進(jìn)以木屑等為燃料的發(fā)電，所產(chǎn)生的爐灰通常是二次廢棄物，但是在水泥廠卻可以利用爐灰作為原料，所以完全不產(chǎn)生工業(yè)廢棄物，可以說只有在水泥廠才能夠處理這些東西。

起源于原料（源于流程）的CO2單位排放量，由于混合水泥的生產(chǎn)比例減少，至2006年有增加的趨勢(shì)。然而盡管民間需求減少，使用于公用工程的混合水泥比例卻在增加，因此CO2單位排放量仍有降低的趨勢(shì)。

4 廢棄物利用

圖11 2008年主要廢棄物和副產(chǎn)品在水泥工業(yè)的利用情況

日本水泥工業(yè)，很早以前就努力把其他工業(yè)產(chǎn)生的廢輪胎、粉煤灰等廢棄物和副產(chǎn)品，作為原料、燃料和產(chǎn)品的一部分加以充分利用。最近，日本各地更積極地利用下水道污泥和一般的垃圾焚燒爐灰等生活中產(chǎn)生的廢棄物。2008年，約有2950萬噸的大量的廢棄物安全有效地利用于水泥工業(yè)，對(duì)于減輕最終垃圾處理廠的負(fù)擔(dān)做出了巨大的貢獻(xiàn)（見圖11）。

廢棄物在水泥廠的利用，不僅延長了最終垃圾處理廠的壽命，而且節(jié)約了石灰石和起源于化石能源的天然資源，減少了把廢棄物焚燒、填埋處理和處理廠維持管理所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)擔(dān)。更值得一提的是，據(jù)說垃圾發(fā)電所回收的熱能，僅為20%左右，而水泥窯的熱回收率卻高達(dá)70%以上，對(duì)整個(gè)社會(huì)的節(jié)能，做出了巨大的貢獻(xiàn)。

目前，各廢棄物的分類處理，各循環(huán)利用方法，其平均的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)尚不明朗，但是在將來明確這些問題時(shí)，要用LCA（低成本自動(dòng)化）的觀點(diǎn)評(píng)估，水泥工業(yè)利用廢棄物降低溫室效應(yīng)的作用，要用統(tǒng)計(jì)的方法論證。

5 應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)的技術(shù)

5.1 原料系統(tǒng)的主要技術(shù)

采用原料輥磨。和管磨相比，輥磨效率高，占地面積小，且噪音低，可用于水泥原料的粉磨。

5.2 燒成系統(tǒng)的主要技術(shù)

改善窯的噴煤管。根據(jù)熟料燒成情況的變化，在技術(shù)上對(duì)窯采用最合適的噴煤管。

5.3 水泥粉磨系統(tǒng)的主要技術(shù)

（1）用輥壓機(jī)作預(yù)粉磨設(shè)備

在管磨粉磨的前面設(shè)置輥壓機(jī)，對(duì)熟料進(jìn)行預(yù)粉磨。

（2）提高礦渣的粉磨效率

已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于水泥領(lǐng)域，即把礦渣水泥用礦渣進(jìn)行微細(xì)粉磨的制造技術(shù)。

（3）改良選粉機(jī)

第2和第3代選粉機(jī)（旋風(fēng)式選粉機(jī)和離心式選粉機(jī)）可增加粉磨量，降低電耗。

5.4 其他技術(shù)

（1）控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

改變驅(qū)動(dòng)大型風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，在控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法中，采用具有代表性的、靜止的謝爾比斯控制方式。

（2）廢塑料處理設(shè)備

這種設(shè)備采用了可把廢塑料破碎成燃燒性和主要燃料幾乎相同的技術(shù)。

（3）用下水道污泥替代原料的處理技術(shù)

日本地方政府對(duì)下水道污泥，不像過去那樣填埋、棄海，而是作為替代原料進(jìn)行處理?！?/p>

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1001-6171（2012）06-0102-04

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2012-03-26；編輯：沈穎