水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳減排潛力分析

張桂珍

（河南投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳減排潛力分析

張桂珍

（河南投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

水泥工業(yè)具有資源、能源依賴的特點(diǎn)，水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳排放量十分大，因此做好其節(jié)能減排是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑之一。本文僅針對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳排放來(lái)源及其減排潛力展開(kāi)了具體論述。

水泥生產(chǎn)；二氧化碳；減排潛力

近些年，全球變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重，“低碳經(jīng)濟(jì)”理念逐漸得到了廣泛認(rèn)可。作為二氧化碳排放大戶，如何降低水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳排放量成為了一大亟待解決的問(wèn)題。

1.水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳排放來(lái)源

根據(jù)調(diào)查分析可知，在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，二氧化碳的來(lái)源主要就是原料煅燒、燃料燃燒以及電力消耗，下文即對(duì)此進(jìn)行了具體分析：

1.1 原料煅燒過(guò)程中二氧化碳的排放

當(dāng)前，我國(guó)水泥生產(chǎn)中所消耗的石灰石質(zhì)原料依舊以天然的石灰石礦為主，以廢棄物代替天然石灰石的理念雖被提出，但是實(shí)際替代率依舊十分低，還不到1%[1]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，生產(chǎn)1t的水泥，大約就需要消耗1t的石灰石資源。在碳酸鹽水泥原料中，石灰石的占比達(dá)到80%-85%，其正是碳酸鈣、碳酸鎂來(lái)源所在，而碳酸鹽分解，必然會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，具體如下式所示：

根據(jù)碳酸鈣分解式可知，在得到1份氧化鈣的同時(shí)，必然也會(huì)產(chǎn)生0.7857份的二氧化碳，因此以普通硅酸鹽水泥熟料含氧化鈣65%為標(biāo)準(zhǔn)，則每生產(chǎn)1t水泥熟料，二氧化碳的排放量如下：

根據(jù)碳酸鎂分解式可知，在得到1份氧化鎂的同時(shí)，必然也會(huì)產(chǎn)生1.092份的二氧化碳，因此以普通硅酸鹽水泥熟料含氧化鎂2.5%為標(biāo)準(zhǔn)，則每生產(chǎn)1t水泥熟料，二氧化碳的排放量如下：

綜上可得，每生產(chǎn)1t水泥熟料，二氧化碳的排放量為：

上述結(jié)果對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，但是因?yàn)槭炝现械难趸}、氧化鎂的來(lái)源并不一定完全是碳酸鹽礦物，所以依舊存在一定誤差。此外，不少文獻(xiàn)中對(duì)窯灰、熟料飛灰損耗在二氧化碳排放中的影響進(jìn)行了具體分析與計(jì)算，但是由于國(guó)內(nèi)窯灰基本不存在外排現(xiàn)象，灰飛煅燒的問(wèn)題也較難確定，故而本文未將其計(jì)入考慮范圍內(nèi)[2]。

1.2 燃料燃燒過(guò)程中二氧化碳的排放

水泥生產(chǎn)過(guò)程中，熟料燒成是一大核心工藝，其需要消耗大量的熱。根據(jù)十一五期間相關(guān)調(diào)查分析可得，我國(guó)1t綜合能耗平均是115kg標(biāo)煤，隨著水泥需求量的不斷上升，煤炭的消耗量必然隨之大幅增加。

煤炭的燃燒大致可以分為兩個(gè)部分：一是煤炭中的碳、氫元素與空氣中的氧元素發(fā)生反應(yīng)；二是煤炭中的固定碳的燃燒，前者釋放的二氧化碳較少，后者則較多，是二氧化碳排放的重要來(lái)源之一。如下所示，即為完全燃燒下的煤炭化學(xué)反應(yīng)式：

根據(jù)實(shí)踐可知，煤炭燃燒必然存在不完全燃燒現(xiàn)象，但是由于水泥窯燃燒溫度高、停留時(shí)間長(zhǎng)，因而此問(wèn)題可忽略不計(jì)。以水泥廠所使用的煤炭含固定碳65%為標(biāo)準(zhǔn)，完全燃燒下，1t煤可得二氧化碳的排放量2.38t。

1.3 電力消耗過(guò)程中二氧化碳的排放

水泥廠的生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免地會(huì)使用到電力，無(wú)論是從電網(wǎng)采購(gòu)或是自發(fā)電，都要折算出電力消耗過(guò)程中二氧化碳的排放量，現(xiàn)僅以國(guó)家所公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗356g/kWh為依據(jù)展開(kāi)計(jì)算，消耗1kWh電即為消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.356kg，而1t煤的燃燒可得二氧化碳的排放量為2.38t，因此消耗1kWh電可得二氧化碳的排放量為0.847kg。以1t水泥消耗100kWh的電力為標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)計(jì)算，得到二氧化碳的排放量為0.0847t。

目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)指標(biāo)控制較好企業(yè)在電力消耗方面可以將1t水泥控制在90kWh，但是部分技術(shù)不過(guò)關(guān)的企業(yè)1t水泥電耗多在100kWh以上。因此，節(jié)約電耗是水泥生產(chǎn)節(jié)能減排的重要途徑之一。

2.水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳減排潛力分析

2.1 加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推廣節(jié)能環(huán)保技術(shù)

當(dāng)前，在我國(guó)水泥工業(yè)中，落后的工藝水泥產(chǎn)量依舊能夠在總產(chǎn)量中占到高達(dá)1/3的比例，基于此，必須加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，通過(guò)將落后的產(chǎn)能淘汰，推廣應(yīng)用一些先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)二氧化碳的減排。

（1）新型干法水泥技術(shù)，該技術(shù)核心為預(yù)分解技術(shù)、懸浮預(yù)熱，并在整個(gè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了 IT 技術(shù)、分解爐系統(tǒng)、節(jié)能篦冷機(jī)、新型燃燒器、料床粉磨技術(shù)、生料輥磨系統(tǒng)、水泥輥壓機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)、水泥料床終粉磨系統(tǒng)等等的總額和利用，是一種現(xiàn)代化的水泥生產(chǎn)技術(shù)。由于新型干法水泥生產(chǎn)線中存在上千個(gè)開(kāi)關(guān)、數(shù)百臺(tái)設(shè)備、千臺(tái)電動(dòng)機(jī)，為了確保整個(gè)系統(tǒng)的有序運(yùn)行，必須加強(qiáng)自動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)工藝裝備的科學(xué)管理，真正達(dá)到清潔生產(chǎn)、環(huán)保的效果。以淘汰5億噸落后工藝水泥為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行估算，大約可節(jié)煤7000萬(wàn)t，節(jié)電450億度，二氧化碳減排3.5億t。當(dāng)前，我國(guó)新型干法水泥技術(shù)，必須在提高工藝設(shè)備水平的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)管理，規(guī)范工程設(shè)計(jì)施工，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線建設(shè)成本的有效降低。

（2）余熱發(fā)電技術(shù)，以年發(fā)電量90億kWh為標(biāo)準(zhǔn)，采用該技術(shù)，能夠有效節(jié)約360萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，二氧化碳減排2864萬(wàn)t。余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用具體可從以下幾個(gè)方面加以考慮：第一，對(duì)工藝流程加以調(diào)整，例如：在制備煤粉時(shí)，將原本所用的篦式冷卻機(jī)余風(fēng)，換為預(yù)熱器廢氣，將立磨用作煤粉粉磨設(shè)備。如此一來(lái)，粉磨生料、制備煤粉所需熱風(fēng)，都可由預(yù)熱器的出余熱鍋爐廢氣，其溫度高達(dá) 200℃。第二，當(dāng)前余熱鍋爐工藝日漸成熟，運(yùn)轉(zhuǎn)率已經(jīng)可以達(dá)到與回轉(zhuǎn)窯同步，所以在實(shí)際工程中，可將水泥生產(chǎn)工藝與余熱發(fā)電進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)旁路漏風(fēng)的問(wèn)題。

（3）廢物資源化技術(shù)，其主要包括礦渣、粉煤灰、電石渣、煤矸石、廢棄混凝土的資源化利用，可有效增加水泥粉磨混合材摻入量10%，二氧化碳年減排量達(dá)到1億t。

（4）水泥窯協(xié)同處置廢物[3]，其主要包括工業(yè)廢棄物、生活垃圾、污泥等的焚燒處置，對(duì)于燃料的替代率高達(dá)10%，可節(jié)煤1600萬(wàn)t。例如：在水泥窯中可將多氯聯(lián)苯物質(zhì)作為燃料處理，其廢渣還可用于水泥的制造，避免二次污染的出現(xiàn)，也不需要對(duì)廢氣進(jìn)行特殊處理，大大減少了能源的消耗，甚至是實(shí)現(xiàn)了再利用，比直接進(jìn)焚燒爐更具有意義。

2.2 開(kāi)發(fā)低碳型水泥新產(chǎn)品

為了有效減少水泥生產(chǎn)中的二氧化碳排放量，積極開(kāi)發(fā)低碳型水泥新產(chǎn)品是一個(gè)重要途徑。當(dāng)前，非波特蘭水泥體系研究進(jìn)展較好，如：氟鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、阿利尼特水泥以及鋁酸鹽水泥都是十分重要的產(chǎn)品。以硫鋁酸鹽水泥為例，其生產(chǎn)原料是低品位礬土、石灰石與石膏，與傳統(tǒng)水泥相比，其石灰石的含量有所降低，因此二氧化碳的排放量得以大幅減少。盡管出于成本、生產(chǎn)技術(shù)等各方面因素的限制，非波特蘭水泥體系未能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，但在一些特殊的場(chǎng)合已經(jīng)有效代替了傳統(tǒng)水泥，發(fā)揮著重大的作用。

此外，近些年我國(guó)越加重視堿激發(fā)膠凝材料的研發(fā)，其主要是通過(guò)粉磨、混合等方式加工而成，省略了煅燒這一步驟，因此可有效減少二氧化碳的排放。但是，該種膠凝材料依舊無(wú)法大量代替硅酸鹽水泥，必須對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究，以真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

3.結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)十分重視水泥行業(yè)的節(jié)能減排，根據(jù)水泥工業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際表明，水泥碳來(lái)源主要是原料煅燒、煤炭燃燒、電力消耗，基于此應(yīng)采取針對(duì)性的生產(chǎn)改造措施，引入先進(jìn)工藝與設(shè)備，最大限度地挖掘水泥碳減排潛力。

[1]唐明亮,沈曉冬,黃弘,等.中國(guó)水泥工業(yè)二氧化碳減排潛力分析[J].中國(guó)建材,2006:76-79.

[2]王旭.基于生產(chǎn)流程的我國(guó)水泥工業(yè)碳減排潛力分析[J].中國(guó)管理信息化,2015,18(1):117-121.

[3]李榮剛.水泥廠的替代燃料開(kāi)發(fā)與節(jié)能減排[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：新能源產(chǎn)業(yè),2009(11):15-17.

TQ172

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1007-6344（2016）02-0005-01

張桂珍（1973.10--），河南確山人，濟(jì)南大學(xué)工程碩士