典型水泥廠二氧化碳排放研究

付靜吉

（河海大學 公共管理學院，江蘇南京 211100）

典型水泥廠二氧化碳排放研究

付靜吉

（河海大學 公共管理學院，江蘇南京 211100）

減少二氧化碳排放量是應對全球氣候變暖，促進經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的重要途徑。以介紹分析水泥行業(yè)二氧化碳排放量的計算方法及技術(shù)路線為出發(fā)點，選取典型水泥廠作為研究對象，選擇煤炭消耗量、水泥總產(chǎn)量、熟料總產(chǎn)量、熟料中氧化鈣含量、熟料中氧化鎂含量、煤炭平均含碳量等基本數(shù)據(jù)，并對其進行復核，計算得出典型水泥廠2011—2015年的二氧化碳排放量及排放系數(shù)。發(fā)現(xiàn)由于水泥、熟料等產(chǎn)品的產(chǎn)量增加，2015年典型水泥廠CO2排放量83.92萬t，比2011年增加25.7％；CO2排放系數(shù)由0.92 t CO2/t熟料降低至0.85 t CO2/t熟料。

水泥行業(yè)；二氧化碳；排放量；排放系數(shù)

1 前言

目前，碳排放問題正成為全球氣候變暖問題的熱議話題。2014年，國家發(fā)改委下發(fā)了關(guān)于印發(fā)國家應對氣候變化規(guī)劃（2014—2020年）。提出到2020年，應對氣候變化工作的主要指標是：控制溫室氣體排放行動目標全面完成，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％，非化石能源占一次能源消費的比重到15％左右，森林面積和蓄積量分別比2005年增加4 000萬hm2和13億m3。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，工業(yè)、建筑、交通、公共機構(gòu)等重點領(lǐng)域芾能減碳取得明顯成效，工業(yè)生產(chǎn)過程等非能源活動溫室氣體排放得到有效控制，溫室氣體排放增速繼續(xù)減緩。

現(xiàn)在許多學者的研究結(jié)果也表明[1-3]，工業(yè)發(fā)展帶動經(jīng)濟增長需要靠能源消耗來拉動，而能源消耗量的增長又加大了二氧化碳的排放量。水泥行業(yè)是工業(yè)行業(yè)中重要的二氧化碳排放部門，加大水泥工業(yè)的節(jié)能減排力度是實現(xiàn)國家整體碳減排目標的必經(jīng)之路，是保障國家經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要途徑[4]。廖正光（2009）[5]通過對生產(chǎn)水泥的初始環(huán)節(jié)的研究，探究其減排潛力；熊華文[6]、王善拔（2010）等[7]分別以政策、環(huán)境、行業(yè)等角度對水泥行業(yè)生產(chǎn)情況進行了研究，得出其節(jié)能減排的途徑；陳敏（2012）[8]等對水泥行業(yè)的三種節(jié)能減排途徑進行對比分析，提出未來要加大技術(shù)方面的節(jié)能減排能力。

本文通過介紹水泥行業(yè)CO2排放量的計算方法及技術(shù)路線，對典型水泥廠2011—2015年的CO2排放量和排放系數(shù)進行了計算和復核，最后對不同學者的研究方法進行對比分析，為水泥行業(yè)二氧化碳排放量的核算方法提供一定依據(jù)。

2 研究方法

2.1 水泥行業(yè)CO2排放量計算方法

水泥生產(chǎn)中CO2排放主要由C原輔料（如石灰石）和燃料（如煤和燃油等）兩大部分組成，又分布在以下兩個過程中。

原輔料轉(zhuǎn)化：含C原料制成生料后，生料中的碳酸鹽礦物分解CO2，生料中的非燃料C（即有機C）燃燒釋放CO2。生料中碳酸鹽礦物在煅燒時分解直接排放CO2。

水泥窯爐排氣筒排放煙氣中含有一定量的粉塵，其中主要成分有未分解的碳酸鹽礦物、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、K2O等，這部分CaO和MgO在碳酸鹽礦物分解中產(chǎn)生CO2排放。窯爐旁路放風粉塵中碳酸鹽礦物完全分解釋放CO2。收集后循環(huán)利用，剩余粉塵進入排氣筒煙氣排放出，因此，可以歸入排放煙氣一并計算。生料中非燃料C燃燒。生料中非燃燒C含量約為0.1％～0.3％（干基），

燃料燃燒：用于煅燒和原材料烘干的燃料燃燒會釋放CO2，

脫硫環(huán)節(jié)：脫硫劑中的CO32-根（即C元素）分解生成CO2，

2.2 水泥行業(yè)CO2排放量核算技術(shù)路線

2.2.1 數(shù)據(jù)準備

選取統(tǒng)計年份、組織機構(gòu)代碼、填報機構(gòu)詳細名稱、行業(yè)類別代碼、行業(yè)類別、煤炭消耗量（t）、其中：燃料煤消耗量（t）、燃料油消耗量（不含車船用）（t）、焦炭消耗量（t）、熟料總產(chǎn)量（t）、天然氣消耗量（萬m3）、其他燃料消耗量（t標準煤）、其中：燃料煤平均灰分（％）、主要原輔材料用量1、石灰石（大理石）消耗量（基103表）（萬t）、水泥總產(chǎn)量（基103表）（萬t）、熟料總產(chǎn)量（基103表）（萬t）、熟料中氧化鈣含量（基103表）（％）熟料中氧化鎂含量（基103表）（％）、t熟料標準煤耗（基103表）（kg）、煤炭消耗量（基103表）（t）、煤炭平均低位發(fā)熱量（基103表）（kJ/kg）、煤炭平均含碳量（基103表）（％）。

2.2.2 數(shù)據(jù)審核

（1）審核流程

采用基于環(huán)境統(tǒng)計報表計算CO2排放量的方法時，首先需要對環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)展開審核，以提高計算結(jié)果的準確度和可信性。審核應從完整性、合理性和正確性三個層面展開，其中完整性是指計算CO2排放量所需要的水泥總產(chǎn)量、熟料總產(chǎn)量、燃料煤消耗量、脫硫量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否缺失；合理性是指計算CO2排放量所需要的t熟料標準煤耗、燃料煤平均含硫量、燃料煤平均含碳量、燃料煤平均低位發(fā)熱量、熟料中氧化鈣含量、熟料中氧化鎂含量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)填報是否在合理的閾值范圍內(nèi)；正確性是指計算CO2排放量的精度，通過計算CO2排放量/熟料總產(chǎn)量的比值，與其他來源的數(shù)據(jù)相比較。

（2）審核結(jié)果

發(fā)現(xiàn)的主要問題有：①“石灰石（大理石）原料消耗量、熟料產(chǎn)量、煤炭消耗量”部分數(shù)據(jù)缺失；②“煤炭平均含碳量、熟料中氧化鈣和氧化鎂含量”數(shù)據(jù)超出合理閾值；③“石灰石（大理石）原料消耗量”數(shù)據(jù)單位換算有誤。

2.2.3 處理流程

（1）首先使用熟料產(chǎn)量

（2）區(qū)別熟料是否自產(chǎn)，外購屬重復計算

（3）沒有熟料產(chǎn)量和石灰石（大理石）消耗量（基103表）時，只有水泥產(chǎn)量時，視為熟料外購。

2.2.4 統(tǒng)計計算

（1）碳酸鹽給料數(shù)據(jù)的使用

取得生產(chǎn)熟料時消耗的碳酸鹽類型（成分）和數(shù)量有關(guān)的非集合數(shù)據(jù)集、所消耗碳酸鹽的各個排放因子，計算過程減去CKD內(nèi)未返回爐窯的任何未煅燒的碳酸鹽，若CKD完全煅燒或全部返回爐窯，則此CKD修正因子為零，不包括未煅燒的CKD可能會稍微高估排放。此外，石灰石和頁巖（原材料）還可能包含一定比例的有機碳（油原），而其它原材料（例如煙灰）可能包含碳殘渣，這些物質(zhì)會在燃燒時產(chǎn)生額外的CO2。

式中CO2排放＝來自水泥生產(chǎn)的 CO2排放，單位為t；

EFi＝特定碳酸鹽 i 的排放因子，t CO2/t碳酸鹽；

Mi＝爐窯中消耗的碳酸鹽i重量或質(zhì)量，單位為t；

Fi＝碳酸鹽i中獲得的部分煅燒比例；

Md＝未回收到爐窯中的 CKD 重量或質(zhì)量（＝‘丟失的' CKD），單位為t；

Cd＝未回收到爐窯中 CKD 內(nèi)原始碳酸鹽的重量比例；

Fd＝未回收到爐窯中 CKD 獲得的比例煅燒比例；

EFd＝未回收到爐窯中 CKD 內(nèi)未煅燒碳酸鹽的排放因子，單位為tCO2/t碳酸鹽；

Mk＝有機或其它碳類非燃料原材料 k 的重量或質(zhì)量，單位為t；

Xk＝特定非燃料原材料k 中總的有機物或其它碳的比例；

EFk＝油原（或其它碳）類非燃料原材料 k 的排放因子，單位為tCO2/t碳酸鹽。

（2）計算流程

1）熟料煅燒環(huán)節(jié)CO2排放量核算過程

CO2排放量＝熟料總產(chǎn)量（t）×熟料排放因子（熟料中氧化鈣含量（％）×44/56+熟料中氧化鎂含量（％）×44/40），

式中：44/56為CO2/CaO的分子質(zhì)量比，44/40為CO2/MgO的分子質(zhì)量比。

2）燃料燃燒同火電過程，排放因子采用該省的平均值，不計算脫硫過程。

3）生料中的有機碳燃燒CO2排放量＝生料有機碳總產(chǎn)量（t）×生料有機碳排放因子

生料有機碳總產(chǎn)量（t）＝熟料總產(chǎn)量（t）×0.3％，生料有機碳排放因子＝44/12

4）未回收到爐窯中 CKD 排放

未回收到爐窯中 CKD 排放量＝未回收到爐窯中 CKD產(chǎn)生量×EF＝0.12kgCO2/t熟料×熟料產(chǎn)量。

5）若無煤炭消耗量，則不計算燃料燃燒排放量。

（3）計算公式

CO2排放量＝熟料總產(chǎn)量（基103表）（萬t）×[熟料中氧化鈣含量（基103表）（％）/100×44/56+熟料中氧化鎂含量（基103表）（％）/100×44/40]+煤炭消耗量（基103表）（t）/10 000×煤炭平均含碳量（基103表）（％）/100×44/12+熟料總產(chǎn)量（基103表）（萬t）×生料有機碳排放因子（默認值0.3％）×44/12+熟料總產(chǎn)量（基103表）（萬t）×未回收到爐窯中CKD產(chǎn)生量（默認值0.12kgCO2/t熟料）/1 000

2.2.5 結(jié)果復核

對排放系數(shù)不在0.7～1.1tCO2/t熟料范圍內(nèi)的進行活動水平數(shù)據(jù)審核，發(fā)現(xiàn)：1）熟料中氧化鈣含量缺失或超出閾值范圍，熟料中氧化鈣含量閾值范圍為60％～70％，將錯誤數(shù)據(jù)用默認值代替，默認值計算方法為本省熟料中氧化鈣產(chǎn)量在閾值范圍內(nèi)的廠家的平均值。2）熟料中氧化鎂含量缺失或超出閾值范圍，熟料中氧化鎂含量閾值為1％～4％，將錯誤數(shù)據(jù)用默認值代替，默認值計算方法為本省熟料中氧化鎂產(chǎn)量在閾值范圍內(nèi)的廠家的平均值。3）煤炭平均含碳量數(shù)據(jù)缺失，對缺失數(shù)據(jù)用相應省份煤炭平均含碳量的平均值代替。

3 典型廠計算結(jié)果

3.1 概況

HX水泥有限公司位于西藏山南地區(qū)，總投資額達1億以上，是西藏自治區(qū)成立以來最大的內(nèi)地援藏項目，得到了國家有關(guān)部門的高度重視。年產(chǎn)新型干法旋窯高高標號優(yōu)質(zhì)水泥30萬t。

該公司礦山儲量豐富，氧化鈣含量在52％以上；質(zhì)量保證體系健全；擁有先進的生產(chǎn)工藝和精良的生產(chǎn)設備，主要生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥，中、低熱硅酸鹽水泥，水泥強度等級為32.5～52.5；檢測設備先進齊全。在拉薩、山南、日喀則、林芝以及那曲建立了5個市場部，開展水泥銷售工作。

3.2 計算結(jié)果

從環(huán)境統(tǒng)計報表中選取出相關(guān)變量，進行數(shù)據(jù)復核，2011-2015年HX水泥有限公司數(shù)據(jù)復核結(jié)果如表1所示。

表1 2011—2015年HX水泥有限公司復核數(shù)據(jù)匯總

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)復核結(jié)果，按照統(tǒng)計計算方法對HX水泥有限公司2011—2015年近五年的排放量與排放系數(shù)進行核算，計算結(jié)果詳見表2，變化趨勢詳見圖1～3。

表2 2011—2015年HX水泥廠水泥生產(chǎn)情況及CO2排放情況

圖1 2011—2015年HX水泥廠水泥產(chǎn)量、熟料產(chǎn)量變化趨勢圖

圖2 2011—2015年HX水泥廠CO2排放量趨勢圖

圖3 2011—2015年HX水泥廠CO2排放系數(shù)趨勢圖

與2011年相比，2015年HX水泥廠水泥總產(chǎn)量增加了49.94萬t，熟料總產(chǎn)量增加了26.40萬t，年均增長率分別為13.68％和8.05％。2011—2014年水泥總產(chǎn)量與熟料總產(chǎn)量呈不斷增長趨勢，到2015年時產(chǎn)量均有所下降。

2015年，HX水泥廠CO2排放量為83.92萬t，比2011年增加17.16萬t，增長25.7％；排放量增加的主要原因是水泥、熟料等產(chǎn)品的產(chǎn)量增加。CO2排放系數(shù)有所下降，由0.92 tCO2/t熟料降低至0.85 tCO2/t熟料，比2011年下降7.61％。

4 討論

4.1 CO2排放系數(shù)

邱賢榮、汪瀾[9]通過物料平衡和熱平衡測定，結(jié)合各過程的排放因子，統(tǒng)計計算出一段時間、營運邊界內(nèi)的CO2排放量，得出統(tǒng)計期內(nèi)（72h）水泥窯爐排放總量P和單位熟料產(chǎn)品排放量分別為13 292.35t和820.88（kg/t）；王靈秀、王雅明（2010）[10]采用了每生產(chǎn)1t水泥熟料生成0.511t CO2，對全國具有代表性的幾家水泥企業(yè)進行了抽樣檢測，指出目前國內(nèi)生產(chǎn)能力在2500～6 000t/d的水泥企業(yè)平均每生產(chǎn)1t水泥熟料排放0.753t CO2。

本文根據(jù)典型廠環(huán)境統(tǒng)計報表統(tǒng)計核算情況，2011和2015年排放因子分別為0.92（tCO2/t熟料，新型干法）和0.85 （tCO2/t熟料，新型干法），變化主因是在役的新型干法生產(chǎn)線的比重在上升。比國家或地方清單編制采用默認的排放因子要高，與其他研究結(jié)果相比有高有低。

4.2 CO2排放量

建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所對中國未來水泥產(chǎn)量進行了深入的研究，表示我國水泥產(chǎn)量將在2020年左右達到峰值，三種不同情景下分別為14.91億t、18.42億t和21.84億t，之后逐步回落，到2030年分別為8.50億t、11.43億t和15.99億t。

蔣小謙、康艷兵[11]基于水泥產(chǎn)量、熟料產(chǎn)量和單耗變化趨勢的分析，經(jīng)研究計算得到：2015年我國水泥行業(yè)CO2排放將達13.2億t，比2010年增長12％；朱松麗[12]基于水泥產(chǎn)量預測，應用AIM模型計算了2010年我國水泥生產(chǎn)的CO2排放量約為20億t；韓娟、趙晨[13]根據(jù)2009年全國水泥產(chǎn)量為16.3億t，假設全都采用先進的新型干法工藝生產(chǎn)，則2009年全國水泥工業(yè)CO2的理論排放量為12.53億t。

而基于典型廠環(huán)境統(tǒng)計報表統(tǒng)計核算情況，2011和2015年分別為66.76萬t和83.92萬t，增幅為25.7％。CO2排放量有所增加，熟料產(chǎn)量由72.72萬t增至99.12萬t。主要是水泥產(chǎn)量上升所致。

[1]查建平，唐方方，傅浩.中國能源消費、碳排放與工業(yè)經(jīng)濟增長—一個脫鉤理論視角的實證分析[J].當代經(jīng)濟科學，2011（6）：81-89.

[2]王強，伍世代，李婷婷.能源消費與碳排放變動關(guān)聯(lián)特征及其Tapio效應研究—基于中國工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的分析[J].福建師范大學學報：哲學社會科學版，2010（4）：17-22.

[3]謝守紅，牛水霞.長江三角洲碳排放和經(jīng)濟增長、能源消耗的關(guān)聯(lián)分析[J].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟，2012（12），86-92.

[4]王建輝，計軍平，馬曉明.中國水泥工業(yè)經(jīng)濟低碳發(fā)展的影響因素分析[J].生態(tài)經(jīng)濟，2016（32）：67-72.

[5]廖正光.水泥礦山減排的破碎技術(shù)及節(jié)能降耗[J].中國水泥，2009 （1）：89-92.

[6]熊華文，鄭子玉，徐耀興，等.水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對減少能源消耗的影響研究[J].中國建材，2004（8）：23-27.

[7]王善拔，劉運江，羅云峰.水泥行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑[J].水泥技術(shù)，2010（2）：21-23.

[8]陳敏，溫宗國，杜鵬飛.基于AIM/enduse模型的水泥行業(yè)節(jié)能減排途徑分析[J].中國人口資源與環(huán)境，2012，22（5）：20-25.

[9]邱賢榮，汪 瀾，齊硯勇.石膏礦渣水泥早期水化機理的研究[J].水泥，2013（7）：1-4.

[10]王靈秀，王雅明，郝慶軍，等.水泥行業(yè)熟料生產(chǎn)CO2排放調(diào)查研究[J].節(jié)能減排評價技術(shù)，2010：96-99.

[11]蔣小謙，康艷兵，劉強.2020 年我國水泥行業(yè)CO2排放趨勢與減排路徑分析[J].能源與環(huán)境，2012（34）：17-22.

[12]朱松麗.我國低碳發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和機遇[J].開放導報，2011（4）：16-19.

[13]韓娟，趙晨，汪牡丹，等.我國水泥工業(yè)二氧化碳排放現(xiàn)狀與減排分析[J].海南大學學報自然科學版，2010（28）：252-256.

Study on Carbon Dioxide Emission from Typical Plants in Cement Industry

Fu Jing-ji

Reducing carbon dioxide emissions is an important way to deal with global warming and promote sustainable economic and social development.In order to introduce the calculation method and technical route of analyzing the carbon dioxide emission in cement industry as the starting point，the typical cement plant is selected as the research object.The coal consumption，total cement output，total clinker output，calcium oxide content in clinker，Magnesium content，the average carbon content of coal and other basic data，and its review，calculated a typical cement plant 2011-2015 carbon dioxide emissions and emission factors.It was found that the output of cement and clinker was increased by 83.72 million tons in typical cement plant in 2015，25.7％ more than in 2011.The CO2emission coefficient was reduced from 0.92 t CO2/t clinker to 0.85 t CO2/t clinker.

cement industry；carbon dioxide；emission；emission coefficient

TQ172.6

B

1003-6490（2016）08-0094-03

2016-08-06

付靜吉（1992—），男，河南林州人，研究生在讀，主要研究方向為土地生態(tài)。