中國水泥工業(yè)節(jié)能和減排潛力分析

李承洋 龔先政 周麗瑋 丁晴

（1 北京工業(yè)大學材料與工程學院工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術(shù)國家工程實驗室，北京100124；2 中國建筑材料聯(lián)合會，北京100044；3 中國標準化研究院，北京100191）

0 引言

我國水泥產(chǎn)量自1985年以來一直穩(wěn)居世界第一， 2017年水泥產(chǎn)量達到23.16 億噸[1]，約占世界總產(chǎn)量的60%，由于水泥工業(yè)的高能耗和高排放特征，其成為我國實施節(jié)能減排的重點行業(yè)之一。2015年我國能源消耗總量43 億噸標準煤，水泥行業(yè)能耗約為1.75 億噸標準煤，約占全國總能耗的4.07%；CO2排放約為14.91 億噸，約占全國總排放的10%～12%；SO2排放約為300 萬噸，約占全國SO2總排放量的6%～7%[2]。

SO2會導致酸雨、硫酸霧等災害性天氣，對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成嚴重的威脅；CO2是全球變暖的元兇之一。NOx通過呼吸進入人體肺的深部，可引起支氣管炎等危害。而化石燃料的燃燒會產(chǎn)生大量SO2、CO2、NOx排放。其中，煤炭相對于石油等能源，更容易產(chǎn)生SO2等大氣污染物。使得以煤作為主要燃料的水泥工業(yè)倍受關注。考慮到水泥行業(yè)在能耗和排放中的重要影響，對中國水泥行業(yè)未來的產(chǎn)量趨勢進行評估，并評估不同節(jié)能減排措施下的節(jié)能減排潛力顯得尤為重要。

1 水泥行業(yè)能源消耗及排放計算

隨著近幾年水泥行業(yè)的快速發(fā)展，2017年新型干法生產(chǎn)的水泥熟料占總量的比例已經(jīng)超過99%。因此本文計算只考慮新型干法生產(chǎn)線。中國水泥行業(yè)的能源使用效率在近十年取得顯著進步，但整體水平仍然落后于國際先進水平，因此，節(jié)能減排依然是水泥行業(yè)的重點發(fā)展目標[3]。

1.1 水泥能耗計算

水泥工業(yè)是最典型的窯爐工業(yè)，其生產(chǎn)工藝的核心部分是原料到熟料的煅燒，主要能耗是原材料烘干及熟料煅燒熱量（熱）、原燃材料運輸和生料、水泥粉磨所需要的動力（如電力消耗）[4，5]。水泥行業(yè)能源消耗量計算公式如（1）

其中：En為第n年水泥行業(yè)的能耗（kg）；Qn為第n年的水泥產(chǎn)量（t）；en為第n年水泥綜合能耗（kgce/t）。

1.2 水泥生產(chǎn)CO2、SO2、NOx 排放計算

水泥生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放主要來自三個過程，即：①燃料燃燒排放；②碳酸鹽分解產(chǎn)生的過程排放；③電力消耗所產(chǎn)生的電力排放[6，7]。前面兩者屬于直接排放，電力排放屬于間接排放。其CO2排放根據(jù)公式（2）計算

其中：Fg、Fr、Fd分別代表CO2過程排放因子、燃料排放因子、電力排放因子；em代表噸水泥熟料綜合煤耗（kg標煤/t 熟料）；β 代表熟料產(chǎn)量占水泥產(chǎn)量的比例（%）；ed代表噸水泥綜合電耗（kWh/t）。

水泥工業(yè)的SO2、NOx排放來自于直接排放和間接排放，其中直接排放源主要是由原料及燃料燃燒產(chǎn)生；間接排放是由電力生產(chǎn)過程中產(chǎn)生。其計算方程式如（3）、（4）。

其中：Sn代表第n年SO2排放總量；ZS代表噸熟料SO2直接排污系數(shù)（kg SO2/t 熟料）；JS代表電力排放SO2（kg SO2/kWh）。ZN代表噸熟料NOx直排系數(shù)（kg NOx/t 熟料）；JN代表電力排放NOx（kg NOx/kWh）。

2 中國水泥產(chǎn)量的預測

在進行水泥工業(yè)節(jié)能減排潛力分析，必不可少的要對水泥產(chǎn)量的未來趨勢進行預測，根據(jù)發(fā)達國家的經(jīng)驗，當人均累計消費量達到20-25 噸時，水泥消費量達到飽和。歐美發(fā)達國家的峰值約出現(xiàn)在20 噸，而日本為23.5 噸，中國臺灣為25.8 噸。中國，截止2017年水泥的累計消費量已經(jīng)達到26 噸之多。圖1為人均水泥消費量與水泥產(chǎn)量趨勢圖，2000-2014年，我國人均水泥產(chǎn)量增速明顯，2014年達到高點1822kg/人，之后逐漸回落[10]。1998-2017年我國水泥產(chǎn)銷率始終保持在95%～98%之間，從全國范圍來看，我國水泥的消費量可以近似等于水泥產(chǎn)量。因此，水泥產(chǎn)量的增長速度和消費量的增長速度基本一致，兩者之間存在長期協(xié)調(diào)關系。人均水泥消費變量可以很好地解釋水泥產(chǎn)量變化。

圖1 人均水泥消費量與水泥產(chǎn)量趨勢圖

參照國際上不同國家的發(fā)展情況，建立了如下三種水泥發(fā)展趨勢如圖2（人口數(shù)據(jù)來源于《國家人口發(fā)展規(guī)劃（2016-2030年）》）：

1）基準情景：簡稱“M”，水泥工業(yè)“十三五”規(guī)劃中指出到2020年去掉4 億噸水泥熟料產(chǎn)能，熟料產(chǎn)能利用率達到80%。到2020年，熟料產(chǎn)量應該達到12.768噸，以2015年熟料與水泥比56.86%， 2020年水泥產(chǎn)量預計22.455 噸，人均水泥消費1633 kg。到2025年，進一步假設人均水泥消費量穩(wěn)步下降到1167kg，并在2030穩(wěn)定在750 kg。

2）低位需求預估：簡稱“L”，參照美國等水泥行業(yè)較發(fā)達國家的水泥消費長期趨勢。假設水泥產(chǎn)量峰值出現(xiàn)在2014年，對應人均水泥年消費量為1811kg。2020 之后，達到1500kg（參考日本、德國），然后在2025年穩(wěn)步下降到1050kg。之后，由于飽和效應，人均水泥消費量進入穩(wěn)定期穩(wěn)定在600kg 水平。

3）高位需求預估：簡稱“H”，由于中國達到飽和時，人均水泥累計消費量同韓國、中國臺灣的相似，所以可以作為參考。人均水泥消費量在2020年緩慢下降到1700 kg，進一步到2025年1275 kg 。

圖2 中國水泥產(chǎn)量預測

3 水泥能耗及排放預測

首先基于方程（1）、（2）、（3）定義當前技術(shù)水平下的基準情景，然后通過逐步實施各種節(jié)能減排技術(shù)達到最佳技術(shù)水平見表1，從而定義其他情景：

1）情景1：即當前技術(shù)情景，參照2015年技術(shù)水平。未來的能耗及排放隨水泥產(chǎn)量的變化而變化。

2）情景2：能耗改進情景，即熟料綜合能耗，水泥綜合電耗在2040年之前逐步到最佳技術(shù)水平。參考《全國工業(yè)能效指南》中標桿企業(yè)單位產(chǎn)品能耗及電耗水平。其他技術(shù)參數(shù)保持2015年技術(shù)水平不變。

表1 中國水泥工業(yè)的目前與最佳技術(shù)水平

3）情景3：替代改進情景，替代原燃料比例的提升，電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整。SO2、CO2、NOx排放因子和水泥熟料比例逐漸達到最佳技術(shù)水平。其他技術(shù)參數(shù)保持不變。

4）情景4：理想情景：所有技術(shù)水平都在2040年之前逐步達到了最佳技術(shù)水平。

本文在預測水泥能耗方面，只考慮在理想情景下。

4 結(jié)果分析及討論

4.1 不同技術(shù)情景下水泥工業(yè)2015年-2040年能耗及排放趨勢

圖3分別代表不同水泥產(chǎn)量、技術(shù)背景下中國2015年到2040年能耗及排放量趨勢圖。由圖分析，較高的水泥產(chǎn)量通常對應較高的能源消耗和排放，說明未來水泥行業(yè)的能耗及排放將受到水泥產(chǎn)量的直接影響。2015年-2030年，能源消耗及排放顯著下降，2030年-2040年緩慢下降。因為，在2030年之前，由于我國水泥工業(yè)產(chǎn)量達到飽和，呈現(xiàn)下降趨勢，加之單位產(chǎn)品能耗、碳捕捉技術(shù)、SO2系數(shù)技術(shù)、替代原燃料應用等具有較高的發(fā)展?jié)摿?，這就使得在2030年之前，呈現(xiàn)較快下降趨勢；2030年之后，技術(shù)發(fā)展達到瓶頸，水泥產(chǎn)量趨于穩(wěn)定，這就使得2030年之后，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。

圖3 不同技術(shù)情景下2015年到2040年水泥行業(yè)能耗及排放預測（a）CO2；（b）SO2；（c）NOx；（d）能耗

4.2 累積節(jié)能量及CO2、SO2 減排量

將圖4理想情景與基準情景的累積能耗量進行計算對比，節(jié)約潛力約為11.73%～12.68%，并累積帶來約4.22 億噸標煤的節(jié)約量。

圖4 在基準情景和理想情景下2015-2040年的累積能源消費量

表2是在不同情景下CO2累積減排量，即將逐年的減排量加起來的總和。在替代改進情景下，CO2的減排潛力約9%～10%，電力排放下降幅度最大。在效率改進情景下，潛力約3.8%～6%；在理想情景下，潛力約12%～13.3%，能源效率提升帶來減排潛力較小。根據(jù)不同產(chǎn)量預估，在理想情景下，將帶來平均26.53 億噸的CO2累積減排量。并從三種排放過程來看，燃料排放的減排潛力最大，累積減排量可達11.13 億噸，電力排放的潛力次之，平均累積減排量8.1 億噸，過程排放的累積減排量約7.2 億噸。在替代改進情景中，過程排放的減排貢獻最大，為36.61%，其次是燃料、電力減排貢獻度分別為32.14%、31.25%；在能效改進情景中，燃料排放的減排貢獻最大；在理想情景下，過程排放、燃料排放、電力排放的減排貢獻分別是27.33%、42%、30.67%。

表3列出了不同情景下SO2、NOx的累積減排量，在替代改進中，SO2、NOx的減排潛力分別為28%～31%、29% ～31.9%；在 效 率 改 進 中，SO2、NOx減排潛力分別為7%～8%、2.5%～2.7%；在理想情景中，SO2、NOx的減排潛力分別為31%～35%、29%～33%。值得注意的是能源利用效率的提升對SO2、NOx直接排放貢獻小，而替代改進情景下對直接和間接排放都有較大的貢獻。說明電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，替代性原料、燃料占比上升，對水泥工業(yè)SO2、NOx減排起著重要的作用。

根據(jù)不同產(chǎn)量預估，效率改進情景中，SO2、NOx累積減排量分別約為350 萬噸、105 萬噸；而在替代改進情景中，SO2、NOx累積減排量約分別為1466.5 萬噸、1200 萬噸，在理想情景中，SO2、NOx累積減排量分別約為1637.5 萬噸、1260 萬噸。原燃料的替代以及技術(shù)改進帶來排放系數(shù)下降等措施帶來減排貢獻整體都大于能源效率提高所產(chǎn)生的減排貢獻。

表2 在不同情景下2015-2040年CO2 的累積減排量

表3 在不同情景下2015-2040年SO2、NOx 的累積減排量

5 結(jié)語

1）從各種節(jié)能減排技術(shù)來看，技術(shù)的普及產(chǎn)生了很好的節(jié)能減排效益。但是，由于我國目前經(jīng)濟仍處于中高速發(fā)展時期，水泥需求在短時期內(nèi)不會有很大的下降幅度。我國原燃料的替代比例相對較低，碳捕捉技術(shù)以及先進的脫硫技術(shù)沒有得到廣泛應用，所以今后我國水泥工業(yè)節(jié)能減排可以從以上幾點開展。

2）通過研究，考察不同節(jié)能減排措施下中國水泥工業(yè)的節(jié)能以及CO2、SO2、NOx減排潛力。結(jié)果顯示中國水泥行業(yè)無論是能源消耗還是CO2、SO2、NOx排放都具有很大的潛力，它們潛力分別具是11.73%～12.68%、12%～13.3%、31%～35%、29%～33%，并累積帶來約4.22 億噸標煤的節(jié)約量、約26.53 億噸CO2減排量、約1648 萬噸SO2減排量、約1260 萬噸NOx減排量。