面向雙碳的低碳水泥原料/燃料替代技術(shù)綜述

李鵬鵬，任強(qiáng)強(qiáng)，呂清剛，陳 銳

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

在我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和背景下，中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)向全行業(yè)發(fā)出“全力推進(jìn)碳減排、提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰”的倡議書(shū)：我國(guó)建筑材料行業(yè)要在2025年前全面實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，水泥等行業(yè)要在2023年前率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。

2020年，我國(guó)水泥產(chǎn)量為23.77億t，即使受新冠疫情影響，水泥生產(chǎn)仍實(shí)現(xiàn)同比增長(zhǎng)2.5%[1]。水泥生產(chǎn)中產(chǎn)生的碳排放在建材行業(yè)中占比很大，報(bào)道稱水泥生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2排放約占人類活動(dòng)產(chǎn)生碳排放總量的8%[2]。而在水泥生產(chǎn)熟料燒制過(guò)程中，以CaCO3為主的碳酸鹽分解是水泥行業(yè)碳排放的最大來(lái)源，占整個(gè)水泥生產(chǎn)中碳排放的50%～60%，其次是生產(chǎn)過(guò)程中燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放，占30%～40%[3]。我國(guó)水泥行業(yè)碳排放量約占全國(guó)CO2排放的13%， 2009—2020年，我國(guó)水泥行業(yè)的年均碳排放量由9.71億t增至13.75億t[4]。按照國(guó)內(nèi)情況估算，每生產(chǎn)1 t水泥熟料將產(chǎn)生CO2約860 kg，而《巴黎協(xié)定》要求每生產(chǎn)1 t水泥CO2排放量應(yīng)降至520～524 kg，因此水泥生產(chǎn)中低碳減排技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不容忽視。

筆者介紹了水泥生產(chǎn)中現(xiàn)有的CO2減排技術(shù)，并綜述了生料替代、燃料替代和熟料替代等原料替代技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，為水泥生產(chǎn)企業(yè)響應(yīng)“雙碳”號(hào)召，因地制宜選擇適宜的低碳生產(chǎn)技術(shù)提供參考。

1 水泥行業(yè)現(xiàn)有CO2減排技術(shù)

水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排主要通過(guò)以下手段：

1)原料替代技術(shù)。某些天然礦物或化工行業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢料，如電石渣、造紙污泥、脫硫石膏、冶金渣尾礦等主要成分包含氧化鈣、氧化硅等，可應(yīng)用于水泥生產(chǎn)，在水泥生產(chǎn)中替代傳統(tǒng)石灰石原料，避免了生料中的石灰石成分在分解爐分解排放CO2。此處的原料替代專指水泥生料的成分替代。

2)燃料替代技術(shù)。摒棄煤炭、石油等碳排放強(qiáng)度高的燃料，改為應(yīng)用生物質(zhì)燃料或氫能、電能等碳排放少的燃料。常用替代燃料的碳排放強(qiáng)度比煤低20%～25%，不考慮能源來(lái)源問(wèn)題，使用氫能可達(dá)到CO2零排放，因此應(yīng)用替代燃料可顯著降低燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放。

3)熟料替代。各種混合材深加工后可與熟料混合制作混凝土，混合材可發(fā)揮部分替代熟料的作用。熟料替代有利于CO2減排。適量混合材并不會(huì)對(duì)水泥混凝土的工程質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，且應(yīng)用混合材是建筑行業(yè)調(diào)節(jié)水泥性能措施中最經(jīng)濟(jì)有效的方法。為積極應(yīng)對(duì)氣候變化、降低水泥成本和改善水泥性能，全球水泥熟料系數(shù)呈下降趨勢(shì)。

4)提升燃料、電力等能源利用效率。工業(yè)生產(chǎn)中，每個(gè)行業(yè)產(chǎn)生的碳排放都包含其燃料燃燒和電力消耗引起的碳排放，在水泥行業(yè)中上述部分占總排放量的40%左右，提高利用效率是重點(diǎn)減排方式。

5)碳捕集和封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技術(shù)。將水泥窯煙氣出口的CO2收集、壓縮成液體，通過(guò)管道運(yùn)輸?shù)降叵律顚佑谰梅獯妫俏磥?lái)避免溫室效應(yīng)最具前景的技術(shù)。我國(guó)于2018年建成投產(chǎn)首條水泥窯煙氣CO2捕集純化示范生產(chǎn)線[5]。水泥生產(chǎn)中可應(yīng)用煙氣再循環(huán)技術(shù)，即O2/CO2燃燒技術(shù)[6]，將水泥生產(chǎn)煙氣中的CO2收集并與純O2混合，取代空氣作為水泥生產(chǎn)中的助燃?xì)怏w，參與回轉(zhuǎn)窯或分解爐中煤粉燃燒，燃燒煙氣以CO2為主，將一部分CO2分離出來(lái)作為下一輪燃燒的再循環(huán)煙氣，其余CO2可通過(guò)填埋或化學(xué)吸收等方式永久封存。該技術(shù)不僅有利于CO2減排，且由于燃燒時(shí)CO2代替了N2，從根本上消除了熱力型NOx的產(chǎn)生，且濃度較高的CO2在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)與燃料反應(yīng)生成CO等還原性氣體，從而將NOx還原成N2，減少污染物生成[7]，高濃度O2直接供入爐內(nèi)助燃可提升爐內(nèi)燃燒性能，提升燃料燃盡程度，有助于減少水泥生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放。該技術(shù)多應(yīng)用于火力發(fā)電，歐洲有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)小規(guī)模試驗(yàn)[8]，國(guó)內(nèi)近期出現(xiàn)了O2/CO2技術(shù)應(yīng)用于水泥窯的運(yùn)行示范。該燃燒方式所需純氧若采用普通制氧技術(shù)獲得，成本較高，不利于規(guī)模化應(yīng)用。碳捕集的實(shí)現(xiàn)還可采用其他多種技術(shù)，如煙氣CO2吸收或燃燒前處理等多種方式。本文主要從原料替代、燃料替代和熟料替代技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行歸納。

2 原料替代

石灰石是水泥生產(chǎn)的主要原料，每生產(chǎn)1 t水泥熟料需消耗約1.3 t石灰質(zhì)原料[9]，這些原料在高溫分解爐中高溫分解會(huì)產(chǎn)生大量CO2。但這種石灰質(zhì)原料并非必須原料，只要應(yīng)用時(shí)不分解或分解產(chǎn)物不含CO2且可提供CaO的原料即可生產(chǎn)出合格的熟料。其中較典型的是陜西北元集團(tuán)水泥有限公司應(yīng)用電石渣、鋼渣、黃矸石等多種固體廢料制備高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了各種固體廢料應(yīng)用于水泥工業(yè)的可行性[10]。水泥生料替代來(lái)源及應(yīng)用現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

表1 水泥生料替代來(lái)源及應(yīng)用現(xiàn)狀Table 1 Sources and application status of alternative raw meal

2.1 電石渣替代

電石制取乙炔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量電石渣廢料，電石渣主要由約70%的Ca(OH)2組成。由于生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的電石渣成分不會(huì)有較大變化，如果電石渣應(yīng)用工藝成熟，完全可作為水泥生產(chǎn)的鈣質(zhì)原料。Ca(OH)2相比CaCO3更易分解，應(yīng)用電石渣的分解爐所需溫度較低，電石渣應(yīng)用可能有利于水泥生產(chǎn)運(yùn)行并降低燃料帶來(lái)的碳排放。統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)每年電石渣排放量超過(guò)10 Mt，存量數(shù)千萬(wàn)噸，水泥生產(chǎn)中如果能完全利用這些電石渣，將大大減少水泥行業(yè)CO2排放量[11]。

王忠祥[12]應(yīng)用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備，將濕電石渣和黏土、粉煤灰、煤等按生料進(jìn)行配比制成料球，在機(jī)立窯中煅燒試生產(chǎn)，結(jié)果表明該技術(shù)成功可行，黑生料球性能好、煅燒操作容易、熟料質(zhì)量高，各項(xiàng)工藝指標(biāo)達(dá)到要求。這一研究表明電石渣應(yīng)用于機(jī)立窯可行，且減排能力良好，但由于立窯生產(chǎn)水泥技術(shù)固有的缺陷，目前硅酸鹽水泥的生產(chǎn)主要應(yīng)用干法水泥生產(chǎn)技術(shù)。近年來(lái)有不少電石渣應(yīng)用于新型干法水泥生產(chǎn)的探索。

電石渣應(yīng)用于水泥原料的替代生產(chǎn)已有較成熟的工業(yè)實(shí)踐[13]，如成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院成功設(shè)計(jì)了四川宜賓年處理30萬(wàn)t電石渣水泥生產(chǎn)線等，合肥水泥研究設(shè)計(jì)院成功設(shè)計(jì)了安徽皖維公司利用電石渣生產(chǎn)水泥的1 000 t/d熟料生產(chǎn)線、淄博寶生公司利用電石渣生產(chǎn)水泥的1 200 t/d熟料生產(chǎn)線和浙江衢州巨泰利用電石渣生產(chǎn)水泥49萬(wàn)t/a熟料生產(chǎn)線等，新疆建材設(shè)計(jì)研究院成功設(shè)計(jì)了新疆天業(yè)利用電石渣生產(chǎn)水泥2 000 t/d熟料生產(chǎn)線和內(nèi)蒙古億利冀東水泥有限公司綜合利用工業(yè)廢渣2 500 t/d熟料生產(chǎn)線等，這些生產(chǎn)線通過(guò)對(duì)原有技術(shù)改造，均可實(shí)現(xiàn)電石渣的可靠應(yīng)用，有效降低水泥生產(chǎn)中的碳排放。

為減少碳排放，電石渣占生產(chǎn)原料比例應(yīng)盡可能高，甚至完全取代石灰質(zhì)原料。但電石渣作為原料也存在劣勢(shì)。電石渣應(yīng)用中最大困難在于電石渣含水量較大，這是由乙炔生產(chǎn)特性導(dǎo)致，含水量大會(huì)增加電石渣運(yùn)輸成本，電石渣脫水也會(huì)導(dǎo)致燃料需求量增加。電石渣的化學(xué)成分與傳統(tǒng)石灰質(zhì)原料不同，導(dǎo)致水泥生產(chǎn)中分解爐和預(yù)熱器實(shí)際生產(chǎn)狀況與普通干法水泥生產(chǎn)有較大區(qū)別。根本原因?yàn)殡娛饕煞諧a(OH)2分解溫度在500～600 ℃，遠(yuǎn)小于CaCO3分解溫度，導(dǎo)致以下結(jié)果：① 傳統(tǒng)干法水泥生產(chǎn)線中，電石渣分解發(fā)生在各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器而非分解爐中；② 預(yù)熱器中分解產(chǎn)生的水蒸氣有可能在局部低溫區(qū)域與CaO顆粒結(jié)合黏連，產(chǎn)生結(jié)皮堵塞現(xiàn)象。針對(duì)這些情況，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，避免各級(jí)旋風(fēng)分離器中溫度場(chǎng)不均勻，為有效生產(chǎn)，應(yīng)優(yōu)化工藝路線和生產(chǎn)線各部分結(jié)構(gòu)。還有觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)用電石渣需要額外熱量進(jìn)行干燥，也可能造成其他污染物，如NOx和SO2排放，權(quán)衡C、S、N等各種污染物排放后，應(yīng)用電石渣可能無(wú)法降低總體環(huán)境負(fù)荷[14]。

2.2 硅鈣渣替代

硅鈣渣是指從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢渣。主要處理方式是尋址填埋，未能有效利用其中資源，且對(duì)土地、水源都有影響。硅鈣渣的主要成分是SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO、SO3等，包含生產(chǎn)水泥所需各種原料礦物。與傳統(tǒng)石灰石原料相比，煅燒過(guò)程熟料形成熱低，燒成溫度降低，且由于其中Ca元素不以CaCO3形式存在，理論上既降低了分解CaCO3所需燃料產(chǎn)生CO2的量，同時(shí)降低了碳酸鹽分解產(chǎn)生CO2的量。加入硅鈣渣后生成的熟料易磨性好，可降低水泥生產(chǎn)電耗，有利于碳減排。

20世紀(jì)80年代合肥市水泥研究設(shè)計(jì)院對(duì)硅鈣渣替代水泥原料進(jìn)行研究[15]，證明了在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用硅鈣渣代替原料可制得性能合格的高標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥熟料。徐銀芳[16]在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)用硅鈣渣大量代替石灰石，生產(chǎn)出合格的硅酸鹽水泥，由于應(yīng)用硅鈣渣，不僅避免了石灰石分解所需熱量和額外廢氣帶走熱量，還降低了熟料的形成熱，整個(gè)生產(chǎn)工藝的預(yù)期熱耗大幅下降。史迪等[17]應(yīng)用硅鈣渣進(jìn)行了脫堿硅鈣渣替代石灰石燒制水泥熟料研究。結(jié)果表明，脫堿硅鈣渣對(duì)熟料燒成及礦物晶體生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用；劉麗芬等[18]計(jì)算了硅鈣渣替代技術(shù)的碳排放減少量，若采用30%硅鈣渣替代石灰石，生產(chǎn)單位熟料所產(chǎn)生的CO2排放量可以減少近100 kg。劉麗芬等[18]將30%硅鈣渣替代原料應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，試驗(yàn)表明，新型低碳原料可以正常、穩(wěn)定地應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。綜上所述，硅鈣渣應(yīng)用于水泥生產(chǎn)具有可行性，可減少碳排放，并改善土地的不合理利用。

2.3 鋼渣替代

鋼渣主要由Ca、Mg、Fe、Si、Al等元素的氧化物組成，包含水泥生產(chǎn)的大多數(shù)原料成分。部分鋼渣中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)40%左右，如果替代生料中的石灰質(zhì)原料，熟料生產(chǎn)過(guò)程中可有效減少石灰石分解產(chǎn)生的CO2排放。生產(chǎn)實(shí)踐表明，鋼渣的使用可明顯改善生料易燒性，進(jìn)一步削減燃料燃燒CO2排放，表明鋼渣是一種環(huán)境友好的替代原料。

由于煉鋼工藝不同，產(chǎn)生的鋼渣化學(xué)成分不同，不同種類鋼渣需不同比例的生料配方，甚至可能導(dǎo)致水泥質(zhì)量不穩(wěn)定，如早期強(qiáng)度不高、凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，甚至安定性不良、水泥強(qiáng)度較低等問(wèn)題，導(dǎo)致鋼渣再利用性受到限制。由于鋼渣易磨性較差，鋼渣作為水泥混合材與水泥熟料共同粉磨過(guò)程中，會(huì)使混合水泥中的鋼渣顆粒比表面積較熟料粉小，鋼渣活性無(wú)法充分發(fā)揮，影響鋼渣應(yīng)用[19]。

2.4 石英污泥替代

石英污泥是石英礦經(jīng)破碎、水洗、篩選、烘干、提煉硅后剩下的廢污泥。石英污泥的主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3和MgO等，具有水泥生產(chǎn)所需基礎(chǔ)成分。

蚌埠中聯(lián)水泥有限公司一條4 600 t/d生產(chǎn)線應(yīng)用石英污泥替代砂巖進(jìn)行技術(shù)改造，調(diào)配出的生料易磨性好、成分穩(wěn)定，生產(chǎn)效率明顯提高，生料配料質(zhì)量穩(wěn)定，易燒性好，因此電耗、煤耗降低，燒成過(guò)程中熟料結(jié)粒情況明顯好轉(zhuǎn)，窯產(chǎn)量進(jìn)一步提高。每噸水泥可降低生產(chǎn)成本2.6元，實(shí)現(xiàn)了廢棄物料的綜合利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益[20]。

2.5 造紙污泥替代

劉偉等[21]研究發(fā)現(xiàn)造紙污泥中含有鈣、硅、鋁、鐵、鎂等元素，其中Al2O3含量較高，可代替水泥生產(chǎn)中的鋁質(zhì)校正原料。造紙污泥不僅可作為水泥原料，其熱值較高可在入窯的同時(shí)替代一部分燃料，如果有效利用，造紙污泥的減碳效能十分可觀。理論上每摻入1%濕造紙污泥，噸熟料實(shí)物煤耗可降低1.91 kg。

3 燃料替代

應(yīng)用替代燃料降低煤炭使用或提高煤炭燃燒效率備受關(guān)注，水泥工業(yè)同樣如此。雖然理論上減排潛力較大，但我國(guó)應(yīng)用替代燃料的生產(chǎn)線較少，技術(shù)推廣受到成本和政策的制約。

國(guó)際能源機(jī)構(gòu)路線圖預(yù)期，世界范圍內(nèi)替代燃料應(yīng)用會(huì)從2006年的3%增至2050年的37%，到2050年達(dá)到CO2排放總體減少15%的目標(biāo)[22-23]。

3.1 生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)燃料作為可再生清潔能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，約占世界能源消費(fèi)的10.0%[24-25]。使用替代燃料能在熟料生產(chǎn)能耗基本不變的情況下節(jié)約一次能源使用，產(chǎn)生的CO2享受無(wú)排放待遇[14]。由于能源結(jié)構(gòu)不同，相較國(guó)內(nèi)，國(guó)外生物質(zhì)替代燃料技術(shù)已有較多工業(yè)化應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)景多為燃料需求大且集中的發(fā)電廠。純生物質(zhì)替代燃料的應(yīng)用存在以下問(wèn)題：① 生物質(zhì)燃料的季節(jié)性以及運(yùn)輸?shù)瘸杀疽蛩兀虎?生物質(zhì)燃料技術(shù)還不完善，持續(xù)運(yùn)行的周期較短；個(gè)別生物質(zhì)燃料可能存在高硫或高氮成分，在政策補(bǔ)貼不到位的情況下，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)需額外投入。為解決因農(nóng)林廢料或生活垃圾中堿金屬、Cl含量過(guò)多而產(chǎn)生的結(jié)皮現(xiàn)象，可采用旁路放風(fēng)的方法改善分解爐及各級(jí)旋風(fēng)處的爐內(nèi)狀況。

近些年由于政策驅(qū)動(dòng)，歐洲多國(guó)及日本[26-27]的燃煤耦合生物質(zhì)燃燒技術(shù)推廣應(yīng)用較好，在完善政策法規(guī)方面和相關(guān)技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)較多。我國(guó)國(guó)家能源局于2017年底啟動(dòng)了生物質(zhì)混燒發(fā)電試點(diǎn)工作[28]，應(yīng)用于水泥工業(yè)的生物質(zhì)燃料替代技術(shù)也得以研究。

水泥行業(yè)中，目前荷蘭使用替代燃料占比最多，2011年高達(dá)85%[29]。德國(guó)水泥行業(yè)燃料替代率也從2009年的58.4%上升至2013年的80%左右[30]。國(guó)內(nèi)水泥工業(yè)生物質(zhì)替代燃料研究處于實(shí)驗(yàn)室研究和計(jì)算機(jī)模擬階段。王亞麗等[31]研究了稻殼灰渣對(duì)水泥爐窯產(chǎn)生的NOx還原情況，結(jié)果表明稻殼灰渣作為固體還原劑在850 ℃為最佳脫硝溫度，脫硝率達(dá)到60%以上。張宗見(jiàn)等[32]應(yīng)用生物質(zhì)替代燃料對(duì)水泥熟料燒成進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析。孫雍春[33]通過(guò)測(cè)試各工況流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、CaCO3和CaO分布以及污染物NOx排放差異分析分解爐使用替代燃料對(duì)爐內(nèi)燃料燃燒和生料分解的影響，研究了替代燃料生物質(zhì)和RDF在水泥分解爐內(nèi)燃燒及污染物排放，為水泥行業(yè)在分解爐中使用替代燃料技術(shù)提供參考。

3.2 生活垃圾及城市污泥

近年來(lái)，將城市垃圾中的污泥等作替代燃料應(yīng)用于水泥熟料生產(chǎn)較多，實(shí)現(xiàn)了可燃廢棄物的資源化，減少熱能浪費(fèi)的同時(shí)可減少碳排放[34-35]。水泥窯處理垃圾時(shí)，可將原本逸出到大氣中的垃圾燃燒產(chǎn)生的二噁英等有毒殘留物固定在熟料中[36]。生活垃圾及城市污泥也屬于生物質(zhì)燃料范圍，但對(duì)生活垃圾及城市污泥的研究著重于廢料的合理處置和減少排放，而在水泥工業(yè)中城市污泥應(yīng)用研究集中于其作為燃料的性能。2013年歐洲水泥窯處理了130萬(wàn)個(gè)回收輪胎，占當(dāng)年回收輪胎的50%[37]。早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)約70%的有害廢物被投入水泥窯中燃燒處理[37]。

張靈輝[38]對(duì)水泥窯中應(yīng)用污泥燃料的NOx排放特性進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)最早在2005年出現(xiàn)水泥生產(chǎn)協(xié)同處理垃圾廢棄物示范項(xiàng)目[39]；此后我國(guó)各地水泥企業(yè)使用垃圾、污泥替代燃料項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)展[30,40]，協(xié)同處理垃圾、污泥等二次替代燃料130多項(xiàng)，預(yù)計(jì)未來(lái)年處置垃圾污泥可達(dá)1 000萬(wàn)t[41]。學(xué)術(shù)界對(duì)垃圾應(yīng)用為分解爐替代燃料過(guò)程進(jìn)行了廣泛的機(jī)理研究[42-43]。

3.3 燃料預(yù)熱改性技術(shù)

水泥生產(chǎn)中，煤經(jīng)處理后的預(yù)熱燃料代替煤粉直接投入分解爐對(duì)提高分解爐內(nèi)燃燒性能，減少有害氣體排放起促進(jìn)作用。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所提出了水泥爐窯高溫三次風(fēng)煤粉氣化低氮燃燒技術(shù)，基本原理是在分解爐燃料入口處外置煤粉預(yù)氣化爐，抽取部分三次風(fēng)混合余熱鍋爐所產(chǎn)生的部分飽和蒸汽作為氣化劑，送入外置預(yù)氣化爐，將原本直接進(jìn)入分解爐的煤粉進(jìn)行氣化，生成氣化煤氣；氣化煤氣大部分進(jìn)入分解爐三次風(fēng)上部供燃燒使用；其余部分進(jìn)入分解爐下錐體底部作為副煤氣供還原使用[44]。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所提出了煤粉原位-二元燃燒新方法。WU等[45-48]提出煤粉進(jìn)入水泥分解爐前首先經(jīng)過(guò)流態(tài)化還原爐進(jìn)行改性，煤粉預(yù)熱燃燒被證明是一種有效提高燃料燃燒效率的方法，可減少燃料用量、碳排放和NOx等污染物排放。

4 熟料系數(shù)適當(dāng)降低

對(duì)混合材(礦渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、燒黏土等)進(jìn)行深加工，提高其膠凝活性后可發(fā)揮部分替代熟料的作用，有利于CO2減排。適量混合材并不會(huì)影響水泥混凝土的工程質(zhì)量與壽命。如使用火山灰質(zhì)混合材可提高水泥的抗?jié)B性和抗淡水溶析性能，使用礦渣可提高水泥的耐熱性、抗凍性、與減水劑的適應(yīng)性等，利用原料易磨性不同調(diào)節(jié)水泥顆粒組成，改善水的性能[49]。

粉煤灰是煤等燃料燃燒過(guò)程中排出的微小灰粒，高鈣含量的粉煤灰通常具有自膠凝特性，可加入水進(jìn)行水化硬化反應(yīng)。由于含有C3A、β-C2S等礦物，可生成鈣礬石和C-S-H凝膠[50]。NGUYEN等[51]發(fā)現(xiàn)CFB粉煤灰的摻入對(duì)水泥混凝土的抗壓性能、抗折性能以及抗硫酸鹽侵蝕的性能具有積極影響。李端樂(lè)[52]研究了摻超細(xì)循環(huán)流化床粉煤灰水泥的特性，結(jié)果表明超細(xì)循環(huán)流化床粉煤灰能較好改善復(fù)合水泥強(qiáng)度，小幅增加水泥需水性和凝結(jié)時(shí)間，但摻量不宜大于20%，5%最優(yōu)。

磷渣粉也可代替粉煤灰或與粉煤灰摻混，用于各種混凝土中。JGJ/T 308—2013《磷渣混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》用來(lái)指導(dǎo)磷渣混凝土的應(yīng)用。相應(yīng)的，火山灰(T/CCES 18—2021《天然火山灰質(zhì)材料在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》)、工業(yè)石膏(GB/T 21371—2019《用于水泥中的工業(yè)副產(chǎn)石膏》)、回轉(zhuǎn)窯窯灰(JC/T 742—2009《摻入水泥中的回轉(zhuǎn)窯窯灰》)、高爐礦渣(GB/T 203—2008《用于水泥中的?；郀t礦渣》、GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》)在混凝土中的應(yīng)用都應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，基于我國(guó)國(guó)情，不應(yīng)過(guò)度宣傳這種減碳方式，因?yàn)槲覈?guó)水泥混合材的應(yīng)用太多[53]。我國(guó)水泥熟料系數(shù)較全球平均水平低10%左右。2005年全球水泥熟料系數(shù)為78.9%，我國(guó)為70.6%；到2013年全球水泥熟料系數(shù)平穩(wěn)降至74.7%，而我國(guó)僅有57%。過(guò)低的熟料雖然降低了CO2排放，但使用混合材和摻和料，對(duì)建筑物安全產(chǎn)生潛在影響。建筑單位應(yīng)嚴(yán)格按照GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥》控制混合材的加入。綜合考慮，建議國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)應(yīng)適當(dāng)提高水泥熟料系數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)及展望

1)“碳達(dá)峰、碳中和”指明了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展低碳的總目標(biāo)，水泥行業(yè)的碳排放也應(yīng)遵循低碳發(fā)展。綜述了原料替代、燃料替代技術(shù)、熟料替代、提升能源利用效率和碳捕集和封存(CCS)5個(gè)水泥生產(chǎn)中常用的低碳技術(shù)中，著重分析了從生料、燃料、熟料3方面進(jìn)行替代的多種實(shí)現(xiàn)方式和研究現(xiàn)狀。生料成分替代方式是將石灰質(zhì)原料從生料中排除，避免碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2排放，可用電石渣、硅鈣渣、鋼渣、石英污泥、造紙污泥等原料替代，其中多種替代方式已被證實(shí)可行。由于我國(guó)煤炭資源相對(duì)便宜，燃料替代雖有很多嘗試性試驗(yàn)和應(yīng)用，但相較國(guó)外，我國(guó)燃料替代比例較低，有待推廣；熟料摻加混合材在我國(guó)應(yīng)用廣泛，但過(guò)度使用混合材可能對(duì)建筑物安全產(chǎn)生潛在影響。

2)“雙碳”背景下，低碳水泥生產(chǎn)技術(shù)勢(shì)在必行。生料替代的主要發(fā)展方向是了解替代原料的成分和性質(zhì)，調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)以適應(yīng)新原料。分析生物質(zhì)對(duì)分解爐燃燒和熟料燒成的影響，提高生物質(zhì)對(duì)燃煤的替代率，了解生物質(zhì)窯爐中溫度、氣氛分布等具體參數(shù)以指導(dǎo)提高生產(chǎn)質(zhì)量尤為重要。在提升能源利用效率方面，受成本因素制約，能源利用中的資源開(kāi)發(fā)、能量輸送在水泥生產(chǎn)應(yīng)用中浪費(fèi)嚴(yán)重，我國(guó)節(jié)能降耗技術(shù)及應(yīng)用潛力巨大。CCS技術(shù)中的碳捕集技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，被認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體規(guī)?；刂频募夹g(shù)路徑之一。

3)結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和國(guó)際能源署發(fā)布的《水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖》，對(duì)水泥行業(yè)低碳技術(shù)做出展望?！笆奈濉逼陂g，限于技術(shù)與成本，熟料替代應(yīng)用依然廣泛；燃料和生料替代率預(yù)期會(huì)逐步提高。2030年(預(yù)期碳達(dá)峰之年)左右，大數(shù)據(jù)與運(yùn)籌學(xué)應(yīng)用于政府決策和全國(guó)統(tǒng)一大市場(chǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃[54]，替代燃料和替代原料技術(shù)的信息成本和運(yùn)輸成本下降，其應(yīng)用能力達(dá)到最大化；CCS等技術(shù)將更加成熟，示范運(yùn)行線多點(diǎn)開(kāi)花；全面淘汰落后產(chǎn)能，能源利用效率最大化。2060年(預(yù)期碳中和之年)左右，CCS等規(guī)?；瘻p碳技術(shù)廣泛應(yīng)用于水泥生產(chǎn)，企業(yè)可根據(jù)政策和生產(chǎn)要求制定合理有效的減排方案。