水泥生產(chǎn)過程CO2減排潛力分析

摘要 在水泥生產(chǎn)過程中，由于燃料的燃燒和原料的分解造成的CO2排放是相當嚴重的，為了實現(xiàn)水泥的清潔生產(chǎn)，必須采取有效的措施來減少CO2的排放。本文以水泥化學(xué)和水泥窯系統(tǒng)熱工理論為基礎(chǔ)，結(jié)合我國水泥生產(chǎn)工藝等方面的實際情況，分析了水泥生產(chǎn)過程CO2的減排潛力，為水泥生產(chǎn)節(jié)能減排提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 直接排放 間接排放 減排途徑 減排潛力

在我國，電力、鋼鐵、石油、化工和建材是能源和污染物排放最多的工業(yè)部門，而在建材產(chǎn)業(yè)中，由于水泥生產(chǎn)所造成的CO2排放就占全國CO2排放總量的18％～22％，所以分析水泥生產(chǎn)過程的減排潛力，從而采取有效的措施，實現(xiàn)水泥生產(chǎn)的節(jié)能減排，是當今水泥企業(yè)發(fā)展的重中之重。本文在對水泥生產(chǎn)過程CO2排放情況進行全面分析的基礎(chǔ)上，討論了相應(yīng)的排放系數(shù)，然后結(jié)合我國水泥生產(chǎn)工藝及裝備水平、原燃料種類及消耗的實際情況，對水泥生產(chǎn)過程中CO2減排潛力及其技術(shù)途徑進行了分析和討論。

1 水泥生產(chǎn)過程CO2排放分析

水泥生產(chǎn)過程中，CO2的排放可分為直接排放和間接排放兩種情況，我們將直接排放的考慮范圍規(guī)定為本水泥廠原料鍛燒分解和水泥窯燃料燃燒所造成的排放。間接排放的考慮范圍規(guī)定為由其他工廠和實體擁有和控制的排放。

1.1 CO2直接排放分析

1.1.1 原料中的碳酸鹽分解

CaCO3分解產(chǎn)生的CO2排放

　　根據(jù)國內(nèi)的平均水平，普通硅酸鹽熟料中CaO的含量為65％，由公式CaCO3＝CaO+CO2可知，每生成1份的CaO，就會同時生成0.7857份的CO2，所以生產(chǎn)1t水泥熟料，由碳酸鈣分解產(chǎn)生的CO2為：1t×65％×0.7857＝0.5107t

MgCO3分解產(chǎn)生的CO2排放

根據(jù)國內(nèi)的平均水平，普通硅酸鹽熟料中MgO的含量為1.5％，由公式MgCO3＝MgO+CO2可知，每生成1份的MgO，就會同時生成1.1份的CO2，所以生產(chǎn)1t水泥熟料，由碳酸鎂分解產(chǎn)生的CO2為：1t×1.5％×1.1＝0.0165t。

因此水泥生產(chǎn)過程中，由碳酸鈣和碳酸鎂分解產(chǎn)生的CO2排放總量為：0.5107t＋0.0165t＝0.5272t。

1.1.2水泥窯系統(tǒng)的窯灰煅燒

水泥窯系統(tǒng)的窯灰主要是從窯尾收塵器和增濕塔收集的物料，現(xiàn)在國內(nèi)主要的利用途徑是直接添加到水泥中或作為生料再次入窯煅燒。但是在計算窯灰的CO2排放情況時，應(yīng)以窯灰的總量為準，與它的利用途徑無關(guān)。計算公式[6]如下：

其中 EFCKD ――部分煅燒水泥窯粉塵的排放因子 EFCli ――工廠級熟料排放因子 d ――水泥窯粉塵煅燒速率

我們按經(jīng)驗值d＝0.1代入式1-1中，得EFCKD＝0.0362。

在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)系統(tǒng)中，窯灰量一般占水泥熟料量的25%，所以生產(chǎn)1t熟料，由窯灰煅燒所產(chǎn)生CO2為：1t×25％×0.0362＝0.009t

1.1.3 原料中有機碳的燃燒

用于熟料生產(chǎn)的原料中通常都含有一小部分有機碳，經(jīng)由高溫處理時，有機碳會轉(zhuǎn)化為CO2。

原料的總有機碳含量根據(jù)地點和使用材料的種類可能有巨大變化，但是基本保持在0.1 ～0.3%之間，我們?nèi)?.2％，按國內(nèi)平均水平，生熟料折合比為1.65，則生產(chǎn)1t水泥熟料，由原料中有機碳產(chǎn)生的CO2排放量為：1t×1.65×0.2％×3.67＝0.012t。

1.1.4水泥窯燃料燃燒產(chǎn)生的CO2

水泥窯燃料以煤為主，其CO2排放計算公式如下：

E=3.67Fqka

其中 E——CO2的排放量(kg)

　　　　F——燃料的消耗量(kg)

　　　　Q——燃料發(fā)熱量(MJ/ kg)

　　　　k——燃料的碳排放系數(shù)

　　　　a——燃料的碳氧化率

由式1-2和表1中原煤的數(shù)據(jù)，我們可以計算出，生產(chǎn)1t水泥熟料，煤燃燒的CO2排放量為：E＝0.2067t

1.2 CO2間接排放分析

1.2.1熟料生產(chǎn)電耗產(chǎn)生的CO2排放

熟料生產(chǎn)電耗產(chǎn)生的CO2排放系數(shù)由下表可得。

注：表2中，OM是指電量邊際排放因子，BM是指容量邊際排放因子，電網(wǎng)的電力排放因子是兩者的加權(quán)平均值，即EF=ω×OM＋×BM，ω=0.5，由此得出華北區(qū)域電力排放系數(shù)為1.0302 如果按2006年國內(nèi)新型干法水泥熟料電耗平均水平69.34KW·h計算[7]，則華北區(qū)域的噸熟料電力排放系數(shù)為1.0302×0.06934＝0.0714t/t熟料[2]。

1.2.2 水泥粉磨產(chǎn)生的CO2排放

水泥生產(chǎn)中，水泥粉磨電耗約占水泥生產(chǎn)總電耗的40％，根據(jù)2006年我國水泥生產(chǎn)的平均電耗98.31 Kw·h/t水泥計算，水泥粉磨產(chǎn)生的CO2排放量為：1t×0.09831×40％×1.0302＝0.04t。

1.3 水泥生產(chǎn)過程CO2排放綜合比較分析

從上表中我們可以看出，水泥生產(chǎn)過程CO2排放仍然以原料分解、燃料燃燒和電力消耗為主排放源，三者的總排放量約占水泥生產(chǎn)排放量的75％，所以在下面的分析中，我們將重點考慮這三方面因素，對水泥生產(chǎn)CO2減排潛力進行分析。

2 水泥生產(chǎn)過程CO2減排潛力分析

2.1使用替代燃料

水泥窯可使用的二次燃料主要有包括輪胎、塑料，聚合織物、橡膠、廢木材、動物骨骼等。

由于水泥窯系統(tǒng)是一個敏感的熱工系統(tǒng)，對替代燃料的熱值要求在4000Kca1/kg以上[11]，所以我們就以熱值為4000Kcal/kg的廢木材為替代燃料，替代比例為10％，生產(chǎn)1t熟料時的減排量進行計算[1]，公式如下：

AFER＝HCFF×10％×HIFF×EFFF－QAF×HVAF×EFAF

其中 HCFF――指煤的使用量

QAF――替代燃料的使用量

HVAF――替代燃料的熱值 HIFF――煤的熱值

EFAF――替代燃料的CO2排放系數(shù)

EF FF――煤的CO2排放系數(shù)

代入數(shù)值后得AFER＝4.081kg/t熟料，對于一個日產(chǎn)2500t/d的生產(chǎn)線，如果使用該技術(shù)，可產(chǎn)生的減排量約為10203kg。

2.2 使用替代原料

目前可用的替代原料主要是電石渣[13]，其主要化學(xué)成分為Ca(OH)2，用其作原料不會產(chǎn)生CO2，1t無水電石渣含0.54噸CaO，根據(jù)公式CaCO3＝CaO+CO2可知，每生成1份的CaO，就會同時生成0.7857份的CO2，所以使用1t無水電石渣，可減排0.424t的CO2。但是根據(jù)國內(nèi)的情況，電石渣可用量非常少，遠遠不能滿足水泥生產(chǎn)的需要。

2.3 添加混合材，減少熟料用量

國內(nèi)生產(chǎn)1t普通硅酸鹽水泥，熟料的摻入量約為75％，如果用礦渣替代40％的熟料計算，可減少熟料生產(chǎn)中0.16t CO2排放量。

2.4 水泥窯余熱回收利用

在水泥生產(chǎn)過程中，由窯尾預(yù)熱器和窯頭篦冷機排出的廢氣余熱約占水泥熟料燒成熱耗的33％，這些廢氣余熱經(jīng)回收后可以用于烘干原燃料，從而減少了烘干物料所用的煤，間接的減少了CO2的排放，也可以利用回收的余熱發(fā)電，將這些電能用于企業(yè)生產(chǎn)，減少向電網(wǎng)外購電量，換言之就是減少燃煤發(fā)電廠的煤的用量,從而減少了CO2排放量。

余熱發(fā)電技術(shù)

現(xiàn)在國內(nèi)余熱發(fā)電噸熟料發(fā)電能力約為30KW·h[9]，根據(jù)上一節(jié)中確定的電網(wǎng)排放因子計算，生產(chǎn)1t水泥熟料，其減排能力可達31kg。

利用余熱烘干原燃料

按原燃料的自然水分為18％，生產(chǎn)1t熟料需烘干0.5t左右原燃料計算，烘干用煤約為0.02t。利用余熱烘干原燃料可省去烘干用燃料煤，則生產(chǎn)每噸水泥熟料可省去烘干用煤0.02t，相當于減少41kg的CO2排放。

2.5 改進粉磨設(shè)備，降低粉磨電耗

在水泥生產(chǎn)中，每生產(chǎn)1t水泥，粉磨電耗要占水泥生產(chǎn)總電耗的60％～70％，如果通過采用新型輥式磨及輥壓機終粉磨制備生料技術(shù)和輥壓機—鋼球磨或輥式磨—鋼球磨等半終粉磨系統(tǒng)制備水泥技術(shù)，來代替管式鋼球磨機粉磨技術(shù)的使用[10]，可使水泥綜合電耗降低40％。

根據(jù)2006年我國水泥生產(chǎn)綜合電耗98.31 Kw·h/t水泥計算，生產(chǎn)1t水泥，該技術(shù)可使水泥綜合電耗降低39.324kWh/t，可間接減少約41kg的CO2排放。

3 結(jié)論

從上面的分析中可以看出，當我們以2006年全國水泥產(chǎn)量12.4億t，新型干法水泥產(chǎn)量6.24億t，熟料產(chǎn)量4.5億t進行計算時，各種減排途徑的減排效果如表4所示。

根據(jù)表4和上一節(jié)的分析，我們得出如下結(jié)論：粉磨設(shè)備的改進和混合材的使用，減排CO2的效果最大，其次是余熱發(fā)電和余熱烘干原燃料技術(shù)，最后是替代燃料。使用替代原料雖然在理論上具有較大的減排效果，但因可使用的替代原料有限，技術(shù)的發(fā)展也受到限制。國際上已頒布了適合水泥行業(yè)的CDM方法學(xué)，如果能根據(jù)方法學(xué)的要求，將某些技術(shù)申請CDM項目，不但可以減排CO2，而且減排額還可以在國際上出售，獲得額外的減排收益。

參考文獻

1 UNFCCC． Reversion to the approved baseline methodology ACM0003 “Emissions reduction through partial substitution of fossil fuels with alternative fuels in cement manufacture” , 2006

2 UNFCCC．Approved consolidated baseline methodology ACM0004 “Consolidated baseline methodology for waste gas and/or heat and/or pressure for power generation”, 2006

3 國家發(fā)展和改革委員會氣候變化對策協(xié)調(diào)小組辦公室. 關(guān)于確定中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子的說明，中國清潔發(fā)展機制網(wǎng)，2006

4 何宏濤. 水泥企業(yè)實施清潔發(fā)展機制項目的技術(shù)方法及案例研究，合肥工業(yè)大學(xué)，2007

5 世界可持續(xù)發(fā)展理事會. 水泥行業(yè)二氧化碳排放統(tǒng)計與報告標準，2005

6 談水泥企業(yè)綜合節(jié)電. 中國數(shù)字水泥網(wǎng)，2007

7 狄向華．資源與材料生命周期分析中若干基礎(chǔ)問題的研究，北京工業(yè)大學(xué)，2005

8李宇鑫．水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電的現(xiàn)狀與展望．鍋爐制造，2007，14：34

9 李憲章. 水泥工業(yè)磨機技術(shù)升級成果剖析. 遼寧建材，2007，14：23

10 席耀忠. 廢棄燃料在水泥工業(yè)中的應(yīng)用. 水泥技術(shù)，2002，5：20

11 閆海，李先春. 水泥窯余熱資源的回收與利用. 礦業(yè)工程，2004，2：49

12 丁奇生，施存有等. 電石渣配料生產(chǎn)水泥熟料新工藝的開發(fā)與應(yīng)用. 硅酸鹽通報，2005，14：100