水泥行业熟料生产CO2排放调查研究

王灵秀 王雅明 郝庆军 袁秀霞 丁新淼 孔凡成

（中国建筑材料科学研究总院，中国建筑材料检验认证中心有限公司 北京 100024）

1 前言

CO2是一种大气增温物质，其能够阻挡地面和近地气层向宇宙空间长波辐射能量的支出，从而使地球气候变暖，也就是人们常提到的温室效应。 CO2的化学性质稳定，可在大气中留存十年、数百年甚至更长时间，所以其排放对气候影响不容忽视。美国橡树岭国家实验室和欧洲、澳大利亚等国际研究小组研究发现，1980年全球CO2排放量约为50×108吨，之后持续增加，至2004年已超过73×108吨，并预测2030年全球二氧化碳排放量将逾400×108吨。因此，抑制全球气候恶化，减少碳排放行动势在必行。目前我国政府已结合经济社会发展规划和可持续发展战略，对外宣布控制温室气体排放的行动目标，决定到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。

水泥被誉为“建筑工业的粮食”，是全球消耗量最大的人造材料之一，同时也是 工业CO2排放的主要来源。对我国水泥企业 CO2排放量进行监测、调查、计算与统计分析是研究综合降低水泥工业CO2排放的基础。本文根据2009年对我国部分水泥企业CO2排放调查结果，统计了不同生产能力的水泥企业孰料生产过程中吨熟料平均排放量情况，分析讨论目前国内水泥行业CO2减排的措施及方法。

2 水泥熟料生产 造成的 二氧化碳排放

2.1 中国企业二氧化碳排放现状

白冰等[1]对中国八类企业 CO2排放情况作了调查，调查结果表明火电企业CO2年排放量约为18×108t，占2004年总排放量的63%，其次是水泥、钢铁企业，排放量分别为5.7×108和2.8×108t，所占比例分别为19%和10%，三者合计91%，是主要的排放源，如图1 所示。排放总量居前8 位的省份依次是山东、江苏、河北、辽宁、浙江、河南、广东、山西。近年来由于我国经济快速增长，大规模的水泥生产在为我国基础建设提供保障的同时，也向大气排放了大量的二氧化碳。

图1 2004年中国各类企业CO2排放构成比例

2.2 水泥熟料生产C O2排放途径及排放量计算

普通硅酸盐水泥是以石灰石和粘土为主要原料，经过粉磨、煅烧，再加入石膏及混合材粉磨而生成。因此水泥熟料生产过程中CO2排放量的统计主要包括[2][3]：石灰石中碳酸钙分解生成的CO2；煅烧水泥熟料和烘干原料用燃料燃烧产生的CO2以及生产过程中消耗的能源（如电力）折算后排放的CO2。

根 据 化 学 反 应 方 程 式：C aCO3=C aO+C O2，每生成1 份CaO的同时生成0.786 份C2O，若按普通硅酸盐水泥熟料中含Ca O 65%计算，每生产1 吨水泥熟料生成0.511 吨CO2。

根据化学反应方程式：C+ O2=CO2，每吨 碳完全燃烧时生成3.667 份CO2，若按水泥厂用的燃料煤含65%固定碳计算，燃烧1 吨煤将产生2.383 吨CO2。一般水泥生产过程所用燃料分为熟料烧成用燃料和原燃料烘干用燃料，目前多数企业利用余热烘干原燃料，所以这部分因燃煤造成的CO2排放不计入统计结果。

以燃烧煤碳的火力发电为参考，根据国家公布的火电标准煤耗 356 g/kwh 计算，即发1 kWh 电需要消耗标煤 0.356 吨，若按1 吨煤产生2.383 吨CO2计算，则发电 1 kwh 排放二氧化碳0.848 吨。

对国内部分水泥企业CO2排放量的统计为以上三部分之和。

2.3 国内 部分水泥企业熟料生产排放量调查

依据2.1 中提出的计算方法，对全国具有代表性的几家水泥企业进行了抽样检测，检测及计算结果表1。表1 数据显示，目前国内 生产能力在2500～6000t/d的水泥企业平均每生产1 吨水泥熟料排放0.753 吨CO2。

表1 不同水泥企业吨熟料CO2排放情况调查

3 讨论

3.1 采用先进的烧成技术

图2 为所有被测企业的吨熟料CO2排放量直方图及正态分布曲线，从图中可以看出，数值分布高峰陡峭，曲 线呈尖顶峰状，说明目前生产能力在2500～6000t/d 之间的企业吨熟料CO2排放水平与其生产能力关系不大，统计数值0.753在一定程度上代表了目前的行业水平。要进一步实现水泥行业的减排，应着重从烧成技术和设备等方面考虑，如日本川崎重工朱式会开发的沸腾炉（流化床）煅烧工艺是继窑外分解之后水泥煅烧工艺的又一次突破。由流化床骤冷器和移动床冷却器组成的冷却器使熟料在冷却过程中获得很高的热回收率，而且冷却空气全部作为造粒炉和烧成炉中燃料燃烧所需的空气量，因此与传统回转窑技术相比，其热耗低，CO2排放量可降低 l0%～25%[4]。

图2.吨熟料CO2排放量直方图及正态分布曲线

3.2 优化水泥熟料组成及提高熟料性能

图3 三种排放途径产生的排放量占总排放量的百分比

图3 描述了被测企业不同排放途径排放量占总排放量的比例。从图中可以看出碳酸钙分解是企业CO2排放的主要来源，通常其排放量约占总排放量的70%左 右。通过另外两种排放途径产生的排放量中，烧煤占到总排放量的25%，耗电折算后的CO2排放量则占不到排放总量的10%。三种途径的平均排放比例分别为碳酸钙分解67.9%，煤燃烧26.3%和耗电折算5.7%。所以寻求水泥生产替代原燃材料，优化水泥熟料组成，探索和研究新的水泥品种可实现水泥行业的大幅减排。我国有大量的钢渣、电石渣、高炉矿渣、粉煤灰、炉渣等废渣，可作为水泥生产替代原料，能减少配料中石灰石的比例。据报道[5]澳大利亚一家水泥厂发明的环保水泥的主要制作原料，是发电站和炼钢厂生产过程中残余的炉渣和废弃颗粒，这种水泥能将CO2排放量减少80%左右。利用电石渣和废弃混凝土中的浆体做生料或混合材对降低CO2排放也十分有效[6]。阿利特—硫铝酸盐水泥是目前的研究热点。将硫铝 酸盐矿物（一种早强型水硬性矿物，具有烧成温度低 、水化过程体积微膨胀等特性）引入硅酸盐水泥熟料中，形成阿利特一硫铝酸盐水泥熟料矿物体系，发挥硫铝酸盐矿物和硅酸盐矿物各自的优点，不但可显著提高传统硅酸盐水泥的性能，而且能大幅降低熟料中CaO的比例，减少生产时碳酸钙的用量，有助于减排CO2。

此外，注重水泥生产过程中微量元素的影响[7]。特定的矿物和元素 如重晶石尾矿、铅锌尾矿等工业副产品掺入生料中可以使硅酸盐水泥熟料在烧成过程中烧成熔点降低，液相提前出现，增加液相含量，降低液相粘度，使粒子扩散速度大大加快。加之特种矿物在次环境中能迅速形成，加速了熟料矿物的反应速度，使熟料中的C3S 在低温下快速大量形成。因此，微量元素不仅降低了熟料的形成热耗，同时在一定程度上改善了水泥熟料的性能。

3.3 余热利用，节约能源

水泥生产中注重余热回收利用，节约能源，也是减少CO2排放的一种措施。用废 弃的余热烘干原燃料，采用低温余热发电技术等都是通过利用余热，来达到节约能源和减少排放的目的，据相关文献[8]报道，用废弃的余热烘干原燃料每生产一吨熟料可节约用煤0.02 吨，减少0.0476吨CO2排放。水泥工 业低温余热发电技术是利用水泥窑尾及窑头排出的废气余热，在不增加任何热源的情况下采用先进的技术及设备进行发电的技术，采用该技术每生产一吨熟料平均发电30kWh，据测算一条5000t/d 水泥熟料的新型干法生产线每年可减排5万多吨CO2。

4 结论

水泥工业二氧化碳排放占目前国内工业企业总排放量的20%左右。在水泥熟料生 产过程中，二氧化碳排放主要通过碳酸钙分解、煤燃烧、耗电折算三种途径，其中碳酸钙分 解是CO2排放的主要原 因，其排放量约占总排放量的65%左右。统计分析表明，目前国内2500～6000t/d的水泥企业平均每生产1 吨水泥熟料约排放0.753 吨CO2。针对排放原因分析，水泥行业应从改变生料配比、采用先进燃烧技术以及节约能源 等方面入手，探索新的技术和设备，达到节能减排的目的。

[1]白冰,李小春等.中国 CO2集中排放源调查及其分布特征.[J]岩石力学与工程学报,2006.1.

[2]何宏涛，袁文献.水泥生产中减排二氧化碳措施和效果分析.[J]中国水泥,2005(003)∶ 47-49.

[3]何宏涛.水泥生产二氧化碳排放分析和定量化探讨.[J]水泥工程,2009(00 1)∶ 61-65.

[4]傅子诚.水泥熟料沸腾煅烧工艺新进展.[J]水泥工程,1999.5∶ 55-56.

[5]晓于.环保水泥—减少二氧化碳 80%的排量.[J]技术与市场,2009(005)∶ 92-92.

[6]胡曙光，何永佳.利用废弃混凝土制备再生胶凝材料.[J]硅酸盐学报,2007.35(005)∶ 593-599.

[7]马保国,李相国等.低环境负荷型高性能水泥生产技术研究.[J]环境科学与技术,2005.28(003)∶ 87-89.

[8] 彭毅，孙欣林.水泥厂主要有害气体及其防治.[J]水泥工程,2008(005)∶ 6-10.