水泥行业二氧化碳减排途径综述

王帅红王敏丽

在气候问题备受关注的国际大背景下,发展低碳经济已经成为全球性共识。在2009年召开的哥本哈根世界气候大会上,温家宝总理向全世界庄严承诺，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%,这意味着中国从此进入了低碳经济时代。而所谓低碳经济是指在可持续发展理念指导下，通过制度创新、技术创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态，其核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新及人类生存发展观念的根本性转变。

水泥是经济建设的重要材料，水泥工业也是国民经济的重要的基础产业，水泥工业的快速发展有力支撑了国家社会经济建设。然而，在为社会进步及经济发展作出巨大贡献的同时，也消耗了大量的资源、能源，并向环境中排放了大量温室气体CO2。消耗量在国民经济各行业中仍居于前列。据统计，2010年我国原煤产量约为32亿吨，燃烧所排放的CO2为79.68亿吨，其中水泥生产能耗约3.1亿吨煤，CO2排放总量约7.719亿吨（不包括生产水泥用碳酸钙分解排放的CO2），约占当年全国CO2总排放量的10%。水泥工业传统的发展和生产模式，使得资源、能源都难以为续，对生态环境也造成了极为不利的影响。同时，今年国务院出台了对包括水泥工业等在内的《抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展若干意见的通知》，对水泥工业等产业开始调整。刚刚闭幕的全国人大十一届三次会议上，如何迎接低碳经济时代也是重要内容之一。因此，低碳经济是水泥工业发展的必由之路；推动水泥工业低碳生产技术研发和应用，促进水泥工业大幅度节能减排，实现水泥工业先进绿色制造，是水泥工业发展面临的紧迫任务。

一、水泥企业生产过程中主要CO2排放源

1、碳酸盐分解

一般石灰石在硅酸盐水泥原料中的配比占80%～85%，所以生产水泥需要的石灰质资源是很大的，石灰石质原料分解会放出大量的CO2。

2、燃料燃烧排放CO2

熟料煅烧是水泥工业的核心工艺，由生料煅烧成熟料需要大量的热量，热量来源于燃料燃烧，我国水泥厂几乎均采用煤炭为主要燃料。煤炭燃烧产生大量的CO2。

3、电力消耗折算的CO2排放

水泥生产包括原料开采、生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨等多个工艺环节，使用多种输送、破碎、粉磨、煅烧工艺设备及电机、风机等，需要消耗一定量的电力。水泥厂所用的电力必需折算出因火力发电而排放的CO2，因为这是由于生产水泥而排放的，可称为间接排放的CO2。

二、水泥行业二氧化碳减排的途径

⒈水泥纯低温余热发电技术

2009年底，我国已有512台预分解水泥窑配备了余热发电装置，装机容量高达3320 MW,年回收电能235亿度，相当于节省标煤880万吨，CO2减排2200万t。预计2010年将有700台以上预分解窑采用余热发电技术，年减排CO2将达3200万t。

但基于我国以及广大发展中国家和新兴国家水泥工业的现实情况，水泥窑余热发电是具有其显著优点的，适用性很广，市场需求空间很大，是一项颇具竞争力的适用技术。我国应坚持这条技术发展途径，在不额外增加熟料热耗的前提下，继续研发创新，将吨熟料余热发电量由现今的最高40度左右提升到50度或更高。

⒉城市生活垃圾焚烧处理技术

城市生活垃圾焚烧处理技术的基本原理是利用水泥窑稳定高温环境完全降解垃圾焚烧产生的二恶英，实现无害化处理，垃圾燃烧的热能可替代水泥熟料生产所需要的部分燃料，灰烬用作水泥原料，对水泥生产及产品品质不产生任何影响，从而以有效解决我国城市垃圾处理中大量占用土地、产生二次污染的难题。

在过去的20多年间，世界水泥工业从少量采用/替代一小部分煤开始起步，一直发展到现今许多发达国家已相当广泛地采用水泥窑协同焚烧废料，成效显著。水泥工业协同燃烧可燃废弃物已经是一项环境安全、经济合理、工艺成熟的最佳适用技术。同时，水泥窑协同焚烧废料不仅可以节省相当数量的不可再生的天然化石燃料（煤），减少吨熟料的CO2排放30%，降低熟料生产成本，同时还为社会妥善地消纳了一部分废弃物，为环境保护作出贡献，实属一举多得。

⒊生物质燃料研发

生物燃料主要是指农业或林业生物质的固体成型颗粒，属可再生能源，如秸秆、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾、有机废弃物等。经过加工后都可成为生物燃料，它具有低硫、永续、清洁、高效的特点，可用来替代中小型燃煤（油）锅炉的用煤（油）。据估算，每使用一吨生物燃料，可减少煤燃烧产生的1.6吨的二氧化碳排放量。以现今比较看好的——利用藻类光合固碳作用生产生物燃料为例：因为藻类在光合作用中需要吸入CO2，水泥窑废气中则含有约25%的CO2，两者形成互补。藻类光合作用所生产的生物燃料足以替代煤供水泥窑烧成熟料之用。水泥窑排放的1/3 CO2则可供藻类光合吸碳之需，这样从理论上的理想情况来说，既解决了水泥窑的燃料供应问题，还减少了其1/3的CO2排放，效益甚佳。

⒋彻底淘汰落后水泥

落后水泥是指落后工艺生产的水泥和所谓的采用的是新型干法先进工艺但规模达不到产业政策要求、技术指标不先进的生产线生产的水泥。主要是立窑、干法中空窑、湿法窑、立筒预热器窑、小型新型干法窑。按照国发〔2009〕38号文件要求，各地必须尽快制定3年内彻底淘汰落后产能时间表。只有通过重组联合，淘汰落后产能，提高产业集中度，才能实现水泥产业结构调整。尽快彻底淘汰落后水泥产能是实现水泥产业结构调整的需要，也是水泥产业走低碳经济发展道路的必要。

⒌发展节能粉磨技术与装备

开发能量转换效率更高的粉磨装备，提高物料粉磨效率，降低粉磨能耗，减少电能的浪费，也是水泥工业实施低碳经济的潜力所在，因为吨水泥消耗的电能折合CO2排放约80 kg。物料粉磨电耗约占吨水泥总电耗的60%以上，其中水泥粉磨的电耗约占总电耗的40%。粉磨又是一个效率极低的过程，如传统的球磨机能量利用率仅为1%~3%，绝大部分转化成热量而散失、浪费，相应的吨水泥电耗高达110 kWh。随着粉磨技术的进步，如采用能量利用率高达10%以上的无球料床粉磨技术代替传统的球磨技术，吨水泥电耗可降低至80 kWh以下。另外，经实践表明，通过改变辊盘形状、盘速、辊压及挡料圈高度以增加粉磨时间、提高中间产品细度、加宽粒度范围，并配套转子速度调节范围大的笼式转子选粉机，采用无球化料床粉磨技术是可以生产出颗粒分布合格的各种水泥的。

⒍优化水泥熟料和混合材性能

C3S是水泥熟料中最主要的矿物，胶凝性能最好，但是在实际生产工艺中C3S含量过高会造成熟料烧成困难，热耗急剧增加。因此，优化C3S结构、调整熟料矿物匹配与烧成制度是制备高胶凝性水泥熟料的关键。通过确定C3S晶体结构、晶形、晶格内杂质分布及其与水化活性之间的关系，并采用掺杂、热历史控制等手段可提高熟料矿物C3S的介稳化程度，从而大幅提高熟料矿相体系的胶凝性，熟料的烧成变得容易一些，热耗降低，即CO2排放量降低。

⒎开发绿色环保型胶凝材料

开发与传统胶凝材料具有相近性能的新型胶凝材料，是近年来无机非金属材料领域就节能减排展开的研究热点。该类材料以粉煤灰、矿渣、垃圾焚烧底灰、尾矿等各种废料为原料，在激发剂的激发下产生胶凝性能，其“低碳”效应主要体现在：能耗低，煅烧温度低甚至不用煅烧；排放低。例如：卡尔斯鲁厄技术研究所（KIT）的科学家研制出了一种新的黏合剂Celitement。与传统水泥相比，在生产这种新型建材的过程中，可减少50%的CO2排放。英国Novacem公司发明了一种新型水泥生产公司，能够大幅度降低水泥生产过程中的二氧化碳排放量。该研究使用氧化镁取代了传统的碳酸钙作为水泥的主要成分。生产每吨新型水泥可以为大气减少100千克的CO2，而生产每吨传统水泥则需要排放800千克CO2。另有研究机构采用轻烧氧化镁，与粉煤灰等工业废弃物混和、加水搅拌后制成镁建筑制品，再通过碳化或是对水泥窑炉烟气中CO2进行吸附、反应，形成碳氢化合物 Mg(HCO3)(OH)·2H2O，使镁建筑制品在2周的强度达18MPa，超过硅酸盐水泥建筑制品强度的两倍多。还有研究提出了采用废弃水泥砂浆及废弃水泥混凝土，通过组分的适当调整及在700℃下的中温煅烧，生产制备二次水泥的新工艺。水泥矿物水化后形成有C-S-H凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙等。这不仅有效地处置和利用了大量的建筑废弃物，而且消除了水泥生产过程CO2的减排。

三、结语

尽管优化工艺、改良装备、替代原燃料、利用废弃物作混合材等成熟技术为水泥工业的节能减排作出了巨大贡献，但为使水泥工业最大程度地满足低碳经济发展的要求，必须创新与发展水泥工业低碳经济的工程科学技术，例如开发绿色环保型胶凝材料，一些新型生物质燃料研发都将是未来水泥行业减排的重要途径，需要进一步的研究和推广。另外，一些低碳经济技术方案组合起来实施，将在降低从水泥生产到应用过程中的CO2排放方面发挥更大作用。

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