水泥生产过程中二氧化碳减排潜力分析

2016-08-16张桂珍

四川水泥 2016年2期

关键词：熟料消耗排放量

张桂珍

（河南投资集团有限公司，河南郑州 450000）

水泥生产过程中二氧化碳减排潜力分析

张桂珍

（河南投资集团有限公司，河南郑州 450000）

水泥工业具有资源、能源依赖的特点，水泥生产过程中二氧化碳排放量十分大，因此做好其节能减排是发展低碳经济的重要途径之一。本文仅针对水泥生产过程中二氧化碳排放来源及其减排潜力展开了具体论述。

水泥生产；二氧化碳；减排潜力

近些年，全球变暖问题日益严重，“低碳经济”理念逐渐得到了广泛认可。作为二氧化碳排放大户，如何降低水泥生产过程中二氧化碳排放量成为了一大亟待解决的问题。

1.水泥生产过程中二氧化碳排放来源

根据调查分析可知，在水泥生产过程中，二氧化碳的来源主要就是原料煅烧、燃料燃烧以及电力消耗，下文即对此进行了具体分析：

1.1 原料煅烧过程中二氧化碳的排放

当前，我国水泥生产中所消耗的石灰石质原料依旧以天然的石灰石矿为主，以废弃物代替天然石灰石的理念虽被提出，但是实际替代率依旧十分低，还不到1%[1]。根据相关统计结果显示，生产1t的水泥，大约就需要消耗1t的石灰石资源。在碳酸盐水泥原料中，石灰石的占比达到80%-85%，其正是碳酸钙、碳酸镁来源所在，而碳酸盐分解，必然会产生大量的二氧化碳，具体如下式所示：

根据碳酸钙分解式可知，在得到1份氧化钙的同时，必然也会产生0.7857份的二氧化碳，因此以普通硅酸盐水泥熟料含氧化钙65%为标准，则每生产1t水泥熟料，二氧化碳的排放量如下：

根据碳酸镁分解式可知，在得到1份氧化镁的同时，必然也会产生1.092份的二氧化碳，因此以普通硅酸盐水泥熟料含氧化镁2.5%为标准，则每生产1t水泥熟料，二氧化碳的排放量如下：

综上可得，每生产1t水泥熟料，二氧化碳的排放量为：

上述结果对应关系良好，但是因为熟料中的氧化钙、氧化镁的来源并不一定完全是碳酸盐矿物，所以依旧存在一定误差。此外，不少文献中对窑灰、熟料飞灰损耗在二氧化碳排放中的影响进行了具体分析与计算，但是由于国内窑灰基本不存在外排现象，灰飞煅烧的问题也较难确定，故而本文未将其计入考虑范围内[2]。

1.2 燃料燃烧过程中二氧化碳的排放

水泥生产过程中，熟料烧成是一大核心工艺，其需要消耗大量的热。根据十一五期间相关调查分析可得，我国1t综合能耗平均是115kg标煤，随着水泥需求量的不断上升，煤炭的消耗量必然随之大幅增加。

煤炭的燃烧大致可以分为两个部分：一是煤炭中的碳、氢元素与空气中的氧元素发生反应；二是煤炭中的固定碳的燃烧，前者释放的二氧化碳较少，后者则较多，是二氧化碳排放的重要来源之一。如下所示，即为完全燃烧下的煤炭化学反应式：

根据实践可知，煤炭燃烧必然存在不完全燃烧现象，但是由于水泥窑燃烧温度高、停留时间长，因而此问题可忽略不计。以水泥厂所使用的煤炭含固定碳65%为标准，完全燃烧下，1t煤可得二氧化碳的排放量2.38t。

1.3 电力消耗过程中二氧化碳的排放

水泥厂的生产过程中，不可避免地会使用到电力，无论是从电网采购或是自发电，都要折算出电力消耗过程中二氧化碳的排放量，现仅以国家所公布的火电标准煤耗356g/kWh为依据展开计算，消耗1kWh电即为消耗标准煤0.356kg，而1t煤的燃烧可得二氧化碳的排放量为2.38t，因此消耗1kWh电可得二氧化碳的排放量为0.847kg。以1t水泥消耗100kWh的电力为标准展开计算，得到二氧化碳的排放量为0.0847t。

目前，我国国内指标控制较好企业在电力消耗方面可以将1t水泥控制在90kWh，但是部分技术不过关的企业1t水泥电耗多在100kWh以上。因此，节约电耗是水泥生产节能减排的重要途径之一。

2.水泥生产过程中二氧化碳减排潜力分析

2.1 加强产业结构调整，推广节能环保技术

当前，在我国水泥工业中，落后的工艺水泥产量依旧能够在总产量中占到高达1/3的比例，基于此，必须加强产业结构调整，通过将落后的产能淘汰，推广应用一些先进的节能环保技术，真正实现二氧化碳的减排。

（1）新型干法水泥技术，该技术核心为预分解技术、悬浮预热，并在整个生产中，实现了 IT 技术、分解炉系统、节能篦冷机、新型燃烧器、料床粉磨技术、生料辊磨系统、水泥辊压机联合粉磨系统、水泥料床终粉磨系统等等的总额和利用，是一种现代化的水泥生产技术。由于新型干法水泥生产线中存在上千个开关、数百台设备、千台电动机，为了确保整个系统的有序运行，必须加强自动控制，以实现工艺装备的科学管理，真正达到清洁生产、环保的效果。以淘汰5亿吨落后工艺水泥为标准进行估算，大约可节煤7000万t，节电450亿度，二氧化碳减排3.5亿t。当前，我国新型干法水泥技术，必须在提高工艺设备水平的基础上，加强管理，规范工程设计施工，以实现生产线建设成本的有效降低。

（2）余热发电技术，以年发电量90亿kWh为标准，采用该技术，能够有效节约360万t标准煤，二氧化碳减排2864万t。余热发电技术的应用具体可从以下几个方面加以考虑：第一，对工艺流程加以调整，例如：在制备煤粉时，将原本所用的篦式冷却机余风，换为预热器废气，将立磨用作煤粉粉磨设备。如此一来，粉磨生料、制备煤粉所需热风，都可由预热器的出余热锅炉废气，其温度高达 200℃。第二，当前余热锅炉工艺日渐成熟，运转率已经可以达到与回转窑同步，所以在实际工程中，可将水泥生产工艺与余热发电进行同步设计，避免出现旁路漏风的问题。

（3）废物资源化技术，其主要包括矿渣、粉煤灰、电石渣、煤矸石、废弃混凝土的资源化利用，可有效增加水泥粉磨混合材掺入量10%，二氧化碳年减排量达到1亿t。

（4）水泥窑协同处置废物[3]，其主要包括工业废弃物、生活垃圾、污泥等的焚烧处置，对于燃料的替代率高达10%，可节煤1600万t。例如：在水泥窑中可将多氯联苯物质作为燃料处理，其废渣还可用于水泥的制造，避免二次污染的出现，也不需要对废气进行特殊处理，大大减少了能源的消耗，甚至是实现了再利用，比直接进焚烧炉更具有意义。

2.2 开发低碳型水泥新产品

为了有效减少水泥生产中的二氧化碳排放量，积极开发低碳型水泥新产品是一个重要途径。当前，非波特兰水泥体系研究进展较好，如：氟铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、阿利尼特水泥以及铝酸盐水泥都是十分重要的产品。以硫铝酸盐水泥为例，其生产原料是低品位矾土、石灰石与石膏，与传统水泥相比，其石灰石的含量有所降低，因此二氧化碳的排放量得以大幅减少。尽管出于成本、生产技术等各方面因素的限制，非波特兰水泥体系未能够实现大规模的生产，但在一些特殊的场合已经有效代替了传统水泥，发挥着重大的作用。

此外，近些年我国越加重视碱激发胶凝材料的研发，其主要是通过粉磨、混合等方式加工而成，省略了煅烧这一步骤，因此可有效减少二氧化碳的排放。但是，该种胶凝材料依旧无法大量代替硅酸盐水泥，必须对其进行进一步研究，以真正实现大规模生产。