典型水泥厂二氧化碳排放研究

付静吉

（河海大学 公共管理学院，江苏南京 211100）

典型水泥厂二氧化碳排放研究

付静吉

（河海大学 公共管理学院，江苏南京 211100）

减少二氧化碳排放量是应对全球气候变暖，促进经济社会持续发展的重要途径。以介绍分析水泥行业二氧化碳排放量的计算方法及技术路线为出发点，选取典型水泥厂作为研究对象，选择煤炭消耗量、水泥总产量、熟料总产量、熟料中氧化钙含量、熟料中氧化镁含量、煤炭平均含碳量等基本数据，并对其进行复核，计算得出典型水泥厂2011—2015年的二氧化碳排放量及排放系数。发现由于水泥、熟料等产品的产量增加，2015年典型水泥厂CO2排放量83.92万t，比2011年增加25.7％；CO2排放系数由0.92 t CO2/t熟料降低至0.85 t CO2/t熟料。

水泥行业；二氧化碳；排放量；排放系数

1 前言

目前，碳排放问题正成为全球气候变暖问题的热议话题。2014年，国家发改委下发了关于印发国家应对气候变化规划（2014—2020年）。提出到2020年，应对气候变化工作的主要指标是：控制温室气体排放行动目标全面完成，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％，非化石能源占一次能源消费的比重到15％左右，森林面积和蓄积量分别比2005年增加4 000万hm2和13亿m3。产业结构和能源结构进一步优化，工业、建筑、交通、公共机构等重点领域芾能减碳取得明显成效，工业生产过程等非能源活动温室气体排放得到有效控制，温室气体排放增速继续减缓。

现在许多学者的研究结果也表明[1-3]，工业发展带动经济增长需要靠能源消耗来拉动，而能源消耗量的增长又加大了二氧化碳的排放量。水泥行业是工业行业中重要的二氧化碳排放部门，加大水泥工业的节能减排力度是实现国家整体碳减排目标的必经之路，是保障国家经济持续发展的重要途径[4]。廖正光（2009）[5]通过对生产水泥的初始环节的研究，探究其减排潜力；熊华文[6]、王善拔（2010）等[7]分别以政策、环境、行业等角度对水泥行业生产情况进行了研究，得出其节能减排的途径；陈敏（2012）[8]等对水泥行业的三种节能减排途径进行对比分析，提出未来要加大技术方面的节能减排能力。

本文通过介绍水泥行业CO2排放量的计算方法及技术路线，对典型水泥厂2011—2015年的CO2排放量和排放系数进行了计算和复核，最后对不同学者的研究方法进行对比分析，为水泥行业二氧化碳排放量的核算方法提供一定依据。

2 研究方法

2.1 水泥行业CO2排放量计算方法

水泥生产中CO2排放主要由C原辅料（如石灰石）和燃料（如煤和燃油等）两大部分组成，又分布在以下两个过程中。

原辅料转化：含C原料制成生料后，生料中的碳酸盐矿物分解CO2，生料中的非燃料C（即有机C）燃烧释放CO2。生料中碳酸盐矿物在煅烧时分解直接排放CO2。

水泥窑炉排气筒排放烟气中含有一定量的粉尘，其中主要成分有未分解的碳酸盐矿物、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、K2O等，这部分CaO和MgO在碳酸盐矿物分解中产生CO2排放。窑炉旁路放风粉尘中碳酸盐矿物完全分解释放CO2。收集后循环利用，剩余粉尘进入排气筒烟气排放出，因此，可以归入排放烟气一并计算。生料中非燃料C燃烧。生料中非燃烧C含量约为0.1％～0.3％（干基），

燃料燃烧：用于煅烧和原材料烘干的燃料燃烧会释放CO2，

脱硫环节：脱硫剂中的CO32-根（即C元素）分解生成CO2，

2.2 水泥行业CO2排放量核算技术路线

2.2.1 数据准备

选取统计年份、组织机构代码、填报机构详细名称、行业类别代码、行业类别、煤炭消耗量（t）、其中：燃料煤消耗量（t）、燃料油消耗量（不含车船用）（t）、焦炭消耗量（t）、熟料总产量（t）、天然气消耗量（万m3）、其他燃料消耗量（t标准煤）、其中：燃料煤平均灰分（％）、主要原辅材料用量1、石灰石（大理石）消耗量（基103表）（万t）、水泥总产量（基103表）（万t）、熟料总产量（基103表）（万t）、熟料中氧化钙含量（基103表）（％）熟料中氧化镁含量（基103表）（％）、t熟料标准煤耗（基103表）（kg）、煤炭消耗量（基103表）（t）、煤炭平均低位发热量（基103表）（kJ/kg）、煤炭平均含碳量（基103表）（％）。

2.2.2 数据审核

（1）审核流程

采用基于环境统计报表计算CO2排放量的方法时，首先需要对环境统计数据展开审核，以提高计算结果的准确度和可信性。审核应从完整性、合理性和正确性三个层面展开，其中完整性是指计算CO2排放量所需要的水泥总产量、熟料总产量、燃料煤消耗量、脱硫量等关键数据是否缺失；合理性是指计算CO2排放量所需要的t熟料标准煤耗、燃料煤平均含硫量、燃料煤平均含碳量、燃料煤平均低位发热量、熟料中氧化钙含量、熟料中氧化镁含量等关键数据填报是否在合理的阈值范围内；正确性是指计算CO2排放量的精度，通过计算CO2排放量/熟料总产量的比值，与其他来源的数据相比较。

（2）审核结果

发现的主要问题有：①“石灰石（大理石）原料消耗量、熟料产量、煤炭消耗量”部分数据缺失；②“煤炭平均含碳量、熟料中氧化钙和氧化镁含量”数据超出合理阈值；③“石灰石（大理石）原料消耗量”数据单位换算有误。

2.2.3 处理流程

（1）首先使用熟料产量

（2）区别熟料是否自产，外购属重复计算

（3）没有熟料产量和石灰石（大理石）消耗量（基103表）时，只有水泥产量时，视为熟料外购。

2.2.4 统计计算

（1）碳酸盐给料数据的使用

取得生产熟料时消耗的碳酸盐类型（成分）和数量有关的非集合数据集、所消耗碳酸盐的各个排放因子，计算过程减去CKD内未返回炉窑的任何未煅烧的碳酸盐，若CKD完全煅烧或全部返回炉窑，则此CKD修正因子为零，不包括未煅烧的CKD可能会稍微高估排放。此外，石灰石和页岩（原材料）还可能包含一定比例的有机碳（油原），而其它原材料（例如烟灰）可能包含碳残渣，这些物质会在燃烧时产生额外的CO2。

式中CO2排放＝来自水泥生产的 CO2排放，单位为t；

EFi＝特定碳酸盐 i 的排放因子，t CO2/t碳酸盐；

Mi＝炉窑中消耗的碳酸盐i重量或质量，单位为t；

Fi＝碳酸盐i中获得的部分煅烧比例；

Md＝未回收到炉窑中的 CKD 重量或质量（＝‘丢失的' CKD），单位为t；

Cd＝未回收到炉窑中 CKD 内原始碳酸盐的重量比例；

Fd＝未回收到炉窑中 CKD 获得的比例煅烧比例；

EFd＝未回收到炉窑中 CKD 内未煅烧碳酸盐的排放因子，单位为tCO2/t碳酸盐；

Mk＝有机或其它碳类非燃料原材料 k 的重量或质量，单位为t；

Xk＝特定非燃料原材料k 中总的有机物或其它碳的比例；

EFk＝油原（或其它碳）类非燃料原材料 k 的排放因子，单位为tCO2/t碳酸盐。

（2）计算流程

1）熟料煅烧环节CO2排放量核算过程

CO2排放量＝熟料总产量（t）×熟料排放因子（熟料中氧化钙含量（％）×44/56+熟料中氧化镁含量（％）×44/40），

式中：44/56为CO2/CaO的分子质量比，44/40为CO2/MgO的分子质量比。

2）燃料燃烧同火电过程，排放因子采用该省的平均值，不计算脱硫过程。

3）生料中的有机碳燃烧CO2排放量＝生料有机碳总产量（t）×生料有机碳排放因子

生料有机碳总产量（t）＝熟料总产量（t）×0.3％，生料有机碳排放因子＝44/12

4）未回收到炉窑中 CKD 排放

未回收到炉窑中 CKD 排放量＝未回收到炉窑中 CKD产生量×EF＝0.12kgCO2/t熟料×熟料产量。

5）若无煤炭消耗量，则不计算燃料燃烧排放量。

（3）计算公式

CO2排放量＝熟料总产量（基103表）（万t）×[熟料中氧化钙含量（基103表）（％）/100×44/56+熟料中氧化镁含量（基103表）（％）/100×44/40]+煤炭消耗量（基103表）（t）/10 000×煤炭平均含碳量（基103表）（％）/100×44/12+熟料总产量（基103表）（万t）×生料有机碳排放因子（默认值0.3％）×44/12+熟料总产量（基103表）（万t）×未回收到炉窑中CKD产生量（默认值0.12kgCO2/t熟料）/1 000

2.2.5 结果复核

对排放系数不在0.7～1.1tCO2/t熟料范围内的进行活动水平数据审核，发现：1）熟料中氧化钙含量缺失或超出阈值范围，熟料中氧化钙含量阈值范围为60％～70％，将错误数据用默认值代替，默认值计算方法为本省熟料中氧化钙产量在阈值范围内的厂家的平均值。2）熟料中氧化镁含量缺失或超出阈值范围，熟料中氧化镁含量阈值为1％～4％，将错误数据用默认值代替，默认值计算方法为本省熟料中氧化镁产量在阈值范围内的厂家的平均值。3）煤炭平均含碳量数据缺失，对缺失数据用相应省份煤炭平均含碳量的平均值代替。

3 典型厂计算结果

3.1 概况

HX水泥有限公司位于西藏山南地区，总投资额达1亿以上，是西藏自治区成立以来最大的内地援藏项目，得到了国家有关部门的高度重视。年产新型干法旋窑高高标号优质水泥30万t。

该公司矿山储量丰富，氧化钙含量在52％以上；质量保证体系健全；拥有先进的生产工艺和精良的生产设备，主要生产普通硅酸盐水泥，中、低热硅酸盐水泥，水泥强度等级为32.5～52.5；检测设备先进齐全。在拉萨、山南、日喀则、林芝以及那曲建立了5个市场部，开展水泥销售工作。

3.2 计算结果

从环境统计报表中选取出相关变量，进行数据复核，2011-2015年HX水泥有限公司数据复核结果如表1所示。

表1 2011—2015年HX水泥有限公司复核数据汇总

根据表1中的数据复核结果，按照统计计算方法对HX水泥有限公司2011—2015年近五年的排放量与排放系数进行核算，计算结果详见表2，变化趋势详见图1～3。

表2 2011—2015年HX水泥厂水泥生产情况及CO2排放情况

图1 2011—2015年HX水泥厂水泥产量、熟料产量变化趋势图

图2 2011—2015年HX水泥厂CO2排放量趋势图

图3 2011—2015年HX水泥厂CO2排放系数趋势图

与2011年相比，2015年HX水泥厂水泥总产量增加了49.94万t，熟料总产量增加了26.40万t，年均增长率分别为13.68％和8.05％。2011—2014年水泥总产量与熟料总产量呈不断增长趋势，到2015年时产量均有所下降。

2015年，HX水泥厂CO2排放量为83.92万t，比2011年增加17.16万t，增长25.7％；排放量增加的主要原因是水泥、熟料等产品的产量增加。CO2排放系数有所下降，由0.92 tCO2/t熟料降低至0.85 tCO2/t熟料，比2011年下降7.61％。

4 讨论

4.1 CO2排放系数

邱贤荣、汪澜[9]通过物料平衡和热平衡测定，结合各过程的排放因子，统计计算出一段时间、营运边界内的CO2排放量，得出统计期内（72h）水泥窑炉排放总量P和单位熟料产品排放量分别为13 292.35t和820.88（kg/t）；王灵秀、王雅明（2010）[10]采用了每生产1t水泥熟料生成0.511t CO2，对全国具有代表性的几家水泥企业进行了抽样检测，指出目前国内生产能力在2500～6 000t/d的水泥企业平均每生产1t水泥熟料排放0.753t CO2。

本文根据典型厂环境统计报表统计核算情况，2011和2015年排放因子分别为0.92（tCO2/t熟料，新型干法）和0.85 （tCO2/t熟料，新型干法），变化主因是在役的新型干法生产线的比重在上升。比国家或地方清单编制采用默认的排放因子要高，与其他研究结果相比有高有低。

4.2 CO2排放量

建筑材料工业技术情报研究所对中国未来水泥产量进行了深入的研究，表示我国水泥产量将在2020年左右达到峰值，三种不同情景下分别为14.91亿t、18.42亿t和21.84亿t，之后逐步回落，到2030年分别为8.50亿t、11.43亿t和15.99亿t。

蒋小谦、康艳兵[11]基于水泥产量、熟料产量和单耗变化趋势的分析，经研究计算得到：2015年我国水泥行业CO2排放将达13.2亿t，比2010年增长12％；朱松丽[12]基于水泥产量预测，应用AIM模型计算了2010年我国水泥生产的CO2排放量约为20亿t；韩娟、赵晨[13]根据2009年全国水泥产量为16.3亿t，假设全都采用先进的新型干法工艺生产，则2009年全国水泥工业CO2的理论排放量为12.53亿t。

而基于典型厂环境统计报表统计核算情况，2011和2015年分别为66.76万t和83.92万t，增幅为25.7％。CO2排放量有所增加，熟料产量由72.72万t增至99.12万t。主要是水泥产量上升所致。

[1]查建平，唐方方，傅浩.中国能源消费、碳排放与工业经济增长—一个脱钩理论视角的实证分析[J].当代经济科学，2011（6）：81-89.

[2]王强，伍世代，李婷婷.能源消费与碳排放变动关联特征及其Tapio效应研究—基于中国工业经济转型的分析[J].福建师范大学学报：哲学社会科学版，2010（4）：17-22.

[3]谢守红，牛水霞.长江三角洲碳排放和经济增长、能源消耗的关联分析[J].工业技术经济，2012（12），86-92.

[4]王建辉，计军平，马晓明.中国水泥工业经济低碳发展的影响因素分析[J].生态经济，2016（32）：67-72.

[5]廖正光.水泥矿山减排的破碎技术及节能降耗[J].中国水泥，2009 （1）：89-92.

[6]熊华文，郑子玉，徐耀兴，等.水泥工业结构调整对减少能源消耗的影响研究[J].中国建材，2004（8）：23-27.

[7]王善拔，刘运江，罗云峰.水泥行业节能减排的技术途径[J].水泥技术，2010（2）：21-23.

[8]陈敏，温宗国，杜鹏飞.基于AIM/enduse模型的水泥行业节能减排途径分析[J].中国人口资源与环境，2012，22（5）：20-25.

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[10]王灵秀，王雅明，郝庆军，等.水泥行业熟料生产CO2排放调查研究[J].节能减排评价技术，2010：96-99.

[11]蒋小谦，康艳兵，刘强.2020 年我国水泥行业CO2排放趋势与减排路径分析[J].能源与环境，2012（34）：17-22.

[12]朱松丽.我国低碳发展面临的挑战和机遇[J].开放导报，2011（4）：16-19.

[13]韩娟，赵晨，汪牡丹，等.我国水泥工业二氧化碳排放现状与减排分析[J].海南大学学报自然科学版，2010（28）：252-256.

Study on Carbon Dioxide Emission from Typical Plants in Cement Industry

Fu Jing-ji

Reducing carbon dioxide emissions is an important way to deal with global warming and promote sustainable economic and social development.In order to introduce the calculation method and technical route of analyzing the carbon dioxide emission in cement industry as the starting point，the typical cement plant is selected as the research object.The coal consumption，total cement output，total clinker output，calcium oxide content in clinker，Magnesium content，the average carbon content of coal and other basic data，and its review，calculated a typical cement plant 2011-2015 carbon dioxide emissions and emission factors.It was found that the output of cement and clinker was increased by 83.72 million tons in typical cement plant in 2015，25.7％ more than in 2011.The CO2emission coefficient was reduced from 0.92 t CO2/t clinker to 0.85 t CO2/t clinker.

cement industry；carbon dioxide；emission；emission coefficient

TQ172.6

B

1003-6490（2016）08-0094-03

2016-08-06

付静吉（1992—），男，河南林州人，研究生在读，主要研究方向为土地生态。