水泥生产过程碳排放影响因素分析

马娇媚，徐磊2，隋明洁

1 前言

2015年12月12日，联合国气候变化大会达成《巴黎协定》，设定了全球应对气候变化的长期目标，提出了“在本世纪下半叶实现温室气体的净零排放”的目标。2020年9月22日，国家主席习近平第七十五届联合国大会上提出了“努力争取2060年前实现碳中和”的战略目标，为中国下一阶段的能源转型和绿色发展指明了方向，也展现了中国践行《巴黎协定》气候行动承诺的决心。

水泥是国民经济重要的基础原材料，中国水泥总产能占世界总产能约60%。2020年，全国累计水泥产量23.77亿吨，《中国建筑材料工业碳排放报告》中指出，中国建筑材料工业二氧化碳排放量为14.8亿吨，水泥工业二氧化碳排放量为12.3亿吨，其中，碳酸盐分解和燃料燃烧碳排放占主要比例，电力消耗间接折算约合8 955万吨二氧化碳当量[1]。受水泥产品及生产原料、工艺特点和资源消耗量影响，水泥工业碳减排的难度极大，时间也非常紧迫，水泥行业作为重点行业即将纳入全国碳排放权交易，这将对我国水泥工业及其运行产生重大而深远的影响。

本文分析了水泥生产过程中碳排放的影响因素，分析了碳减排的技术措施，以期为我国水泥技术工作者进行碳评估核查及节能减碳工作提供一定帮助。

2 水泥生产过程碳排放分析

2.1 按照水泥生产工艺过程计算碳排放

水泥制备过程可以概括为“两磨一烧”，生产过程中的碳排放主要来自于生料碳酸盐分解、燃料燃烧以及电力消耗间接产生的二氧化碳。熟料生产过程中的碳排放占水泥碳排放的90%以上，产生的CO2通过废气处理系统排入大气中。水泥熟料生产工艺如图1所示。

图1 典型水泥熟料生产工艺框图

水泥生产过程碳排放按照产生方式可以分为直接排放和间接排放。直接排放主要是生料分解、燃料燃烧产生的二氧化碳的排放，还有少量的粉尘、窑灰、有机碳产生的一小部分二氧化碳，这部分在简单计算时可以忽略。间接排放是指生料制备、熟料煅烧（含煤磨系统）、水泥制备及照明等辅助工艺消耗电能产生的间接二氧化碳排放。水泥生产过程碳排放的主要影响因素如图2所示。余热发电减少了外购电力，在计算间接碳排放时要予以扣减。如果有易燃的可再生能源和废弃物利用量，一般认为不对环境产生额外的碳排放[2]，因此余热发电和废物处置对水泥生产过程碳减排有正向作用。

图2 水泥生产过程碳排放的主要影响因素

按照生产过程分析，未采用电石渣等特殊配料的一般水泥熟料生产，其二氧化碳的直接排放可以按照式（1）进行简单计算，再加上按照式（2）计算的二氧化碳的间接排放，即电力消耗乘以对应的排放因子，二者之和即为水泥熟料生产过程中的总碳排放量。

式中：

E1——直接排放，tCO2/t.cl

Ep——工艺排放，tCO2/t.cl

Efuel——燃料排放，tCO2/t.cl

CCaO——熟料中CaO质量分数

CMgO——熟料中MgO质量分数

Mfuel——单位熟料消耗第i种燃料的质量

EFi——第i种燃料的碳排放因子

式中：

E2——间接排放，tCO2/t.cl

E购入——单位熟料净购买电量，MW·h/t.cl

EF电——电力排放因子，tCO2/MW·h

Eclinker——熟料综合电耗，MW·h/t.cl

E余热——余热发电电量，MW·h/t.cl

根据元素守恒，采用如下化学反应方程式计算Ep：

表1为典型水泥厂使用的生料和熟料化学成分分析，如表1所示，典型硅酸盐水泥熟料矿物成分按照金属氧化物换算计量，含氧化钙65.20%、氧化镁1.67%，忽略来自非碳酸盐及煤灰产生的CaO、MgO，每生产1t水泥熟料，碳酸盐分解产生0.530 7t二氧化碳。具体计算过程为：

表1 典型水泥厂使用的生料和熟料化学成分分析，%（重量）

表2为典型水泥厂使用煤样工业分析和元素分析，以表2中的燃料为例，水泥厂用燃煤的发热量为24 600kJ/kg，含63.60%的碳元素，化学反应方程式如下：

表2 典型水泥厂使用煤样工业分析和元素分析

根据元素守恒，则生产消耗每吨实物煤产生2.332tCO2，消耗每吨标煤产生2.775tCO2，具体计算过程为：

依据现行国标GB 16780-2012《水泥单位产品能源消耗限额》，新建水泥企业按照熟料综合煤耗准入值108kg标煤/t.cl、熟料综合电耗60kW·h/t.cl、水泥综合电耗36kW·h/t.cl进行计算，则生产每吨熟料，燃料燃烧产生的CO2直接排放量Efuel为：

Efuel=108×2.775/1 000=0.299 7tCO2/t.cl

余热发电取33kW·h/t.cl，碳排放区域电网平均CO2排放因子取0.8，则电力产生的CO2间接排放量E2为：

与碳酸盐分解产生的二氧化碳合计，则单位熟料CO2排放量E熟料为：

按照75%的熟料掺入系数、水泥工序电耗36kW·h/t水泥，则单位水泥CO2排放量E水泥为：

2.2 水泥碳排放的计算方法

表3 依据《水泥单位产品能源消耗限额》准入值计算的碳排放

图3 熟料、水泥碳排放所占比例示意图（按照表3）

国内外关于水泥工业碳排放研究的报道有很多[3，4]，国际政府间气候变化专业委员会（IPCC）、世界可持续发展工商理事会（WBCSD）水泥可持续发展自愿性协议（CSI）均发布了具有代表性的水泥生产CO2排放统计方法[5]。国内有关水泥碳排放测算的国家标准正在完善过程中，相关的标准及文件主要包括GB/T 32151.8-2015《温室气体排放核算与报告要求第8部分：水泥生产企业》、《中国水泥生产企业温室气体核算方法与报告指南（试行）》（发改办气候[2013]2526号）等，本文对我国水泥行业二氧化碳排放的相关标准规范及文件进行了归纳，具体见表4。

表4 我国水泥行业二氧化碳排放相关标准规范及文件

表5列出了T/CBMF 41-2018《硅酸盐水泥熟料单位产品碳排放限值》碳排放量等级与限值，提出Ⅰ级标准为0.845 0tCO2/t.cl。中国的水泥生产有其自身特点，不确定性因素也有很多[6，7]，主要集中在核算边界的选取，原料、产量和能耗数据的统计，各项原材料或电力碳排放因子的选取等方面。目前的标准及文件中仍存在不统一的内容，如发改委文件计入了“生料中非燃料碳含量”，单位为%，并规定“如缺少测量数据，可取0.1%～0.3%（干基），生料采用煤矸石、高碳粉煤灰等配料时取高值，否则取低值”；而在国标GB/T 32151.8-2015及中国建筑材料联合会发布的《建筑材料工业二氧化碳排放核算方法》文件中未设置此项内容。随着碳排放计算方法学研究的深入，将会建立更完善的碳核查、碳计算标准体系。

表5 T/CBMF 41-2018《硅酸盐水泥熟料单位产品碳排放限值》碳排放量等级及限值

对于没有元素分析的煤炭，可以按照GB/T 32151.8-2015《温室气体排放核算与报告要求》给出的单位热值含碳量（烟煤为26.1×10-3t碳/GJ）、燃料碳氧化率（窑炉取98%）计算。以表2中燃料为例，每吨实物煤产生的CO2为2.307t，计算过程见式（6），每吨标煤产生2.745tCO2，与此相比，式（5）计算结果的相对误差为1%。

这些标准与通过生产过程采用元素守恒计算的原理基本一致，差别主要是数据的统计口径不同，核算企业的年碳排放量，一般是以全年的产能、原材料消耗的发票数据、平均化学成分为依据，另外，燃料燃烧碳排放，是以单位热值含碳量乘以碳氧化率计算得到的。一般的技术工作者不易拿到这些经济统计数据，单纯从减碳技术进步的角度分析，采用上一节所给出的元素守恒计算碳排放因子，用以分析判断可采取的减碳技术手段。

3 基于碳排放影响因素分析的碳减排技术措施

要解决水泥工业生产过程中产生的CO2带来的环境问题，必须充分利用水泥生产工艺的特点，从直接排放和间接排放两个方面着手，配套外围的碳捕捉、碳利用、构建低碳胶凝材料体系等技术措施，实现水泥行业“双碳”目标。

3.1 节能技术装备的研发与应用

水泥行业年消耗煤炭总量＞2亿吨，化石能源消耗占综合能耗的90%，节能减排是水泥工业生产永恒的主题。“十三五”期间，水泥熟料单位产品平均综合能耗由2015年的112kg标煤/t.cl降至108kg标煤/t.cl，河南孟电等多家水泥企业可比熟料综合能耗均＜100kg标煤/t.cl。早期的回转窑热平衡效率一般在50%～55%，典型的应用第二代新型干法水泥技术装备的生产线，回转窑热效率＞60%。以两条河南孟电二代示范线为例，投产以来，相对于置换前，生产线的技术指标每年节约标煤5.82万吨，节电7 040×104kW·h，CO2减排～15.8万吨。

在此基础上，进行系统升级的槐坎南方绿色低碳生产线，较减量置换前的同等规模生产线，每年节约标煤7.4万吨，减排570t氮氧化物、20万吨CO2。与新建水泥生产线能耗限额准入值相比，其化石燃料碳排放相对减少约15%，有效提高了能源利用效率，降低了生产过程碳排放约5%。

以某厂两条生产线进行碳排放对比分析，一条为2004年投产的老线，一条为2019年投产、集成采用二代水泥技术装备的新建生产线，分别采用全年统计的原燃料数据和采用元素守恒法进行碳排放计算，碳排放的计算对比见表6。其中，参考发改委文件，计入了“生料中非燃料碳含量”，此项数据新线和老线取一致，不影响其他项的对比分析。

由表6可见，采用全年统计法与采用元素守恒法计算出的结果基本一致，使用新技术建设的生产线化石燃料燃烧碳排放大幅度降低，相对于老线整体减少碳排放5.24%，对标表5中T/CBMF 41-2018硅酸盐水泥熟料单位产品碳排放量等级及限值，新建生产线比Ⅰ级标准0.845 0tCO2/t.cl碳排放低5.21%，收到了较好的减碳效果。

表6 减量置换新线和原有老线的碳排放计算对比表

目前，我国水泥企业全部采用了新型干法生产技术，整体处于国际先进水平。通过大力推进低能耗绿色环保烧成技术，如高效低阻预热器、梯度燃烧自脱硝分解炉、中置辊式破碎机的第四代篦冷机、新型节能耐火材料、高效料床粉磨、节能风机、智能控制等，可以有效提升系统的能源利用效率，进而减少燃料碳排放和电力碳排放。具体实现途径有两条，一条是集成应用新技术，淘汰老线，减量置换新建生产线；另一条是采用节能技术装备，升级改造现有生产线。企业可根据自身情况选择实施，减少燃料燃烧和外购电力产生的碳排放，同时减少氨水消耗，间接减少氨水制造过程中产生的碳排放，进一步推动水泥生产的减污降碳技术发展。

3.2 亟待开发的绿色环保技术

水泥工业协同处置技术可以大幅度减少碳排放，发改委《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》文件中指出，水泥企业生产过程中，使用的替代燃料或协同处置的废物中，可能含有生物质燃料，“这些生物质燃料燃烧所产生的二氧化碳，被视为无气候影响，不需进行核算和报告”；中国建筑材料联合会《建筑材料工业二氧化碳排放的核算方法》中指出[2]，“易燃的可再生能源和废弃物包括固态和液态的生物遗体、沼气、工业垃圾（含用于燃料的煤矸石）和城市垃圾，易燃的可再生能源和废弃物碳排放视为零”，可见国家政策在积极鼓励发挥水泥窑的环保功能。

图4是国际能源署（IEA）发布的2018年水泥熟料能耗及替代燃料（AF）使用情况[8]，由图4可以看出，中国水泥工业替代燃料的比例不到2%，而欧美等西方国家替代燃料的比例普遍较高，个别地区超过50%，未来中国水泥工业向高质量发展必然会加大替代燃料的比例。采用生物替代燃料、协同处置垃圾、电石渣替代石灰石等资源化综合利用是今后中国实现碳减排的重要手段。

图4 国际能源署（IEA）给出的水泥熟料能耗及替代燃烧（AF）使用情况（2018年）

3.3 其他碳减排及零碳技术展望

要实现水泥生产“碳中和”，必须从生产源头开始考虑，实施碳减排、碳捕捉、碳利用三步骤，进行长远布局。当下应从减少直接排放和间接排放两个方面着手，减少碳酸盐和化石能源的使用。2020年12月，《新时代的中国能源发展》白皮书中提出，发挥科技创新第一动力作用，优先发展非化石能源，推进能源革命，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系。光伏发电、风力发电在国内已有应用案例，氢能、太阳能光热技术也是水泥技术研究热点[9，10]，在发挥传统节能减排技术优势的同时，发展新能源技术是进一步减少化石燃料燃烧碳排放和电力间接碳排放的重要途径之一。

水泥生产全产业链的碳减排、碳捕捉、碳利用是实现“碳中和”的三大热点研究方向。除了研发绿色低碳技术装备外，发展LC3、低碳水泥、CO2养护混凝土等可以重构低碳胶凝材料体系[11]，减少碳酸盐和化石燃料使用，进而减少碳排放；在减少碳排放到极致并提高废气二氧化碳浓度的基础上，辅之以碳捕捉及碳利用[12，13]，可以进一步捕捉水泥废气中的二氧化碳并加以利用，进而实现水泥工业的“碳中和”[14，15]。

由此，提高能源效率、使用替代燃料、构建低碳水泥材料体系，辅之以碳捕捉、碳利用[16，17]，实现多维度减污减碳组合方案，是未来实现水泥工业零碳排放的潜力技术路线。目前这些技术应用的障碍最主要的是技术经济性问题，随着碳交易的展开、交叉学科技术的逐渐成熟，更多减污降碳技术将逐步走向市场应用，推进水泥工业实现零碳排放。

4 结语

本文从水泥生产的工艺过程分析出发，提出了采用元素守恒计算碳排放的简易方法，分析了碳排放的影响因素。持续进行节能减排技术升级，提高能源效率、加大替代燃料比例是行之有效的碳减排技术措施。随着技术的逐渐成熟及成本的逐步下降，新能源、新材料、碳捕捉、碳利用等新技术也将突破瓶颈，助力水泥行业实现“双碳”目标。