水泥生产CO2 减排技术及案例分析

1、水泥生产C02减排技术及案例分析刘晶I段锐2（1.中国建筑材料科学讨论总院 绿色建筑材料我国重点试验室，北京100024; 2.北京 万强建业建筑工程，北京100096）摘 要:简要介绍了水泥生产工艺过程、C02排放源及排放量核算方法,具体阐述了从生产工 艺、生产能耗和新技术角度实施C02减排的技术措施,并列举了局部企业的减排措施、 减排效果，提出了水泥工业减排的主要技术途径。关键词:水泥工业,二氧化碳,减排中图分类号：X7010引言水泥生产过程产生的温室气体排放约占全球人类活动排放的5机1 ,我们我国水泥行业 排放的C02已占全国C02排放总量的14犷15% 2,掌握C02排放是水泥工业面临

2、的严峻挑战, 也是实现水泥工业科技进步的重要机遇。依据我国“十二五”掌握温室气体排放工作方案 指示，国内大型水泥集团乐观开展水泥产品低碳认证示范工作3,强化企业生产管理,挖掘 节能减排潜力,实现了水泥产品CO2排放的有效掌握和持续减排。本文基于认证企业的工艺流 程,分析了各项减排技术及其减排力量，以探究水泥工业的节能减排方向。1水泥生产工艺过程及CO2排放生产工艺过程水泥生产包括原料开采及运输、生料和燃料制备、水泥熟料燃烧、水泥制备及发送、余 热发电、帮助生产工艺过程、生产管理等多个工艺环节，涉及运输、破裂、粉磨、煨烧等工 艺设施,这些工艺环节和设施都需要消耗肯定的电能或热能,形成C02排放单

3、元。CO2排放源水泥生产工艺特点说明水泥企业的C02排放主要源于：1）熟料煨烧过程石灰质原料分解产生的排放；2）各种燃料燃烧产生的排放；3）电力消耗产生的排放，包括矿山开采、生料制备、熟料燃烧、水泥制成、生产管理等 过程。排放量核算方法通过大量的基础性调研、统计与核算讨论确定,水泥熟料中CaO,蛇0含量一般为64%67%1% 3%依据环境标志产品技术要求水泥4（以下简称环标水泥）规定的运营边界和 计算公式进行分析、核算,确定生料中石灰质原料分解产生的碳排放约为0. 53tC02 /t熟料； 水泥生产消耗的燃料包括各种燃煤、燃油等,由燃料的热值、相应的C02排放因子即可推算出 单位燃料燃烧时的碳

4、排放量。对我们我国不同生产规模的生产线能耗状况调研分析觉察,熟 料烧成热耗平均约为770kcal/kg熟料5,依据环标水泥规定的标煤C02排放因子，核算 得到燃料燃耗产生的C02排放量约为0.31 tC02 /t熟料;水泥生产的电力消耗也会产生C02排 放,水泥生产的全球平均电耗为111kWh/t水泥6,结合我们我国权威机构发布的电力消耗 C02平均排放因子（约为0.86tC02/MWh）,得到单位水泥电力消耗产生的CO2排放量约为0. 095to 按水泥熟料系数0.75计,核算诞生产单位水泥CO2总排放量约为726 kg,其中原料分解、燃料 燃耗和电力消耗引起的C0用昉攵量分别占55%, 3

5、2%和13%,与其他文献的讨论结果相全都 7-9。水泥生产各工艺过程CO?排放量见表1 o表1水泥生产各工艺过程C02排放量工艺过程C02排放量/ tt熟料T占CO2排放总量比例/%原料分解0.53055燃料燃烧0. 31032电力消耗0. 09513总计0. 7261002水泥生产C02减排技术通过对各工艺过程碳排放量的分析核算，可以精确把握水泥生产过程的碳减排方向,基于我们我国水泥生产企业实际运行状况及节能减排技术途径,本文将减排途径分 为生产工艺碳减排、生产能耗碳减排和新技术碳减排三个方面。生产工艺碳减排生产工艺C02排放是指能耗消耗之外的生产过程产生的碳排放，主要指石灰质原料中碳 酸盐

6、矿物分解产生的C02排放。采纳碳排放强度低的原料代替石灰质原料生产水泥熟料可以 削减相应的工艺碳排放。可采用的替代原料包括电石渣、高炉矿渣、粉煤灰、钢渣等，这些 经高温煨烧的废渣中的钙质组分以Ca0,Ca(0H)2形式存在，在生产熟料时不会释放CO2。电石 渣作为替代原料生产水泥熟料时具有最显著的减排效果，同时也是实现电石渣资源综合采用 的最有效途径,表2列出了掺加电石渣的减排效果。表2电石渣作为替代原料的减排效果电石渣掺量/ %0246810吨熟料减排 量/ kg t -107. 2414. 4821.7228.9636. 20吨熟料工艺C02 排放量/ kgt T535. 00527. 7

7、6520. 28513.28506. 04498. 80注:计算时电石渣中Ca (OH) 2含量为70%由表2可见,生料配料时电石渣掺量每增加2%,由钙质原料分解产生的工艺CO2排放可削 减7kg左右,假设电石渣完全替代石灰质原料生产水泥熟料,即可削减约530kg的工艺CO2排放。 除采纳电石渣替代钙质原料外,调整工艺操作后多种工业废弃物都能用于水泥熟料生产,不 仅能够削减化石燃料使用，降低生产本钱,同时削减地排放,实现绿色生产和循环经济的共 同进展。水泥生产可采用的替代原料如表3所示。局部钢渣中CaO含量达40%左右,假设替代20% 的石灰质原料，吨熟料可削减110kg工艺C0用昉攵。高钙粉

8、煤灰中CaO含量达10% 20%,不仅可 作为硅铝质原料,通过合理配比假设替代约2%的石灰质原料，吨水泥熟料可削减约10kg的工艺 co2排放。表3替代原料实例材料用途钢渣钙质、铁质原料粉煤灰钙质、硅铝质原料煤奸石硅铝质原料高炉矿渣铁质原料硫酸渣铁质原料建筑垃圾硅铝质原料脱硫石膏、磷石膏硫酸盐化垃圾燃烧飞灰钙质、硅铝质原料污染土硅质原料污泥硅质原料矿山废石混合材熟料替代是指用其他具有胶结性的低碳排放强度材料代替高碳排放强度的熟料来生产 水泥。其技术手段是通过提高水泥熟料强度或采纳活性混合材,在保证水泥性能的同时削减 熟料用量，增加混合材掺量。粉煤灰、高炉矿渣、水渣、自然 火山灰等活性材料和石灰

9、石 等非活性材料是常用的水泥混合材。由前述各工艺过程排放量可知单位水泥熟料的碳排放量 约为840kg,水泥中每增加1%的混合材掺量即可削减碳排放量约8kg,同时削减与熟料生产相 关的工艺、燃料和电力消耗产生的C02排放。开发低钙水泥新品种是实现C02减排的重要措施 之一。硫铝酸盐水泥熟料中CaO含量比硅酸盐水泥熟料低24%,使原料中石灰石配比显著下降, 由石灰石分解产生的工艺C02排放量相应削减。同时硫铝酸盐水泥熟料的煨烧温度比硅酸盐 水泥熟料低100,因此燃煤消耗量削减,由燃煤燃烧产生的能耗CO?也相应削减。据分析,硫 铝酸盐水泥生产比硅酸盐水泥减排C02约30% 10 o生产能耗碳减排水泥

10、生产燃料和电力消耗都会产生能耗C02排放,提高能源采用效率、水泥工艺技术水平 可显著削减能耗C02排放。采纳替代燃料是实现能耗C02减排的重要途径。替代燃料是具有较 高热值的废弃物,经加工处理后,其能源组分可代替传统化石燃料用于水泥熟料的燃烧,其无 机组分在煨烧后可与熟料相结合。由于替代燃料中通常含有局部碳氢化合物,热值相同时其 碳排放强度仅为传统化石燃料强度的80%左右。兴旺我国替代燃料应用通常采纳由专业公司 进行收集、加工，形成颗粒细小、含水量较低、热值稳定的成品供应水泥厂使用的模式。我 们我国的可燃废物数量有限、燃料热值较低,替代燃料技术仍处于起步阶段,常用的替代燃料 有酒糟、蘑菇渣、有

11、机溶剂、废油、玻璃钢等。水泥生产过程伴随着电力消耗,生料磨、水 泥磨、风机、电机等设施都是主要耗电单元粉磨设施的电耗约占全部电耗65% 75%,采纳高 效粉磨技术,可显著降低粉磨电耗，削减能耗C02排放。合肥水泥讨论院设计的HRM原料立磨 系统生料粉磨电耗约为16 kWh/ t,较传统球磨机电耗降低27%;该设施粉磨原煤电耗约为 20kWh/t25 kWh/ t,较国内平均水平下降水泥粉磨系统多采纳根压机和球磨机的 联合粉磨技术，产品电耗约为32kWh/t 35 kWh/t,与单独采纳球磨机相比单位产品电耗下降 余热发电技术是水泥行业提高热效率的有效措施，通过余热锅炉将窑头、窑尾排放 的大量废

12、气余热进行热交换回收,产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换,从而 实现发电机发电。依据我国电力监管委员会公布的发电标准煤耗335g/kWh,标煤C02排放因 子2. 75 t/t标煤计算，余热发电1kWh即削减CO2排放约0. 9kg。由此计算2500t/d,5000 t/d两 种典型规模配备余热发电工程的减排效果,见表4。表4余热发电减排效果分析依据我国工信部的有关指导意见,中国建筑材料科学讨论总院研发了水泥企业能源管理 系统，该系统可全面监测水泥生产企业用能设施、工艺流程,比照、分析生产过程能耗数据, 优化用能结构和生产工艺,建立企业能耗评估、管理体系，提高企业能源效率水平,实现节

13、能 增效。某企业采纳能源管理系统后实现能源消耗监控实时化,能够准时调整生产特别状况，工程名称2500 t/d5000t/d设计装机容量/MW4.57.5发电功率/kW3. 43. 86. 88. 8年发电量/104kWh20005000年节省标煤量/t670016750年排放CO2排量/t1842046050优化工艺操作，使能源消耗处于最正确状态,熟料标煤耗降低2. 6kg/t ,熟料综合电耗降低4. 3 kWh/t,仅适用8个月即节省标煤15420t,节省用电2531万kWh,削减CO2排放2万多吨,假设全国 10%的水泥生产企业采纳该项技术,那么每年可节省标准煤110多万吨,削减C02排放

14、310多万吨。新技术碳减排生产工艺、生产能耗碳减排都是从源头治理方面削减C02的排放,为大幅度削减C02排放, 还可以从末端处理角度对水泥工业排放的C02进行分别、捕集、封存、固定转化等。碳捕集 和碳封存(CCS)技术是在C02排放时即将其捕集,然后压缩成液体,通过管道运输到地下深层 永久贮存。水泥行业正在乐观研发C02捕集技术，燃烧后捕集因其不需要改造熟料烧成工艺, 认为最适用于新窑及旧窑的改造。2022年CEMEX在德克萨斯州水泥工厂进行商业规模的CCS 工程示范讨论，该CCS验证工程捕集高达100万tCOz。我们我国拥有世界上单厂规模最大的熟 料生产基地,年产熟料1450万t,水泥600

15、万t,年排放C021000余万吨，以捕集效率85%计,采纳 CCS技术可实现年减排CO2约800万t。3水泥生产C02减排案例分析为推动水泥行业向低碳、环保、可持续方向进展，削减水泥在生产、使用、包装、运输 和处置过程中的C02排放,国内各大水泥集团的优秀企业乐观开展节能减排技术改造,大力提 升生产工艺技术水平,显著削减生产过程和单位产品的C02排放,有力促进水泥行业的绿色转 型。中建材集团南方水泥旗下某公司长期重视科技进步,大力推广应用节能减排技术,实现 C02排放的有效掌握和持续减排。该公司自有石灰石矿山品位低，难以配料生产，自2022年起 采纳电石渣进行配料，促使窑系统稳定运行,熟料煨烧

16、质量显著改善，同时显著削减工艺C02 排放。依据环标 水泥中二氧化碳排放量计算方法，以电石渣替代10%的石灰石作生料配 料,电石渣中CaO, MgO含量分别为66%, 0. 15%计算,可得采纳电石渣后吨水泥熟料削减C02排放 约35 kg。由于窑系统稳定运行、熟料产量提高，烧成热耗显著下降，同时削减了生产能耗C02 排放。通过采纳替代原料技术,该公司2022年减排C02近3000万t,使企业顺当通过我国环境标 志低碳产品认证，为行业低碳进展、实现碳排放有效掌握树立典范。拉法基集团某公司乐观 进展循环经济，打造绿色水泥产业,企业充分采用当地资源优势,在原煤中搭配使用酒糟、蘑 菇渣等生物质替代燃

17、料,表5列出2022年该公司替代燃料采用状况。表5替代燃料采用状况类别消耗量t热值MJ/kg燃烧的CO2排放 因子kg/MJ化石碳蘑菇渣5387. 0610. 270. 110酒糟13106. 5614. 8590. 110由消耗量和热值计算可知,采纳替代燃料后年节省标煤近1万t,由于替代燃料均为生物 质燃料,其排放的二氧化碳视为碳中性,应用替代燃料后实现年减排CO2约2. 5万t。在推广应 用替代燃料技术的同时,拉法基集团普遍采纳高效粉磨技术装备,进一步降低了生产能耗、 co2排放。4结语水泥工业C02减排的主要技术途径为：1)生产工艺碳减排,如替代原料、熟料替代技术 等生产能耗碳减排,如替代燃料、高效粉磨、余热发电等新技术碳减排,如碳捕集和碳 封存技术。各项减排技术都有肯定的减排潜力,大力研发并推广应用节能减排技术将推动水 泥工业的节能减排,实现水泥工业绿色转型,进而为应对气候变化、保护生态环境做出乐观贡 献。参考文献：1顾阿伦.我们我国水泥行业温室气体排放测量和报告现状分析J.中国经贸导刊，2022(11) :54.2蒋小谦,康艳兵,刘 强,等.2022年我们我国水泥行业C02排 放趋势与减排路径分析J.中国能源,2022, 34(9) :17.3魏丽颖，汪澜.南方水泥开展低碳认证推动企业节能减排JL中国水泥,2022 (1):53.HJ 2519-2022