水泥工业低碳发展技术概述

水泥工业低碳发展技术概述王新频【摘要】本文从当前CO2减排形势入手，结合我国低碳发展路线图目标，详细介绍了开发监测、报告和核查(MRV)系统、提高能源效率、替代原燃料的应用、降低水泥中熟料掺量和碳捕获与封存(CCS)几种水泥工业低碳发展技术对CO2减排的影响,配合适当的政策支持，我国的水泥工业低碳发展一定前景广阔.【期刊名称】《水泥工程》【年(卷)，期】2018(000)001【总页数】4页(P68-70,82)【关键词】提高能源效率;MRV;替代原燃料;碳捕获与封存(CCS);低碳发展路线图【作者】王新频【作者单位】建筑材料工业技术情报研究所，北京100024【正文语种】中文【中图分类】TQ172.61CO2减排形势自1994年《联合国气候变化框架公约》生效后，全球正式进入低碳减排时代。2015年12月通过的《巴黎协定》是继《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》之后，人类历史上应对气候变化的第三个里程碑式的国际法律文件，将为2020年后全球应对气候变化行动做出安排。我国〃十三五”期间，单位国内生产总值二氧化碳排放和能耗将分别下降18%和15%，非化石能源占一次能源消费比重将提高至15%，于2017年启动碳交易市场，逐步削减氢氟碳化物的生产和消费。水泥行业〃十三五”期间，力争全部在产生产线的能耗达到《水泥单位产品能源消耗限额》标准要求，排放达到《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915—2013)标准要求；〃十三五”末期，力争60%以上水泥生产线的节能减排指标达到国际领先水平。科学家预测，本世纪全球平均气温将上升2~4^,CO2排放量超限被公认为是全球变暖的主要因素。水泥行业是一个主要的工业温室气体排放源，约占全球人为温室气体排放的5%。国际能源署(IEA)研究表明，按照现行的政策和预测市场需求，从目前到2050年CO2排放量减少一半，水泥行业需要将CO2排放量从2.34Gt/a减少到1.55Gt/a[1]。可见减排形势严峻，责任重大。2我国低碳发展路线图目标明确应对气候变化战略目标。研究提出我国22年后控制温室气体排放行动目标，明确23年低碳发展主要目标和路线图。发布实施《国家应对气候变化规划(2014—2020年)》，安排部署我国22年前应对气候变化总体工作。继续推进应对气候变化立法，完成法律草案初稿。将节能减排降碳目标作为约束性指标分解落实到各级地方政府和重点企业，加强目标责任考核，形成转变发展方式的倒逼机制。推动绿色低碳循环发展。优化产业结构和能源结构，加快发展服务业和战略性新兴产业。大力发展清洁能源，继续推进节能提高能效，实施重点领域、重点企业节能技术改造，大力发展循环经济。开展低碳发展试点示范。在6个省和36个城市开展低碳省区和城市试点，探索在不同地区尽快达到碳排放峰值的有效路径，建立和完善低碳产品、标准、标识和认证制度，编制并发布国家重点推广的低碳技术目录，组织开展氢氟碳化物削减重大示范项目，继续推进碳捕获和封存示范工作。（4） 加快推进全国碳交易市场建设。在北京、上海等7省市开展碳排放权交易试点，积极探索利用市场机制节能降碳的新路子，目前已全部实现上线交易。印发《碳排放权交易管理暂行办法》，在总结试点经验基础上，加快建立全国碳交易市场。（5） 推动气候变化国际谈判多边进程。认真做好联合国气候峰会相关工作，宣布2020年后应对气候变化的行动目标。（6） 开展国际交流和南南合作。（7） 加强宣传引导和公众参与。3水泥工业低碳发展技术3.1开发监测、报告和核查（MRV）系统[2]根据统一标准开发出对水泥企业的能源消耗和二氧化碳排放量实施在线监测、报告和核查（MRV）系统：（1）监控能源和二氧化碳排放等关键绩效指标（KPI）；（2）不定期地组织第三方核查，确保公平公正；（3）比较不同公司在国内和国际定位，制定切实可行的考核基准；（4）监督政策执行的有效性，并反馈给决策者；（5）MRV结果定期汇报给联合国气候变化框架公约。建议和措施：（1）建立的MRV标准要参考世界可持续发展工商理事会（WBCSD）水泥可持续发展倡议（CSI）全球MRV标准，以确保数据库的兼容性和数据的可比性，以及保证数据的透明度；（2）MRV系统应包括独立的第三方验证，数据采集应尊重企业机密；（3）应适当重视相关领域的能力建设、培训和学习。3.2提高能源效率（1）普通预热器窑改扩建成预分解窑。目前世界上少量的湿法回转窑、半干法回转窑、小型的预热器窑、小型的预分解窑及具有中国特色的机立窑等，由于其能耗较高，正渐渐退出历史的舞台，部分较大规模的普通预热器窑也改扩建成预分解窑，以提高能源利用率和能源效率。（2） 预热器改性。通过采用低压损、撒料效果好的预热器旋风筒，可以减少窑尾风机的电耗。（3） 高效熟料冷却技术。1997年丹麦史密斯公司首创并推出了第一台第四代SF型推动棒式篦冷机，到2004年推出MMC型推动棒式篦冷机，2010年以后又相继推出了最新的十字棒式篦冷机。该篦冷机热效率达到80%，热损失＜400kJ/kg熟料，高效的熟料冷却技术，可以大大提高能源效率。（4） 余热回收（WHR）。通常，大部分的熟料烧成过程的余热用于粉磨过程中烘干原料、煤、石油焦、高炉矿渣；对于规模4000t/d以上的新型干法生产线都采用了余热发电。这些措施都能有效地利用水泥生产的余热，提高能源利用率，降低能耗。（5） 富氧燃烧技术。使用富氧燃烧（氧浓度〉21%）可以有效提高煅烧温度，增加替代燃料的使用比例，降低化石燃料用量，不仅可以提高生产能力，提高能源利用率，而且有利于碳捕获。（6） 升级工厂自动化控制系统。减少控制系统波动就可以减少不必要的燃料和电力消耗，如系统压力和温度的控制。因此有必要升级工厂自动化控制系统。（7）使用立磨（VRM）和辊压机（HPGR）。粉磨能耗是水泥生产的主要能耗，使用节能型设备和工艺流程可以有效降低能耗，立磨和辊压机组成的联合粉磨系统或终粉磨系统要比传统的管磨机和球磨机粉磨效率高，产量高，能耗低，而且细度完全能够满足要求。（8）其他。另夕卜还有一些措施也可以提高能源利用效率。如，增加窑的容量、采用高效选粉机、优化球磨机操作参数、采用变频控制、采用陶瓷球研究体等BAT技术。3.3替代原燃料的应用（AFR）水泥生产中主要原料是石灰石，其是产生CO2的主要因素，因此如果能全部或部分替代石灰石生产，自然能减少CO2的排放。目前，我国很多水泥企业都在采取各种措施来降低对石灰石的需求，如废电石渣等。替代原料在我国的应用已经非常普遍，有的同时利用各种废渣达到9种之多，几乎全部替代了石灰石和黏土配料。水泥工业一般以化石燃料如煤、重油和天然气提供所需的热能。在20世纪50年代初，废轮胎作为二次能源在德国水泥行业首次使用。在20世纪80年代末和90年代初，全球经济不景气的背景下，许多水泥企业为降低运行成本，开始采用替代燃料。美国和欧洲的水泥厂已开始采用一些危险废物燃料，像废油、废塑料、废旧轮胎和污水污泥等。由于物料可以在水泥回转窑高温下长时间停留，使得熟料具有固废能力，能吸收和固定污染物（如重金属和碱）。肉骨粉（MBM）是从屠宰场得到的一种潜在的替代燃料。除此之外，农业废物、工业废物和废电解池（SPL），最近被确定为水泥行业的替代燃料［4］。替代燃料比化石燃料更便宜，可以为水泥企业降低生产成本，减少不可再生能源的利用，减少排放，保护环境。有的替代燃料还可以补充水泥生产中的原材料需求。例如，废旧轮胎上的钢丝可用来替换原材料中所需的部分铁的含量。替代燃料在我国的应用水平较低，平均不到2%，而在欧美等发达国家，水泥工业的化石燃料替代率达到了40%以上，有的达到了70%［5］。近几年，我国替代原燃料的种类开始增加，尤其近些年，水泥窑协同处置城市生活垃圾、污水污泥、木耳菌渣、麦桔、甘蔗渣、工业废油、废油漆等越来越普遍。3.4降低水泥中熟料掺量熟料生产是水泥工业CO2排放的主要来源（化石燃料的燃烧和石灰石的分解都产生CO2），而熟料可以部分由其他矿物成分所取代，如石灰石、粒化高炉矿渣（矿渣）、粉煤灰或火山灰等单掺或混掺等多种方式替代熟料生产各种水泥。另外，还有少C3S、少熟料水泥品种，如贝利特水泥、硫铝酸盐水泥和复合水泥等。因此，降低水泥和混凝土中的熟料含量是减少二氧化碳排放的主要手段之一。3.5碳捕获与封存碳捕获与封存(CCS)是一种新技术，在水泥生产中尚未得到工业规模的验证，但前景广阔。二氧化碳在释放时被捕获，压缩成液态，然后用管道运输，永久地封存在地下深处或3000m的海洋深处。王新频等［6］介绍了几种试验较为成熟的CO2捕获技术，如，燃烧后捕获(化学吸收法、膜分离法及钙循环法)、富氧燃烧技术(窑和分解炉全富氧燃烧、只分解炉局部富氧燃烧)及与电厂联合捕获等。从技术角度来看，在2020之前，水泥行业的碳捕获技术不大可能实现商业化。在此之前，需要进行早期研究和中试，以获得这些新开发技术的实际经验。而且由于CCS的投资和运行费用较高，预计4000~5000t/d以下规模的生产线将不适宜配备CCS技术。表1为年产200万t熟料生产线采用燃烧后化学吸收法碳捕获的成本估算［3］。表1年产200万t熟料生产线采用燃烧后化学吸收法碳捕获的成本估算时间20302050投资/(M€)100~30080~250运行/(€/t熟料)10~5010~404需要的政策支持［3］4.1促进采用最佳实用技术(BAT)取消能源价格补贴，促进水泥企业采用先进的节能技术。(2)逐步淘汰落后产能和落后技术。加强国际间的合作，收集可靠的能源和排放数据。制定和执行水泥工业能效和二氧化碳排放的国际标准。分享提高水泥行业能源效率和减少二氧化碳排放量的最佳做法政策。4.2鼓励和促进增加替代燃料的使用(1)政策制定者促进利益相关者和公众理解替代燃料在减排中的作用。例如，在挪威国家废物政策中，水泥窑处置是危险废物管理的首选方法。（2） 从国家和地方层面立法，确保替代燃料的使用激励性的政策不受限制。（3） 政府引入生态工业理念促进循环型社会的概念，例如英国的国家工业共生项目（NSIP）、美国芝加哥的从垃圾到利润网络（W2P）等。（4） 确保运营商遵循通用的关于替代燃料使用的指导方针，控制和监督的公务员具备相关的技术背景。4.3鼓励和促进增加熟料替代（1） 开发新的或修订现有的水泥标准和规范，以便更广泛地使用复合水泥。例如，根据性能标准而不是组份标准，并确保被地方当局或建筑等相关领域接受。（2） 由于质量限制，目前不能使用的潜在的熟料替代品的加工技术研究和开发。（3） 国家标准化机构和认证机构应积极参与相关的培训活动，以便交流熟料替代、混凝土标准、新品种水泥的长期混凝土性能和环境与经济影响方面的经验。4.4促进和支持碳捕获和储存的发展（1） 发展CCS监管和国际合作框架，为碳捕获和储存的项目和活动提供支持。（2） 政府支持水泥行业CCS试点和示范项目的资金投入，使商业规模示范工厂和存储场所成为可能。（3） 探索和模拟水泥厂附近的运输网络和储存地点。（4） 协调区域、国家和国际级别的二氧化碳运输网络，以优化基础设施发展和降低成本。（5） 政府和工业界大力扩大宣传和支持关键利益相关者CCS的努力。5结语在当前低碳绿色发展的大背景下，水泥工业任重而道远，责无旁贷，虽然也采取了很多措施，政府也不断施压，如采取碳交易形式等，但这些都只是限制排放、促使水泥工业不断技术创新，而真正减少碳排放最有效的方式还是碳捕获与封存，其捕获效率达到90%以上[1]。相信不久的将来，碳捕获与封存技术一定会在水泥、电力、钢铁及冶金等重排放行业得到应用。参考文献IEAGHG.DeploymentofCCSintheCementIndustry[R].2013,9.BrunoV,FranciscoK,LaurentG,etal.Low-CarbonRoadmapfortheEgyptianCementIndustry[R].EuropeanBankforReconstructionandDevelopment（EBRD）,2016,10.CementTechnologyRoadmap2009:Carbonemissionsreductio