水泥工業CO2 環境負荷及對策分析

劉 迪（遼寧省環境科學研究院，遼寧 沈陽110031）

1 引言

水泥工業是國民經濟建設的支柱產業，也是資源和能源消耗型產業，多年來一直是大氣污染重點行業。新型干法水泥工藝是目前世界上最先進的水泥熟料生產工藝，其在環保方面的優勢更為明顯。盡管如此，由于其自身特性，其大氣環境負荷仍相對較高，作為最主要的溫室氣體的CO2更是水泥生產過程中的排放大戶，應給予足夠的重視。

2 CO2 環境負荷分析

按水泥生產的生命周期考慮，CO2的環境負荷包括很多方面，除了水泥生產過程外，還包括水泥生產過程中消耗的煤和電力兩項能源在生產過程中的環境負荷，這里只考慮水泥生產過程中的環境負荷。

2.1 CO2 的來源

水泥生產過程中產生的CO2主要來源于兩個方面：原料石灰石的分解釋放、煅燒水泥熟料所用的燃料（煤）燃燒釋放。

（1）碳酸鹽分解產生的CO2

眾所周知，碳酸鹽在高溫條件下分解不僅會產生水泥熟料必需物質CaO，同時還產生CO2。石灰石中主要成分為碳酸鈣，不同礦山所產礦石的品位不同，能夠作為水泥熟料生產原料的石灰石品位應在45%～48%以上，另外石灰石中還含有少量的碳酸鎂。在煅燒水泥熟料過程中，這兩種物質都會分解，產生CO2。

化學反應方程式為：

（2）燃料燃燒產生的CO2

水泥生產過程中所用燃料分為熟料燒成用燃料和原料烘干用燃料，目前的新型干法水泥生產工藝采用窯尾余熱對原料進行烘干，減少了因這部分燃料燃燒產生的CO2。

用于新型干法水泥熟料燒成的回轉窯熱源，主要由煤粉提供。

窯內煤粉燃燒過程如圖1[1]所示。

圖1 窯內煤粉燃燒過程

2.2 CO2 環境負荷計算方法

國內相關法律法規及排放標準中尚未對CO2的排放進行規定和限制，因此目前所有生產線的排放數據中都不包括 CO2的排放情況，這里采用理論計算法確定CO2的環境負荷。

燃料燃燒部分可采用熱量碳當量法計算[2]，1J 熱量燃料的二氧化碳排放量相當于8. 494 342×10-8kg。噸水泥釋放二氧化碳的總量是Q1和Q2 之和。

碳酸鹽分解產生的CO2：

燃料煤燃燒產生CO2：

式中：

Q1、Q2—CO2的排放量（kg/t）；

B1—原料石灰質用量（kg/t）；

B2—燃料煤用量（kg/t）；

η1—原料中CaO 含量（%）；

η2—原料中MgO 含量（%）；

Qar—燃料煤的低位發熱值（kJ/kg）；

44—CO2分子量；

56—CaO 分子量；

40—MgO 分子量。

2.3 CO2 環境負荷案例分析

選擇5 家國內有代表性的新型干法水泥生產企業（簡稱為水泥A 廠、水泥B 廠、水泥C 廠、水泥D廠、水泥E廠）進行CO2環境負荷案例分析。

根據上述計算方法和調研水泥企業情況，計算出調研企業生產單位功能水泥所引起的CO2環境負荷數據，如表1 所示。

由表1 可見：目前新型干法水泥企業單位功能水泥所引起的CO2環境負荷在500 kg/t·產品左右。與同期粉塵、NOX、SO2相比，環境負荷最大且比較顯著。

3 降低CO2 環境負荷對策

表1 調研水泥企業CO2 環境負荷（kg/t·產品）

降低CO2的環境負荷對策主要有四方面：

（1）從提高生料的易燒性、提高燃燒器的效率、用可燃廢料作替代燃料等方面來降低熟料燒成熱耗[3-5]。

（2）采用替代原料降低石灰質原料用量、在保證水泥熟料性能的前提下降低熟料組成中CaO含量[6-7]。

（3）將新型干法水泥生產線回轉窯窯尾和窯頭產生的高溫廢氣用于原料烘干和余熱發電[8]。

（4）通過CO2分離回收技術將其再利用，從而達到CO2的“零”排放[9]。

4 結語

通過采用理論計算法確定目前新型干法水泥企業單位功能水泥所引起的CO2環境負荷在500 kg/t 產品左右，與同期粉塵、NOX、SO2相比，環境負荷最大且比較顯著，應引起重視并積極研究和開發降低其環境負荷的對策。

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