可持續發展的日本水泥工業

劉硯秋

可持續發展的日本水泥工業

Sustainable Development of Japanese Cement Industry

劉硯秋

2008年，日本水泥工業排放的CO2約占日本總排放量的4%（見圖1、圖2）。而水泥工業的特點是：要生產水泥，除了不可避免地要排放起源于能源中的CO2，而且還要排放起源于原料中的CO2（其主要原料石灰石受熱分解生成CO2，即：CaCO3→CaO+CO2）。

水泥工業是典型的耗能大戶，即能源費用占生產成本的比例很高，對于節能措施，世界各國的水泥工業，都率先把其作為最重要的課題進行攻關。目前，日本一邊開發引進各種新技術，一邊在原有的設備上采取辦法，徹底有效地利用其能源。為此，日本水泥工業的能源效率居國際先進水平。

盡管像以前那樣大幅度節能的余地變得越來越少了，但是，今后仍要盡可能地促進減排政策的落實。

普通水泥2009年各系統能源消耗比例見圖3。

1 自主行動計劃目標

圖12 008年日本各部門的CO2排放比例

圖2 2009年日本水泥工業CO2排放比例

圖3 2009年各系統能源的實際消耗比例

現在，日本水泥工業均參加了日本經濟團體聯合會的“環境自主行動計劃”。1996年12月，制定了“關于水泥工業環保的自主行動計劃”，1998年10月修訂，并確定了以下的目標值。

需要說明的是，受經濟和政策的影響，水泥行業上下變動的量很大，因此難以預測將來的情況。但是，作為削減溫室效應氣體的措施，作為可控制的指標，采用了“水泥生產單位能耗”的辦法。

1.1 目標

2010年水泥生產的單位能耗（水泥生產+自行發電+購電）要比1990年降低3.8%。

此外，上述目標要達到2008至2012年5年的平均值。

在2006年以前，目標為“3%左右”，而從2007年開始，已經明確為“3.8%”。

圖4 水泥生產的單位能耗

表1 水泥工業解決溫室效應方法的投資情況（2006～2009年）

圖5 水泥生產單位熱耗變化

圖6 單位電耗的變化

水泥生產用的能源種類包括：普通煤、重油、石油焦炭、城市燃氣和購電（不包括替代能源的廢棄物）。水泥生產的單位能耗見圖4。

1.2 覆蓋率

2010年3月底，參加自主行動計劃跟蹤調查的，有18家公司，這18家公司均參加了水泥協會。

只有3家特殊水泥公司未參加水泥協會，一家生產白水泥（裝飾用的白色水泥），另兩家生產生態水泥，分別于2001年3月在千葉縣市原市，2006年6月在東京都日出町建新廠，利用城市垃圾焚燒灰和污泥等廢棄物作為原料處理。2009年，這3家水泥公司的實際生產規模，占整個日本的0.3%。

2 為完成目標所采取的辦法

水泥工業為完成目標所采取的辦法，主要是向以下4個方面進行投資（見表1）：

（1）開展節能設備的普及工作；

（2）擴大替代能源的廢棄物使用量；

（3）擴大其他廢棄物的使用量；

（4）擴大混合水泥的生產比例。

2.1 開展節能設備的普及工作

促進節能設備的普及工作，如磨機采用輥磨，引進預粉磨設備和高效選粉機，改善燃料噴嘴，控制大型風機的旋轉等。對于占能耗70%以上的燒成系統，已經在1997年全部更換了新型先進設備（NSP或SP窯）。此外，在提高余熱利用和熱交換率等方面已經接近了極限，幾乎沒有改善余地，但是今后仍要按照自主行動計劃，做最大程度的努力。

水泥生產單位熱耗變化見圖5，單位電耗的變化見圖6。

2.2 擴大替代能源的廢棄物使用量

設置廢塑料、木屑、骨粉等燃燒設備，開展擴大替代能源的廢棄物使用量。

擴大替代能源的廢棄物使用量，成為增加預處理設備和廠內運輸等水泥廠單位電耗的一個主要原因，然而，即便會引起一些負作用，還是能降低整個能源的消耗。

替代能源的廢棄物，如果不能充分地利用到水泥工業，其廢棄物就不得不焚燒或填埋處理，這時，廢棄物中的碳成分最終會生成CO2或具有強大溫室效應的CH4（甲烷）。另一方面，水泥廠充分利用替代能源的廢棄物，僅此一項就可減少天然石灰石資源的使用量。如圖8所示，即便把水泥廠和單純焚燒設備合計起來，也會降低溫室效應氣體的排放量。

水泥生產熱耗和替代能源的廢棄物之比例變化見圖7，由于水泥工業使用替代能源的廢棄物，降低了CO2的排放量（見圖8）。

2.3 擴大其他廢棄物的使用量

充分利用粉煤灰、下水道污泥和城市垃圾等廢棄物，以降低天然原料的使用量。

幾乎不能再利用的廢棄物，經燃燒或直接做填埋處理。水泥工業把這些廢棄物作為水泥原料或燃料的替代物充分利用，削減了新建的最終垃圾處理廠，節約了處理時所消耗的能源。此外，由于再次利用含有大量CaO的廢棄物，從而也消減了源于原料的CO2，不僅削減了溫室效應氣體的排放，而且對創造循環型社會做出了巨大的貢獻。水泥產量和廢棄物使用量的變化見圖9。

2.4 擴大混合水泥的生產比例

混合水泥，是普通水泥的熟料，除了石膏以外，還摻入各種混合材制作的水泥。各種混合水泥具有不同的特征，可用于各個方面。

和普通水泥相比，熟料的比例越小，則燒成所需的能源就越少，所以要增加混合水泥的生產設備，加強發貨設備的能力。

如圖10所示，2001年以后，混合水泥的生產比例逐年減少，但是在2006年以后，盡管民間需求仍在減少，然而由于公共需求的比例增加，混合水泥的比例仍有所增加。

3 能源消耗和CO2排放的情況

3.1 能源的使用量

圖7 水泥生產熱耗和替代能源的廢棄物之比例變化

圖8 由于水泥工業使用替代能源的廢棄物，降低了CO2的排放量

圖9 水泥產量和廢棄物使用量的變化

圖10 混合水泥生產比例的變化

2009年能源的使用量和1990年相比，減少了39%,這是因為單位能耗降低了3.2%，而產量減少了38%。3.2CO2排放量

2009年，源于能源的CO2排放量和1990年相比，減少了36%，而CO2的單位排放量和1990年相比，卻增加了1.9%。

單位能耗降低，而CO2單位排放量增加的主要原因是，廠家自身余熱發電的比例上升（余熱發電和由各種電源構成的外購電源相比，CO2的單位排放量要大）。

火力余熱發電量的絕對數量，自1997年后沒有太大的變動，但是1997年以后，由于產量減少，外購電減少，結果火力余熱發電量的比例卻上升了。

為了應對這個情況，最近紛紛引進以木屑等為燃料的發電，所產生的爐灰通常是二次廢棄物，但是在水泥廠卻可以利用爐灰作為原料，所以完全不產生工業廢棄物，可以說只有在水泥廠才能夠處理這些東西。

起源于原料（源于流程）的CO2單位排放量，由于混合水泥的生產比例減少，至2006年有增加的趨勢。然而盡管民間需求減少，使用于公用工程的混合水泥比例卻在增加，因此CO2單位排放量仍有降低的趨勢。

4 廢棄物利用

圖11 2008年主要廢棄物和副產品在水泥工業的利用情況

日本水泥工業，很早以前就努力把其他工業產生的廢輪胎、粉煤灰等廢棄物和副產品，作為原料、燃料和產品的一部分加以充分利用。最近，日本各地更積極地利用下水道污泥和一般的垃圾焚燒爐灰等生活中產生的廢棄物。2008年，約有2950萬噸的大量的廢棄物安全有效地利用于水泥工業，對于減輕最終垃圾處理廠的負擔做出了巨大的貢獻（見圖11）。

廢棄物在水泥廠的利用，不僅延長了最終垃圾處理廠的壽命，而且節約了石灰石和起源于化石能源的天然資源，減少了把廢棄物焚燒、填埋處理和處理廠維持管理所產生的環境負擔。更值得一提的是，據說垃圾發電所回收的熱能，僅為20%左右，而水泥窯的熱回收率卻高達70%以上，對整個社會的節能，做出了巨大的貢獻。

目前，各廢棄物的分類處理，各循環利用方法，其平均的環境負荷數據尚不明朗，但是在將來明確這些問題時，要用LCA（低成本自動化）的觀點評估，水泥工業利用廢棄物降低溫室效應的作用，要用統計的方法論證。

5 應對溫室效應的技術

5.1 原料系統的主要技術

采用原料輥磨。和管磨相比，輥磨效率高，占地面積小，且噪音低，可用于水泥原料的粉磨。

5.2 燒成系統的主要技術

改善窯的噴煤管。根據熟料燒成情況的變化，在技術上對窯采用最合適的噴煤管。

5.3 水泥粉磨系統的主要技術

（1）用輥壓機作預粉磨設備

在管磨粉磨的前面設置輥壓機，對熟料進行預粉磨。

（2）提高礦渣的粉磨效率

已經實際應用于水泥領域，即把礦渣水泥用礦渣進行微細粉磨的制造技術。

（3）改良選粉機

第2和第3代選粉機（旋風式選粉機和離心式選粉機）可增加粉磨量，降低電耗。

5.4 其他技術

（1）控制風機轉速

改變驅動大型風機的電機轉速，在控制風機轉速的方法中，采用具有代表性的、靜止的謝爾比斯控制方式。

（2）廢塑料處理設備

這種設備采用了可把廢塑料破碎成燃燒性和主要燃料幾乎相同的技術。

（3）用下水道污泥替代原料的處理技術

日本地方政府對下水道污泥，不像過去那樣填埋、棄海，而是作為替代原料進行處理。■

TQ172.44

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2012-03-26；編輯：沈穎