低碳經濟背景下水泥工業減碳路徑與對策研究

李嶺 劉池一

[摘 要] 本文對如何減少水泥工業碳排放進行了論述，對幾種可能的減碳路徑進行了比較。分析了減碳路徑實施過程中的障礙和困難，最后提出了減少水泥工業碳排放的對策，認為提高水泥工業的集中度、相應的人力支持以及一定的政策鼓勵是減少水泥工業碳排放的關鍵對策。

[關鍵詞] 減碳路徑； 碳捕捉； 水泥； 對策

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 03. 053

[中圖分類號] F062.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）03- 0115- 02

1 減碳路徑

水泥生產中CO2氣體排放的主要來自于生料中碳酸鹽的分解、燃料的燃燒和消耗電力導致的間接排放。若要有效地減少水泥生產的碳排放量，需要從這3個方面入手研究有效的減碳方法，降低水泥生產的氣體排放量，達到預期的減碳目標，緩解溫室氣體對世界環境造成的破壞[1]。

水泥的制造原料是含有石灰石等碳酸鹽成分的生料，由于碳酸根的不穩定性，碳酸鹽經過高溫煅燒就會受熱分解出CO2氣體，所以行而有效的方法是采用碳酸鹽成分低的原料進行生產；在燃料燃燒方面，可以采用的方法包括采用助燃劑幫助燃料充分燃燒，提高燃料的產熱效率，從而減少燃燒的燃料用量，減少CO2氣體的排放，也可以使用替代燃料代替現有的燃料；電力的消耗是水泥生產的全過程都需要的，燃煤發電的排碳率并非我們可以降低的，所以我們需要從水泥的生產環節和工藝入手減少用電總量，從而達到減少CO2氣體排放的目的[2]。

1.1 電石渣代替生料生產水泥

生料的主要成分是碳酸鈣，所以替代物中也需要有鈣，但是不能含有碳酸根。符合這個要求的物質就是電石渣。電石渣是生產聚氯乙烯產生的工業廢料，可通過電石（CaC2）水解后產生，其主要成分是Ca（OH）2。

CaC2 + 2H2O → C2H2↑ + Ca（OH）2↓

按照CaC2和Ca（OH）2的分子量進行簡單估計，每噸電石經過反應可以得到1.18噸Ca（OH）2。因而如果不能將電石渣利用于其他生產，將會占據大量的空間囤積堆放這種工業廢料。而且電石渣容易流失擴散，會導致周圍的水源污染，土地堿化。如果能將電石渣用于水泥的生產，則不僅可以解決電石渣的處理問題，還能減少水泥生產過程中的CO2氣體排放，保護環境。

水泥生產的生料中主要成分是石灰石，1噸水泥熟料的產出大概需要1.28噸的石灰石。石灰石中80%的成分為CaCO3。如果換成電石渣，按照Ca元素平衡計算：

CO2 ～ CaCO3 ～ Ca（OH）2

44 100 66

x 1.28t × 80% y

■ = ■ = ■

x = 44 × 1.28 × 80% ÷ 100 = 0.45056 t = 450.56 kg

所以，如果用電石渣生產水泥，每噸水泥熟料將會減少450.56 kg的CO2。水泥熟料和水泥的換算比例系數為0.85，則使用電石渣生產每噸水泥可以減少450.56 × 0.85 = 383 kg的CO2氣體排放[3]。

1.2 減少燃料燃燒的CO2排放

燃料的燃燒產生的CO2也是水泥生產過程中CO2氣體排放的重要組成。煤炭用于直接燃燒時都是不能完全燃燒的，這造成了煤炭熱能的浪費。若能從提高煤炭燃燒的效率方面進行改進，通過添加助燃劑來提高煤炭燃燒的效率，不僅可以減少煤炭資源的消耗，還可以減少CO2的排放。

利用助燃劑提高燃料的燃燒效率一直是眾多學者們關注的重點，經過他們不懈的努力，已經得到了一些可以用于工業生產中的成果。添加助燃劑能夠提高煤炭燃燒效率的原理主要是改善煤炭的燃燒特性，降低煤炭的著火點，加快燃燒的速度，提高鍋爐熱效率。

根據已有的數據可以知道，燃煤添加劑可以提高鍋爐熱效率10%以上，省煤15%～25%。按照省煤20%的效率來計算，在不添加助燃劑的情況下，每噸熟料的生產需要0.15 t的燃煤。添加助燃劑后每噸熟料需要的燃煤量為0.15 t × 80% = 0.12 t，同時可以得到CO2排放量為295 kg，即每噸水泥的生產，煤炭燃燒產生250 kg的CO2氣體。

目前，發達國家中很多已經利用替代燃料進行水泥生產了，例如德國海戴爾伯格水泥集團中的已經存在了替代78%和66%化石燃料的兩個水泥廠；美國水泥生產中5%的燃料來自于廢棄物；奧地利水泥廠使用廢塑料、廢紙張及一些復合材料代替了70%的化石燃料。通過這些廢料的利用，減少了化石能源的進口，降低了外匯支出，從而保障了國家的能源安全不會受到世界能源價格上揚的沖擊[4]。

對于中國的國情來說，利用廢料作為替代燃料沒有被大范圍推廣是有我們自身的特殊原因的。我國是煤炭開采大國，所以煤炭的價格較為便宜，而且可以直接用于生產，如果使用廢料作為替代燃料進行水泥生產，水泥企業還需要對替代燃料進行預處理，建設相應的設備，引入先進的技術，這些投資都比較高。因此，受到市場利益驅動而還未擁有太多社會環保利廢責任感的企業決策者們并未對替代燃料有太大的興趣。但是為了順應國際上節能減碳的發展要求，采用替代燃料進行水泥生產將會成為我國水泥行業的發展趨勢。

1.3 水泥生產的節電減排

電力的消耗是水泥生產中的又一重要資源消耗，并且伴隨著水泥的生產過程，無法替代。我國的發電模式主要為火力發電，即通過燃燒煤炭等化石燃料產生大量的熱將水變成水蒸氣，水蒸氣帶動汽輪發電機發電。所以減少電力的消耗就意味著減少了化石燃料的燃燒和CO2氣體的排放。

水泥生產過程的節電措施可以從兩個方面著手。首先，優化水泥生產的工藝流程，改進機電設備從而減少電力的消耗；其次，水泥生產過程中原料會經歷從高溫煅燒到低溫冷卻的過程，這個過程浪費了大量的熱能。如果這些能量能夠被再次利用，即用于水泥生產的其他環節，則可以減少電力消耗，從而間接地減少了生產成本和CO2的排放，在經濟上和環境上都有是有利的。

在對現有的水泥廠機電設備進行測試后，可以發現水泥行業中設備不合理致使電力浪費的現象較為普遍和明顯，主要表現為輸送設備電機負載率低、入窯風機防封運行、球磨機無功消耗大、功率因數低等問題。針對不同的原因可以分別采取加裝電機輕載節電器、加裝電動機變頻調速裝置和采取相機的節電措施。

在水泥生產中，如果可以利用好熟料生產后窯尾產生的300 ℃以上的余熱，將這些熱量進行回收重復利用，用于水泥生產后續的工藝環節，則不僅可以節約發電用煤，還可以減少碳排放，具有很強的社會效益和環境效應。經過對具體水泥廠的數據采集和調研，水泥生產采用余熱發電重復利用可以減少25%的電力消耗。結合優化的工藝和設備，水泥生產中的電力消耗可以減少40%～45%，所以每噸水泥生產電力消耗的氣體排放可以減少到約60 kg。

1.4 其他可以實施的減碳方法

二氧化碳氣體的減排除了從排放的源頭處采取措施減少產出量外，還可以對產生的氣體進行處理，從而減少二氧化碳對環境的影響程度。國際上對于溫室氣體減排采用的技術主要分為3類：讓能源高效率利用、使用替代燃料和能源、二氧化碳的捕獲和封存技術。水泥生產企業作為二氧化碳排放大戶，如果排放的二氧化碳也可以被回收利用，經過分離、捕集、封存和固定使其不會再影響環境，封存和固定后還可以方便再次利用，則對于經濟和環境都具有重大的戰略意義。

碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術是指將CO2從排放源分離，經富集、壓縮并運輸到特定地點，注入儲層封存以實現CO2被捕集的與大氣長期分離的技術。這項技術是一系列相關技術的集成，包括捕集技術、運輸技術和封存技術，主要應用對象是排放氣體規模較大的排放源。這意味著單個工廠或者生產線想單獨實現并應用這項技術的成本和難度都非常高，單個水泥廠或者鋼鐵企業這樣的排碳大戶都不可能將這項技術應用到自己產品生產的工藝流程中。那么，這種可以實現零排放的理想化減碳技術如何才能應用到生產當中呢？答案是依靠國家的關注與支持，政府、科研機構和企業能從不同的層次為這項技術的實現提供幫助。

2 實施中的局限和難題

前文中對減碳技術的研究都是在理想狀態下考慮的，而且僅僅把實施后的成果作為研究的主體，忽略了這些技術或工藝方法在實施中的難度和投入。例如在用電石渣生產水泥中，因為電石渣來源于乙炔的生產，所以得到的用于生產水泥的電石渣漿的含水量達到75%～80%，正常流動時的水分為50%，所以電石渣不易流動，其運輸和存儲都存在一定的難度，且電石渣脫水困難，是不易處理的工業廢料。此外，電石渣的物理性能和化學成分與石灰石都不同，所以在生料煅燒過程中兩者的化學反應是不同的，電石渣中的Ca（OH）2在溫度達到550 ℃以上時就會分解出CaO，所以其會在預熱器中進行分解而不是在分解爐中進行，過早出現的游離的CaO因為活潑的性質很容易和生料中的其他氧化物發生反應，這也與石灰石的配料不同。在水泥生產中，人們往往會希望電石渣所用的比例盡量高，甚至達到100%替代石灰石，但是電石渣分解會產生大量的水分，導致廢棄成分中水蒸氣的比例增加，已經分解的氧化鈣就會吸水形成氫氧化鈣因而黏附性增加。當水蒸氣與窯氣中的有害成分發生凝聚反應而循環富集時，則更容易產生結皮堵塞現象。所以如何控制電石渣的比例從而不會影響水泥的生產質量是電石渣代替石灰的技術能夠得以實施的關鍵。

在使用廢物替代燃料進行水泥生產中也會面臨廢料的成分是否會影響水泥質量的問題。如果廢料的燃燒產物與水泥生料成分相似，那么對水泥質量的影響不會很大。另外在廢料燃燒后排放的廢氣是否會對環境造成更加嚴重的影響也是我們需要考慮的問題。如果燃燒廢料后排放的廢氣不僅會影響環境甚至對人體健康產生危害，那么使用廢料代替燃料的這個做法就得不償失了。

將余熱重復利用這項技術的實現需要有將熱能轉化電能的設備和技術作支撐。目前我國已經有可以實現余熱發電的水泥廠，但還存在一定的問題，包括主蒸汽參數與現有汽輪機相適應的問題、熱力系統問題、套頭熟料冷卻機廢棄取熱問題和200℃以下低溫廢棄余熱的利用問題等。只有這些問題能夠得到解決，余熱重復利用這項減碳技術才能真正達到成熟從而大規模應用于水泥的生產中。

3 減碳對策

經過以上的分析可以看出，我國水泥生產的減少碳排放工作還有很大的發展空間，在積極尋找和創新減碳技術的同時，還可以在其他方面采取減排的對策措施，從而更加全面地減少水泥生產的碳排放。

3.1 提高集中度

目前我國生產水泥的小企業數量多，但每個水泥廠的產量并不大。這樣的零散生產模式勢必會造成能源的浪費和大量不必要的碳排放。而且小型水泥生產企業能力有限，沒有條件將最新的節能減碳技術應用到生產中。對此，國家可以通過相關政策將小規模的水泥企業整合集中，實現資源共享和流程互通，并且統一更新減碳設備和流程，從而實現碳減排。

3.2 提高技術水平和人員素質

水泥生產的碳減排需要專業的人員和先進的技術，因此國家應該鼓勵相關的專業人員積極投身到水泥生產的減碳技術研究中，并且提高水泥生產流程中相關操作人員的專業知識水平，增強他們減碳生產的意識，從而在細節中減少碳排放。國家還要增加對減碳技術研究的投入，更新水泥生產設備，積極淘汰落后的高碳排放的機器，更新水泥生產設備，將最新的減碳技術應用到生產中，實現減碳效率的最大化。

3.3 一定的政策支持

國家在水泥生產的減碳措施實施上可以出臺一些相關的政策，支持和激勵水泥企業低碳生產。例如對于在保證水泥質量前提下減碳效果顯著的水泥企業減少稅收、讓減碳效果好的企業優先競標大型工業項目的水泥提供商、定期對水泥企業的低碳效果進行評優從而提升低碳水泥企業的知名度和影響力等。這些政策都是可以促進和激勵水泥企業走低碳生產道路，從而實現整個水泥工業的低碳生產。

主要參考文獻

[1] 縱振海，馬林，田之文. 利用干排電石渣生產水泥的技術難點[J]. 水泥，2009（11）：22-23.

[2] 許京法. 利用電石渣煅燒水泥熟料的生產工藝[J]. 水泥，2005（9）：13-18.

[3] 馬林. 利用電石渣生產水泥的研究[J]. 中國水泥，2009（3）：72-74.

[4] 唐金泉，常子岡. 水泥窯純低溫余熱發電的若干問題[J]. 水泥，2005（4）：5-10.