典型水泥廠二氧化碳排放研究

付靜吉

（河海大學 公共管理學院，江蘇南京 211100）

典型水泥廠二氧化碳排放研究

付靜吉

（河海大學 公共管理學院，江蘇南京 211100）

減少二氧化碳排放量是應對全球氣候變暖，促進經濟社會持續發展的重要途徑。以介紹分析水泥行業二氧化碳排放量的計算方法及技術路線為出發點，選取典型水泥廠作為研究對象，選擇煤炭消耗量、水泥總產量、熟料總產量、熟料中氧化鈣含量、熟料中氧化鎂含量、煤炭平均含碳量等基本數據，并對其進行復核，計算得出典型水泥廠2011—2015年的二氧化碳排放量及排放系數。發現由于水泥、熟料等產品的產量增加，2015年典型水泥廠CO2排放量83.92萬t，比2011年增加25.7％；CO2排放系數由0.92 t CO2/t熟料降低至0.85 t CO2/t熟料。

水泥行業；二氧化碳；排放量；排放系數

1 前言

目前，碳排放問題正成為全球氣候變暖問題的熱議話題。2014年，國家發改委下發了關于印發國家應對氣候變化規劃（2014—2020年）。提出到2020年，應對氣候變化工作的主要指標是：控制溫室氣體排放行動目標全面完成，單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％，非化石能源占一次能源消費的比重到15％左右，森林面積和蓄積量分別比2005年增加4 000萬hm2和13億m3。產業結構和能源結構進一步優化，工業、建筑、交通、公共機構等重點領域芾能減碳取得明顯成效，工業生產過程等非能源活動溫室氣體排放得到有效控制，溫室氣體排放增速繼續減緩。

現在許多學者的研究結果也表明[1-3]，工業發展帶動經濟增長需要靠能源消耗來拉動，而能源消耗量的增長又加大了二氧化碳的排放量。水泥行業是工業行業中重要的二氧化碳排放部門，加大水泥工業的節能減排力度是實現國家整體碳減排目標的必經之路，是保障國家經濟持續發展的重要途徑[4]。廖正光（2009）[5]通過對生產水泥的初始環節的研究，探究其減排潛力；熊華文[6]、王善拔（2010）等[7]分別以政策、環境、行業等角度對水泥行業生產情況進行了研究，得出其節能減排的途徑；陳敏（2012）[8]等對水泥行業的三種節能減排途徑進行對比分析，提出未來要加大技術方面的節能減排能力。

本文通過介紹水泥行業CO2排放量的計算方法及技術路線，對典型水泥廠2011—2015年的CO2排放量和排放系數進行了計算和復核，最后對不同學者的研究方法進行對比分析，為水泥行業二氧化碳排放量的核算方法提供一定依據。

2 研究方法

2.1 水泥行業CO2排放量計算方法

水泥生產中CO2排放主要由C原輔料（如石灰石）和燃料（如煤和燃油等）兩大部分組成，又分布在以下兩個過程中。

原輔料轉化：含C原料制成生料后，生料中的碳酸鹽礦物分解CO2，生料中的非燃料C（即有機C）燃燒釋放CO2。生料中碳酸鹽礦物在煅燒時分解直接排放CO2。

水泥窯爐排氣筒排放煙氣中含有一定量的粉塵，其中主要成分有未分解的碳酸鹽礦物、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、K2O等，這部分CaO和MgO在碳酸鹽礦物分解中產生CO2排放。窯爐旁路放風粉塵中碳酸鹽礦物完全分解釋放CO2。收集后循環利用，剩余粉塵進入排氣筒煙氣排放出，因此，可以歸入排放煙氣一并計算。生料中非燃料C燃燒。生料中非燃燒C含量約為0.1％～0.3％（干基），

燃料燃燒：用于煅燒和原材料烘干的燃料燃燒會釋放CO2，

脫硫環節：脫硫劑中的CO32-根（即C元素）分解生成CO2，

2.2 水泥行業CO2排放量核算技術路線

2.2.1 數據準備

選取統計年份、組織機構代碼、填報機構詳細名稱、行業類別代碼、行業類別、煤炭消耗量（t）、其中：燃料煤消耗量（t）、燃料油消耗量（不含車船用）（t）、焦炭消耗量（t）、熟料總產量（t）、天然氣消耗量（萬m3）、其他燃料消耗量（t標準煤）、其中：燃料煤平均灰分（％）、主要原輔材料用量1、石灰石（大理石）消耗量（基103表）（萬t）、水泥總產量（基103表）（萬t）、熟料總產量（基103表）（萬t）、熟料中氧化鈣含量（基103表）（％）熟料中氧化鎂含量（基103表）（％）、t熟料標準煤耗（基103表）（kg）、煤炭消耗量（基103表）（t）、煤炭平均低位發熱量（基103表）（kJ/kg）、煤炭平均含碳量（基103表）（％）。

2.2.2 數據審核

（1）審核流程

采用基于環境統計報表計算CO2排放量的方法時，首先需要對環境統計數據展開審核，以提高計算結果的準確度和可信性。審核應從完整性、合理性和正確性三個層面展開，其中完整性是指計算CO2排放量所需要的水泥總產量、熟料總產量、燃料煤消耗量、脫硫量等關鍵數據是否缺失；合理性是指計算CO2排放量所需要的t熟料標準煤耗、燃料煤平均含硫量、燃料煤平均含碳量、燃料煤平均低位發熱量、熟料中氧化鈣含量、熟料中氧化鎂含量等關鍵數據填報是否在合理的閾值范圍內；正確性是指計算CO2排放量的精度，通過計算CO2排放量/熟料總產量的比值，與其他來源的數據相比較。

（2）審核結果

發現的主要問題有：①“石灰石（大理石）原料消耗量、熟料產量、煤炭消耗量”部分數據缺失；②“煤炭平均含碳量、熟料中氧化鈣和氧化鎂含量”數據超出合理閾值；③“石灰石（大理石）原料消耗量”數據單位換算有誤。

2.2.3 處理流程

（1）首先使用熟料產量

（2）區別熟料是否自產，外購屬重復計算

（3）沒有熟料產量和石灰石（大理石）消耗量（基103表）時，只有水泥產量時，視為熟料外購。

2.2.4 統計計算

（1）碳酸鹽給料數據的使用

取得生產熟料時消耗的碳酸鹽類型（成分）和數量有關的非集合數據集、所消耗碳酸鹽的各個排放因子，計算過程減去CKD內未返回爐窯的任何未煅燒的碳酸鹽，若CKD完全煅燒或全部返回爐窯，則此CKD修正因子為零，不包括未煅燒的CKD可能會稍微高估排放。此外，石灰石和頁巖（原材料）還可能包含一定比例的有機碳（油原），而其它原材料（例如煙灰）可能包含碳殘渣，這些物質會在燃燒時產生額外的CO2。

式中CO2排放＝來自水泥生產的 CO2排放，單位為t；

EFi＝特定碳酸鹽 i 的排放因子，t CO2/t碳酸鹽；

Mi＝爐窯中消耗的碳酸鹽i重量或質量，單位為t；

Fi＝碳酸鹽i中獲得的部分煅燒比例；

Md＝未回收到爐窯中的 CKD 重量或質量（＝‘丟失的' CKD），單位為t；

Cd＝未回收到爐窯中 CKD 內原始碳酸鹽的重量比例；

Fd＝未回收到爐窯中 CKD 獲得的比例煅燒比例；

EFd＝未回收到爐窯中 CKD 內未煅燒碳酸鹽的排放因子，單位為tCO2/t碳酸鹽；

Mk＝有機或其它碳類非燃料原材料 k 的重量或質量，單位為t；

Xk＝特定非燃料原材料k 中總的有機物或其它碳的比例；

EFk＝油原（或其它碳）類非燃料原材料 k 的排放因子，單位為tCO2/t碳酸鹽。

（2）計算流程

1）熟料煅燒環節CO2排放量核算過程

CO2排放量＝熟料總產量（t）×熟料排放因子（熟料中氧化鈣含量（％）×44/56+熟料中氧化鎂含量（％）×44/40），

式中：44/56為CO2/CaO的分子質量比，44/40為CO2/MgO的分子質量比。

2）燃料燃燒同火電過程，排放因子采用該省的平均值，不計算脫硫過程。

3）生料中的有機碳燃燒CO2排放量＝生料有機碳總產量（t）×生料有機碳排放因子

生料有機碳總產量（t）＝熟料總產量（t）×0.3％，生料有機碳排放因子＝44/12

4）未回收到爐窯中 CKD 排放

未回收到爐窯中 CKD 排放量＝未回收到爐窯中 CKD產生量×EF＝0.12kgCO2/t熟料×熟料產量。

5）若無煤炭消耗量，則不計算燃料燃燒排放量。

（3）計算公式

CO2排放量＝熟料總產量（基103表）（萬t）×[熟料中氧化鈣含量（基103表）（％）/100×44/56+熟料中氧化鎂含量（基103表）（％）/100×44/40]+煤炭消耗量（基103表）（t）/10 000×煤炭平均含碳量（基103表）（％）/100×44/12+熟料總產量（基103表）（萬t）×生料有機碳排放因子（默認值0.3％）×44/12+熟料總產量（基103表）（萬t）×未回收到爐窯中CKD產生量（默認值0.12kgCO2/t熟料）/1 000

2.2.5 結果復核

對排放系數不在0.7～1.1tCO2/t熟料范圍內的進行活動水平數據審核，發現：1）熟料中氧化鈣含量缺失或超出閾值范圍，熟料中氧化鈣含量閾值范圍為60％～70％，將錯誤數據用默認值代替，默認值計算方法為本省熟料中氧化鈣產量在閾值范圍內的廠家的平均值。2）熟料中氧化鎂含量缺失或超出閾值范圍，熟料中氧化鎂含量閾值為1％～4％，將錯誤數據用默認值代替，默認值計算方法為本省熟料中氧化鎂產量在閾值范圍內的廠家的平均值。3）煤炭平均含碳量數據缺失，對缺失數據用相應省份煤炭平均含碳量的平均值代替。

3 典型廠計算結果

3.1 概況

HX水泥有限公司位于西藏山南地區，總投資額達1億以上，是西藏自治區成立以來最大的內地援藏項目，得到了國家有關部門的高度重視。年產新型干法旋窯高高標號優質水泥30萬t。

該公司礦山儲量豐富，氧化鈣含量在52％以上；質量保證體系健全；擁有先進的生產工藝和精良的生產設備，主要生產普通硅酸鹽水泥，中、低熱硅酸鹽水泥，水泥強度等級為32.5～52.5；檢測設備先進齊全。在拉薩、山南、日喀則、林芝以及那曲建立了5個市場部，開展水泥銷售工作。

3.2 計算結果

從環境統計報表中選取出相關變量，進行數據復核，2011-2015年HX水泥有限公司數據復核結果如表1所示。

表1 2011—2015年HX水泥有限公司復核數據匯總

根據表1中的數據復核結果，按照統計計算方法對HX水泥有限公司2011—2015年近五年的排放量與排放系數進行核算，計算結果詳見表2，變化趨勢詳見圖1～3。

表2 2011—2015年HX水泥廠水泥生產情況及CO2排放情況

圖1 2011—2015年HX水泥廠水泥產量、熟料產量變化趨勢圖

圖2 2011—2015年HX水泥廠CO2排放量趨勢圖

圖3 2011—2015年HX水泥廠CO2排放系數趨勢圖

與2011年相比，2015年HX水泥廠水泥總產量增加了49.94萬t，熟料總產量增加了26.40萬t，年均增長率分別為13.68％和8.05％。2011—2014年水泥總產量與熟料總產量呈不斷增長趨勢，到2015年時產量均有所下降。

2015年，HX水泥廠CO2排放量為83.92萬t，比2011年增加17.16萬t，增長25.7％；排放量增加的主要原因是水泥、熟料等產品的產量增加。CO2排放系數有所下降，由0.92 tCO2/t熟料降低至0.85 tCO2/t熟料，比2011年下降7.61％。

4 討論

4.1 CO2排放系數

邱賢榮、汪瀾[9]通過物料平衡和熱平衡測定，結合各過程的排放因子，統計計算出一段時間、營運邊界內的CO2排放量，得出統計期內（72h）水泥窯爐排放總量P和單位熟料產品排放量分別為13 292.35t和820.88（kg/t）；王靈秀、王雅明（2010）[10]采用了每生產1t水泥熟料生成0.511t CO2，對全國具有代表性的幾家水泥企業進行了抽樣檢測，指出目前國內生產能力在2500～6 000t/d的水泥企業平均每生產1t水泥熟料排放0.753t CO2。

本文根據典型廠環境統計報表統計核算情況，2011和2015年排放因子分別為0.92（tCO2/t熟料，新型干法）和0.85 （tCO2/t熟料，新型干法），變化主因是在役的新型干法生產線的比重在上升。比國家或地方清單編制采用默認的排放因子要高，與其他研究結果相比有高有低。

4.2 CO2排放量

建筑材料工業技術情報研究所對中國未來水泥產量進行了深入的研究，表示我國水泥產量將在2020年左右達到峰值，三種不同情景下分別為14.91億t、18.42億t和21.84億t，之后逐步回落，到2030年分別為8.50億t、11.43億t和15.99億t。

蔣小謙、康艷兵[11]基于水泥產量、熟料產量和單耗變化趨勢的分析，經研究計算得到：2015年我國水泥行業CO2排放將達13.2億t，比2010年增長12％；朱松麗[12]基于水泥產量預測，應用AIM模型計算了2010年我國水泥生產的CO2排放量約為20億t；韓娟、趙晨[13]根據2009年全國水泥產量為16.3億t，假設全都采用先進的新型干法工藝生產，則2009年全國水泥工業CO2的理論排放量為12.53億t。

而基于典型廠環境統計報表統計核算情況，2011和2015年分別為66.76萬t和83.92萬t，增幅為25.7％。CO2排放量有所增加，熟料產量由72.72萬t增至99.12萬t。主要是水泥產量上升所致。

[1]查建平，唐方方，傅浩.中國能源消費、碳排放與工業經濟增長—一個脫鉤理論視角的實證分析[J].當代經濟科學，2011（6）：81-89.

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[3]謝守紅，牛水霞.長江三角洲碳排放和經濟增長、能源消耗的關聯分析[J].工業技術經濟，2012（12），86-92.

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[5]廖正光.水泥礦山減排的破碎技術及節能降耗[J].中國水泥，2009 （1）：89-92.

[6]熊華文，鄭子玉，徐耀興，等.水泥工業結構調整對減少能源消耗的影響研究[J].中國建材，2004（8）：23-27.

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[11]蔣小謙，康艷兵，劉強.2020 年我國水泥行業CO2排放趨勢與減排路徑分析[J].能源與環境，2012（34）：17-22.

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[13]韓娟，趙晨，汪牡丹，等.我國水泥工業二氧化碳排放現狀與減排分析[J].海南大學學報自然科學版，2010（28）：252-256.

Study on Carbon Dioxide Emission from Typical Plants in Cement Industry

Fu Jing-ji

Reducing carbon dioxide emissions is an important way to deal with global warming and promote sustainable economic and social development.In order to introduce the calculation method and technical route of analyzing the carbon dioxide emission in cement industry as the starting point，the typical cement plant is selected as the research object.The coal consumption，total cement output，total clinker output，calcium oxide content in clinker，Magnesium content，the average carbon content of coal and other basic data，and its review，calculated a typical cement plant 2011-2015 carbon dioxide emissions and emission factors.It was found that the output of cement and clinker was increased by 83.72 million tons in typical cement plant in 2015，25.7％ more than in 2011.The CO2emission coefficient was reduced from 0.92 t CO2/t clinker to 0.85 t CO2/t clinker.

cement industry；carbon dioxide；emission；emission coefficient

TQ172.6

B

1003-6490（2016）08-0094-03

2016-08-06

付靜吉（1992—），男，河南林州人，研究生在讀，主要研究方向為土地生態。