中國水泥工業節能和減排潛力分析

李承洋 龔先政 周麗瑋 丁晴

（1 北京工業大學材料與工程學院工業大數據應用技術國家工程實驗室，北京100124；2 中國建筑材料聯合會，北京100044；3 中國標準化研究院，北京100191）

0 引言

我國水泥產量自1985年以來一直穩居世界第一， 2017年水泥產量達到23.16 億噸[1]，約占世界總產量的60%，由于水泥工業的高能耗和高排放特征，其成為我國實施節能減排的重點行業之一。2015年我國能源消耗總量43 億噸標準煤，水泥行業能耗約為1.75 億噸標準煤，約占全國總能耗的4.07%；CO2排放約為14.91 億噸，約占全國總排放的10%～12%；SO2排放約為300 萬噸，約占全國SO2總排放量的6%～7%[2]。

SO2會導致酸雨、硫酸霧等災害性天氣，對生態環境和人體健康造成嚴重的威脅；CO2是全球變暖的元兇之一。NOx通過呼吸進入人體肺的深部，可引起支氣管炎等危害。而化石燃料的燃燒會產生大量SO2、CO2、NOx排放。其中，煤炭相對于石油等能源，更容易產生SO2等大氣污染物。使得以煤作為主要燃料的水泥工業倍受關注。考慮到水泥行業在能耗和排放中的重要影響，對中國水泥行業未來的產量趨勢進行評估，并評估不同節能減排措施下的節能減排潛力顯得尤為重要。

1 水泥行業能源消耗及排放計算

隨著近幾年水泥行業的快速發展，2017年新型干法生產的水泥熟料占總量的比例已經超過99%。因此本文計算只考慮新型干法生產線。中國水泥行業的能源使用效率在近十年取得顯著進步，但整體水平仍然落后于國際先進水平，因此，節能減排依然是水泥行業的重點發展目標[3]。

1.1 水泥能耗計算

水泥工業是最典型的窯爐工業，其生產工藝的核心部分是原料到熟料的煅燒，主要能耗是原材料烘干及熟料煅燒熱量（熱）、原燃材料運輸和生料、水泥粉磨所需要的動力（如電力消耗）[4，5]。水泥行業能源消耗量計算公式如（1）

其中：En為第n年水泥行業的能耗（kg）；Qn為第n年的水泥產量（t）；en為第n年水泥綜合能耗（kgce/t）。

1.2 水泥生產CO2、SO2、NOx 排放計算

水泥生產過程中二氧化碳的排放主要來自三個過程，即：①燃料燃燒排放；②碳酸鹽分解產生的過程排放；③電力消耗所產生的電力排放[6，7]。前面兩者屬于直接排放，電力排放屬于間接排放。其CO2排放根據公式（2）計算

其中：Fg、Fr、Fd分別代表CO2過程排放因子、燃料排放因子、電力排放因子；em代表噸水泥熟料綜合煤耗（kg標煤/t 熟料）；β 代表熟料產量占水泥產量的比例（%）；ed代表噸水泥綜合電耗（kWh/t）。

水泥工業的SO2、NOx排放來自于直接排放和間接排放，其中直接排放源主要是由原料及燃料燃燒產生；間接排放是由電力生產過程中產生。其計算方程式如（3）、（4）。

其中：Sn代表第n年SO2排放總量；ZS代表噸熟料SO2直接排污系數（kg SO2/t 熟料）；JS代表電力排放SO2（kg SO2/kWh）。ZN代表噸熟料NOx直排系數（kg NOx/t 熟料）；JN代表電力排放NOx（kg NOx/kWh）。

2 中國水泥產量的預測

在進行水泥工業節能減排潛力分析，必不可少的要對水泥產量的未來趨勢進行預測，根據發達國家的經驗，當人均累計消費量達到20-25 噸時，水泥消費量達到飽和。歐美發達國家的峰值約出現在20 噸，而日本為23.5 噸，中國臺灣為25.8 噸。中國，截止2017年水泥的累計消費量已經達到26 噸之多。圖1為人均水泥消費量與水泥產量趨勢圖，2000-2014年，我國人均水泥產量增速明顯，2014年達到高點1822kg/人，之后逐漸回落[10]。1998-2017年我國水泥產銷率始終保持在95%～98%之間，從全國范圍來看，我國水泥的消費量可以近似等于水泥產量。因此，水泥產量的增長速度和消費量的增長速度基本一致，兩者之間存在長期協調關系。人均水泥消費變量可以很好地解釋水泥產量變化。

圖1 人均水泥消費量與水泥產量趨勢圖

參照國際上不同國家的發展情況，建立了如下三種水泥發展趨勢如圖2（人口數據來源于《國家人口發展規劃（2016-2030年）》）：

1）基準情景：簡稱“M”，水泥工業“十三五”規劃中指出到2020年去掉4 億噸水泥熟料產能，熟料產能利用率達到80%。到2020年，熟料產量應該達到12.768噸，以2015年熟料與水泥比56.86%， 2020年水泥產量預計22.455 噸，人均水泥消費1633 kg。到2025年，進一步假設人均水泥消費量穩步下降到1167kg，并在2030穩定在750 kg。

2）低位需求預估：簡稱“L”，參照美國等水泥行業較發達國家的水泥消費長期趨勢。假設水泥產量峰值出現在2014年，對應人均水泥年消費量為1811kg。2020 之后，達到1500kg（參考日本、德國），然后在2025年穩步下降到1050kg。之后，由于飽和效應，人均水泥消費量進入穩定期穩定在600kg 水平。

3）高位需求預估：簡稱“H”，由于中國達到飽和時，人均水泥累計消費量同韓國、中國臺灣的相似，所以可以作為參考。人均水泥消費量在2020年緩慢下降到1700 kg，進一步到2025年1275 kg 。

圖2 中國水泥產量預測

3 水泥能耗及排放預測

首先基于方程（1）、（2）、（3）定義當前技術水平下的基準情景，然后通過逐步實施各種節能減排技術達到最佳技術水平見表1，從而定義其他情景：

1）情景1：即當前技術情景，參照2015年技術水平。未來的能耗及排放隨水泥產量的變化而變化。

2）情景2：能耗改進情景，即熟料綜合能耗，水泥綜合電耗在2040年之前逐步到最佳技術水平。參考《全國工業能效指南》中標桿企業單位產品能耗及電耗水平。其他技術參數保持2015年技術水平不變。

表1 中國水泥工業的目前與最佳技術水平

3）情景3：替代改進情景，替代原燃料比例的提升，電力結構的調整。SO2、CO2、NOx排放因子和水泥熟料比例逐漸達到最佳技術水平。其他技術參數保持不變。

4）情景4：理想情景：所有技術水平都在2040年之前逐步達到了最佳技術水平。

本文在預測水泥能耗方面，只考慮在理想情景下。

4 結果分析及討論

4.1 不同技術情景下水泥工業2015年-2040年能耗及排放趨勢

圖3分別代表不同水泥產量、技術背景下中國2015年到2040年能耗及排放量趨勢圖。由圖分析，較高的水泥產量通常對應較高的能源消耗和排放，說明未來水泥行業的能耗及排放將受到水泥產量的直接影響。2015年-2030年，能源消耗及排放顯著下降，2030年-2040年緩慢下降。因為，在2030年之前，由于我國水泥工業產量達到飽和，呈現下降趨勢，加之單位產品能耗、碳捕捉技術、SO2系數技術、替代原燃料應用等具有較高的發展潛力，這就使得在2030年之前，呈現較快下降趨勢；2030年之后，技術發展達到瓶頸，水泥產量趨于穩定，這就使得2030年之后，呈現緩慢下降趨勢。

圖3 不同技術情景下2015年到2040年水泥行業能耗及排放預測（a）CO2；（b）SO2；（c）NOx；（d）能耗

4.2 累積節能量及CO2、SO2 減排量

將圖4理想情景與基準情景的累積能耗量進行計算對比，節約潛力約為11.73%～12.68%，并累積帶來約4.22 億噸標煤的節約量。

圖4 在基準情景和理想情景下2015-2040年的累積能源消費量

表2是在不同情景下CO2累積減排量，即將逐年的減排量加起來的總和。在替代改進情景下，CO2的減排潛力約9%～10%，電力排放下降幅度最大。在效率改進情景下，潛力約3.8%～6%；在理想情景下，潛力約12%～13.3%，能源效率提升帶來減排潛力較小。根據不同產量預估，在理想情景下，將帶來平均26.53 億噸的CO2累積減排量。并從三種排放過程來看，燃料排放的減排潛力最大，累積減排量可達11.13 億噸，電力排放的潛力次之，平均累積減排量8.1 億噸，過程排放的累積減排量約7.2 億噸。在替代改進情景中，過程排放的減排貢獻最大，為36.61%，其次是燃料、電力減排貢獻度分別為32.14%、31.25%；在能效改進情景中，燃料排放的減排貢獻最大；在理想情景下，過程排放、燃料排放、電力排放的減排貢獻分別是27.33%、42%、30.67%。

表3列出了不同情景下SO2、NOx的累積減排量，在替代改進中，SO2、NOx的減排潛力分別為28%～31%、29% ～31.9%；在 效 率 改 進 中，SO2、NOx減排潛力分別為7%～8%、2.5%～2.7%；在理想情景中，SO2、NOx的減排潛力分別為31%～35%、29%～33%。值得注意的是能源利用效率的提升對SO2、NOx直接排放貢獻小，而替代改進情景下對直接和間接排放都有較大的貢獻。說明電力結構的調整，替代性原料、燃料占比上升，對水泥工業SO2、NOx減排起著重要的作用。

根據不同產量預估，效率改進情景中，SO2、NOx累積減排量分別約為350 萬噸、105 萬噸；而在替代改進情景中，SO2、NOx累積減排量約分別為1466.5 萬噸、1200 萬噸，在理想情景中，SO2、NOx累積減排量分別約為1637.5 萬噸、1260 萬噸。原燃料的替代以及技術改進帶來排放系數下降等措施帶來減排貢獻整體都大于能源效率提高所產生的減排貢獻。

表2 在不同情景下2015-2040年CO2 的累積減排量

表3 在不同情景下2015-2040年SO2、NOx 的累積減排量

5 結語

1）從各種節能減排技術來看，技術的普及產生了很好的節能減排效益。但是，由于我國目前經濟仍處于中高速發展時期，水泥需求在短時期內不會有很大的下降幅度。我國原燃料的替代比例相對較低，碳捕捉技術以及先進的脫硫技術沒有得到廣泛應用，所以今后我國水泥工業節能減排可以從以上幾點開展。

2）通過研究，考察不同節能減排措施下中國水泥工業的節能以及CO2、SO2、NOx減排潛力。結果顯示中國水泥行業無論是能源消耗還是CO2、SO2、NOx排放都具有很大的潛力，它們潛力分別具是11.73%～12.68%、12%～13.3%、31%～35%、29%～33%，并累積帶來約4.22 億噸標煤的節約量、約26.53 億噸CO2減排量、約1648 萬噸SO2減排量、約1260 萬噸NOx減排量。