鋼渣燒制硅酸鹽水泥熟料的減碳效果分析

甘萬(wàn)貴,趙青林

(1.寶武環(huán)科武漢金屬資源有限責(zé)任公司，武漢 430081；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070)

2015年12月12日在巴黎氣候變化大會(huì)上通過(guò)的《巴黎協(xié)定》，各國(guó)的長(zhǎng)期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)。習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般辯論性發(fā)言中提出：應(yīng)對(duì)氣候變化《巴黎協(xié)定》代表了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的大方向，是保護(hù)地球家園需要采取的最低限度行動(dòng)，各國(guó)必須邁出決定性步伐。中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。自此我國(guó)各行各業(yè)均加速推進(jìn)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。水泥是碳排放重點(diǎn)行業(yè)，碳減排任務(wù)艱巨，采用非碳酸鹽原料是水泥行業(yè)碳減排重要方向之一。鋼渣不含碳酸鹽，用于制備水泥熟料時(shí)不但可以替代鐵礦石，還可以提供鈣質(zhì)、硅質(zhì)和鋁質(zhì)[2]，具有較好的碳減排效果。為明晰鋼渣應(yīng)用過(guò)程中的碳減排具體效果，在此基于LCA (Life Cycle Assessment)全生命周期評(píng)價(jià)從水泥生產(chǎn)的角度分析鋼渣制備硅酸鹽水泥熟料的減碳效果。

1 鋼渣作鐵質(zhì)校正材料用于水泥的生產(chǎn)技術(shù)路線

目前水泥熟料生產(chǎn)工藝以主流新型干法工藝為主，其流程主要包括原料開(kāi)采、破碎、生料粉磨、均化、熟料煅燒和粉磨等[3]。鋼渣作鐵質(zhì)校正材料用于水泥生產(chǎn)具體工藝流程見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，水泥的主要原材料為鈣質(zhì)材料、硅質(zhì)材料、鋁質(zhì)材料和鐵質(zhì)材料，各原材料通過(guò)高溫固相反應(yīng)形成水泥熟料礦物相。從鋼渣的化學(xué)組分、礦物特性和顯微結(jié)構(gòu)可以看出，鋼渣也含有RO、FeO和Fe2O3等鐵相，從而具備取代鐵質(zhì)校正材料的條件。加之鋼渣中還含有CaO(含量大部分在40%～50%之間)等水泥燒成原材料所需要的鈣、硅、鋁等，可節(jié)省部分鈣質(zhì)、硅質(zhì)和鋁質(zhì)原材料，鑒于此鋼渣作鐵質(zhì)校正材料技術(shù)路線示于圖2。

由圖2可知，一般水泥用鐵質(zhì)校正材料的礦物組分為赤鐵礦Fe2O3，而鋼渣中的鐵相主要以RO、FeO、Fe2O3、Fe、CF等形式存在。鋼渣作原材料時(shí)，不論鐵以何種形式存在，其高溫固相反應(yīng)中鐵相均能提供鐵組分形成水泥熟料所需的C4AF礦相。

2 鋼渣熟料制水泥邊界內(nèi)碳排放源識(shí)別

從鋼渣熟料生產(chǎn)工藝可知，工業(yè)生產(chǎn)中碳排放的來(lái)源可分為直接排放和間接排放。直接排放包括化石燃料燃燒和碳酸鹽礦物煅燒分解，間接排放則是生產(chǎn)消耗的某項(xiàng)能源所帶來(lái)的排放，如電能、柴油等。

鑒于水泥并不是終端消費(fèi)品，其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程十分復(fù)雜繁瑣，因此將鋼渣制備水泥的全生命周期碳排放邊界設(shè)定為從“搖籃”到“使用大門”[4]，即從能源上游的開(kāi)采、生產(chǎn)及運(yùn)輸階段算起，到成品水泥運(yùn)輸至使用企業(yè)大門為止(見(jiàn)圖3)。

從圖3可知，水泥全生命周期碳排放的來(lái)源主要包括五個(gè)方面，即能源材料的開(kāi)采、生產(chǎn)及運(yùn)輸能耗；原料開(kāi)采、生產(chǎn)及運(yùn)輸能耗；碳酸鹽分解；生產(chǎn)能耗和產(chǎn)品運(yùn)輸能耗。

3 碳排放計(jì)算

水泥全生命周期碳排放計(jì)算的功能單位為1 t P·I型硅酸鹽水泥。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，以武鋼鋼渣運(yùn)輸至長(zhǎng)江沿線的某水泥有限公司用于燒制水泥熟料為例，鋼渣熟料目標(biāo)值為：KH=0.91±0.02，SM=2.5±0.1，IM=1.5±0.1。其原材料組分及熟料生產(chǎn)配方如表1和表2所示。

表1 原料化學(xué)成份 /%

表2 熟料生產(chǎn)工藝配方

3.1 原材料開(kāi)采、加工及運(yùn)輸階段產(chǎn)生的碳排放

水泥生產(chǎn)過(guò)程中使用的礦物原材料主要包括石灰石、砂巖、黏土、鋼渣和二水石膏。由于鋼渣是冶金工業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物，其在高溫過(guò)程中不再排放二氧化碳，因此不考慮其碳排放。參照文獻(xiàn)[4]提供的幾種非金屬資源開(kāi)采的生命周期碳排放的數(shù)據(jù)，表3為計(jì)算的鋼渣煅燒熟料在原材料開(kāi)采、加工階段的碳排放量。由于原材料開(kāi)采生命周期碳排放已包含過(guò)程中使用能源的碳排放，在此不再單獨(dú)計(jì)算此階段能源產(chǎn)生的碳排放。

表3 鋼渣煅燒熟料在原材料開(kāi)采、加工階段碳排放量比較

據(jù)此可得生產(chǎn)1 t P·I型硅酸鹽水泥時(shí)，對(duì)于參比樣，在原材料開(kāi)采和加工階段每噸熟料產(chǎn)生的碳排放為

1 382·0.017 2+47·0.014 2+19·2.91×10-4=24.44 kg

以此類推，3.5%摻量的G1在原材料開(kāi)采和加工階段每噸熟料產(chǎn)生的碳排放為23.95 kg，5%摻量的G2為23.57 kg。分別節(jié)省碳排放0.50 kg和0.88 kg。

一般水泥有限公司生產(chǎn)水泥的原材料除石灰石不需要運(yùn)輸外，其他均需要運(yùn)輸。鋼渣采用水運(yùn)，其他材料均采用陸運(yùn)。湖北省交通運(yùn)輸能耗采用陸運(yùn)時(shí)按7.5 kgce/百噸千米計(jì),采用水運(yùn)時(shí)按6.5 kgce/百噸千米計(jì)。原材料中粘土來(lái)自當(dāng)?shù)兀\(yùn)輸路程為30 km，運(yùn)輸方式為陸運(yùn)；鐵礦石外采，鐵礦石和鋼渣一樣，運(yùn)距都按80 km計(jì)算。相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)輸過(guò)程中CO2產(chǎn)生量

由表4可見(jiàn)，根據(jù)國(guó)家發(fā)改委公布的每公斤燃煤碳排放系數(shù)2.4567 kg CO2及上述運(yùn)輸路程假定，按參比樣配方生產(chǎn)1 t硅酸鹽水泥，在原材料運(yùn)輸階段產(chǎn)生的碳排放為0.539 kg；對(duì)于3.5%摻量的G1配方，其對(duì)應(yīng)碳排放為0.761 kg；5%摻量的G2配方，其對(duì)應(yīng)碳排放為0.972 kg。和參比樣相比，兩種鋼渣配料均增加原料運(yùn)輸碳排放，分別增加了0.22 kg和0.43 kg。

3.2 生料煅燒過(guò)程中礦物分解產(chǎn)生的碳排放

原材料按照生產(chǎn)配料經(jīng)過(guò)預(yù)均化、粉磨和均化的流程后，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯煅燒。生料中各種礦物含有的碳酸鈣、碳酸鎂成分在回轉(zhuǎn)窯的高溫環(huán)境下將發(fā)生分解，釋放大量二氧化碳。假定表2水泥生產(chǎn)工藝配方中所示各原材料(由于鋼渣是高溫冶煉廢棄物，故不考慮其貢獻(xiàn))的CaO 含量和MgO含量均來(lái)自于礦物原材料中的CaCO3和MgCO3，且煅燒過(guò)程中兩種碳酸鹽均完全分解。根據(jù)物料平衡，可得生產(chǎn)1 t P·I型硅酸鹽水泥時(shí)，各配比在生料煅燒過(guò)程中由礦物分解產(chǎn)生的碳排放見(jiàn)表5。

表5 礦物分解產(chǎn)生的CO2量

據(jù)表5可知，生產(chǎn)1 t P·I型硅酸鹽水泥時(shí)，對(duì)于參比樣，每噸熟料在生料煅燒過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放為500.08 kg，3.5%摻量G1的碳排放為486.88 kg，5%摻量G2的碳排放為478.96 kg。鋼渣的摻入分別節(jié)省碳排放為13.20 kg和21.12 kg。

3.3 熟料煅燒過(guò)程中燃煤及粉磨電耗產(chǎn)生的碳排放

水泥生產(chǎn)過(guò)程中的能耗主要包括煤耗和電耗。為了推動(dòng)水泥行業(yè)節(jié)能降耗，指導(dǎo)行業(yè)綠色發(fā)展，國(guó)家和地方相繼出臺(tái)了水泥限耗標(biāo)準(zhǔn)。表6列出了熟料煅燒過(guò)程中燃煤及粉磨電耗產(chǎn)生的CO2量。

表6 熟料煅燒過(guò)程中燃煤及粉磨電耗產(chǎn)生的CO2量

3.4 全生命周期碳排放情況總體情況

綜合上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)比3種不同的熟料配方，可見(jiàn)采用鋼渣配料時(shí)，配入3.5%鋼渣時(shí)，每噸熟料可減少碳排放為

0.50-0.22+13.20+9.83-0.81=22.48 kg

可見(jiàn)配入3.5%鋼渣時(shí)則每使用1 t鋼渣的碳減排貢獻(xiàn)可達(dá)642 kg。同理可計(jì)算出配入5%鋼渣時(shí)，每噸熟料可減少碳排放 34.69 kg，使用噸鋼渣的碳減排貢獻(xiàn)達(dá)694 kg。

2021年全國(guó)水泥產(chǎn)量23.8億t[5]，估算水泥熟料約20億t，如果全部按5%鋼渣摻量測(cè)算，可減排約7 000萬(wàn)tCO2/年。

4 結(jié) 論

a.對(duì)水泥行業(yè)來(lái)說(shuō)，鋼渣是一種非常好的低碳材料，既可以減少自然資源的開(kāi)采，還可以大幅減少碳排放。

b.基于LCA全生命周期評(píng)價(jià)方法，在水泥熟料燒制過(guò)程中，配入3.5%鋼渣時(shí)，每噸熟料可減少碳排放22.48 kg，每噸鋼渣的碳減排貢獻(xiàn)達(dá)642 kg；配入5%鋼渣時(shí)，每噸熟料可減少碳排放 34.69 kg，每噸鋼渣的碳減排貢獻(xiàn)達(dá)694 kg。

c.鋼鐵、水泥是碳排放重點(diǎn)行業(yè)，具有較好的協(xié)同減碳潛力。