水泥生产过程CO2减排潜力分析

水泥生产过程CO2减排潜力分析
摘要：近些年来，全球变暖问题日益严重，“低碳经济”理念逐渐得到了认可。

作为二氧化碳排放大户，如何降低水泥生产过程中二氧化碳排放量成为了一
大亟待解决的问题。

本文对此加以分析，以供同行参考。

关键词：水泥生产；CO2减排；潜力分析
随着全球工业化的发展,温室气体排放量增加,全球气候变暖,人类及其生存
环境都受到严重的影响。

为了抑制温室气体的排放, 世界各国都开始采取各种措施。

在我国,电力、钢铁、石油、化工和建材是能源和污染物排放最多的工业部门,而在建材产业中,由于水泥生产所造成的CO2排放就占全国CO2排放总量的18%～22%,所以分析水泥生产过程的减排潜力,从而采取有效的措施, 实现水泥生
产的节能减排,是当今水泥企业发展的重中之重。

本文在对水泥生产过程CO2排放
情况进行全面分析的基础上,讨论了相应的排放系数,然后结合我国水泥生产工艺
及装备水平、原燃料种类及消耗的实际情况, 对水泥生产过程中CO2减排潜力及
其技术途径进行了分析和讨论。

1.水泥生产过程中二氧化碳排放来源
根据调查分析可知，在水泥生产过程中，二氧化碳的来源主要就是原料股烧、燃料燃烧以及电力消耗，下文即对此进行了具体分析。

1.1原料股烧过程中二氧化碳的排放
当前，我国水泥生产中所消耗的石灰石质原料依旧以天然的石灰石矿为主，以废弃物代替天然石灰石的理念虽被提出，但是实际替代率依旧十分低，还不到1%。

在碳酸盐水泥原料中，石灰石的占比达到80%一85%，其正是碳酸钙、碳酸
镁来源所在，而碳酸盐分解，必然会产生大量的二氧化碳，具体如下式所示:
CaCO3→CaO+CO2↑
MgCO3→MgO+CO2↑
根据碳酸钙分解式可知，在得到1份氧化钙的同时，必然也会产生0.78587份的二氧化碳，因此以普通硅酸盐水泥熟料含氧化钙65%为标准，则每生产1T水泥熟料，二氧化碳的排放量如下:
65%*0.7857=0.5107t
根据碳酸镁分解式可知，在得到1份氧化镁的同时，必然也会产生1092份的二氧化碳，因此以普通硅酸盐水泥熟料含氧化镁25为标准，则每生产1t水泥熟料，二氧化碳的排放量如下：
2.5%*1.092=0.0275t
综上可得，每生产1t水泥熟料，二氧化碳的排放量为：
0.5107t+0.0275t=0.5382t
上述结果对应关系良好，但是因为熟料中的氧化钙、氧化镁的来源并不一定完全是碳酸盐矿物，所以依旧存在一定误差。

此外，不少文献中对窑灰、熟料飞灰损耗在二氧化碳排放中的影响进行了具体分析与计算，但是由于国内窑灰基本不存在外排现象，灰飞股烧的问题也较难确定，故而本文未将其计人考虑范围内。

1.2燃料燃烧过程中二氧化碳的排放
水泥生产过程中，熟料烧成是一大核心工艺，其需要消耗大量的热。

随着水泥需求量的不断上升，煤炭的消耗量必然随之大幅增加。

煤炭的燃烧大致可以分为两个部分：一是煤炭中的碳、氢元素与空气中的氧元素发生反应；二是煤炭中的固定碳的燃烧，前者释放的二氧不御淡较少，后者则较多，是二氧化碳的重要来源之一。

如下所示，即为完全燃烧下的煤岁到匕学反应式：
C+O2=CO2↑
根据实践可知，煤炭燃烧必然存在不完全燃烧现象，但是由于水泥窑燃烧温
度高、停留时间长，因而此问题可忽略不计。

1.3电力消耗过程中二氧化碳的排放
水泥厂的生产过程中，不可避免地会使用到电力，无论是从电网采购或是自
发电，都要折算出电力消耗过程中二氧化碳的排放量，现仅以国家所公布的火电
标准煤耗356kg/kwh为依据展开计算，消耗1kwh电即为消耗标准煤0.356kg，而
1t煤的燃烧可得二氧化碳的排放量为2.38t，因此消耗1kwh电可得二氧化碳的
排放量为0.847kg。

以1t水泥消耗100kwh的电力为标准展开计算，得到二氧化
碳的排放量为0.0847t。

目前，我国国内指标控制较好企业在电力消耗方面可以将1t水泥控制在
90kwh，但是部分技术不过关的企业1t水泥电耗多在100kwh以上。

因此，节约
电耗是水泥生产节能减排的重要途径之一。

2 水泥生产过程CO2减排潜力分析
2.1 使用替代燃料
水泥窑可使用的二次燃料主要有包括轮胎、塑料, 聚合织物、橡胶、废木材、动物骨骼等。

由于水泥窑系统是一个敏感的热工系统,对替代燃料的热值要求在
16 720kJ/kg( 干基)以上,所以我们就以热值为16 720kJ/kg 的废木材为替代燃料,替代比例为20%,生产1t熟料时的减排量进行计算,公式如下:
AFER=HCFF×10%×HIFF×EFFF- QAF×HVAF×EFAF (1)
式中: HCFF—指煤的使用量, kg;
QAF—替代燃料的使用量, kg;
HVAF—替代燃料的热值, kJ/kg;
HIFF—煤的热值, kJ/kg;
EFAF—替代燃料的CO2 排放系数;
EFFF—煤的CO2 排放系数。

代入数值后得AFER=8.162kg/t 熟料, 对于一个日产2 500t/d 的生产线, 如果使用该技术, 可产生的减排量约为10 203kg。

2.2使用替代原料
目前可用的替代原料主要是电石渣,其主要化学成分为Ca(OH)2, 用其作原料不会产生CO2, 根据公式CaCO3=CaO+CO2可知,每生成1 份的CaO,就会同时生成0.7857份的CO2,根据国内的平均水平,熟料中CaO 的含量大约为65%,假设电石渣的替代比例为30%,那么生产1t水泥熟料, 可减少CO2排放量约
为:1t×0.65×30%×0.7857=0.153t。

2.3 添加混合材, 减少熟料用量
国内生产1t普通硅酸盐水泥,熟料的掺入量约为75%,根据上一节的计算,吨熟料的平均CO2排放约为0.8453t,如果用矿渣替代40%的熟料计算,可减少CO2的排放约为: 0.8453t40%=0.3381t。

2.4 水泥窑余热回收利用
(1) 余热发电技术
现在国内余热发电吨熟料发电能力约为30kWh,中国家平均力排放因子
0.9273tCO2/MWh计算, 生产1t水泥熟料,其减排能力可达31kg。

(2) 利用余热烘干原燃料
目前国内新型干法水泥生产技术,其原燃料烘干耗热约为544kJ/kg,相当于0.026t煤。

利用余热烘干原燃料可省去烘干用燃料煤,则生产每吨水泥熟料可省去烘干用煤0.026t,相当于减少CO2的排放为:0.026×1.94=50kg。

2.5 改进粉磨设备,降低粉磨电耗
在水泥生产中,每生产1t水泥,粉磨电耗要占水泥生产总电耗的60%～70%。

现在许多研究都致力于开发低电耗的粉磨设备,例如通过采用新型辊式磨及辊压
机终粉磨制备生料技术和辊压机- 钢球磨或辊式磨- 钢球磨等半终粉磨系统制备
水泥技术, 来代替管式钢球磨机粉磨技术的使用,它们可使水泥综合电耗降低40%。

结语
当前，我国十分重视水泥行业的节能减排，根据水泥工业的生产实际表明，
水泥碳来源主要是原料煅烧、煤炭燃烧、电力消耗，基于此应采取针对性的生产
改造措施，引人先进工艺与设备，最大限度地挖掘水泥碳减排潜力。

参考文献：
[1]包良珠.水泥生产工艺的节能技术分析[J].四川水泥,2017, (008):2.
[2]王正运,郝长彪.目前水泥生产过程和检测中应注意的几个问题[J].四川
水泥,2017, (09):7.。