水泥生产的能源环境分析与生命周期评价
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国际上常用的此对制造业进行产品生命周期评价（LCA），为厂商对提供其产品的原材料、能源、生产制造流程乃至整个生命周期作出能效、环境影响、改进潜力的分析评估，帮助企业从成本、技术和环保（如：温室气体二氧化碳的排放，废水，废弃物的排放等）方面进行决策优化，为企业制定符合未来发展要求的战略。
水泥生产过程生命周期分析步骤如下图所示：
简称
中文名称
方法名称
单位
特征化指标总量
ADP
非生物资源消耗潜值
CM2002
kg antimony eq.
1.51276478670019E-08
AP
酸化潜值
CM2002
Kg SO2 eq.
0.000112480699629752
CADP(fossil fuel)
中国化学能源消耗潜值
ISCP2010
Kg Coal-R eq.
Keywords:Cement; Energy consumption; Environmental emission; LCA
第一章绪论
1.1
随着环境资源恶化程度的加深，环境破坏对人类生存和发展的威胁越大。因此，人们对环境的利用和环境的保护越来越重视。绿色环保、低碳经济在2009年12月的哥本哈根环境大会上被大力倡导，“低能耗、低污染、低排放”的理念被越来越多的国家和地区认可并执行。
Energy and Environmental Analysis and Life Cycle Assessment of Cement production
CHOU Wenzhang，ZHU Honglei，LI Jiaqi
Abstract：Our country’s cement industry has developed rapidly recently, with thehighest production in the world. While the equipment and technologyof NSP cementproduction improve alot, cement industry istrulya high-polluting industry, for it consuming a large amount of resources and doing a lot harm to our environment. This article analysis the energy consumption and environmental influence of cement production , based on theory of LCA.This article will have positive effectson technological improvement, structure optimization and pollution prevention of cement industry.
EP
富营养化潜值
CML2002
Kg P043-eq
0.0000186299890029893
GWP
全球变暖潜值
IPCC2007
Kg CO2eq
0.00548382330698481
IWU
工业用水量
kg
0.0161492516645233
NH3-N
氨氮
kg
1.15784779133867E-07
N
氮氧化物
近年来，我国水泥产业随着国家基础建设规模的扩大而迅猛发展，但水泥行业同时也是重点污染行业，其颗粒物排放占全国颗粒物排放量的20－30％，SO2排放占全国SO2排放量的5－6％，NOx排放占全国NOx排放量的12－15％，所造成的资源消耗和生态破坏十分严重。在当今绿色环保、可持续发展的时代主题下，水泥工业的节能减耗、污染控制成为该行业发展的必然趋势。
kg
0.000105602353974671
RI
可吸入颗粒物
IMPACT2002+
kg PM2.5 eq
0.0000298565619820634
SO2
二氧化硫
kg
0.0000148619193842629
Waste Solids
固体废弃物
kg
0.169922346322016
Water Use
淡水消耗量
1.3
1.3.1
本文的研究思路：
水泥生命周期建模
清单数据选择与基准流设定
主要环节的能源消耗计算
建立LCIA生命周期报告
各环节对比分析
1.3.
LCA，Life Cycle Assessment，简称生命周期评价。
LCA生命周期评价采用e-BALANCE软件，对于选定的项目，进行生命周期建模，通过实景过程清单数据收集，从数据库中进行背景过程清单数据选择，设定计算基准流和计算条件，最后得到LCIA（生命周期报告）结果和ECER（节能减排）评价。
SRTP课外研学论文
水泥生产的能源环境分析与生命周期评价LCA
指导老师：***
研究生指导：马辉
组长：周文章（21710137）
组员：朱洪磊（2171ห้องสมุดไป่ตู้112）
李佳奇（21710138）
2013年4月12日
水泥生产的能源环境分析与生命周期评价LCA
周文章，朱洪磊，李佳奇
（东南大学 交通学院，南京 210096）
国外自上世纪七十年代发展新型干法窑外预分解技术以来，到九十年代已成为国际主流技术，在日本、德国、意大利等工业发达国家占水泥生产总量的95％以上，其他发达国家也多在80％左右。而我国同期（2000年）的立窑水泥则占绝对主导地位，占水泥总产量的75％以上，新型干法水泥比例不足10%。我国从1999 年开始，以淘汰立窑“小水泥”为突破口，开始了水泥工业结构调整。至今已累计淘汰落后水泥生产能力4 亿多吨。淘汰“小水泥”为技术装备先进、生产效率高、环境友好的新型干法水泥腾出了发展空间，优化了产业结构。
水泥生产的核心工艺是“两磨一烧”，即以石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料，按一定比例配合，磨细成适当成分的生料，煅烧至部分熔融（1450℃），得到以硅酸钙为主要成分的熟料，经冷却后加入适量的石膏或其他混合材料，磨成细粉即制得水泥。（如图一所示）
水泥熟料生产主要有两种方式：一种是以回转窑为主要生产设备，包括新型干法窑、预热器窑、余热发电窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法回转窑；另一种则是以立式窑为主要生产设备，包括普通立窑和机械化立窑。不同的水泥生产工艺与设备在规模效益、能源消耗、资源利用、污染排放等方面存在较大的差别。其中新型干法窑是一种先进的生产工艺，具有高产低耗、规模效益好的特点，同时污染物排放量也大为减少，是技术发展的方向。
取工厂其他设备电耗为40kw
综上可得，考虑生产水泥的辅助过程用电(包括厂内线路损失以及车间办公室、仓库的照明等消耗)，生产一吨水泥的综合电耗为
32.7083*2+(240/75*100+240/105*50+240/110*355)/240+40=110.5974kwh/t>105kwh/t
粉磨系统的单位水泥耗电较多，超过了已建水泥厂的可比水泥综合标电耗。
在淘汰立窑“小水泥”以及其他落后水泥生产工艺（机立窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法回转窑等）的同时，我国也于1970年开始新型干法窑外预分解窑的研究，与德国、日本起步时期相同，历经工业实验、产业化推广，直到2000 年以后才进入发展的快车道。从2000 年占水泥产量的10%（0.6 亿吨），到2010年占水泥产量的85%（16 亿吨），产量年增长率接近40%。
图二.水泥生产生命周期分析步骤
第二章
2.1
本次计算采用的粉磨系统为Φ3.8*13m闭流管磨工艺，即辊压机+选粉机+闭路管磨机。
设备：辊压机、V型选粉机、V型选粉机循环风机、球磨机、磨头提升机、磨尾提升机、磨机选粉机、磨机选粉机循环风机、V型选粉机机后收尘风机、磨尾收尘风机。
各设备的规格如下：
表1
设备
后续除尘
磨尾提升机
NSE300
55
最大提升量300
磨机选粉机
K200-C
110
通过能力85~110t/h
磨机选粉机循环风机
G4-7314.2D
280
风量161647
全压4226Pa
V型选粉机机后收尘风机
G4-73-11D
75
风量54000
全压3000Pa
磨尾收尘风机
G5-4812.5C
75
风量44000
全压4450Pa
水泥粉磨系统中两台Φ3.8*13m磨机的单机稳定产量可达120~140t/h，
2.2
其他设备：
带分解炉的五级旋风预热器RF5/1800（RSP）5级整机重量：56（t）
总功率：100（w）KW
篦式冷却机：规格809S-1033S，生产能力2500t/D，料层厚度600mm，出料温度65度，电机动率为20+30kw
回转窑：规格型号Φ4.2*60，斜度3.5%，产量110t/h，主减速机型号ZSY710-35.5，速比35.5，主电动机型号ZSN4-355-12，功率355kw，重量576.1t，转速1000r/min
2.3
以每小时生产120*2t水泥为例：
粉磨系统耗电为
Pcmm=(辊压机电耗+球磨机+辊压机选粉机能耗+辊压机V型选粉机循环风机能耗+磨头提升机能耗+磨尾提升机能耗+磨机选粉机能耗+磨机选粉机循环风机能耗+磨尾收尘风机能耗+ V型选粉机机后收尘风机能耗)／水泥产量
第三章
3.1
典型的硅酸盐水泥生命周期如下图：
图三.硅酸盐水泥生命周期
3.2
本次研究主要集中于水泥生产的各个主要环节的环境分析，采用的生产流程和生命周期模型如下图：
图四.本文采用的水泥生产的生命周期模型
3.3
通过e-BALANCE软件进行LCIA结果计算，所得基于特征化指标的排放加权综合指标如以下各图所示：
型号
电机功率/kw
性能参数
球磨机
Φ3.8*13m
2500
转速16r/min
辊压机
CLF-14065-D-SD
500*2
通过能力245~334t/h
V型选粉机
VX5815
通过能力410t/h
V型选粉机循环风机
G4-73-18D
220
风量144000
全压4350Pa
磨头提升机
NSE600
110
最大提升量600
0.0152516774753254
CADP
中国资源消耗潜值
ISCP2010
Kg Coal-R eq.
0.0270998634173767
PED
一次能源消耗
kgce
0.0024164961812658
CO2
二氧化碳
kg
0.00482390486002797
COD
化学需氧量
kg
4.20347799041398E-06
=(2500+500+220+110+75+55+75+110+280)／120
=32.7083kwh/t
旋风预热器为1800t/D，即75t/h，生产240t熟料时电耗为120/75*100=320kw
篦式冷却机为105t/h，生产240熟料的电耗为240/105*50=114.2857kw
回转窑为110t/h，生产240t熟料的电耗为240/110*355=774.5455kw
图五.石灰石开采加权综合指标
图六.粘土开采加权综合指标
图七.重型柴油货车（46t）运输加权综合指标
图八.煤炭开采加权综合指标
图九.粉磨加权综合指标
图十.高温煅烧加权综合指标
图十一.石膏矿开采加权综合指标
图十二.普通硅酸盐水泥加权综合指标
3.4
基于CN-2010归一化方案的各主要生产环节的LCIA计算结果汇总表格如下：表二.石灰石开采
摘要：中国的水泥工业发展迅速，产量居世界前列，新型干法水泥生产的装备及生产工艺水平不断提高，但同时水泥工业也是高污染行业，其资源消耗与生态破坏非常突出。本文基于生命周期理论，对水泥生产流程进行能源环境分析，本课题的研究对于水泥行业的技术改进、产业结构优化、污染防治将产生积极意义。
关键词：水泥；能源消耗；环境排放；生命周期评价
水泥工业的污染物主要是在水泥的生产环节产生，本文通过对水泥生命周期的研究，定量分析水泥生产主要环节的能源消耗与环境排放，建立水泥生产的生命周期报告，为水泥工业的技术革新、节能减排提供理论依据，对水泥生产企业提高可持续发展竞争力具有积极意义。
1.2
我国是水泥生产与消费大国，2011 年我国水泥产量达到20.9 亿吨，占世界水泥产量的一半以上，其中新型干法水泥比例接近90%，结构调整取得突破性进展。现有规模以上水泥生产企业约4000 家，新型干法水泥生产线1500 多条。
kg
0.0173065968164992
加权综合指标
ECER-125
kg
2.63226658462277E-14
表三.粘土开采
简称
中文名称
方法名称
单位
特征化指标总量
ADP
非生物资源消耗潜值
水泥生产过程生命周期分析步骤如下图所示：
简称
中文名称
方法名称
单位
特征化指标总量
ADP
非生物资源消耗潜值
CM2002
kg antimony eq.
1.51276478670019E-08
AP
酸化潜值
CM2002
Kg SO2 eq.
0.000112480699629752
CADP(fossil fuel)
中国化学能源消耗潜值
ISCP2010
Kg Coal-R eq.
Keywords:Cement; Energy consumption; Environmental emission; LCA
第一章绪论
1.1
随着环境资源恶化程度的加深，环境破坏对人类生存和发展的威胁越大。因此，人们对环境的利用和环境的保护越来越重视。绿色环保、低碳经济在2009年12月的哥本哈根环境大会上被大力倡导，“低能耗、低污染、低排放”的理念被越来越多的国家和地区认可并执行。
Energy and Environmental Analysis and Life Cycle Assessment of Cement production
CHOU Wenzhang，ZHU Honglei，LI Jiaqi
Abstract：Our country’s cement industry has developed rapidly recently, with thehighest production in the world. While the equipment and technologyof NSP cementproduction improve alot, cement industry istrulya high-polluting industry, for it consuming a large amount of resources and doing a lot harm to our environment. This article analysis the energy consumption and environmental influence of cement production , based on theory of LCA.This article will have positive effectson technological improvement, structure optimization and pollution prevention of cement industry.
EP
富营养化潜值
CML2002
Kg P043-eq
0.0000186299890029893
GWP
全球变暖潜值
IPCC2007
Kg CO2eq
0.00548382330698481
IWU
工业用水量
kg
0.0161492516645233
NH3-N
氨氮
kg
1.15784779133867E-07
N
氮氧化物
近年来，我国水泥产业随着国家基础建设规模的扩大而迅猛发展，但水泥行业同时也是重点污染行业，其颗粒物排放占全国颗粒物排放量的20－30％，SO2排放占全国SO2排放量的5－6％，NOx排放占全国NOx排放量的12－15％，所造成的资源消耗和生态破坏十分严重。在当今绿色环保、可持续发展的时代主题下，水泥工业的节能减耗、污染控制成为该行业发展的必然趋势。
kg
0.000105602353974671
RI
可吸入颗粒物
IMPACT2002+
kg PM2.5 eq
0.0000298565619820634
SO2
二氧化硫
kg
0.0000148619193842629
Waste Solids
固体废弃物
kg
0.169922346322016
Water Use
淡水消耗量
1.3
1.3.1
本文的研究思路：
水泥生命周期建模
清单数据选择与基准流设定
主要环节的能源消耗计算
建立LCIA生命周期报告
各环节对比分析
1.3.
LCA，Life Cycle Assessment，简称生命周期评价。
LCA生命周期评价采用e-BALANCE软件，对于选定的项目，进行生命周期建模，通过实景过程清单数据收集，从数据库中进行背景过程清单数据选择，设定计算基准流和计算条件，最后得到LCIA（生命周期报告）结果和ECER（节能减排）评价。
SRTP课外研学论文
水泥生产的能源环境分析与生命周期评价LCA
指导老师：***
研究生指导：马辉
组长：周文章（21710137）
组员：朱洪磊（2171ห้องสมุดไป่ตู้112）
李佳奇（21710138）
2013年4月12日
水泥生产的能源环境分析与生命周期评价LCA
周文章，朱洪磊，李佳奇
（东南大学 交通学院，南京 210096）
国外自上世纪七十年代发展新型干法窑外预分解技术以来，到九十年代已成为国际主流技术，在日本、德国、意大利等工业发达国家占水泥生产总量的95％以上，其他发达国家也多在80％左右。而我国同期（2000年）的立窑水泥则占绝对主导地位，占水泥总产量的75％以上，新型干法水泥比例不足10%。我国从1999 年开始，以淘汰立窑“小水泥”为突破口，开始了水泥工业结构调整。至今已累计淘汰落后水泥生产能力4 亿多吨。淘汰“小水泥”为技术装备先进、生产效率高、环境友好的新型干法水泥腾出了发展空间，优化了产业结构。
水泥生产的核心工艺是“两磨一烧”，即以石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料，按一定比例配合，磨细成适当成分的生料，煅烧至部分熔融（1450℃），得到以硅酸钙为主要成分的熟料，经冷却后加入适量的石膏或其他混合材料，磨成细粉即制得水泥。（如图一所示）
水泥熟料生产主要有两种方式：一种是以回转窑为主要生产设备，包括新型干法窑、预热器窑、余热发电窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法回转窑；另一种则是以立式窑为主要生产设备，包括普通立窑和机械化立窑。不同的水泥生产工艺与设备在规模效益、能源消耗、资源利用、污染排放等方面存在较大的差别。其中新型干法窑是一种先进的生产工艺，具有高产低耗、规模效益好的特点，同时污染物排放量也大为减少，是技术发展的方向。
取工厂其他设备电耗为40kw
综上可得，考虑生产水泥的辅助过程用电(包括厂内线路损失以及车间办公室、仓库的照明等消耗)，生产一吨水泥的综合电耗为
32.7083*2+(240/75*100+240/105*50+240/110*355)/240+40=110.5974kwh/t>105kwh/t
粉磨系统的单位水泥耗电较多，超过了已建水泥厂的可比水泥综合标电耗。
在淘汰立窑“小水泥”以及其他落后水泥生产工艺（机立窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法回转窑等）的同时，我国也于1970年开始新型干法窑外预分解窑的研究，与德国、日本起步时期相同，历经工业实验、产业化推广，直到2000 年以后才进入发展的快车道。从2000 年占水泥产量的10%（0.6 亿吨），到2010年占水泥产量的85%（16 亿吨），产量年增长率接近40%。
图二.水泥生产生命周期分析步骤
第二章
2.1
本次计算采用的粉磨系统为Φ3.8*13m闭流管磨工艺，即辊压机+选粉机+闭路管磨机。
设备：辊压机、V型选粉机、V型选粉机循环风机、球磨机、磨头提升机、磨尾提升机、磨机选粉机、磨机选粉机循环风机、V型选粉机机后收尘风机、磨尾收尘风机。
各设备的规格如下：
表1
设备
后续除尘
磨尾提升机
NSE300
55
最大提升量300
磨机选粉机
K200-C
110
通过能力85~110t/h
磨机选粉机循环风机
G4-7314.2D
280
风量161647
全压4226Pa
V型选粉机机后收尘风机
G4-73-11D
75
风量54000
全压3000Pa
磨尾收尘风机
G5-4812.5C
75
风量44000
全压4450Pa
水泥粉磨系统中两台Φ3.8*13m磨机的单机稳定产量可达120~140t/h，
2.2
其他设备：
带分解炉的五级旋风预热器RF5/1800（RSP）5级整机重量：56（t）
总功率：100（w）KW
篦式冷却机：规格809S-1033S，生产能力2500t/D，料层厚度600mm，出料温度65度，电机动率为20+30kw
回转窑：规格型号Φ4.2*60，斜度3.5%，产量110t/h，主减速机型号ZSY710-35.5，速比35.5，主电动机型号ZSN4-355-12，功率355kw，重量576.1t，转速1000r/min
2.3
以每小时生产120*2t水泥为例：
粉磨系统耗电为
Pcmm=(辊压机电耗+球磨机+辊压机选粉机能耗+辊压机V型选粉机循环风机能耗+磨头提升机能耗+磨尾提升机能耗+磨机选粉机能耗+磨机选粉机循环风机能耗+磨尾收尘风机能耗+ V型选粉机机后收尘风机能耗)／水泥产量
第三章
3.1
典型的硅酸盐水泥生命周期如下图：
图三.硅酸盐水泥生命周期
3.2
本次研究主要集中于水泥生产的各个主要环节的环境分析，采用的生产流程和生命周期模型如下图：
图四.本文采用的水泥生产的生命周期模型
3.3
通过e-BALANCE软件进行LCIA结果计算，所得基于特征化指标的排放加权综合指标如以下各图所示：
型号
电机功率/kw
性能参数
球磨机
Φ3.8*13m
2500
转速16r/min
辊压机
CLF-14065-D-SD
500*2
通过能力245~334t/h
V型选粉机
VX5815
通过能力410t/h
V型选粉机循环风机
G4-73-18D
220
风量144000
全压4350Pa
磨头提升机
NSE600
110
最大提升量600
0.0152516774753254
CADP
中国资源消耗潜值
ISCP2010
Kg Coal-R eq.
0.0270998634173767
PED
一次能源消耗
kgce
0.0024164961812658
CO2
二氧化碳
kg
0.00482390486002797
COD
化学需氧量
kg
4.20347799041398E-06
=(2500+500+220+110+75+55+75+110+280)／120
=32.7083kwh/t
旋风预热器为1800t/D，即75t/h，生产240t熟料时电耗为120/75*100=320kw
篦式冷却机为105t/h，生产240熟料的电耗为240/105*50=114.2857kw
回转窑为110t/h，生产240t熟料的电耗为240/110*355=774.5455kw
图五.石灰石开采加权综合指标
图六.粘土开采加权综合指标
图七.重型柴油货车（46t）运输加权综合指标
图八.煤炭开采加权综合指标
图九.粉磨加权综合指标
图十.高温煅烧加权综合指标
图十一.石膏矿开采加权综合指标
图十二.普通硅酸盐水泥加权综合指标
3.4
基于CN-2010归一化方案的各主要生产环节的LCIA计算结果汇总表格如下：表二.石灰石开采
摘要：中国的水泥工业发展迅速，产量居世界前列，新型干法水泥生产的装备及生产工艺水平不断提高，但同时水泥工业也是高污染行业，其资源消耗与生态破坏非常突出。本文基于生命周期理论，对水泥生产流程进行能源环境分析，本课题的研究对于水泥行业的技术改进、产业结构优化、污染防治将产生积极意义。
关键词：水泥；能源消耗；环境排放；生命周期评价
水泥工业的污染物主要是在水泥的生产环节产生，本文通过对水泥生命周期的研究，定量分析水泥生产主要环节的能源消耗与环境排放，建立水泥生产的生命周期报告，为水泥工业的技术革新、节能减排提供理论依据，对水泥生产企业提高可持续发展竞争力具有积极意义。
1.2
我国是水泥生产与消费大国，2011 年我国水泥产量达到20.9 亿吨，占世界水泥产量的一半以上，其中新型干法水泥比例接近90%，结构调整取得突破性进展。现有规模以上水泥生产企业约4000 家，新型干法水泥生产线1500 多条。
kg
0.0173065968164992
加权综合指标
ECER-125
kg
2.63226658462277E-14
表三.粘土开采
简称
中文名称
方法名称
单位
特征化指标总量
ADP
非生物资源消耗潜值