低碳水泥摘要

摘要:
低碳经济是以低排放、低消耗、低污染为特征的经济发展模式，是从传统的高排放、高能耗、资源依赖型（“两高一资”）的发展模式转向可持续发展的必由之路。

发展低碳经济就是要在科学发展观的指导下，通过技术创新、产业升级、新能源开发及政策保障体系的完善等多种方法和手段，努力减少天然化石燃料消耗，大幅度提高社会生产活动的能效水平，显著降低生产产品单位温室气体排放强度，实现经济社会发展与生态环境保护全面进步，提高应对气候变化的能力。

水泥是经济建设的重要材料，水泥工业也是国民经济的重要的基础产业。

水泥工业的快速发展有力支撑了国家社会经济的建设。

然而，作为传统的工业部门，水泥工业有着显著的“两高一资”生产工艺特性。

水泥工业传统的发展和生产模式，使得资源、能源都难以为续，对生态环境也造成了极为不利的影响。

低碳经济是水泥工业发展的必由之路；推动水泥工业低碳生产技术研发和应用，促进水泥工业大幅度节能减排，实现水泥工业先进、绿色制造，是水泥工业发展面临的紧迫任务。

1.水泥生产CO2的排放
水泥生产包括原料开采、生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨等多个工艺环节，使用多种输送、破碎、粉磨、煅烧工艺设备及电机、风机等，需要消耗一定量的电力。

各工艺过程的单位电力消耗如表一所示。

可见，每生产1吨水泥，需要消耗电力约110kWh。

水泥熟料煅烧包括原料矿物分解、固相反应、液相烧结、熟料冷却等一系列物理、化学过程、需要消耗大量的热量。

目前大多使用的煅烧工艺为预分解窑炉，燃煤由喷煤管分别送入分解炉和回转窑进行燃烧。

水泥熟料形成反应的理论热耗约为1700kJ/kg。

由于窑炉筒体表面散热、燃烧烟气带出热量及出窑熟料带出热量，实际的水泥熟料烧成热耗约为
3200kJ/kg，即吨熟料综合煤耗约为110kg标准煤。

水泥生产电力消耗可产生间接CO2排放，即直接CO2排放由发电厂燃料燃烧产生。

根据国家主管部门发布的数据，我国电力消耗CO2排放因子平均约为0.86TCO2/MWh，由此也可以推算出吨水泥生产电力消耗产生的间接CO2排放量约为94.6千克。

水泥生产燃料消耗会产生直接CO2排放。

可根据燃料中有机碳含量进行换算，计算出CO2排放量，但采用标准煤换算更为方便、快捷。

根据中国建筑材料科学研究总院的初步研究，燃煤的CO2排放因子介于2.31—2.55千克CO2每千克标准煤，而国家发改委能源所推荐的排放因子为2.46千克CO2每千克标准煤。

由此，可以计算出生产每吨水泥熟料、由燃煤燃烧产生的直接CO2排放量约为295千克。

水泥生产采用石灰质原料，经煅烧后石灰质原料中的碳酸盐矿物会分解，释放出大量的CO2。

通常，生产1吨水泥熟料需要消耗1.55吨生料，即产生的直接CO2排放量约为550千克。

按水泥中的熟料系数为0.75计，可计算出生产单位水泥CO2总排放量约为728千克/吨。

2.水泥生产的过程CO2减排
水泥生产的过程CO2排放指的是能源消耗之外的生产过程产生的CO2排放，即主要是石灰质原料中碳酸盐矿物分解产生的CO2排放。

采用低CO2含量的替代原料或生产低钙水泥都可以减少相应的过程CO2排放。

电石渣是电石法生产乙炔产生的工业废渣。

我国电石渣的年排放量已达到2000万吨，历年存积的电石渣量也超过1亿吨。

电石渣（干基）的主要成分是Ca(OH)2、达70%以上。

采用电石渣完全替代石灰质原料生产1吨水泥熟料，即可减少约550千克过程CO2排放，而全国年排放电石渣的完全利用，则可减少CO2排放约1100万吨。

目前，由合肥水泥研究
设计院等科研机构承担有国家科技支撑计划课题“电石渣制水泥规模化应用技术及装备研究”，以实现水泥生产天然石灰质原料的完全替代及生产技术和装备水平的整体提升。

一些大宗工业废弃物，包括钢渣、粉煤灰、煤矸石等，含有一定量的氧化钙，作为替代原料，也可以获得一定量的过程CO2减排。

例如，一些种类钢渣中CaO含量达45%，若替代50%的石灰质原料，则生产每吨水泥熟料可减少约275千克的过程CO2排放。

一些种类粉煤灰中CaO含量也超过10%，通过配比可替代约2%的石灰质原料，生产每吨水泥熟料也可减少约11千克的过程CO2排放。

水泥熟料的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，并且用饱和系数（KH）、硅酸率（SM）、铝氧率（IM）来调整和控制。

饱和系数的简单计算公式为：KH = CaO - 1.65Al2O3 - 0.35Fe2O3/2.8SiO2，表示熟料中硅酸三钙与硅酸二钙的比例关系。

事实上饱和系数可以在一定范围内变化，而且基本不影响水泥熟料的性能，因此也可以通过优化控制参数，适当降低水泥熟料饱和系数。

计算表明，若饱和系数由0.95降低至0.88，水泥熟料中CaO的含量就由68%降低至64%，生产每吨水泥熟料产生的过程CO2排放也会减少约30
千克。

为降低水泥熟料石灰饱和系数、提高水泥熟料的物理、力学特性，中国建筑材料科学研究总院（以下简称是建材总院）研究开发了硫铝酸盐改性硅酸盐水泥。

这种水泥熟料中CaO含量低于64%，熟料的煅烧温度约为1300℃，在矿渣掺量达50%时，可稳定生产42.5MPa 强度等级的水泥。

对比于硅酸盐水泥，硫铝酸盐改性硅酸盐水泥生产的过程CO2排放可减少约5%；由于烧成温度降低和混合材掺量增加，水泥生产的单位CO2排放也有显著的下降。

水泥熟料生产会产生较多的过程CO2排放，减少水泥中熟料的含量就会显著地减少过程排放，但这必须以保证水泥的性能为前题。

水泥中熟料系数平均约为0.75，即含有约75%的熟料，另有25%的石膏和混合材。

水泥熟料28d强度约为60Mpa，配制成水泥后可达到42.5MMa的强度等级。

通过提高水泥强度或是增加混合材活性，就可以在保证水泥性能的同时，增加水泥中混合材的掺量。

通常提高水泥熟料强度1个Mpa，就可以增加混合材掺
量约2%，进而获得近似2%的CO2减排。

建材总院研究开发的高性能水泥熟料煅烧技术，可提高熟料强度5MPa至10MPa。

这一技术的推广应用具有显著的经济效益和CO2减排效果。

提高混合材活性、增加混合材掺量不仅可以获得大幅度的过程CO2减排，而且可以实现综合利用，因而一直受到广泛的关注。

我国曾经制定有低熟料和无熟料水泥系列标准，以用于指导和规范相应水泥品种的生产。

目前，一些工业化国家在这种水泥系列研究中取得了较大进展。

有报导表明在矿渣掺量达85%-90%时，水泥仍有适宜的应用性能。

建材总院及全国水泥标准化技术委员会也正积极开展研究工作，恢复相关的水泥系列标准，同时要求在强度等性能指标上有较显著的提高。

这对减少水泥生产的过程CO2排放及能源消耗CO2排放都有重大的意义。

3.水泥生产的能耗CO2减排
水泥生产燃料和电力的消耗会产生能耗CO2排放，提高水泥生产工艺技术水平及能源利用效率，就可以显著地减少能耗CO2排放。

燃料消耗主要是用于水泥熟料煅烧的燃煤，而燃煤燃烧提供了熟料形成所需热量，同时也产生了窑炉筒体、出窑炉烟气及入篦冷机熟料带出的三大热损失。

降低水泥熟料形成温度、加速水泥熟料矿物形成可以减少燃煤用量及CO2排放量。

助熔剂和矿化剂可以显著改善水泥熟料的易燃性，实现水泥熟料的低温煅烧，长期以来一直受到广泛的重视，有研究表明采用适宜的助熔剂和矿化剂，可以使水泥熟料形成温度降低至1350℃，减少热耗达25千克标准煤吨熟料，相应的CO2减排量也达到约62千克吨熟料。

但是，如何防止助熔剂和矿化剂的挥发及对环境的影响，如何实现窑炉工艺系统的最佳操作，仍是助熔剂和矿化剂被广泛、实际应用时所要解决的重要问题。

窑炉筒体的表面散热约为水泥熟料烧成热耗的10%。

通过窑炉筒体保温技术及筒体表面散热回收利用，可以减少约2%的热损失。

通过提高篦冷机的换热效率、采用余热发电技术则可以回收利用出窑炉烟气及入篦冷机熟料带出的大部分热量。

较为先进篦冷机的热效率
可达到80%，而余热发电系统的单位熟料发电量达到40kWh/t。

目前，建材总院承担的国家重点基础研究发展计划（973计划）课题“熟料分段烧成动力学及过程控制”，旨在研究水泥熟料快速反应形成机制，确定烧成过程最佳能量的配置，在探究降低水泥经熟料形成理论热耗的同时，提出新型的、高能效窑炉技术原型，进而实现窑炉三大热耗的显著降低。

采用替代燃料代替燃煤是水泥生产的能耗CO2减排的重要途径。

替代燃料是一些具有较高热值（23000KJ/kg）的废弃物，经加工处理后可代替部分燃煤用于水泥熟料的煅烧。

替代燃料中含有一定量的有机碳氢化合物，在相同热值条件下替代燃料CO2排放因子比燃煤的低约20%。

另一些生物质替代燃料被公认为碳中性物质，即生物质替代燃料燃烧释放出的CO2被认为是对气候无影响，可不计入工业CO2排放中。

若全国水泥工业每年利用替代燃料1000万吨，利用生物质能100万吨，也可减少CO2排放约700多万吨。

目前，建材总院正研究制定有关国家标准，以促进和规范替代燃料在水泥生产中高效、环保的应用。

电力消耗伴随着水泥生产的全过程，根据国家工信部的有关指导意见，建材总院研究开发有水泥生产企业电能在线检测分析信息系统。

该系统对重要用能设备、生产流程等生产能耗动态过程进行数据收集、分析和对比，以发现电能消耗过程和结构中存在的问题；通过优化工艺过程和运行参数，提高企业能源管理水平和能源效率。

电能在线检测分析信息系统是建立企业能源管理中心的基本内容，并可以通过强化电能管理、优化工艺过程，获得
3%-5%的节能效果。

以一条日产5000t熟料水泥生产线计，该生产线的年电耗约为2亿2千万度（kWh）电能，采用在线检测分析信息系统，不仅可以实现电能信息化管理，而且可以实现年节电6百万度以上，减少CO2排放也可达5000多吨。

目前，这一系统已在北京水泥厂安装并进行试运行。

粉磨设备、大功率风机及大型电机是水泥生产过程中的主要耗电单元。

通过采用辊压机、立磨等新型粉磨设备，采用变频调速技术及采用高效电机，可以显著地降低生产电耗。

例如，由合肥水泥研究设计院开发的生料辊压机终粉磨系统，单位产品电耗降低至18kWh/t 以下。

新型工艺及设备的不断研发和广泛采用，既提高生产技术水平和生产效率，同时也降低了能耗及CO2排放量。

.水泥生产CO2减排新技术研究
为大幅度减少水泥生产CO2排放，有广泛的研究开发低CO2排放水泥品种，或对高CO2浓度的废气进行捕集、贮存和分离、应用。

有研究机构采用轻烧氧化镁，与粉煤灰等工业废弃物混和、加水搅拌后制成镁建筑制品，再通过碳化或是对水泥窑炉烟气中CO2进行吸附、反应，形成碳氢化合物
Mg(HCO3)(OH)•2H2O，使镁建筑制品在2周的强度达18MPa，超过硅酸盐水泥建筑制品强度的两倍多。

镁建筑制品加工实现了过程CO2释放和吸收的循环，即过程CO2的零排放。

还有研究提出了采用废弃水泥砂浆及废弃水泥混凝土，中低温生产制备二次水泥的新工艺。

水泥矿物水化后形成有C-S-H凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙等。

通过组分的适当调整及在700℃下的中温煅烧，就会形成具有胶凝性的矿物。

这不仅有效地处置和利用了大量的建筑废弃物，而且消除了水泥生产的过程CO2减排。

CO2的捕集与封存是将化石燃料燃烧产生的CO2进行捕集，并长期封存在地质结构中。

这可将大规模工业的二氧化碳排放量降低85%左右。

我国也有大型水泥生产企业单一生产基地的年水泥熟料产量达数百万吨，排放的CO2总量也有数百万吨；由于烟气中CO2浓度达约30%，非常适合捕集和封存处理。

CO2分离和利用首先是通过化学吸收、物理吸收、吸附、膜分离、深冷分离等方法将窑炉烟气中的CO2进行分离，获得不同纯度CO2气体产品，再进行各项工业应用，包括化工合成、金属冶炼等。

碳汇是通过植物生长对CO2进行吸收。

通常，植物中的碳含量可达到约50%，因此发展林业、种植业有利于CO2的吸收。

有研究采用微藻吸碳不仅可以加速CO2的吸收，而且可以为生物质能制备提供原料。

另外，一些植物生长需要较高的CO2浓度，可达5%；将水泥窑炉高CO2含量烟气送入植物温室大棚也是一条可探索的CO2减排路径。

4.结语
低碳生产技术是水泥工业的发展方向；只有大力研发和应用低碳生产技术，才能推进水泥工业的节能减排，实现水泥工业向先进制造业的转变，进而为社会经济的可持续发展、保护生态环境和应对气候变化作出较大的贡献。