关于低碳经济背景下水泥工业减碳路径与策略

论文导读：45056t=450.56kg所以，如果用电石渣生产水泥，每吨水泥熟料将会减少450.56kg的CO2。水泥熟料和水泥的换算比例系数为0.85，则使用电石渣生产每吨水泥可以减少450.56×0.85=383kg的CO2气体排放。1.2减少燃料燃烧的CO2排放燃料的燃烧产生的CO2也是水泥生产过程中CO2气体排放的重要组成。煤炭用于直接燃烧时
[摘 要] 本文对如何减少水泥工业碳排放进行了论述，对几种可能的减碳路径进行了比较。分析了减碳路径实施过程中的障碍和困难，最后提出了减少水泥工业碳排放的策略，认为提高水泥工业的集中度、相应的人力支持以及一定的政策鼓励是减少水泥工业碳排放的关键策略。
[关键词] 减碳路径； 碳捕捉； 水泥； 策略
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 0

3. 053

[] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）03- 0115- 02
1 减碳路径
水泥生产中CO2气体排放的主要来自于生料中碳酸盐的分解、燃料的燃烧和消耗电力导致的间接排放。若要有效地减少水泥生产的碳排放量，需要从这3个方面入手研究有效的减碳策略，降低水泥生产的气体排放量，达到预期的减碳目标，缓解温室气体对世界环境造成的破坏[1]。
水泥的制造原料是含有石灰石等碳酸盐成分的生料，由于碳酸根的不稳定性，碳酸盐经过高温煅烧就会受热分解出CO2气体，所以行而有效的策略是采用碳酸盐成分低的原料进行生产；在燃料燃烧方面，可以采用的策略包括采用助燃剂帮助燃料充分燃烧，提高燃料的产热效率，从而减少燃烧的燃料用量，减少CO2气体的排放，也可以使用替代燃料代替现有的燃料；电力的消耗是水泥生产的全过程都需要的，燃煤发电的排碳率并非我们可以降低的，所以我们需要从水泥的生产环节和工艺入手减少用电总量，从而达到减少CO2气体排放的目的[2]。

1.1 电石渣代替生料生产水泥

生料的主要成分是碳酸钙，所以替代物中也需要有钙，但是不能含有碳酸根。符合这个要求的物质就是电石渣。电石渣是生产聚氯乙烯产生的工业废料，可通过电石（CaC2）水解后产生，其主要成分是Ca（OH低碳经济背景下水泥工业减碳路径与策略相关范文由写论文的好帮手www.7ctime.com提供,转载请保留.）2。
CaC2 + 2H2O → C2H2↑ + Ca（OH）2↓
按照CaC2和Ca（OH）2的分子量进行简单估计，每吨电石经过反应可以得到1.18吨Ca（OH）2。因而如果不能将电石渣利用于其他生产，将会占据大量的空间囤积堆放这种工业废料。而且电石渣容易流失扩散，会导致周围的水源污染，土地碱化。如果能将电石渣用于水泥的生产，则不仅可以解决电石渣的处理理由，还能减少水泥生产过程中的CO2气体排放，保护环境。
水泥生产的生料中主要成分是石灰石，1吨水泥熟料的产出大概需要1.28吨的石灰石。石灰石中80%的成分为CaCO3。如果换成电石渣，按照Ca元素平衡计算：
CO2 ～ CaCO3 ～ Ca（OH）2
44 100 66
x

1.28t × 80% y

■ = ■ = ■
x = 44 ×

1.28 × 80% ÷ 100 = 0.45056 t = 450.56 kg

所以，如果用电石渣生产水泥，每吨水泥熟料将会减少450.56 kg的CO2。水泥熟料和水泥的换算比例系数为0.85，则使用电石渣生产每吨水泥可以减少450.56 × 0.85 = 383 kg的CO2气体排放[3]。

1.2 减少燃料燃烧的CO2排放

燃料的燃烧产生的CO2也是水泥生产过程中CO2气体排放的重要组成。煤炭用于直接燃烧时都是不能完全燃烧的，这造成了煤炭热能的浪费。若能从提高煤炭燃烧的效率方面进行改善，通过添加助燃剂来提高煤炭燃烧的效率，不仅可以减少煤炭资源的消耗，还可以减少CO2的排放。
利用助燃剂提高燃料的燃烧效率一直是众多学者们关注的重点，经过他们不懈的努力，已经得到了一些可以用于工业生产中的成果。添加助燃剂能够提高煤炭燃烧效率的原理主要是改善煤炭的燃烧特性，降低煤炭的着火点，加快燃烧的速度，提高锅炉热效率。
根据已有的数据可以知道，燃煤添加剂可以提高锅炉热效率10%以上，省煤15%～25%。按照省煤20%的效率来计算，在不添加助燃剂的情况下，每吨熟料的生产需要0.15 t的燃煤。添加助燃剂后每吨熟料需要的燃煤量为0.15 t × 80% = 0.12 t，同时可以得到CO2排放量为295 kg，即每吨水泥的生产，煤炭燃烧产生250 kg的CO2气体。
目前，发达国家中很多已经利用替代燃料进行水泥生产了，例如德国海戴尔伯格水泥集团中的已经存在了替代78%和66%化石燃料的两个水泥厂；美国水泥生产中5%的燃料来自于废弃物；奥地利水泥厂使用废塑料、废纸张及一些复合材料代替了70%的化石燃料。通过这些废料的利用，减少了化石能源的进口，降低了外汇支出，从而保障了国家的能源安全不会受到世界能源上扬的冲击[4]。
对于中国的国情来说，利用废料作为替代燃料没有被大范围推广是有我们自身的特殊理由的。我国是煤炭开采大国，所以煤炭的较为便宜，而且可以直接用于生产，如果使用废料作为替代燃料进行水泥生产，水泥企业还需要对替代燃料进行预处理，建设相应的设备，引入先进的技术，这些投资都比较高。因此，受到市场利益驱动而还未拥有太多社会环保利废责任感的企业决策者们并未对替代燃料有太大的兴趣。但是为了顺应国际上节能减碳的发展要求，采用替代燃料进行水泥生产将会成为我国水泥行业的发展趋势。

1.3 水泥生产的节电减排

电力的消耗是水泥生产中的又一重要资源消耗，并且伴随着水泥的生产过程，无法替代。我国的发电模式主要为火力发电，即通过燃烧煤炭等化石燃料产生大量的热将水变成水蒸气，水蒸气带动汽轮发电机发电。所以减少电力的消耗就意味着减少了化石燃料的燃烧和CO2气体的排放。
水泥生产过程的节电措施可以从两个方面着手。首先，优化水泥生产的工艺流程，改善机电设备从而减少电力的消耗；其次，水泥生产过程中原料会经历从高温煅烧到低温冷却的过程，这个过程浪费了大量的热能。如果这些能量能够被再次利用，即用于水泥生产的其他环节，则可以减少电力消耗，从而间接地减少了生产成本和CO2的排放，在经济上和环境上都有是有利的。在对现有的水泥厂机电设备进行测试后，可以论文导读：水形成氢氧化钙因而黏附性增加。当水蒸气与窑气中的有害成分发生凝聚反应而循环富集时，则更容易产生结皮堵塞现象。所以如何制约电石渣的比例从而不会影响水泥的生产质量是电石渣代替石灰的技术能够得以实施的关键。在使用废物替代燃料进行水泥生产中也会面对废料的成分是否会影响水泥质量的理由。如果废料的燃烧产物与水
发现水泥行业中设备不合理致使电力浪费的现象较为普遍和明显，主要表现为输送设备电机负载率低、入窑风机防封运转、球磨机无功消耗大、功率因数低等理由。针对不同的理由可以分别采取加装电机轻载节电器、加装电动机变频调速装置和采取相机的节电措施。
在水泥生产中，如果可以利用好熟料生产后窑尾产生的300 ℃以上的余热，将这些热量进行回收重复利用，用于水泥生产后续的工艺环节，则不仅可以节约发电用煤，还可以减少碳排放，具有很强的社会效益和环境效应。经过对具体水泥厂的数据采集和调研，水泥生产采用余热发电重复利用可以减少25%的电力消耗。结合优化的工艺和设备，水泥生产中的电力消耗可以减少40%～45%，所以每吨水泥生产电力消耗的气体排放可以减少到约60 kg。

1.4 其他可以实施的减碳策略

二氧化碳气体的减排除了从排放的源头处采取措施减少产出量外，还可以对产生的气体进行处理，从而减少二氧化碳对环境的影响程度。国际上对于温室气体减排采用的技术主要分为3类：让能源高效率利用、使用替代燃料和能源、二氧化碳的捕获和封存技术。水泥生产企业作为二氧化碳排放大户，如果排放的二氧化碳也可以被回收利用，经过分离、捕集、封存和固定使其不会再影响环境，封存和固定后还可以方便再次利用，则对于经济和环境都具有重大的战略作用。
碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技术是指将CO2从排放源分离，经富集、压缩并运输到特定地点，注入储层封存以实现CO2被捕集的与大气长期分离的技术。这项技术是一系列相关技术的集成，包括捕集技术、运输技术和封存技术，主要应用对象是排放气体规模较大的排放源。这意味着单个工厂或者生产线想单独实现并应用这项技术的成本和难度都非常高，单个水泥厂或者钢铁企业这样的排碳大户都不可能将这项技术应用到自己产品生产的工艺流程中。那么，这种可以实现零排放的理想化减碳技术如何才能应用到生产当中呢？答案是依靠国家的关注与支持，政府、科研机构和企业能从不同的层次为这项技术的实现提供帮助。
2 实施中的局限和难题
前文中对减碳技术的研究都是在理想状态下考虑的，而且仅仅把实施后的成果作为研究的主体，忽略了这些技术或工艺策略在实施中的难度和投入。例如在用电石渣生产水泥中，因为电石渣来源于乙炔的生产，所以得到的用于生产水泥的电石渣浆的含水量达到75%～80%，正常流动时的水分为50%，所以电石渣不易流动，其运输和存储都存在一定的难度，且电石渣脱水困难，是不易处理的工业废料。此外，电石渣的物理性能和化学成分与石灰石都不同，所以在生料煅烧过程中两者的化学反应是不同的，电石渣中的Ca（OH）2在温度达到550 ℃以上时就会分解出CaO，所以其会在预热器中进行分解而不是在分解炉中进行，过早出现的游离的CaO因为活泼的性质很容易和生料中的其他氧化物发生反应，这也与石灰石的配料不同。在水泥生产中，人们往往会希望电石渣所用的比例尽量高，甚至达到100%替代石灰石，但是电石渣分解会产生大量的水分，导致废弃成分中水蒸气的比例增加，已经分解的氧化钙就会吸水形成氢氧化钙因而黏附性增加。当水蒸气与窑气中的有害成分发生凝聚反应而循环富集时，则更容易产生结皮堵塞现象。所以如何制约电石渣的比例从而不会影响水泥的生产质量是电石渣代替石灰的技术能够得以实施的关键。
在使用废物替代燃料进行水泥生产中也会面对废料的成分是否会影响水泥质量的理由。如果废料的燃烧产物与水泥生料成分相似，那么对水泥质量的影响不会很大。另外在废料燃烧后排放的废气是否会对环境造成更加严重的影响也是我们需要考虑的理由。如果燃烧废料后排放的废气不仅会影响环境甚至对人体健康产生危害，那么使用废料代替燃料的这个做法就得不偿失了。
将余热重复利用这项技术的实现需要有将热能转化电能的设备和技术作支撑。目前我国已经有可以实现余热发电的水泥厂，但还存在一定的理由，包括主蒸汽参数与现有汽轮机相适应的理由、热力系统理由、套头熟料冷却机废弃取热理由和200℃以下低温废弃余热的利用理由等。只有这些理由能够得到解决，余热重复利用这项减碳技术才能真正达到成熟从而大规模应用于水泥的生产中。
3 减碳策略
经过以上的分析可以看出，我国水泥生产的减少碳排放工作还有很大的发展空间，在积极寻找和创新减碳技术的同时，还可以在其他方面采取减排的策略措施，从而更加全面地减少水泥生产的碳排放。

3.1 提高集中度

目前我国生产水泥的小企业数量多，但每个水泥厂的产量并不大。这样的零散生产模式势必会造成能源的浪费和大量不必要的碳排放。而且小型水泥生产企业能力有限，没有条件将最新的节能减碳技术应用到生产中。对此，国家可以通过相关政策将小规模的水泥企业整合集中，实现资源共享和流程互通，并且统一更新减碳设备和流程，从而实现碳减排。

3.2 提高技术水平和人员素质

水泥生产的碳减排需要专业的人员和先进的技术，因此国家应该鼓励相关的专业人员积极投身到水泥生产的减碳技术研究中，并且提高水泥生产流程中相关操作人员的专业知识水平，增低碳经济背景下水泥工业减碳路径与策略相关范文由写论文的好帮手www.7ctime.com提供,转载请保留.强他们减碳生产的意识，从而在细节中减少碳排放。国家还要增加对减碳技术研究的投入，更新水泥生产设备，积极淘汰落后的高碳排放的机器，更新水泥生产设备，将最新的减碳技术应用到生产中，实现减碳效率的最大化。

3.3 一定的政策支持

国家在水泥生产的减碳措施实施上可以出台一些相关的政策，支持和激励水泥企业低碳生产。例如对于在保证水泥质量前提下减碳效果显著的水泥企业减少税收、让减碳效果好的企业优先竞标大型工业项目的水泥提供商、定期对水泥企业的低碳效果进行评优从而提升低碳水泥企业的知名度和影响力等。这些政策都是可以推动和激励水泥企业走低碳生产道路，从而实现整个水泥工业的低碳生产。
主要参考文献
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[2] 许京法. 利用电石渣煅烧水泥熟料的生产工艺[J]. 水泥，2005（9）：13-18.
[3] 马林. 利用电石渣生产水泥的研究[J]. 中国水泥，2009（3）：72-74.
[4] 唐金泉，常子冈. 水泥窑纯低温余热发电的若干理由[J]. 水泥，2005（4）：5-10.