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水泥生产过程C02减排潜力分析

(作者：崔素萍，刘伟 本信息发布于2008年09月28日，共有167人浏览) [字体：大 中 小]

近年来，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。我国也在“十一五”中规定：到2010年末，污染物排放量下降10％。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C02排放就占全国C02排放总量的l8％～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C02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C02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C02排放分析
水泥生产过程中，C02的排放可分为直接排放和间接排放两种情况，我们将直接排放的考虑范围规定为本水泥厂原料锻烧分解和水泥窑燃料燃烧所造成的排放。间接排放的考虑范围规定为由其他工厂和实体拥有和控制的排放。
1．1 C02直接排放分析
1．1．1原料中的碳酸盐分解
(1)CaC03分解产生的C02排放
根据国内的平均水平，普通硅酸盐熟料中CaO的含量为65％，由公式CaC03=CaO+C02可知，每生成1份的Ca0，就会同时生成0．7857份的C02，所以生产1t水泥熟料，由碳酸钙分解产生的C02为：lt×65％×0．7857=0．5107t。
(2)MgC03分解产生的C02排放
根据国内的平均水平，普通硅酸盐熟料中MgO 的含量为l．5％，由公式MgC03=MgO+C02可知，每生成1份的Mg0，就会同时生成1.1份的C02，所以生产1t水泥熟料，由碳酸镁分解产生的C02为：lt×1．5％×l．1=0．0165t。
因此水泥生产过程中，由碳酸钙和碳酸镁分解产生的C02排放总量为：0.5107t+0.0165t=0.5272t。(生产1t熟料，煤燃烧产生的C02排放量约为：E=0.2328t。 见后 赵)

1．1．2水泥窑系统的窑灰煅烧
水泥窑系统的窑灰主要是从窑尾收尘器和增湿塔收集的物料，现在国内主要的利用途径是直接添加到水泥中或作为生料再次入窑煅烧。但是在计算窑灰的C02排放情况时，应以窑灰的总量为准，与它的利用途径无关。计算公式如下：
(1)
式中：EFCKD-部分煅烧水泥窑粉尘(tC02／t水泥窑粉尘)的排放因子；
EFCli-工厂级熟料排放因子(tC02／t熟料)；
d-水泥窑粉尘煅烧速率。
我们按经验值d=0.1代入式1中，得EFCKD=0.0362。
在回转窑生产系统中，窑灰量一般占水泥熟料量的25％(20％～30％)，所以生产1t熟料，由窑灰煅烧所产生C02为：lt×25％×0．0362=0．O09t。
1.1.3原料中有机碳的燃烧
用于熟料生产的原料中通常都含有一小部分有机碳，经由高温处理时，有机碳会转化为C02。
原料的总有机碳含量根据地点和使用材料的种类可能有巨大变化，但是基本保持在0．1％～0．3％(干重)之间，我们取0．2％，按国内平均水平，生熟料折合比为l．65，则生产1t水泥熟料，由原料中有机碳产生的C02排放量为：lt×1.65×0.2％×3.67=0.Ol2t。
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.1.4 水泥窑燃料燃烧产生的C02
目前，国内水泥窑燃料仍以煤为主，天然气和石油焦几乎很少使用，燃油也只是在启动回转窑时才会使用，因此我们只考虑煤燃烧的C02排放情况。其C02排放计算公式如下：
E=3.67Fqka (2)
式中：E-C02的排放量，kg；
F-燃料的消耗量，kg；
Q-燃料发热量，MJ／kg；
k-燃料的碳排放系数；
a-燃料的碳氧化率。
表1 中国化石燃料的碳排放系数和碳氧化率
燃料
原煤
原油
天然气
碳排放系数10-6kg／kJ
25.80
2000
15.30
碳氧化率
0.98
0.99
0.995
低位发热值MJ／kg
20.908
41816
38931

由式2和表l中原煤的数据，我们可以计算出，1t煤燃烧产生的C02排放量为1.94t。根据国内吨熟料平均煤耗约为120kg，可以得出生产1t熟料，煤燃烧产生的C02排放量约为：E=0.2328t。
1．2 C02间接排放分析
1．2．1熟料生产电耗产生的C02排放
由于水泥生产所需电力资源是由所在区域电网提供，即电耗产生的C02排放是由第三方，即电网控制的，而且不同区域的电网，其C02排放系数(EF)也不相同，表2为2005年中国各区域电网的电力排放系数。
表2 中国不同区域电力生产排放因子

OM(tC02／MWh)
BM(tC02／MWh)
华北区域电网
1.1208
0.9397
东北区域电网
1.2404
0.863l
华东区域电网
0.9421
0.8672
华中区域电网
1.2899
0.6592
西北区域电网
1.1257
0.5739
南方区域电网
1.0119
0.6748
海南省电网
0.9209
0.7517
全国平均电力排放水平
0.9273
注：表2中，0M是指电量边际排放因子，BM是指容量边际排放因子,电网的电力排放因子是两者的加权平均值，即EF=ω×OM+ω×BM, ω=0.5。 
如果按2006年国内新型干法水泥熟料电耗平均水平69.34kWh计算，则吨熟料电力排放系数为0.9273×0.06934=0.0643t。
1．2．2水泥粉磨产生的C02排放
水泥生产中，水泥粉磨电耗约占水泥生产总电耗的40％，根据2006年我国水泥生产的平均电耗98.31 kWh／t水泥计算，水泥粉磨产生的C02排放量为：lt×0.09831×40％×0.9273=0.04t。
1．3 水泥生产过程C02排放综合比较分析

表3 水泥生产过程CO2排放系数
水泥生产过程C02排放
C02排放系数(t)
原料中的碳酸盐的分解
0.5272
水泥窑系统的窑灰煅烧
0.009
原料中有机碳的燃烧
0.012
传统化石燃料的燃烧
0.2328
水泥生产电耗
0.1043

从表3中我们可以看出，水泥生产过程C02排放仍然以原料分解、燃料燃烧和电力消耗为主排放源，它们的排放量分别占水泥生产排放量的59％、26％和12％，所以在下面的分析中，我们将重点考虑这三方面因素，对水泥生产C02减排潜力进行分析。
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2 水泥生产过程C02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16720kJ／kg(干基)以上，所以我们就以热值为l6720kJ／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×EFEF-QAF×HVAF×EFAF (3)
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C02排放系数；
EFAF-煤的C02排放系数。
代入数值后得ARER=8.162kg／t熟料，对于一个日产2500t／d的生产线，如果使用该技术，可产生的减排量约为l0203kg。
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C02，根据公式CaC03=CaO+C02可知，每生成1份的Ca0，就会同时生成0.7857份的C02，根据国内的平均水平，熟料中Ca0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C02排放量约为：lt×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C02排放约为0.8453t，如果用矿渣替代40％的熟料计算，可减少C02的排放约为：0．8453t×40％=0.3381t。
2．4 水泥窑余热回收利用
在水泥生产过程中，由窑尾预热器和窑头篦冷机排出的废气余热约占水泥熟料烧成热耗的33％，这些废气余热经回收后可以用于烘干原燃料，从而减少了烘干物料所用的煤，间接的减少了C02的排放，也可以利用回收的余热发电，将这些电能用于企业生产，减少向电网外购电量，换言之就是减少燃煤发电厂的煤的用量，从而减少了C02排放量。
(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，根据表2中国家平均力排放因子0.9273t
C02／MWh计算，生产1t水泥熟料，其减排能力可达3lkg。
(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C02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％。
根据2006年我国水泥生产综合电耗98．31kWh／t水泥计算，生产1t水泥，该技术可使水泥综合电耗降低39.324kWh／t，可间接减少约C02排放为：0.9273×0.0393=36kg。
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2．6 各种减排技术综合比较分析
表4 各种减排技术的减排潜力
减排技术
C02减排量(kg)
替代燃料
8.162
替代原料
153
添加混合材
338
余热发电
3l
余热烘干原燃料
50
改进粉磨技术
36

2006年全国水泥产量12.4亿t，新型干法水泥产量6.24亿t，熟料产量4.5亿t，根据表4的数据，我们可以得出各种减排技术的年减排量，见表5。
表5 各种减排技术的年减排量
可实施的减排技术
全国减排量(万t)
替代燃料使用
180
替代原料使用
3000
添加混合材
6000
余热发电技术
1400
利用余热烘十原燃料技术
1800
改进粉磨设备
5000

从表4和表5中我们可以看出，添加混合材的减排效果是最明显的，其次是替代原料、余热烘干技术、改进粉磨技术和余热发电，即使是减排潜力最小的替代燃料技术，其年减排量也达到百万吨。所以，如果在水泥生产中，能够有效的采取这些减排措施，不但可以尽早的实现国家下达的节能减排指标，而且可以促进水泥行业循环经济的发展。
3 结论
(1)水泥生产过程中C02的排放源以原料煅烧、煤燃烧和电力消耗为主排放源，其排放量分别占水泥生产C02总排放量的59％、26％和l2％，因此应该重点从这三方面出发，采取一些节能减排的措施，降低水泥生产中污染物、粉尘的排放，节约资源和能源。
(2)在我们所分析的几种可实施的减排途径中，年减排潜力最高可达几千万吨。最低也有近百万吨，这说明我国水泥行业的减排潜力是非常大的。
(3)国际上已批准了适合水泥行业的CDM方法学，如果企业申请水泥CDM项目，这样减排量不但可以在国际碳排市场出售，获得额外的减排收益，而且还可以吸引外商投资，引进先进的生产技术，对中国水泥工业的发展有很大的推动作用。

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