摘要 在水泥生產過程中，由于燃料的燃燒和原料的分解造成的CO2排放是相當嚴重的，為了實現水泥的清潔生產，必須采取有效的措施來減少CO2的排放。本文以水泥化學和水泥窯系統熱工理論為基礎，結合我國水泥生產工藝等方面的實際情況，分析了水泥生產過程CO2的減排潛力，為水泥生產節能減排提供依據。
關鍵詞 直接排放 間接排放 減排途徑 減排潛力
在我國，電力、鋼鐵、石油、化工和建材是能源和污染物排放最多的工業部門，而在建材產業中，由于水泥生產所造成的CO2排放就占全國CO2排放總量的18％～22％，所以分析水泥生產過程的減排潛力，從而采取有效的措施，實現水泥生產的節能減排，是當今水泥企業發展的重中之重。本文在對水泥生產過程CO2排放情況進行全面分析的基礎上，討論了相應的排放系數，然后結合我國水泥生產工藝及裝備水平、原燃料種類及消耗的實際情況，對水泥生產過程中CO2減排潛力及其技術途徑進行了分析和討論。
1 水泥生產過程CO2排放分析
水泥生產過程中，CO2的排放可分為直接排放和間接排放兩種情況，我們將直接排放的考慮范圍規定為本水泥廠原料鍛燒分解和水泥窯燃料燃燒所造成的排放。間接排放的考慮范圍規定為由其他工廠和實體擁有和控制的排放。
1.1 CO2直接排放分析
1.1.1 原料中的碳酸鹽分解
（1）CaCO3分解產生的CO2排放
根據國內的平均水平，普通硅酸鹽熟料中CaO的含量為65％，由公式CaCO3＝CaO+CO2可知，每生成1份的CaO，就會同時生成0.7857份的CO2，所以生產1t水泥熟料，由碳酸鈣分解產生的CO2為：1t×65％×0.7857＝0.5107t
（2）MgCO3分解產生的CO2排放
根據國內的平均水平，普通硅酸鹽熟料中MgO的含量為1.5％，由公式MgCO3＝MgO+CO2可知，每生成1份的MgO，就會同時生成1.1份的CO2，所以生產1t水泥熟料，由碳酸鎂分解產生的CO2為：1t×1.5％×1.1＝0.0165t。
因此水泥生產過程中，由碳酸鈣和碳酸鎂分解產生的CO2排放總量為：0.5107t＋0.0165t＝0.5272t。
1.1.2水泥窯系統的窯灰煅燒
水泥窯系統的窯灰主要是從窯尾收塵器和增濕塔收集的物料，現在國內主要的利用途徑是直接添加到水泥中或作為生料再次入窯煅燒。但是在計算窯灰的CO2排放情況時，應以窯灰的總量為準，與它的利用途徑無關。計算公式[6]如下：
其中 EFCKD ――部分煅燒水泥窯粉塵（t CO2/t 水泥窯粉塵）的排放因子 EFCli ――工廠級熟料排放因子（t CO2/t 熟料） d ――水泥窯粉塵煅燒速率
我們按經驗值d＝0.1代入式1-1中，得EFCKD＝0.0362。
在回轉窯生產系統中，窯灰量一般占水泥熟料量的25%（20％～30％），所以生產1t熟料，由窯灰煅燒所產生CO2為：1t×25％×0.0362＝0.009t
1.1.3 原料中有機碳的燃燒
用于熟料生產的原料中通常都含有一小部分有機碳，經由高溫處理時，有機碳會轉化為CO2。
原料的總有機碳含量根據地點和使用材料的種類可能有巨大變化，但是基本保持在0.1 ～0.3%（干重）之間，我們取0.2％，按國內平均水平，生熟料折合比為1.65，則生產1t水泥熟料，由原料中有機碳產生的CO2排放量為：1t×1.65×0.2％×3.67＝0.012t。
1.1.4水泥窯燃料燃燒產生的CO2
水泥窯燃料以煤為主，其CO2排放計算公式如下：
E=3.67Fqka （1-2）
其中 E——CO2的排放量(kg)
F——燃料的消耗量(kg)
Q——燃料發熱量(MJ/ kg)
k——燃料的碳排放系數
a——燃料的碳氧化率
由式1-2和表1中原煤的數據，我們可以計算出，生產1t水泥熟料，煤燃燒的CO2排放量為：E＝0.2067t
1.2 CO2間接排放分析
1.2.1熟料生產電耗產生的CO2排放
熟料生產電耗產生的CO2排放系數由下表可得。
注：表2中，OM是指電量邊際排放因子，BM是指容量邊際排放因子，電網的電力排放因子是兩者的加權平均值，即EF=ω×OM＋×BM，ω=0.5，由此得出華北區域電力排放系數為1.0302 如果按2006年國內新型干法水泥熟料電耗平均水平69.34KW·h計算[7]，則華北區域的噸熟料電力排放系數為1.0302×0.06934＝0.0714t/t熟料[2]。
1.2.2 水泥粉磨產生的CO2排放
水泥生產中，水泥粉磨電耗約占水泥生產總電耗的40％，根據2006年我國水泥生產的平均電耗98.31 Kw·h/t水泥計算，水泥粉磨產生的CO2排放量為：1t×0.09831×40％×1.0302＝0.04t。
1.3 水泥生產過程CO2排放綜合比較分析
從上表中我們可以看出，水泥生產過程CO2排放仍然以原料分解、燃料燃燒和電力消耗為主排放源，三者的總排放量約占水泥生產排放量的75％，所以在下面的分析中，我們將重點考慮這三方面因素，對水泥生產CO2減排潛力進行分析。
2 水泥生產過程CO2減排潛力分析
2.1使用替代燃料
水泥窯可使用的二次燃料主要有包括輪胎、塑料，聚合織物、橡膠、廢木材、動物骨骼等。
由于水泥窯系統是一個敏感的熱工系統，對替代燃料的熱值要求在4000Kca1/kg（干基）以上[11]，所以我們就以熱值為4000Kcal/kg的廢木材為替代燃料，替代比例為10％，生產1t熟料時的減排量進行計算[1]，公式如下：
AFER＝HCFF×10％×HIFF×EFFF－QAF×HVAF×EFAF （2-1）
其中 HCFF――指煤的使用量
QAF――替代燃料的使用量
HVAF――替代燃料的熱值 HIFF――煤的熱值
EFAF――替代燃料的CO2排放系數
EF FF――煤的CO2排放系數
代入數值后得AFER＝4.081kg/t熟料，對于一個日產2500t/d的生產線，如果使用該技術，可產生的減排量約為10203kg。
2.2 使用替代原料
目前可用的替代原料主要是電石渣[13]，其主要化學成分為Ca(OH)2，用其作原料不會產生CO2，1t無水電石渣含0.54噸CaO，根據公式CaCO3＝CaO+CO2可知，每生成1份的CaO，就會同時生成0.7857份的CO2，所以使用1t無水電石渣，可減排0.424t的CO2。但是根據國內的情況，電石渣可用量非常少，遠遠不能滿足水泥生產的需要。
2.3 添加混合材，減少熟料用量
國內生產1t普通硅酸鹽水泥，熟料的摻入量約為75％，如果用礦渣替代40％的熟料計算，可減少熟料生產中0.16t CO2排放量。
2.4 水泥窯余熱回收利用
在水泥生產過程中，由窯尾預熱器和窯頭篦冷機排出的廢氣余熱約占水泥熟料燒成熱耗的33％，這些廢氣余熱經回收后可以用于烘干原燃料，從而減少了烘干物料所用的煤，間接的減少了CO2的排放，也可以利用回收的余熱發電，將這些電能用于企業生產，減少向電網外購電量，換言之就是減少燃煤發電廠的煤的用量,從而減少了CO2排放量。
（1）余熱發電技術
現在國內余熱發電噸熟料發電能力約為30KW·h[9]，根據上一節中確定的電網排放因子計算，生產1t水泥熟料，其減排能力可達31kg。
（2）利用余熱烘干原燃料
按原燃料的自然水分為18％，生產1t熟料需烘干0.5t左右原燃料計算，烘干用煤約為0.02t。利用余熱烘干原燃料可省去烘干用燃料煤，則生產每噸水泥熟料可省去烘干用煤0.02t，相當于減少41kg的CO2排放。
2.5 改進粉磨設備，降低粉磨電耗
在水泥生產中，每生產1t水泥，粉磨電耗要占水泥生產總電耗的60％～70％，如果通過采用新型輥式磨及輥壓機終粉磨制備生料技術和輥壓機—鋼球磨或輥式磨—鋼球磨等半終粉磨系統制備水泥技術，來代替管式鋼球磨機粉磨技術的使用[10]，可使水泥綜合電耗降低40％。
根據2006年我國水泥生產綜合電耗98.31 Kw·h/t水泥計算，生產1t水泥，該技術可使水泥綜合電耗降低39.324kWh/t，可間接減少約41kg的CO2排放。
3 結論
從上面的分析中可以看出，當我們以2006年全國水泥產量12.4億t，新型干法水泥產量6.24億t，熟料產量4.5億t進行計算時，各種減排途徑的減排效果如表4所示。
根據表4和上一節的分析，我們得出如下結論：（1）粉磨設備的改進和混合材的使用，減排CO2的效果最大，其次是余熱發電和余熱烘干原燃料技術，最后是替代燃料。（2）使用替代原料雖然在理論上具有較大的減排效果，但因可使用的替代原料有限，技術的發展也受到限制。（3）國際上已頒布了適合水泥行業的CDM方法學，如果能根據方法學的要求，將某些技術申請CDM項目，不但可以減排CO2，而且減排額還可以在國際上出售，獲得額外的減排收益。
參考文獻
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