高能效的低碳水泥工业发展综述

邓大鹏

（中国中材国际工程股份有限公司，江苏南京，211100）

1 前言

“十一五”期间水泥行业节能减排成效显著，“十二五”规划又为水泥行业节能减排明确提出：加快科技进步，提高水泥生产的能效水平；加快研发低碳技术，逐步降低单位二氧化碳排放强度等发展高能效的低碳水泥工业的更高的要求。对于面临着“高能耗”、“高排放”、“高产能过剩”的水泥工业而言，发展高能效的低碳水泥工业刻不容缓。

2 加快科技进步，提高水泥生产的能效水平

水泥生产的能效水平的提高主要集中在两种途径上：一是淘汰落后产能，用高效低能耗的新型干法生产线替代立窑等落后生产线；二是开发先进的节能技术，如纯低温余热发电技术等。

2.1 加快淘汰落后生产工艺，发展新型干法水泥

我国目前还有40%的水泥是由国际上业已淘汰的立窑等生产的，其单位能耗比新型干法要高约30～35kg标煤／t水泥。就新型干法本身来说，和世界先进水平相比，单位熟料热耗高80kcal／kg左右，单位水泥电耗高12kW·h／t左右。按照水泥发展专项规划确定的“十一五”期间淘汰2.5亿吨目标，每年需淘汰5000万吨。从执行的结果看，“十一五”淘汰2.5亿吨落后水泥目标已经实现，且超额完成任务。按每年淘汰5000万吨测算，可节电45亿度，减少粉尘排放60万吨，减少二氧化碳排放4000多万吨，节煤700万吨。这样，淘汰2.5亿吨，可节电225亿度，减少粉尘排放300万吨，减少二氧化碳排放2亿多吨，节煤3500万吨。淘汰落后水泥对节能降耗和减排效果明显［1］。

新型干法水泥生产，就是以悬浮预热和预分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产最新成就，例如，原料矿山计算机控制网络化开采、原料预均化、生料均化、挤压粉磨、IT技术，及新型耐热、耐磨、耐火、隔热材料等广泛应用于干法水泥生产全过程，使水泥生产具有高效、优质、节能、环保和大型化、自动化及科学管理等特征的现代化水泥生产方法，因此，发展新型干法水泥是提高水泥生产的能效水平的先进生产技术［2］。

2.2 开发先进的节能技术

水泥窑纯低温余热发电技术是一项在不增加任何热源的情况下，利用水泥回转窑的烧成系统窑头熟料冷却机和窑尾预热器排掉的350℃以下的废气余热（其热量约占水泥熟料烧成系统总热量的30%以上）产生0.8～2.5MPa低压蒸汽推动汽轮机做功发电的技术［3］。纯低温余热发电技术，一般情况下，生料磨仅用窑尾废气的70%，同时冷却熟料产生的尾气也可全部用于余热发电。该技术能将水泥生产的综合热利用率从60%左右提高到90%以上，经济效益明显［4］。

对于我国新型干法水泥窑纯低温余热发电技术目前的实际水平，文献［5］对比了第一代和第二代余热发电技术，并指出第一代余热发电技术，只利用了水泥窑窑尾预热器及窑头熟料冷却机排出的废气中的部分余热，还存在很多技术问题；第二代余热发电技术在具体技术细节上虽然解决了第一代余热发电技术存在的绝大部分问题，但是窑筒体余热、窑头熟料冷却机废气收尘器排出的废气余热还没有回收利用，我国水泥窑纯低温余热发电技术与国际先进水平还存在一定差距。

3 加快研发低碳技术，逐步降低单位二氧化碳排放强度

水泥行业是工业领域中的二氧化碳排大户，存在两种直接产生二氧化碳的排放源。其中，一种排放来源于水泥生产过程中的碳酸盐分解，属于工艺过程排放；另一种排放则来源于化石燃料的燃烧，属于能源燃烧引起的排放。研发低CO2排放的水泥新品种与碳捕集与碳贮存是降低CO2排放的主要措施。

3.1 研发低CO2排放的水泥新品种

在欧洲、美国等发达国家，水泥等高能耗高排放工业面临着“碳排放税”政策的压力。英国、法国、日本等国正在积极开发新的低能耗低排放熟料水泥。研发低CO2排放的水泥新品种必然成为水泥材料可持续发展的一个重要方向。

由德国卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）理工学院（KIT）开发的环境相容的“绿色”水泥，二氧化碳排放量可以减半。此外，新型水泥具有资源低消耗的特点。相比传统的硅酸盐水泥，所需石灰石的量仅为原来的三分之一，它可完全不加石膏添加剂。新的生产过程中，在其主要生产阶段，温度只需约200℃，而传统的水泥烧结需要1450℃，这也大大降低了烧结所需能耗。

美国斯坦福大学教授Brent Constante发明了一种新工艺，它利用了在生物环境中珊瑚礁的形成原理：珊瑚利用大气中的CO2和海水中的钙和镁，在低温低压条件下生成碳酸钙，最终成为珊瑚礁。Constante则利用火电厂烟气中的CO2和海水中的钙和镁，生成碳酸钙，最终生成绿色水泥。

英国环境工程师尼古拉斯.瓦拉索普鲁斯最近研发了一种绿色的“负碳性水泥”［6］，将生产水泥的原料碳酸钙替换成氧化镁，结果每生产一吨这样的水泥，不仅能中和生产过程中排放的二氧化碳而且还能从空气中吸收0.1吨的二氧化碳，实现了“负碳”！

我国是世界上唯一实现硫铝酸盐水泥工业化和规模化生产的国家，也是唯一将其应用在建筑结构工程中的国家［7］。相对于硅酸盐水泥熟料，硫铝酸盐水泥熟料的低烧成温度以及低碳排放的特点，受到世界各国水泥材料工作者的高度重视。

3.2 碳捕集与碳存储

碳捕集与碳存储的定义很多，目前被广泛接受的定义是“一个从工业和能源相关的生产活动中分离二氧化碳，运输到储存地点，长期与大气隔绝的过程”。通俗而言，就是在二氧化碳排放之前就对其捕捉，然后通过管线或船舶运到封存地，最后压缩注入地下，达到彻底减排的目的。

目前正在进行试点的有三种捕集技术：燃烧前捕集，富氧燃烧和燃烧后捕集。Mauricio Naranjo等人［8］详细阐述了CEMEX公司致力于研究在水泥工业中CO2的捕集和分离技术，燃烧前捕集技术更适合应用于整合了气化技术的新建水泥厂，用来生产合成气体（H2、CO、H2O、和 CO2混合气体），该方法的缺点是只有来自燃料中的CO2被捕集，煅烧石灰石过程中释放的CO2并不能被捕集；燃烧后捕集却能够将煅烧过程和燃料燃烧中产生的CO2一并捕集；富氧燃烧技术利用空气分离获得的高纯氧和部分再循环烟气混合物代替空气与燃料组织燃烧，从而提高了排烟中的CO2浓度。通过循环烟气来调节燃烧温度，同时循环烟气又替代空气中的N2来携带热量以保证锅炉的传热和锅炉热效率，但是富氧燃烧技术的发展主要受空气分离氧气能耗大、燃烧后尾气污染物的产生和控制等一些技术问题的制约。综合来看，燃烧后捕集技术适用性强，发展相对成熟。

在碳存储方面，目前最适合储存CO2的地点是枯竭的油气田，现有的二氧化碳存储技术中以CO2驱油的应用项目最多，通过注CO2，将那些开采难度大的石油或天然气“推向”生产井。二氧化碳是一种在油和水中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中，可以使原油体积膨胀、黏度下降，还可以降低油水之间的界面张力，故二氧化碳驱油适用范围广、驱油成本低、原油采收率高［9］。

4 结论

发展高能效的低碳水泥工业，要把提高能效水平和降低CO2排放两项任务同时进行。切实推进水泥工业的节能减排工作，实现社会经济的可持续发展。

［1］刘明.进入新世纪水泥产业翻开新篇章［J］.中国水泥，2012，8：10－13.

［2］农有硕.对新型干法水泥生产工艺的探讨［J］.科学之友，2010.8：18－19.

［3］于静，蔡正波.浅议纯低温余热发电技术在水泥工业中的应用［J］.内蒙古石油化工，2011，9：30－31.

［4］罗忠涛，等.水泥工业节能减排资源化综合利用研究［J］.材料导报，2011，6（25）：126－128.

［5］唐金泉.我国新型干法水泥窑纯低温余热发电技术现状［J］.中国水泥，2010，10：56－58.

［6］史春树.绿色水泥：不是零碳而是负碳.环境与生活［J］.2012，2－3：69－72.

［7］张庆欢，徐永模.硫铝酸盐水泥：低碳水泥混凝土发展的重要领域［J］.混凝土世界，2010，15（9）：32－38.

［8］Mauricio Naranjo，Darrell T.Brownlow，Adolfo Garza.CO2 Capture and Sequestration in the Cement Indust［J］.Energy Procedia 4，2011，2716–2723.

［9］王键，杨剑，王中原，等.全球碳捕集与封存发展现状及未来趋势［J］.2012，4（30）：118－120.