基于国内水泥生产现状的碳排放因子测算

魏军晓,耿元波,沈 镭,岑 况,母 悦,3(.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 000；.中国地质大学(北京),北京 00083；3.中国科学院大学,北京 00049)

基于国内水泥生产现状的碳排放因子测算

魏军晓1,2,耿元波1*,沈 镭1,岑 况2,母 悦1,3(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101；2.中国地质大学(北京),北京 100083；3.中国科学院大学,北京 100049)

水泥生产过程中碳排放因子的测算是计算水泥碳排放量的基础,为了准确测算我国水泥行业熟料煅烧阶段碳酸盐矿物分解释放C O2的碳排放因子,就需要对水泥生产线上相关样品做成分测定和综合分析.通过对国内近百条代表性较强的水泥生产线上的生料、熟料、水泥、石灰石、燃煤等样品进行钙、镁、烧失量、碳酸盐等化学成分的定量分析,并考虑新型干法窑和立窑两种生产工艺类型的差别,分析测算了基于国内水泥生产的工艺碳排放因子.结果表明:生料碳酸盐法测算碳排放因子的结果较熟料法的结果低约10kgCO2/tcl;不同窑型的碳排放因子存在明显差异,新型干法窑的碳排放因子多集中在500～520kgCO2/tcl,立窑碳排放因子多集中在480～500kgCO2/tcl;多数熟料含有少量碳酸盐.生料碳酸盐法不涉及燃煤灰分的化学成分,可以规避燃煤灰分成分的影响,测算碳排放因子采用生料碳酸盐法较准确,并且应基于不同窑型,同时考虑碳酸盐分解率问题.

碳排放因子；生料碳酸盐法；窑型；燃煤灰分；碳酸盐分解率

水泥行业是CO2排放大户,约占人为CO2排放量的5%～7%[1-3].在许多国家的工业部门,水泥行业的CO2排放都位于前3位[4-5].目前国际上水泥生产的碳排放因子测算方法并不统一,并且排放因子也各不相同,多数学者指出熟料煅烧过程的排放因子为900kg～1tCO2/tonne-clinker[6-8](以下简写kgCO2/tcl),水泥生产过程的排放因子为800kg～1tCO2/tonne-cement[9-11](以下简写kgCO2/ tce).

我国是水泥生产大国,水泥产量自1985年以来一直居于世界首位,至2012年水泥产量已达21.5亿t,世界占比约为58.11%[12],但目前我国学者在计算CO2排放量时多采用IPCC[13-14]或ORNL[15]提出的排放因子;熟料水泥比是影响水泥排放因子测算的重要因素,20世纪90年代,Liu等[16]指出,中国的熟料水泥比为85%,国外学者多采用83%[17],而目前我国实际的熟料水泥比为65%左右[18],并且该值从2005年的72.9%下降到了2009年的65.8%[19].由此可见,由于不了解中国水泥的生产现状,无论使用熟料碳排放因子还是水泥碳排放因子来计算水泥生产CO2排放量都会与实际值不相符.

近年来国内学者何宏涛[20],汪澜[21-22],贺成龙[23],王向华等[24],赵建安等[18]对水泥碳排放进行研究,他们在进行排放因子测算的实证研究或理论研究中多采用熟料法,主要因为熟料法所用数据容易获取,并且适合国家层面的CO2排放量计算,但是熟料法需要考虑生料配料、窑灰、旁路放风粉尘、燃煤灰分成分等诸多问题,难以精确测算排放因子.本研究采用生料碳酸盐法测算熟料煅烧过程碳酸盐矿物分解的碳排放因子,从源头考虑CO2排放问题.

1 材料与方法

1.1 样品分析

本课题组对2011年8月～2013年12月采集的国内近百条生产线样品,包括生料、熟料、水泥、燃煤(入窑煤粉)、窑灰(主要是立窑工艺中的)及石灰石等进行了成分分析.实验室内样品的前处理主要包括均化、粉碎、烘干、熔融与消解等.样品类型及对应分析成分见表1.钙镁的测定采用EDTA滴定法和差减法(或称基准法和代用法)[25];碳酸盐测定采用中和滴定法[26]和气量法[27];烧失量的测定采用灼烧差减法[25];有机碳的测定采用K2Cr2O7氧化-FeSO4滴定法[28];燃煤灰分的测定采用灼烧差减法[29].每批实验操作均有对应的国家标准物质: GBW03203a、GBW03204a、GBW03205a、GBW11107n、GSD-4、GSD-5和GBW07135等作为实验数据质量控制,实验所得标样数据均在标准偏差范围内.

1.2 数据分析处理与成图

所得数据用Excel(2007)和SigmaPlot12.0进行数据处理分析,用SigmaPlot12.0成图.

表1 样品类型及成分分析Table 1 Sample types and component analysis

2 结果与分析

2.1 三种测算方法所得结果的对比和分析

图1 两种生产工艺三种测算方法的碳排放因子对比Fig.1 Comparison of CO2emission factors from two types of cement kilns by three calculation methods

采用生料碳酸盐法、生料钙镁法和熟料法3种方法进行测算.由于生料碳酸盐法是从源头考虑CO2排放的,因此该法所得结果最准确;生料钙镁法中的钙镁值是生料中全部形态的钙镁,并且未扣除窑灰、旁路放风粉尘等,因此所得结果最高;熟料氧化钙镁法未扣除生料中实际的钙镁、燃煤灰分中的钙镁等,因此其结果较生料碳酸盐法的结果高,而较生料钙镁法的结果低(图1).由于新型干法窑与立窑两种窑型的生产工艺相差较多,因此两种窑型的排放因子应单独计算.

2.2 新型干法窑排放因子测算方法的分析

2003年以来,我国水泥生产由悬浮预热器和预分解窑为核心技术的新型干法窑在全国范围内普遍建成,逐渐成为熟料生产的领军窑型.截止至2011年底,新型干法生产线已达1513条[30],新型干法水泥产量占总产量近90%[31].因此,将新型干法窑的排放因子定量化是十分有必要的.

预分解窑工艺中,除了旁路放风粉尘,大部分窑灰都会入窑[32],因此在计算排放因子时可以不考虑窑灰问题,即通过生料中碳酸盐含量来计算.由于旁路放风粉尘的化学成分近于熟料[20],因此可考虑旁路放风粉尘的量和化学成分.表2为基于生料碳酸盐法的新型干法窑排放因子统计分析表,由表2可知,目前我国新型干法窑水泥生产企业的排放因子区间多为500～520kg CO2/tcl.新型干法窑的排放因子见式(1).

式中:R为熟料煅烧过程由碳酸盐矿物分解所排放的CO2,kgCO2/tcl;RC为单位生料中的CO2含量,%;GA为熟料中燃煤灰分掺入量,%;L为生料烧失量,%.

2.3 立窑排放因子测算方法的分析

20世纪90年代以来,工业化国家均已实现了回转窑工艺进行熟料生产[33],但由于受到生产技术及资源存储、开采等问题的制约,立窑作为一种落后的生产工艺仍存在于我国的部分省市区.同时,也正是由于上述原因,该种窑型会在相当长一段时期内存在于我国[34].

在进行熟料煅烧时,立窑工艺的窑灰是不完全煅烧且不回窑的,因此在用生料碳酸盐法进行计算时要对其扣除.由表2可见,基于生料碳酸盐法的立窑排放因子区间多为480～500kg CO2/tcl.立窑的排放因子测算方法见式(2).

式中:RCKD为生产单位熟料排放的窑灰中的CO2量,tCO2/tcl;UCKD为生产单位熟料排放的窑灰总量,如果缺少实测值,可取经验值2%[35-36](即0.02t),tCKD/tcl;CKDCO2为单位窑灰中的CO2含量,tCO2/tCKD.白生料的GA值为熟料中煤灰掺入量质量分数;全黑生料的GA值为0;半黑生料的GA值为二次煤掺入熟料中的煤灰质量分数.

表2 基于生料碳酸盐法的新型干法窑和立窑工艺碳排放因子统计分析Table 2 Statistical analyses of emission factors of NSP kilns and shaft kilns by raw material carbonate method

3 讨论

3.1 煤灰对熟料法计算排放因子的影响

我国水泥生产企业较常用的固体燃料是煤,回转窑一般采用烟煤,立窑多采用无烟煤和焦炭末,但是部分企业受地域或开采现状的制约而采用褐煤,或是不同燃料按一定比例混合使用,主要因为生产单位多考虑燃煤应用基的灰分、挥发分和低位发热值等.燃煤除了为熟料煅烧提供能量外,其燃烧后的灰分还会落入熟料中,因此作为水泥熟料生产的一种“原料”,它既会影响熟料的质量也会影响熟料的产量.

选取116个燃煤样品进行灰分测定,并在其中随机选取30个样品进行灰分的CaO、MgO含量测定,统计分析结果如表3.由表3可知,部分燃煤样品的灰分及其中CaO、MgO的含量波动较大.用熟料法测算排放因子时无法规避对煤粉掺入量换算因子的使用和对煤粉灰分中钙镁含量的扣除,最好的办法是使用实测值或不同的煤种的经验值.由于本实验缺少熟料中燃煤灰分掺入量的换算因子,所以对于该问题的讨论只能处于半定量阶段.如果采用生料碳酸盐法,则不需要考虑燃煤灰分中的钙镁含量问题.

表3 燃煤灰分及其CaO、MgO含量分析结果Table 3 Contents of CaO, MgO in coal ash

3.2 碳酸盐分解率的探讨

我国学者在有关水泥的生产、减排及排放因子测算方法等方面的研究工作中均很少提及碳酸盐分解率的问题,但是在对熟料进行化学分析(无论定性或定量)时发现大部分熟料中都会含有少量的碳酸盐,分析结果如表4,因此若要精确测算排放因子,则有必要考虑该问题,碳酸盐分解率见式(3).

采用气量法对水泥熟料进行碳酸盐含量测定,结果表明,窑型不同,熟料中碳酸盐含量也不相同,并且新型干法窑的碳酸盐分解率较立窑的高.如果考虑碳酸盐分解率问题,那么熟料煅烧过程中碳酸盐矿物分解的排放因子会降低5～10kgCO2/tcl.综上所述,熟料煅烧过程碳酸盐矿物分解的碳排放因子测算见式(4).

新型干法窑的RCKD值定义为0;新型干法窑、立窑白生料的GA值为熟料中煤灰掺入的质量分数,立窑的全黑生料GA值为0,立窑半黑生料的GA值为外加煤掺入熟料中的煤灰质量分数;熟料煅烧过程排放CO2的物质来源主要为CO,生料中可能含有消耗HCl但是不产生CO2的物质,例如电石渣(主要成分为Ca(OH)2).因此本文建议使用气量法来计算碳酸盐的含量,同时该法还可以规避Ca是以方解石(CaCO3)还是以白云石[CaMg(CO3)2]形式存在的问题.

表4 气量法所得熟料碳酸钙含量和碳酸盐分解率Table 4 The calcium carbonate in clinker and decomposition rate by gas method

3.3 与IPCC测算方法的对比

图2 IPCC方法与生料碳酸盐法所得排放因子对比Fig.2 Comparsion of CO2emission factors by the IPCC method and raw material carbonate method

IPCC推荐了3种排放因子的测算方法:基于产出1(即基于水泥中的熟料含量)、基于产出2(即基于熟料成分)和基于实际碳酸盐含量[36],这3种推荐方法与上述熟料法和生料碳酸盐法大体相似,但未涉及灰分和碳酸盐分解率等问题.由此可见,在计算我国水泥行业的碳排放因子时不可照搬IPCC的方法.由图2可知,本文采用的生料碳酸盐法的测算结果比IPCC推荐方法低,通过以上论述可知,该法较为准确.

3.4 生料碳酸盐法的应用条件探讨

本文所指的碳排放因子仅包括熟料煅烧过程由生料中碳酸盐矿物分解的排放因子,不包括生料中的非燃料碳燃烧、化石燃料或替代燃料燃烧和电力消耗等的排放因子.另外,在采用该公式时应按不同窑型或生产工艺对GA和RCKD进行取值.

生料碳酸盐法的计算公式中的单位生料CO2含量(RC)、燃煤灰分掺入量(GA)、生料烧失量(L)、生产单位熟料排放的窑灰中的CO2含量(RCKD)和碳酸盐分解率(η)5个指标,只有后两者不在企业要求的检测范围之内,因此需要加测RCKD和η两个指标.由于同一生产线的样品成分变化不会太大,可定时监测.因此,加测两项指标并不会对企业造成过大的负担.

4 结论

4.1 因为生产工艺差别较大,所以排放因子的测算应基于不同窑型.新型干法窑的排放因子区间多为500～520kgCO2/tcl,立窑的排放因子区间多为480～500kgCO2/tcl.

4.2 燃煤灰分中含有少量的钙镁,所以采用熟料法计算时应进行扣除.采用生料碳酸盐法便可以规避该问题.

4.3 考虑碳酸盐分解率问题之后,两种工艺的排放因子测算方法为:生料碳酸盐法所得结果乘以碳酸盐分解率,这样我国水泥行业的排放因子会降低5～10kgCO2/tcl.

4.4 为达到精确测算排放因子的目的,企业需加测RCKD和η两项指标.由于同一生产线的样品成分相差不大,可定时监测.因此,加测两项指标并不会对企业造成过大的负担.

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Calculation of CO2emission factor on the present situation of the domestic cement production.

WEI Jun-xiao1,2,GENG Yuan-bo1*, SHEN Lei1, CEN Kuang2, MU Yue1,3(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China；2.China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2970～2975

CO2emission factor was the foundation of the calculation of CO2emissions, and it was necessary that a large amount of samples at onsite cement production stages should be analyzed and studied for accurately calculating CO2emission factor during the decomposition of carbonate minerals in calcinations for Chinese cement industry. Quantitative analysis was Londucted on calcium, magnesium, loss on ignition, carbonate and other chemical component in raw material, clinker, cement, limestone, coal and other samples from about 100 production lines in China. At the same time, it compared the differences between new suspension preheater kilns (NSP kilns) and shaft kilns. The results showed that CO2emission factor calculated by raw material carbonate method was about 10kgCO2/tcl lower than clinker method. There were obvious differences within different types of cement kilns, for example, the emission factors of NSP kilns were in the range of 500～520kgCO2/tcl and shaft kilns were 480～500kgCO2/tcl. The majority of clinker contained a small amount of carbonate. The raw material carbonate method did not involve chemical composition of coal ash, and it could avoid the discrepancy of coal ash components. This implied that raw material carbonate method was relatively accurate, However it should be based on different types of kilns and carbonate decomposition rate.

CO2emission factor；raw material carbonate method；different types of kilns；coal ash；carbonate decomposition rate

X32

A

1000-6923(2014)11-2970-06

魏军晓(1988-),男,河北衡水人,中国科学院地理科学与资源研究所及中国地质大学(北京)联合培养硕士研究生,主要研究方向为环境生物地球化学.

《中国环境科学》获评“RCCSE中国权威学术期刊(A+)”

2014-02-24

中国科学院战略性先导科技专项课题(XDA05010400)

* 责任作者, 副研究员, gengyb@igsnrr.ac.cn

《中国环境科学》在武汉大学中国科学评价研究中心发布的第三届中国学术期刊评价中被评为“RCCSE中国权威学术期刊(A+)”.中国学术期刊评价按照各期刊的各指标综合得分排名,将排序期刊分为A+、A、A-、B+、B、C 6个等级,评价的6448种中文学术期刊中有1939种学术期刊进入核心期刊区,其中权威期刊(A+)327种,核心期刊(A)964种,扩展核心期刊(A-)648种.此次获得“RCCSE中国权威学术期刊(A+)”称号的环境类期刊有3种.