开发低碳技术，构建低碳水泥工业体系

韩仲琦，赵艳妍

1 概论

通常空气中CO2的含量为0.030%，当空气中CO2的含量达到0.050%时，会引起温室效应，导致以变暖为主要特征的气候变化，严重威胁经济社会的发展和生态安全。2011年全球CO2总排放量达到340亿吨的历史最高点，中国、美国、欧盟、印度、俄罗斯、日本为全球CO2排放量最多的国家。为减小和消除CO2对环境的影响，世界各国都在限制其排量，并加强了对CO2的创新利用研究。2009年11月25日，中国政府宣布到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%～45%，表明了我国通过推广低碳的生产生活方式，实现可持续发展的决心。

全球水泥生产中的碳酸盐分解是最大的非燃烧类CO2排放源，世界水泥工业CO2排放占全球排放总量的5%～6%[1]。在我国重要的产业部门中，除了煤电和钢铁业，水泥工业是生产过程中CO2排放量最大的产业，约占全国总排放量的六分之一，约占全球的3%。随着我国水泥产量持续增长，CO2排放量也在逐年增加（见表1）。由于我国混合水泥产量很大，减少了单位水泥中的熟料比率，所以每吨水泥CO2排放量为全球先进水平。若以每吨水泥排放0.605吨CO2计[1]，按照2012年全国水泥产量22.1亿吨估算，全国水泥生产排放13.4亿吨CO2。根据我国第二代新型干法水泥技术研发目标要求，2016年我国水泥工业降低20%CO2排放量，一年可减少2.65亿吨温室气体排放量，将对环境做出较大的贡献，所以降低温室气体排放，构建低碳水泥工业体系，对发展绿色经济有着重要意义。

2 构建低碳水泥体系的背景分析

2.1 世界水泥生产与CO2排放量

世界水泥产量在很大程度上由中国主导，中国的水泥生产量约占全球的60%，紧随其后的是印度、美国、土耳其、日本、俄罗斯、巴西、伊朗和越南。伴随着中国水泥产量的持续增长，2011年全球水泥产量增长了6%，2012年也有很大的增长，全球水泥产量为36～40亿吨，排放了25～30亿吨CO2。水泥工业CO2排放总量并不是总与水泥生产量成正比，例如，近年来世界水泥中熟料的比例有减少的趋势，使得CO2排放量小于产量增长的比率。近年来大多数国家生产的混合水泥的份额相对传统的波特兰水泥大幅增加，因此全球水泥产品中的平均熟料组分已下降到70%～80%，与比例为95%的波特兰水泥相比，每吨水泥的CO2排放量减少了，这使得生产每吨水泥的CO2排放量与20世纪80年代比减少了20%。

关于每吨水泥CO2的排放系数（吨水泥的CO2排放量），根据统计者或研究者设定条件的不同而有很大的不确定性，例如有的研究者提出0.527，而我国建材情报所提出的是0.605，其实这个数据应在大量实时数据统计之后获得。

2.2 我国水泥工业发展现状

我国水泥工业近20多年来有了很大发展，经济运行质量明显提高，科技进步加快，结构调整取得了很大进展，特别是新型干法水泥工艺技术与装备的开发，通过优化设计已形成1000～10000t/d高质量生产线系列。2012年全国水泥产量达22.1亿多吨，连续29年居世界第一（见图1），其中先进的、新型干法水泥产量约占总产量的90%。现在我国典型的新型干法水泥主要技术经济指标已达到国际先进水平，并且水泥制造工程业已进入国际市场。

然而，近年来我国水泥出现了严重的产能过剩的情况，目前产能约达29亿吨/年，过剩产能约8亿吨/年。当前水泥产能过剩的直观表现是：全国有3700多家水泥企业，包括有一定数量的落后工艺生产线和小水泥企业；低水平的产品数量仍占有市场的相当份额；高质量产品和功能水泥的品种较少；虽然我国新型干法水泥技术的典型模式已达世界先进水平，但整体节能减排指标仍然落后于国际先进水平；水泥企业利润降低，绿色水泥（或称生态水泥）生产发展缓慢，协同处置废物长期处于起步阶段，水泥工业的环保功能还没有充分发挥。

2.3 我国构建低碳水泥工业体系的有利形势

现在我国政府有关部门和水泥行业协会都在努力寻找化解产能过剩的措施。2009年9月，工业和信息化部发出了征求《水泥行业准入条件》的函和印发了《关于抑制产能过剩和重复建设引导水泥产业健康发展的意见》；2010年11月工业和信息化部发布《关于水泥工业节能减排指导意见》；2012年10月22日工业和信息化部又出台了《水泥行业清洁生产技术推行方案（征求意见稿）》。这些文件总的要求是水泥（熟料）生产线必须采用新型干法生产工艺；鼓励新线建设配置余热利用、可替代原料、燃料利用等节能减排技术和设施；降低CO2、NOx、SO2排放和提高协同处置的能力等。这说明政府一方面加强了宏观调控，另一方面为水泥工业加强节能减排和发展循环经济提供了政策支持，出现了构建低碳水泥工业体系的有利形势。

（1）我国继续加大力度进行水泥产业结构调整和兼并重组工作，大力减少落后工艺水泥产能和低水平工艺的水泥产能、减少小水泥企业数量。行业内正严格按照工信部的《水泥行业准入条件》及抑制产能过剩的文件要求整顿水泥市场，2012年淘汰了约2亿多吨落后产能，2013年目标是淘汰7300万吨，已逐步解决了整体技术经济指标持续低下、能源效率不高等问题。加强产业结构调整、淘汰落后产能，可以明显减少CO2的排放量。

表1 我国水泥工业CO2排放估算值，百万吨

图1 我国近年水泥产量图

（2）在我国第二代新型干法水泥工业发展目标中，已明确提出加速向绿色功能产业转变，一个具有高效节能减排、协同处置废弃物、高效防治污染并具有低碳技术的水泥工业，不仅为国民经济建设提供高质量的基础原材料，而且是社会层面循环经济的重要组成部分，水泥工业将逐步成为新型环保产业的一员，使一部分水泥产能具有处置废弃物的功能，增加代用钙质原料和代用化石类燃料，一方面减少了CO2排放，一方面为社会环保事业做出了贡献。

（3）我国加强了政策导向，重视提升行业整体技术水平，《水泥单位产品能源消耗限额》和《水泥工业大气污染物排放》等国家新标准已经完成，即将发布和严格执行。按标准要求检查、淘汰不合格的企业，把低水平、高能耗、不环保的企业淘汰出局，不仅可化解产能过剩，而且可全面提升我国水泥工业整体技术水平。

3 水泥生产过程中CO2排放源的研究[2]

在一般硅酸盐水泥生产过程中，CO2产生的来源主要有生产工艺过程的排放（CaCO3和MgCO3分解）、生料煅烧和原料烘干所需煤炭的燃烧反应、生产过程中电力消耗折算的煤耗等。图2所示为我国普通硅酸盐水泥制造过程中CO2主要排放源所占的比例（设定水泥熟料热耗为100kg标煤/t熟料，水泥综合电耗为100kWh/t水泥，掺入20%混合材）。

当生产参数不同时，CO2排放的比例也会变化，在产生CO2的主要来源中，除去碳酸盐分解的因素外，熟料煅烧煤耗和水泥粉磨电耗是主要因素。

关于水泥CO2排放量计算,目前有三种计算方法可以用于不同情况，包括：排放总量估算法、详细计算CO2排放量法[3]、快速计算法。由于内容较多，且非本篇主要谈及的内容，故此处不拟详述。但不管哪种方法都应采用公认的基准实时数据，采用权威部门发布的CO2排放因子，以利于结果的准确性和可比性。当详细计算时由于需要许多生产数据，而且要选用多种排放因子，此时要考虑一些因素或因子存在的不确定性，会产生计算结果准确性的质疑。

（1）石灰石分解排放CO2

一般石灰石在硅酸盐水泥原料中的配比占80%～85%，在水泥中约占70%左右。因为我国使用废弃物作为石灰质原料的替代率很小，所以生产水泥需要的石灰石资源较大。

石灰石中碳酸盐的分解，CaCO3和MgCO3是CO2的主要来源，一般来说，水泥原料石灰石中的MgCO3含量比率比CaO小得多，故在一般估算时可忽略不计。碳酸盐分解排放的CO2约占总排放量的60%左右。

（2）燃料燃烧产生的CO2

煅烧是水泥工艺的核心，原料烘干与生料煅烧需要大量的热量，水泥工业消费煤炭约占全国总消费量的6%。

因煤炭的燃烧反应而产生CO2，在完全燃烧的情况下，煤质越好固定碳含量越多，排放的CO2越多，当水泥熟料煅烧效率不高，熟料煅烧的热耗越大则排放的CO2越多。

燃料包括煤炭、各种燃油和各种燃气等，石油和天然气单位热量消耗的碳排放量较煤炭低10%～30%，但由于价格与来源问题，我国水泥厂几乎均采用煤炭为主要燃料，燃料燃烧排放的CO2约占总排放量的40%以下。

（3）电耗间接排放的CO2

水泥厂所用的电力是从国家电网采购，小部分水泥厂采用余热发电，补充部分电力。外购电力必须折算出火力发电排放的CO2，排放因子取用权威部门公布的数据。水泥厂采用余热发电要从全厂总电耗中扣除自家发电量，如果不是纯低温余热发电，则补燃锅炉的煤耗应加在全厂的能源消耗中。在水泥生产中因电耗折算的CO2排放量，一般不是很大。电耗折算的CO2约占总排放量的10%以下。

（4）其他影响CO2排放的因素

有一些因素增加了CO2的排放或减少了CO2的排放，如增加的因素有：生料中的有机碳燃烧、生产中的飞灰和粉尘、矿山开采的油耗所产生的CO2，辅助生产的电能消耗、物料输送、生产照明、生产管理、控制系统的电能消耗、企业租用社会车辆进行运输产生的CO2排放等；减少的因素有采用代用燃料和代用钙质原料、添加混合材、生产低钙水泥或低碳水泥等。

图2 我国水泥生产过程中CO2排放的比例

4 低碳技术研究

4.1 CO2减排技术

（1）水泥窑协同处置废物

水泥窑协同处置废物的主要内容包括：工业废弃物的水泥窑焚烧处置、污泥的水泥窑焚烧处置、城市垃圾的水泥窑处置等。水泥窑处置的许多可燃废弃物可以替代一次能源使用，并且无外排残渣。发达国家已经有多年的实践经验，例如欧盟50%的可燃废物被水泥窑利用，年用量超过600万吨，日本每吨水泥的废弃物使用量约达500kg。

水泥工业用的可燃废物主要有三大类：生物质、石油衍生品和化学危险品。替代燃料的数量和种类不断扩大，由于材料及其制造过程的特性，水泥工业逐渐成为利用废物的首选行业。根据欧盟的统计，欧洲18%的可燃废物被工业领域利用，其中有一半是水泥行业，是电力、钢铁、制砖、玻璃等行业的总和。水泥窑协同处置废弃物过程中，利用可燃废物作为水泥窑熟料生产中替代燃料，不仅可以节约煤、天然气等不可再生资源，同时有助于减少碳排放、保护环境。

此外，利用垃圾焚烧灰替代部分钙质原料，不仅节约了石灰石天然原料，而且大大减少了水泥熟料煅烧过程中排放的CO2。日本在这方面已有很好的经验，我国琉璃河水泥厂已经开始了这方面的尝试。到2016年我国水泥工业协同处置废弃物的目标是：可燃废物替代率≥40%，水泥熟料可比CO2减排达到25%以上。

（2）提高能源和资源利用效率

虽然我国典型的新型干法水泥热耗已达国际先进水平，但一次能源的利用效率比国外先进水平差，我国水泥单位产品平均综合能耗目前比国际先进水平高，提高能源效率，以较少的能源消耗，创造更多的物质财富，不仅对保障能源供给、推进技术进步、提高经济效益有直接影响，而且也是减少CO2排放的重要手段。

另外，在水泥常规生产上除了加强节能减排、推广纯低温余热发电技术之外，要加强大宗工业废渣的利用，尽可能多地使用混合材，即用超细粉磨的电石渣、矿渣、钢渣、粉煤灰等废渣代替熟料，从而较大幅度地减少石灰石的用量，因此，水泥工业的节能减排与减少CO2排放的目的是一致的。

再如，利用粉煤灰配料、开发一种能够大幅度降低能耗和CO2排放的低钙水泥熟料，即新型贝利特水泥，吨熟料CO2排放量和烧成热耗降低20%以上，吨熟料使用的粉煤灰比例超过40%，水泥综合性能全面达到并优于普通硅酸盐水泥。

（3）利用CDM机制，开发CO2减排新技术

清洁发展机制（CDM）和碳交易使发达国家可以用较低的成本完成减排义务，发展中国家也可以从中引入先进的低碳技术，是一种促进低碳发展的模式。我国也逐步开展了这一工作，2011年9月11日，我国广东省启动了水泥企业碳排放权交易试点项目，4家水泥企业以每吨60元的价格认购了130万吨碳排放权，交易金额共7800万元，4家企业未来年新增产能2500万吨水泥。

中国内地的碳排放权交易体系试点2013年6月在深圳推出，此次试点采用的是“碳强度”体系，所谓“碳强度”，就是“单位GDP产出（消耗）的碳排放量”，所有参与者必须达标，否则就要购买新的排放权，也就是在充分考虑企业产能的基础上鼓励减排。

利用CDM机制抓住机遇，加强国际合作，在促进传统减排CO2的同时，开发和引进CO2捕获与封存等领域控制温室气体的新技术，水泥企业就能为社会减排CO2承担更大的任务。

4.2 CO2的捕集与应用

4.2.1 CCS技术

碳捕集与封存技术称为CCS技术（Carbon Capture and Storage）。碳捕集技术目前大体上分作三种：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。三者各有优势，却又各有技术与成本难题尚待解决，目前呈并行发展之势。潜在的技术封存方式有：地质封存（在地质构造中，例如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池构造），海洋封存（直接释放到海洋水体中或海底）以及将CO2固化成无机碳酸盐。

目前中国的CO2捕集和封存整体上还处于起步阶段，而且大都采用燃烧后捕集的方式。一些企业已在实践上进行了尝试，2008年7月16日中国首个燃煤电厂CO2捕集示范工程——华能北京热电厂CO2捕集示范工程正式建成投产，并成功捕集出纯度为99.99%的CO2。我国水泥工业是工业领域CO2的主要排放源之一，也已开始重视这方面研究。

CO2的地下储存，作为温室气体减排和资源化利用之间的结合点，展示了实现温室气体资源化利用并提高油气采收率的广泛应用前景，有可能成为在经济开发与环境保护上可实现双赢的有效方法。

4.2.2 建立CO2循环应用产业链

CO2是一种重要的资源，适用于国民经济各个领域，具有广泛的利用价值。水泥工业是重要的CO2排放源，水泥企业可以循环利用CO2，或从水泥厂分离收集CO2后送到应用部门，形成循环应用CO2的产业链，产生新的生产模式。这是一项新的开拓领域，可以想象困难很多，需要许多相关科技领域部门的合作，开发CO2资源的综合利用工作，变“废”为宝，更好地为国民经济建设服务。这样既应对了气候变化，又开发了新的市场，有利于低碳技术的商业化发展。CO2的应用有如下几方面：

（1）在化工方面，如制备甲烷、制备甲醇、制碱、物质分离、提纯、合成有机高分子化合物。

（2）在食品农业方面，如制备碳酸饮料，代替氟利昂做制冷剂，进行冷冻、冷藏、灭菌、防霉、保鲜，生产食品泡沫包装盒，生产氮肥，用作植物气肥。

（3）在石油化工方面，如油田助采剂，海藻生产石油。

（4）其他，如气体保护焊接、污水处理、CO2染色、混凝土添加剂和核反应堆净化剂。

4.2.3 水泥工业捕集与应用CO2的研究

（1）油藻新能源

藻类物质在吸收CO2的同时，又可吸收NOx，有的物种还可吸收SOx。在水泥生产过程中以CO2和藻类物质为载体充分利用太阳能，既解决了水泥生产过程中对能源的需求，又可达到CO2减排的控制目的，所以利用生长快速的藻类来固定CO2，为CO2的生物减排提供了一种非常具有应用前景的技术[4]。

油藻新能源的方法是利用微藻养殖的研究成果，将部分CO2供给藻种制成一定数量的干油藻，作为水泥回转窑新燃料。考虑水泥工业可开发的因素是：回转窑窑尾废气中CO2含量丰富，状态稳定，可满足油藻养殖要求；水泥厂通常有大面积场地，有利于光反应器使用；油藻热值高，符合回转窑烧成熟料要求；油藻燃烧后剩余物很少，不影响熟料质量；油藻生成过程中释放的O2，收集后可用于窑的富氧燃烧，可进一步节能。

这一技术若能成功，用油藻取代燃煤可以作为水泥回转窑的新燃料，减少水泥生产中20%～30%的CO2排放量，实现CO2在水泥工艺中的循环。但这一技术开发要涉及农业、化工和生物工程等领域，成本问题和藻的养殖技术难度较大。水泥行业要开展的工作有：选育窑气环境的最优藻种，开发微藻预处理的方法，研究干藻燃烧特性，培养生物能源的专业人员等。

（2）球石藻的CO2固化法[5]

使用具有矿物化能力的“球石藻”固定CO2生产水泥的方法，国外已进行研究。这种方法是把废弃混凝土置于海水中进行人工风化，吸收大气中的CO2，此时HCO3-就会在溶液中溶出，混凝土中的Ca2+也会溶出，这样富有HCO-3和Ca2+的海水就可以培育球石藻，被溶出和存蓄的HCO-3及Ca2+就会作为CaCO3微粒子及藻的有机物而被固化，与此同时大气中的CO2被吸收成为藻体得到固定。这样利用混凝土的人工化学风化与球石藻培育系统的CO2除去法，得到了CO2固化产物CaCO3微颗粒，这种微颗粒可以代替石灰石而再资源化，水泥生产也成为再循环系统，并可控制水泥生产排出的CO2量（见图3）。

图3 废弃混凝土与球石藻的CO2除去系统

5 结语

传统水泥工业加强技术创新、发展低碳技术和绿色经济、促进转型升级是水泥工业面对的现实，水泥工业的发展已经进入了新阶段。提高资源利用效率和最大限度降低碳排放是绿色发展的理念。

水泥工业是继煤电和钢铁业之后我国CO2排放量最大的产业，并且水泥生产中的碳酸盐分解是最大的非燃烧类CO2的排放源，我们要根据水泥工业排放CO2的特点开发低碳技术：（1）水泥窑协同处置废物；（2）提高能源和资源利用效率；（3）利用CDM机制开发低碳新技术；（4）CCS的技术研究和建立CO2应用产业链；（5）开展水泥工业捕集CO2和发展生物新能源的研究。

低碳水泥工业体系的实质是减排温室气体、提高能源利用效率和发展循环经济。第二代新型干法水泥技术研发的目标是2016年达到减排CO220%～30%。

水泥工业正在努力实现与资源、环境、经济和社会的全面协调发展，即从不可持续发展的传统工业向可持续发展的生态工业过渡，这需要全行业的努力和多行业的合作，我们期待着水泥工业为全社会减排温室气体做出更大的贡献。

[1]王新春,等.促进水泥工业温室气体减排的政策建议[J].中国水泥,2013,（6）：39-41.

[2]刘长发.中国建材产业发展研究论文集[G].北京：中国建筑材料工业出版社,2010,（5）：81-87.

[3]汪澜.水泥生产企业CO2排放量的计算[J].中国水泥,2009,（11）：21-22.

[4]龚小宝,等.微藻在生物减排CO2中的应用[J].环境污染与防治.2010,（8）：75-79.

[5]Technology planning department of Taiheyo Cement Corporation R&D Center.Cement enterprise technology development ofthe forefront—Taiheyo Cement Corporation R&D Center[J].Cement&Concrete.2009,（4）：3-6.■