中国水泥工业节能和减排潜力分析

李承洋 龚先政 周丽玮 丁晴

（1 北京工业大学材料与工程学院工业大数据应用技术国家工程实验室，北京100124；2 中国建筑材料联合会，北京100044；3 中国标准化研究院，北京100191）

0 引言

我国水泥产量自1985年以来一直稳居世界第一， 2017年水泥产量达到23.16 亿吨[1]，约占世界总产量的60%，由于水泥工业的高能耗和高排放特征，其成为我国实施节能减排的重点行业之一。2015年我国能源消耗总量43 亿吨标准煤，水泥行业能耗约为1.75 亿吨标准煤，约占全国总能耗的4.07%；CO2排放约为14.91 亿吨，约占全国总排放的10%～12%；SO2排放约为300 万吨，约占全国SO2总排放量的6%～7%[2]。

SO2会导致酸雨、硫酸雾等灾害性天气，对生态环境和人体健康造成严重的威胁；CO2是全球变暖的元凶之一。NOx通过呼吸进入人体肺的深部，可引起支气管炎等危害。而化石燃料的燃烧会产生大量SO2、CO2、NOx排放。其中，煤炭相对于石油等能源，更容易产生SO2等大气污染物。使得以煤作为主要燃料的水泥工业倍受关注。考虑到水泥行业在能耗和排放中的重要影响，对中国水泥行业未来的产量趋势进行评估，并评估不同节能减排措施下的节能减排潜力显得尤为重要。

1 水泥行业能源消耗及排放计算

随着近几年水泥行业的快速发展，2017年新型干法生产的水泥熟料占总量的比例已经超过99%。因此本文计算只考虑新型干法生产线。中国水泥行业的能源使用效率在近十年取得显著进步，但整体水平仍然落后于国际先进水平，因此，节能减排依然是水泥行业的重点发展目标[3]。

1.1 水泥能耗计算

水泥工业是最典型的窑炉工业，其生产工艺的核心部分是原料到熟料的煅烧，主要能耗是原材料烘干及熟料煅烧热量（热）、原燃材料运输和生料、水泥粉磨所需要的动力（如电力消耗）[4，5]。水泥行业能源消耗量计算公式如（1）

其中：En为第n年水泥行业的能耗（kg）；Qn为第n年的水泥产量（t）；en为第n年水泥综合能耗（kgce/t）。

1.2 水泥生产CO2、SO2、NOx 排放计算

水泥生产过程中二氧化碳的排放主要来自三个过程，即：①燃料燃烧排放；②碳酸盐分解产生的过程排放；③电力消耗所产生的电力排放[6，7]。前面两者属于直接排放，电力排放属于间接排放。其CO2排放根据公式（2）计算

其中：Fg、Fr、Fd分别代表CO2过程排放因子、燃料排放因子、电力排放因子；em代表吨水泥熟料综合煤耗（kg标煤/t 熟料）；β 代表熟料产量占水泥产量的比例（%）；ed代表吨水泥综合电耗（kWh/t）。

水泥工业的SO2、NOx排放来自于直接排放和间接排放，其中直接排放源主要是由原料及燃料燃烧产生；间接排放是由电力生产过程中产生。其计算方程式如（3）、（4）。

其中：Sn代表第n年SO2排放总量；ZS代表吨熟料SO2直接排污系数（kg SO2/t 熟料）；JS代表电力排放SO2（kg SO2/kWh）。ZN代表吨熟料NOx直排系数（kg NOx/t 熟料）；JN代表电力排放NOx（kg NOx/kWh）。

2 中国水泥产量的预测

在进行水泥工业节能减排潜力分析，必不可少的要对水泥产量的未来趋势进行预测，根据发达国家的经验，当人均累计消费量达到20-25 吨时，水泥消费量达到饱和。欧美发达国家的峰值约出现在20 吨，而日本为23.5 吨，中国台湾为25.8 吨。中国，截止2017年水泥的累计消费量已经达到26 吨之多。图1为人均水泥消费量与水泥产量趋势图，2000-2014年，我国人均水泥产量增速明显，2014年达到高点1822kg/人，之后逐渐回落[10]。1998-2017年我国水泥产销率始终保持在95%～98%之间，从全国范围来看，我国水泥的消费量可以近似等于水泥产量。因此，水泥产量的增长速度和消费量的增长速度基本一致，两者之间存在长期协调关系。人均水泥消费变量可以很好地解释水泥产量变化。

图1 人均水泥消费量与水泥产量趋势图

参照国际上不同国家的发展情况，建立了如下三种水泥发展趋势如图2（人口数据来源于《国家人口发展规划（2016-2030年）》）：

1）基准情景：简称“M”，水泥工业“十三五”规划中指出到2020年去掉4 亿吨水泥熟料产能，熟料产能利用率达到80%。到2020年，熟料产量应该达到12.768吨，以2015年熟料与水泥比56.86%， 2020年水泥产量预计22.455 吨，人均水泥消费1633 kg。到2025年，进一步假设人均水泥消费量稳步下降到1167kg，并在2030稳定在750 kg。

2）低位需求预估：简称“L”，参照美国等水泥行业较发达国家的水泥消费长期趋势。假设水泥产量峰值出现在2014年，对应人均水泥年消费量为1811kg。2020 之后，达到1500kg（参考日本、德国），然后在2025年稳步下降到1050kg。之后，由于饱和效应，人均水泥消费量进入稳定期稳定在600kg 水平。

3）高位需求预估：简称“H”，由于中国达到饱和时，人均水泥累计消费量同韩国、中国台湾的相似，所以可以作为参考。人均水泥消费量在2020年缓慢下降到1700 kg，进一步到2025年1275 kg 。

图2 中国水泥产量预测

3 水泥能耗及排放预测

首先基于方程（1）、（2）、（3）定义当前技术水平下的基准情景，然后通过逐步实施各种节能减排技术达到最佳技术水平见表1，从而定义其他情景：

1）情景1：即当前技术情景，参照2015年技术水平。未来的能耗及排放随水泥产量的变化而变化。

2）情景2：能耗改进情景，即熟料综合能耗，水泥综合电耗在2040年之前逐步到最佳技术水平。参考《全国工业能效指南》中标杆企业单位产品能耗及电耗水平。其他技术参数保持2015年技术水平不变。

表1 中国水泥工业的目前与最佳技术水平

3）情景3：替代改进情景，替代原燃料比例的提升，电力结构的调整。SO2、CO2、NOx排放因子和水泥熟料比例逐渐达到最佳技术水平。其他技术参数保持不变。

4）情景4：理想情景：所有技术水平都在2040年之前逐步达到了最佳技术水平。

本文在预测水泥能耗方面，只考虑在理想情景下。

4 结果分析及讨论

4.1 不同技术情景下水泥工业2015年-2040年能耗及排放趋势

图3分别代表不同水泥产量、技术背景下中国2015年到2040年能耗及排放量趋势图。由图分析，较高的水泥产量通常对应较高的能源消耗和排放，说明未来水泥行业的能耗及排放将受到水泥产量的直接影响。2015年-2030年，能源消耗及排放显著下降，2030年-2040年缓慢下降。因为，在2030年之前，由于我国水泥工业产量达到饱和，呈现下降趋势，加之单位产品能耗、碳捕捉技术、SO2系数技术、替代原燃料应用等具有较高的发展潜力，这就使得在2030年之前，呈现较快下降趋势；2030年之后，技术发展达到瓶颈，水泥产量趋于稳定，这就使得2030年之后，呈现缓慢下降趋势。

图3 不同技术情景下2015年到2040年水泥行业能耗及排放预测（a）CO2；（b）SO2；（c）NOx；（d）能耗

4.2 累积节能量及CO2、SO2 减排量

将图4理想情景与基准情景的累积能耗量进行计算对比，节约潜力约为11.73%～12.68%，并累积带来约4.22 亿吨标煤的节约量。

图4 在基准情景和理想情景下2015-2040年的累积能源消费量

表2是在不同情景下CO2累积减排量，即将逐年的减排量加起来的总和。在替代改进情景下，CO2的减排潜力约9%～10%，电力排放下降幅度最大。在效率改进情景下，潜力约3.8%～6%；在理想情景下，潜力约12%～13.3%，能源效率提升带来减排潜力较小。根据不同产量预估，在理想情景下，将带来平均26.53 亿吨的CO2累积减排量。并从三种排放过程来看，燃料排放的减排潜力最大，累积减排量可达11.13 亿吨，电力排放的潜力次之，平均累积减排量8.1 亿吨，过程排放的累积减排量约7.2 亿吨。在替代改进情景中，过程排放的减排贡献最大，为36.61%，其次是燃料、电力减排贡献度分别为32.14%、31.25%；在能效改进情景中，燃料排放的减排贡献最大；在理想情景下，过程排放、燃料排放、电力排放的减排贡献分别是27.33%、42%、30.67%。

表3列出了不同情景下SO2、NOx的累积减排量，在替代改进中，SO2、NOx的减排潜力分别为28%～31%、29% ～31.9%；在 效 率 改 进 中，SO2、NOx减排潜力分别为7%～8%、2.5%～2.7%；在理想情景中，SO2、NOx的减排潜力分别为31%～35%、29%～33%。值得注意的是能源利用效率的提升对SO2、NOx直接排放贡献小，而替代改进情景下对直接和间接排放都有较大的贡献。说明电力结构的调整，替代性原料、燃料占比上升，对水泥工业SO2、NOx减排起着重要的作用。

根据不同产量预估，效率改进情景中，SO2、NOx累积减排量分别约为350 万吨、105 万吨；而在替代改进情景中，SO2、NOx累积减排量约分别为1466.5 万吨、1200 万吨，在理想情景中，SO2、NOx累积减排量分别约为1637.5 万吨、1260 万吨。原燃料的替代以及技术改进带来排放系数下降等措施带来减排贡献整体都大于能源效率提高所产生的减排贡献。

表2 在不同情景下2015-2040年CO2 的累积减排量

表3 在不同情景下2015-2040年SO2、NOx 的累积减排量

5 结语

1）从各种节能减排技术来看，技术的普及产生了很好的节能减排效益。但是，由于我国目前经济仍处于中高速发展时期，水泥需求在短时期内不会有很大的下降幅度。我国原燃料的替代比例相对较低，碳捕捉技术以及先进的脱硫技术没有得到广泛应用，所以今后我国水泥工业节能减排可以从以上几点开展。

2）通过研究，考察不同节能减排措施下中国水泥工业的节能以及CO2、SO2、NOx减排潜力。结果显示中国水泥行业无论是能源消耗还是CO2、SO2、NOx排放都具有很大的潜力，它们潜力分别具是11.73%～12.68%、12%～13.3%、31%～35%、29%～33%，并累积带来约4.22 亿吨标煤的节约量、约26.53 亿吨CO2减排量、约1648 万吨SO2减排量、约1260 万吨NOx减排量。