水泥生产过程碳排放影响因素分析

陈晴

摘要：水泥是国民经济重要的基础原材料，中国水泥总产能占世界总产能约60%。2020年，全国累计水泥产量23.77亿吨，《中国建筑材料工业碳排放报告》中指出，中国建筑材料工业二氧化碳排放量为14.8亿吨，水泥工业二氧化碳排放量为12.3亿吨，其中，碳酸盐分解和燃料燃烧碳排放占主要比例，电力消耗间接折算约合8 955万吨二氧化碳当量。受水泥产品及生产原料、工艺特点和资源消耗量影响，水泥工业碳减排的难度极大，时间也非常紧迫，水泥行业作为重点行业即将纳入全国碳排放权交易，这将对我国水泥工业及其运行产生重大而深远的影响。

关键词：水泥;碳排放;影响因素

1 前言

2015年12月12日，联合国气候变化大会达成《巴黎协定》，设定了全球应对气候变化的长期目标，提出了“在本世纪下半叶实现温室气体的净零排放”的目标。2020年9月22日，国家主席习近平第七十五届联合国大会上提出了“努力争取2060年前实现碳中和”的战略目标，为中国下一阶段的能源转型和绿色发展指明了方向，也展现了中国践行《巴黎协定》气候行动承诺的决心。

本文分析了水泥生产过程中碳排放的影响因素，分析了碳减排的技术措施，以期为我国水泥技术工作者进行碳评估核查及节能减碳工作提供一定帮助。

2 水泥生产过程碳排放分析

2.1 按照水泥生产工艺过程计算碳排放

水泥制备过程可以概括为“两磨一烧”，生产过程中的碳排放主要来自于生料碳酸盐分解、燃料燃烧以及电力消耗间接产生的二氧化碳。熟料生产过程中的碳排放占水泥碳排放的90%以上，产生的CO2通过废气处理系统排入大气中。

水泥生产过程碳排放按照产生方式可以分为直接排放和间接排放。直接排放主要是生料分解、燃料燃烧产生的二氧化碳的排放，还有少量的粉尘、窑灰、有机碳产生的一小部分二氧化碳，这部分在简单计算时可以忽略。间接排放是指生料制备、熟料煅烧（含煤磨系统）、水泥制备及照明等辅助工艺消耗电能产生的间接二氧化碳排放。余热发电减少了外购电力，在计算间接碳排放时要予以扣减。如果有易燃的可再生能源和废弃物利用量，一般认为不对环境产生额外的碳排放，因此余热发电和废物处置对水泥生产过程碳减排有正向作用。

按照生产过程分析，未采用电石渣等特殊配料的一般水泥熟料生产，其二氧化碳的直接排放可以按照式（1）进行简单计算，再加上按照式（2）计算的二氧化碳的间接排放，即电力消耗乘以对应的排放因子，二者之和即为水泥熟料生产过程中的总碳排放量。

按照元素守恒计算给出了水泥碳排放的简易计算方法，具体到实际生产线，虽然熟料成分、水泥中熟料掺入系数、能耗数值有所不同，但其计算原理是一致的。

2.2 水泥碳排放的计算方法

国内外关于水泥工业碳排放研究的报道有很多，国际政府间气候变化专业委员会（IPCC）、世界可持续发展工商理事会（WBCSD）水泥可持续发展自愿性协议（CSI）均发布了具有代表性的水泥生产CO2排放统计方法。国内有关水泥碳排放测算的国家标准正在完善过程中，相关的标准及文件主要包括GB/T 32151.8-2015《温室气体排放核算与报告要求第8部分：水泥生产企业》、《中国水泥生产企业温室气体核算方法与报告指南（试行）》（发改办气候[2013]2526号）等。

3 基于碳排放影响因素分析的碳减排技术措施

3.1 节能技术装备的研发与应用

水泥行业年消耗煤炭总量>2亿吨，化石能源消耗占综合能耗的90%，节能减排是水泥工业生产永恒的主题。“十三五”期间，水泥熟料单位产品平均综合能耗由2015年的112kg标煤/t.cl降至108kg标煤/t.cl，河南孟电等多家水泥企业可比熟料综合能耗均<100kg标煤/t.cl。早期的回转窑热平衡效率一般在50%～55%，典型的应用第二代新型干法水泥技术装备的生产线，回转窑热效率>60%。以两条河南孟电二代示范线为例，投产以来，相对于置换前，生产线的技术指标每年节约标煤5.82万吨，节电7 040×104k W·h，CO2减排～15.8万吨。

在此基础上，进行系统升级的槐坎南方绿色低碳生产线，较减量置换前的同等规模生产线，每年节约标煤7.4万吨，减排570t氮氧化物、20万吨CO2。与新建水泥生产线能耗限额准入值相比，其化石燃料碳排放相对减少约15%，有效提高了能源利用效率，降低了生产过程碳排放约5%。

目前，我国水泥企业全部采用了新型干法生产技术，整体处于国际先进水平。通过大力推进低能耗绿色环保烧成技术，如高效低阻预热器、梯度燃烧自脱硝分解炉、中置辊式破碎机的第四代篦冷机、新型节能耐火材料、高效料床粉磨、节能风机、智能控制等，可以有效提升系统的能源利用效率，进而减少燃料碳排放和电力碳排放。具体实现途径有两条，一条是集成应用新技术，淘汰老线，减量置换新建生产线;另一条是采用节能技术装备，升级改造现有生产线。企业可根据自身情况选择实施，减少燃料燃烧和外购电力产生的碳排放，同时减少氨水消耗，间接减少氨水制造过程中产生的碳排放，进一步推动水泥生产的减污降碳技术发展。

3.2 亟待开发的绿色环保技术

水泥工业协同处置技术可以大幅度减少碳排放，发改委《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》文件中指出，水泥企业生产过程中，使用的替代燃料或协同处置的废物中，可能含有生物质燃料，“这些生物质燃料燃烧所产生的二氧化碳，被视为无气候影响，不需进行核算和报告”;中国建筑材料联合会《建筑材料工业二氧化碳排放的核算方法》中指出，“易燃的可再生能源和废弃物包括固态和液态的生物遗体、沼气、工业垃圾（含用于燃料的煤矸石）和城市垃圾，易燃的可再生能源和废弃物碳排放视为零”，可见国家政策在积极鼓励发挥水泥窑的环保功能。

3.3 其他碳减排及零碳技术展望

要实现水泥生产“碳中和”，必须从生产源头开始考虑，实施碳减排、碳捕捉、碳利用三步骤，进行长远布局。当下应从减少直接排放和间接排放两个方面着手，减少碳酸盐和化石能源的使用。2020年12月，《新时代的中国能源发展》白皮书中提出，发挥科技创新第一动力作用，优先发展非化石能源，推进能源革命，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

水泥生产全产业链的碳减排、碳捕捉、碳利用是实现“碳中和”的三大热点研究方向。除了研发绿色低碳技术装备外，发展LC3、低碳水泥、CO2养护混凝土等可以重构低碳胶凝材料体系，减少碳酸盐和化石燃料使用，进而减少碳排放;在减少碳排放到极致并提高废气二氧化碳浓度的基础上，辅之以碳捕捉及碳利用，可以进一步捕捉水泥废气中的二氧化碳并加以利用，进而实现水泥工业的“碳中和”。

由此，提高能源效率、使用替代燃料、构建低碳水泥材料体系，辅之以碳捕捉、碳利用，实现多维度减污减碳组合方案，是未来实现水泥工业零碳排放的潜力技术路线。目前这些技术应用的障碍最主要的是技术经济性问题，随着碳交易的展开、交叉学科技术的逐渐成熟，更多减污降碳技术将逐步走向市场应用，推进水泥工业实现零碳排放。

4 结语

本文从水泥生产的工艺过程分析出发，提出了采用元素守恒计算碳排放的简易方法，分析了碳排放的影响因素。持续进行节能减排技术升级，提高能源效率、加大替代燃料比例是行之有效的碳减排技术措施。随着技术的逐渐成熟及成本的逐步下降，新能源、新材料、碳捕捉、碳利用等新技术也将突破瓶颈，助力水泥行业实现“双碳”目标。

参考文献

[1]中国建筑材料联合会.中国建筑材料工业碳排放报告（2020年度）[J].建筑，2021，（8）：21-23.

[2]中国建筑材料联合会.建筑材料工业二氧化碳排放核算方法[J].江苏建材，2021，（2）：77-79.

[3]杨楠，李艳霞，赵盟，等.水泥熟料生产企業CO2直接排放核算模型的建立[J].气候变化研究进展，2021，17（1）：79-87.