水泥低碳生產(chǎn)技術(shù)評(píng)述

　　水泥熟料煅燒包括原料礦物分解、固相反應(yīng)、液相燒結(jié)、熟料冷卻等一系列物理、化學(xué)過(guò)程、需要消耗大量的熱量。目前大多使用的煅燒工藝為預(yù)分解窯爐，燃煤由噴煤管分別送入分解爐和回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行燃燒。水泥熟料形成反應(yīng)的理論熱耗約為1700kJ/kg。由于窯爐筒體表面散熱、燃燒煙氣帶出熱量及出窯熟料帶出熱量，實(shí)際的水泥熟料燒成熱耗約為3200kJ/kg，即噸熟料綜合煤耗約為110kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

　　水泥生產(chǎn)電力消耗可產(chǎn)生間接CO₂排放，即直接CO₂排放由發(fā)電廠燃料燃燒產(chǎn)生。根據(jù)國(guó)家主管部門發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國(guó)電力消耗CO₂排放因子平均約為0.86TCO₂/MWh，由此也可以推算出噸水泥生產(chǎn)電力消耗產(chǎn)生的間接CO₂排放量約為94.6千克。水泥生產(chǎn)燃料消耗會(huì)產(chǎn)生直接CO₂排放?？筛鶕?jù)燃料中有機(jī)碳含量進(jìn)行換算，計(jì)算出CO₂排放量，但采用標(biāo)準(zhǔn)煤換算更為方便、快捷。根據(jù)中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院的初步研究，燃煤的CO₂排放因子介于2.31—2.55千克CO₂每千克標(biāo)準(zhǔn)煤，而國(guó)家發(fā)改委能源所推薦的排放因子為2.46千克CO₂每千克標(biāo)準(zhǔn)煤。由此，可以計(jì)算出生產(chǎn)每噸水泥熟料、由燃煤燃燒產(chǎn)生的直接CO₂排放量約為295千克。水泥生產(chǎn)采用石灰質(zhì)原料，經(jīng)煅燒后石灰質(zhì)原料中的碳酸鹽礦物會(huì)分解，釋放出大量的CO₂。通常，生產(chǎn)1噸水泥熟料需要消耗1.55噸生料，即產(chǎn)生的直接CO₂排放量約為550千克。按水泥中的熟料系數(shù)為0.75計(jì)，可計(jì)算出生產(chǎn)單位水泥CO₂總排放量約為728千克/噸。

　　2.水泥生產(chǎn)的過(guò)程CO₂減排
　　水泥生產(chǎn)的過(guò)程CO₂排放指的是能源消耗之外的生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的CO₂排放，即主要是石灰質(zhì)原料中碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO₂排放。采用低CO₂含量的替代原料或生產(chǎn)低鈣水泥都可以減少相應(yīng)的過(guò)程CO₂排放。

　　電石渣是電石法生產(chǎn)乙炔產(chǎn)生的工業(yè)廢渣。我國(guó)電石渣的年排放量已達(dá)到2000萬(wàn)噸，歷年存積的電石渣量也超過(guò)1億噸。電石渣（干基）的主要成分是Ca(OH)₂、達(dá)70%以上。采用電石渣完全替代石灰質(zhì)原料生產(chǎn)1噸水泥熟料，即可減少約550千克過(guò)程CO₂排放，而全國(guó)年排放電石渣的完全利用，則可減少CO₂排放約1100萬(wàn)噸。目前，由合肥水泥研究設(shè)計(jì)院等科研機(jī)構(gòu)承擔(dān)有國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“電石渣制水泥規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)及裝備研究”，以實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)天然石灰質(zhì)原料的完全替代及生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平的整體提升。

　　一些大宗工業(yè)廢棄物，包括鋼渣、粉煤灰、煤矸石等，含有一定量的氧化鈣，作為替代原料，也可以獲得一定量的過(guò)程CO₂減排。例如，一些種類鋼渣中CaO含量達(dá)45%，若替代50%的石灰質(zhì)原料，則生產(chǎn)每噸水泥熟料可減少約275千克的過(guò)程CO₂排放。一些種類粉煤灰中CaO含量也超過(guò)10%，通過(guò)配比可替代約2%的石灰質(zhì)原料，生產(chǎn)每噸水泥熟料也可減少約11千克的過(guò)程CO₂排放。

    水泥熟料的主要化學(xué)成分是SiO₂、Al₂O₃、 Fe₂O₃、CaO，并且用飽和系數(shù)（KH）、硅酸率（SM）、鋁氧率（IM）來(lái)調(diào)整和控制。飽和系數(shù)的簡(jiǎn)單計(jì)算公式為：KH = CaO - 1.65Al₂O₃ - 0.35Fe₂O₃/2.8SiO₂，表示熟料中硅酸三鈣與硅酸二鈣的比例關(guān)系。事實(shí)上飽和系數(shù)可以在一定范圍內(nèi)變化，而且基本不影響水泥熟料的性能，因此也可以通過(guò)優(yōu)化控制參數(shù)，適當(dāng)降低水泥熟料飽和系數(shù)。計(jì)算表明，若飽和系數(shù)由0.95降低至0.88，水泥熟料中CaO的含量就由68%降低至64%，生產(chǎn)每噸水泥熟料產(chǎn)生的過(guò)程CO₂排放也會(huì)減少約30千克。

　　為降低水泥熟料石灰飽和系數(shù)、提高水泥熟料的物理、力學(xué)特性，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院（以下簡(jiǎn)稱是建材總院）研究開(kāi)發(fā)了硫鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥。這種水泥熟料中CaO含量低于64%，熟料的煅燒溫度約為1300℃，在礦渣摻量達(dá)50%時(shí)，可穩(wěn)定生產(chǎn)42.5MPa強(qiáng)度等級(jí)的水泥。對(duì)比于硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥生產(chǎn)的過(guò)程CO₂排放可減少約5%；由于燒成溫度降低和混合材摻量增加，水泥生產(chǎn)的單位CO₂排放也有顯著的下降。

　　水泥熟料生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生較多的過(guò)程CO₂排放，減少水泥中熟料的含量就會(huì)顯著地減少過(guò)程排放，但這必須以保證水泥的性能為前題。水泥中熟料系數(shù)平均約為0.75，即含有約75%的熟料，另有25%的石膏和混合材。水泥熟料28d強(qiáng)度約為60Mpa，配制成水泥后可達(dá)到42.5MMa的強(qiáng)度等級(jí)。通過(guò)提高水泥強(qiáng)度或是增加混合材活性，就可以在保證水泥性能的同時(shí)，增加水泥中混合材的摻量。通常提高水泥熟料強(qiáng)度1個(gè)Mpa，就可以增加混合材摻量約2%，進(jìn)而獲得近似2%的CO₂減排。建材總院研究開(kāi)發(fā)的高性能水泥熟料煅燒技術(shù)，可提高熟料強(qiáng)度5MPa至10MPa。這一技術(shù)的推廣應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和CO₂減排效果。

　　提高混合材活性、增加混合材摻量不僅可以獲得大幅度的過(guò)程CO₂減排，而且可以實(shí)現(xiàn)綜合利用，因而一直受到廣泛的關(guān)注。我國(guó)曾經(jīng)制定有低熟料和無(wú)熟料水泥系列標(biāo)準(zhǔn)，以用于指導(dǎo)和規(guī)范相應(yīng)水泥品種的生產(chǎn)。目前，一些工業(yè)化國(guó)家在這種水泥系列研究中取得了較大進(jìn)展。有報(bào)導(dǎo)表明在礦渣摻量達(dá)85%-90%時(shí)，水泥仍有適宜的應(yīng)用性能。建材總院及全國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)也正積極開(kāi)展研究工作，恢復(fù)相關(guān)的水泥系列標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要求在強(qiáng)度等性能指標(biāo)上有較顯著的提高。這對(duì)減少水泥生產(chǎn)的過(guò)程CO₂排放及能源消耗CO₂排放都有重大的意義。

　　3.水泥生產(chǎn)的能耗CO₂減排
　　水泥生產(chǎn)燃料和電力的消耗會(huì)產(chǎn)生能耗CO₂排放，提高水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)水平及能源利用效率，就可以顯著地減少能耗CO₂排放。

　　燃料消耗主要是用于水泥熟料煅燒的燃煤，而燃煤燃燒提供了熟料形成所需熱量，同時(shí)也產(chǎn)生了窯爐筒體、出窯爐煙氣及入篦冷機(jī)熟料帶出的三大熱損失。

　　降低水泥熟料形成溫度、加速水泥熟料礦物形成可以減少燃煤用量及CO₂排放量。助熔劑和礦化劑可以顯著改善水泥熟料的易燃性，實(shí)現(xiàn)水泥熟料的低溫煅燒，長(zhǎng)期以來(lái)一直受到廣泛的重視，有研究表明采用適宜的助熔劑和礦化劑，可以使水泥熟料形成溫度降低至1350℃，減少熱耗達(dá)25千克標(biāo)準(zhǔn)煤噸熟料，相應(yīng)的CO₂減排量也達(dá)到約62千克噸熟料。但是，如何防止助熔劑和礦化劑的揮發(fā)及對(duì)環(huán)境的影響，如何實(shí)現(xiàn)窯爐工藝系統(tǒng)的最佳操作，仍是助熔劑和礦化劑被廣泛、實(shí)際應(yīng)用時(shí)所要解決的重要問(wèn)題。

　　窯爐筒體的表面散熱約為水泥熟料燒成熱耗的10%。通過(guò)窯爐筒體保溫技術(shù)及筒體表面散熱回收利用，可以減少約2%的熱損失。通過(guò)提高篦冷機(jī)的換熱效率、采用余熱發(fā)電技術(shù)則可以回收利用出窯爐煙氣及入篦冷機(jī)熟料帶出的大部分熱量。較為先進(jìn)篦冷機(jī)的熱效率可達(dá)到80%，而余熱發(fā)電系統(tǒng)的單位熟料發(fā)電量達(dá)到40kWh/t。目前，建材總院承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）課題“熟料分段燒成動(dòng)力學(xué)及過(guò)程控制”，旨在研究水泥熟料快速反應(yīng)形成機(jī)制，確定燒成過(guò)程最佳能量的配置，在探究降低水泥經(jīng)熟料形成理論熱耗的同時(shí)，提出新型的、高能效窯爐技術(shù)原型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)窯爐三大熱耗的顯著降低。

　　采用替代燃料代替燃煤是水泥生產(chǎn)的能耗CO₂減排的重要途徑。替代燃料是一些具有較高熱值（23000KJ/kg）的廢棄物，經(jīng)加工處理后可代替部分燃煤用于水泥熟料的煅燒。替代燃料中含有一定量的有機(jī)碳?xì)浠衔铮谙嗤瑹嶂禇l件下替代燃料CO₂排放因子比燃煤的低約20%。另一些生物質(zhì)替代燃料被公認(rèn)為碳中性物質(zhì)，即生物質(zhì)替代燃料燃燒釋放出的CO₂被認(rèn)為是對(duì)氣候無(wú)影響，可不計(jì)入工業(yè)CO2排放中。若全國(guó)水泥工業(yè)每年利用替代燃料1000萬(wàn)噸，利用生物質(zhì)能100萬(wàn)噸，也可減少CO₂排放約700多萬(wàn)噸。目前，建材總院正研究制定有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)和規(guī)范替代燃料在水泥生產(chǎn)中高效、環(huán)保的應(yīng)用。

　　電力消耗伴隨著水泥生產(chǎn)的全過(guò)程，根據(jù)國(guó)家工信部的有關(guān)指導(dǎo)意見(jiàn)，建材總院研究開(kāi)發(fā)有水泥生產(chǎn)企業(yè)電能在線檢測(cè)分析信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)重要用能設(shè)備、生產(chǎn)流程等生產(chǎn)能耗動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析和對(duì)比，以發(fā)現(xiàn)電能消耗過(guò)程和結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題；通過(guò)優(yōu)化工藝過(guò)程和運(yùn)行參數(shù)，提高企業(yè)能源管理水平和能源效率。電能在線檢測(cè)分析信息系統(tǒng)是建立企業(yè)能源管理中心的基本內(nèi)容，并可以通過(guò)強(qiáng)化電能管理、優(yōu)化工藝過(guò)程，獲得3%-5%的節(jié)能效果。以一條日產(chǎn)5000t熟料水泥生產(chǎn)線計(jì)，該生產(chǎn)線的年電耗約為2億2千萬(wàn)度（kWh）電能，采用在線檢測(cè)分析信息系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電能信息化管理，而且可以實(shí)現(xiàn)年節(jié)電6百萬(wàn)度以上，減少CO₂排放也可達(dá)5000多噸。目前，這一系統(tǒng)已在北京水泥廠安裝并進(jìn)行試運(yùn)行。

　　粉磨設(shè)備、大功率風(fēng)機(jī)及大型電機(jī)是水泥生產(chǎn)過(guò)程中的主要耗電單元。通過(guò)采用輥壓機(jī)、立磨等新型粉磨設(shè)備，采用變頻調(diào)速技術(shù)及采用高效電機(jī)，可以顯著地降低生產(chǎn)電耗。例如，由合肥水泥研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)的生料輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)，單位產(chǎn)品電耗降低至18kWh/t以下。新型工藝及設(shè)備的不斷研發(fā)和廣泛采用，既提高生產(chǎn)技術(shù)水平和生產(chǎn)效率，同時(shí)也降低了能耗及CO₂排放量。

　　3.水泥生產(chǎn)CO₂減排新技術(shù)研究
　　為大幅度減少水泥生產(chǎn)CO₂排放，有廣泛的研究開(kāi)發(fā)低CO₂排放水泥品種，或?qū)Ω逤O₂濃度的廢氣進(jìn)行捕集、貯存和分離、應(yīng)用。

　　有研究機(jī)構(gòu)采用輕燒氧化鎂，與粉煤灰等工業(yè)廢棄物混和、加水?dāng)嚢韬笾瞥涉V建筑制品，再通過(guò)碳化或是對(duì)水泥窯爐煙氣中CO₂進(jìn)行吸附、反應(yīng)，形成碳?xì)浠衔?Mg(HCO₃)(OH)•2H₂O，使鎂建筑制品在2周的強(qiáng)度達(dá)18MPa，超過(guò)硅酸鹽水泥建筑制品強(qiáng)度的兩倍多。鎂建筑制品加工實(shí)現(xiàn)了過(guò)程CO₂釋放和吸收的循環(huán)，即過(guò)程CO₂的零排放。還有研究提出了采用廢棄水泥砂漿及廢棄水泥混凝土，中低溫生產(chǎn)制備二次水泥的新工藝。水泥礦物水化后形成有C-S-H凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等。通過(guò)組分的適當(dāng)調(diào)整及在700℃下的中溫煅燒，就會(huì)形成具有膠凝性的礦物。這不僅有效地處置和利用了大量的建筑廢棄物，而且消除了水泥生產(chǎn)的過(guò)程CO₂減排。

　　CO₂的捕集與封存是將化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO₂進(jìn)行捕集，并長(zhǎng)期封存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。這可將大規(guī)模工業(yè)的二氧化碳排放量降低85%左右。我國(guó)也有大型水泥生產(chǎn)企業(yè)單一生產(chǎn)基地的年水泥熟料產(chǎn)量達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸，排放的CO₂總量也有數(shù)百萬(wàn)噸；由于煙氣中CO₂濃度達(dá)約30%，非常適合捕集和封存處理。CO₂分離和利用首先是通過(guò)化學(xué)吸收、物理吸收、吸附、膜分離、深冷分離等方法將窯爐煙氣中的CO₂進(jìn)行分離，獲得不同純度CO₂氣體產(chǎn)品，再進(jìn)行各項(xiàng)工業(yè)應(yīng)用，包括化工合成、金屬冶煉等。

　　碳匯是通過(guò)植物生長(zhǎng)對(duì)CO₂進(jìn)行吸收。通常，植物中的碳含量可達(dá)到約50%，因此發(fā)展林業(yè)、種植業(yè)有利于CO₂的吸收。有研究采用微藻吸碳不僅可以加速CO₂的吸收，而且可以為生物質(zhì)能制備提供原料。另外，一些植物生長(zhǎng)需要較高的CO₂濃度，可達(dá)5%；將水泥窯爐高CO₂含量煙氣送入植物溫室大棚也是一條可探索的CO₂減排路徑。