國際水泥行業(yè)如何進行二氧化碳排放控制及減排？

  氣候變化問題已引起了全球關注。為了應對該問題，國際社會做出了諸多努力，如歷年召開的聯(lián)合國氣候變化大會達成了諸多協(xié)議，各個國家也承諾一定的溫室氣體減排量。

  而作為基礎原材料工業(yè)，水泥工業(yè)對于全球經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用，但同時產(chǎn)生了巨大的CO₂排放量。據(jù)統(tǒng)計，水泥工業(yè)是世界第三大能源消耗工業(yè)，并產(chǎn)生了第二大的工業(yè)部門CO₂排放量，加重了全球氣候變化問題的嚴重性。因此，水泥行業(yè)CO₂的排放控制對全球氣候變化問題有重要影響。

  本文就國際水泥行業(yè)發(fā)展情況進行了簡要總結，并從政策層面和國家層面對國際水泥行業(yè)CO₂排放控制進行簡述，在此基礎上，對國際水泥行業(yè)CO₂減排技術進行了較為詳細的分析。

  1 國際水泥行業(yè)CO₂排放控制

  2001年全球水泥產(chǎn)量為17.5億t，而到2012年增加至約38億t，10年間平均增速約7.5%見圖1。按各地區(qū)劃分的水泥產(chǎn)量變化見圖2，其中各地區(qū)均以2001年為基準100。

  10年間亞洲、非洲和獨聯(lián)體國家的水泥產(chǎn)量均有顯著增長，較2001年分別增長近2.5、2.2和2.0倍；而大洋洲、美洲、歐洲水泥協(xié)會成員國和歐盟的產(chǎn)量增長緩慢，甚至有所下降。而據(jù)世界水泥可持續(xù)發(fā)展倡議行動組織(CSI)統(tǒng)計，目前國際熟料CO₂排放系數(shù)平均值為853kg/tcl，單位水泥CO₂的排放系數(shù)約為0.55~0.95kg/t。

  面對巨大的水泥產(chǎn)量及CO₂排放量，各個國家或地區(qū)采取了諸多措施來緩解水泥行業(yè)CO₂排放量的持續(xù)增長。在此以美國和歐洲為例進行簡述。

  在水泥標準方面，美國現(xiàn)行ASTM標準允許一定條件下在水泥中摻加部分混合材，而之前的標準一直不允許混合材摻入。除此，由加州大氣資源委員會(California AirResources Board)提出了加州地區(qū)的低碳水泥標準，旨在2020年實現(xiàn)噸水泥CO2排放量達到0.69t，并實現(xiàn)CO₂減排24%。其提出的具體措施包括提高能源利用效率、增加石灰石混合水泥比例和使用低碳燃料等見表1。

  除上述標準外，美國環(huán)保署(E PA)和美國能源部(DOE)于1992年啟動的“美國能源之星計劃”對提高水泥行業(yè)能源效率，降低單位產(chǎn)品CO₂排放量具有顯著促進作用。該計劃為包括水泥行業(yè)在內的特定工業(yè)部門建立了企業(yè)能源性能指標—EPI，并為企業(yè)提供免費測試。EPI取值位于0~100分。環(huán)保署定義行業(yè)內全國平均得分為50分，而能源效率更好的工廠得分75。2013年8月，美國第五大水泥生產(chǎn)商-意大利西麥斯公司宣布，EPA和DOE判定其在美國的5個水泥工廠具有優(yōu)良的能源性能，并已獲得“能源之星”的稱號。

  歐洲水泥標準將通用水泥分為5大類，并規(guī)定了每類水泥中混合材的最大摻量。圖3表示了從2000年到2010年歐洲水泥品種的變化情況，可知允許混合材摻量<5%的CEM I類水泥有明顯下降，而這對減低單位水泥CO₂排放量有促進作用。

  除此，成立于2 0 0 5年的歐盟排放交易體系(E UETS)是京都機制下最重要、最成熟的碳交易市場，也是目前全球最大的碳交易體系。EU-ETS涉及到了包括水泥行業(yè)在內的主要工業(yè)部門，并為每個部門制定了完整的溫室氣體監(jiān)測與報告協(xié)議。要求每年3月31日前報告上一年度的排放數(shù)據(jù)，并由政府指定的獨立第三方來核查。經(jīng)過核查的上年排放量如果超過發(fā)放的配額(EUA)，則必須到市場上購買超出的數(shù)量。2008年，EU-ETS市場總共交易CO₂ 31億t，交易額919億美元。

  除交易系統(tǒng)外，自上世紀90年代以來，發(fā)達國家的工業(yè)部門就積極采取自愿協(xié)議的方式來降低溫室氣體排放，隨后又不斷對其進行修訂和強化。自愿協(xié)議主要分為完全自愿、采用法規(guī)及能源稅或碳稅作為推動、將能源稅或碳稅和嚴格法規(guī)相結合三種方式。在現(xiàn)有的自愿協(xié)議中，比較成功的是英國氣候變化協(xié)(ClimateCha nge Ag reements)、丹麥的能源效率協(xié)議(Energ yEfficiency Agreements)以及荷蘭的長期協(xié)議(Long-TermAgreements)。上述措施對間接降低水泥行業(yè)CO₂排放量均有顯著促進作用。

  除各個國家或地區(qū)針對水泥行業(yè)所采取的CO₂減排措施外，國際大型水泥集團也采取了相關碳減排措施見表2[1]。

  2 國際水泥行業(yè)CO₂減排技術

  水泥行業(yè)CO₂主要來源于鈣質原料分解、燃料燃燒和電力消耗，而國際水泥行業(yè)CO₂減排技術主要集中在以下方面：優(yōu)化水泥制備工藝，減少煅燒熱耗和生產(chǎn)電耗；應用替代燃料，減少燃料燃燒CO₂排放量；減小單位水泥中熟料的比例，降低整體CO₂排放水平等。

  2.1 工藝過程技術

  據(jù)CSI對約占世界水泥總產(chǎn)量25%的967個水泥企業(yè)的統(tǒng)計，2011年全球水泥行業(yè)噸熟料熱耗為3560MJ，而考慮熟料理論熱耗和烘干原料用熱耗，水泥窯爐熱效率已達70%以上，能效進一步提高幅度并不大。然而，針對工藝過程技術，國際水泥行業(yè)依然做了諸多工作。

  “筒-管-爐-窯-機”是熟料煅燒的核心設備，近年來國際上圍繞上述核心設備的技術研究和開發(fā)工作包括新型低壓損旋風筒、適用于二次燃料使用的分解爐、兩檔短窯和旋轉盤式冷卻機。

  旋風筒內筒是“渦流探管”，它可以處理旋轉的攜帶固體的氣流，并引出旋風筒。但最新研究表明這種氣流常造成不利的流動狀態(tài)，其反映就是內筒具有很高的壓損，最高可達旋風筒總壓損的90%。而A TEC公司研發(fā)的置于內筒中的導流葉片可以減小壓損，其可“困”住旋轉氣流，并在旋風筒中心形成穩(wěn)定的渦流管，使其壓損降低30%見圖4a[2]。

[Page]   針對水泥行業(yè)二次燃料處置種類的增多和處理量的增加，國際水泥行業(yè)針對傳統(tǒng)分解爐進行了諸多改造。通過應用計算流體力學(CFD)相關軟件對分解爐進行模擬分析，有助于詳細了解分解爐內部的工藝過程，實現(xiàn)分解爐的高效運行見圖4b。同時，對應用二次燃料的分解爐進行模擬研究可確定二次燃料最佳喂入位置、喂入量等參數(shù)。與傳統(tǒng)長徑比為15的三檔窯相比，長徑比為10~13的兩檔窯具有以下優(yōu)點：設備重量降低約10%左右，運行平穩(wěn)，安裝簡單，維護方便等。除此，現(xiàn)有新型干法技術中入窯生料分解率多在95%，回轉窯熱負荷已大大減輕，長徑比更小的二檔窯完全能夠滿足熟料煅燒的功能，同時窯筒體表面散熱量也更低。自上世紀80年代初第一臺L/D<11的二檔窯在歐洲投產(chǎn)以來，二檔窯得到了快速發(fā)展；進入21世紀，國際上新建生產(chǎn)線投入的二檔窯數(shù)量已超過三檔窯。如2004年以來，洪堡公司出售的窯中，兩檔窯占53%，三檔窯占47%見圖4c[3]。

  與傳統(tǒng)的單筒或多筒冷卻機相比，第三代固定篦板式冷卻機在冷卻效率、自動化程度等方面都取得了長足進步。而面對單機窯產(chǎn)量提高、替代原燃料大規(guī)模應用所導致粉狀熟料量增多的情況，第三代篦冷機存在冷風難于透過粉狀熟料料層，導致未冷卻的熟料量增多，冷卻效率低等缺點。針對其缺點，20世紀90年代末期，F(xiàn)LSmidth公司推出了第四代推動棒式冷卻機，其篦床完全固定，并在篦床下安裝了機械空氣流量控制閥調整充氣和熟料層的風量分配，配置了獨立的推料單元。而第五代冷卻機—旋轉盤式(RDC)冷卻機見圖4d是根據(jù)“旋轉盤”原理進行操作，在該熟料冷卻機中，活動篦板由旋轉盤取而代之，該圓盤轉一圈用時30min，輸送效率達到了100%。冷卻機進口安裝了固定篦床，與窯出口成90°角，這就消除了由窯和熟料冷卻機不同中心線引起的熟料顆粒離析的問題[4]。

  除熟料煅燒外，粉磨工序也消耗了大量能源。據(jù)統(tǒng)計，粉磨工序電耗占水泥生產(chǎn)總能耗的60%以上。因此，新型高效粉磨技術始終是國際水泥行業(yè)研究熱點。除OK磨機、非凡MVR立磨外，作為世界第一臺磨輥驅動式磨機，TKRT公司開發(fā)的Quadropol RD立磨見圖5a，吸引了全球目光。與傳統(tǒng)磨盤驅動式磨機相比，Quadropl RD磨機具有以下優(yōu)點[5]：

  (1)更強的喂料粉磨能力。傳統(tǒng)的磨盤驅動，磨輥運動靠物料的摩擦，因此磨輥較磨盤運動慢，導致在磨輥前容易形成物料的堆積，影響粉磨；而使用磨輥驅動可以使磨輥運動速度較磨盤快，從而使物料以更統(tǒng)一的方式進入粉磨間隙，提高粉磨效率。

  (2)低功率和低齒輪扭矩。磨輥驅動時，驅動力可以根據(jù)磨輥的數(shù)量得以分散，單個磨輥驅動功率降低；同時由于磨輥較磨盤運動速度快(大約為后者的兩倍)，使其傳送的扭矩也減半，這對于粉磨量較大的磨機更有優(yōu)勢。

  (3)高運行穩(wěn)定性。由于是磨輥驅動，即使一個磨輥驅動發(fā)生故障，也不會對磨機的使用產(chǎn)生很大影響。世界第一臺Quadropol RD立磨見圖5b，于2012年年底在墨西哥的C r u z A z u l實現(xiàn)應用，其驅動功率為3×1 550kW，用于生產(chǎn)CPC 30RS水泥(熟料大約占75%，火山灰和石灰石大約占25%)，設計產(chǎn)量為175t/h，細度為45μm篩余3%。運行表明，在預期粉磨細度內其產(chǎn)量可達180~200t/h。同時，該立磨實現(xiàn)了全自動啟動，即只需按一個按鈕，即可在10min內實現(xiàn)正常生產(chǎn)。

  2.2 替代燃料技術

  根據(jù)CSI調查數(shù)據(jù)，2011年，全球水泥行業(yè)用燃料中(以能量為基準)，傳統(tǒng)化石燃料占86.71%，生物質燃料占4.04%，替代化石燃料占9.25%。而大部分替代燃料的CO₂排放因子較傳統(tǒng)燃料要低，因此替代燃料技術可以降低單位熟料CO₂排放量。考慮不同國家燃料儲量和種類的巨大差異，應用于水泥行業(yè)的燃料也有較大差別見圖6。

  替代燃料的應用包括以下步驟：廢棄物鑒別和相關特性分析、處置方式的確定、廢棄物儲存、預處理、燃燒、燃燒后監(jiān)測等。針對不同廢棄物類型、熱值、水分、表面積等，處置技術有較大差異。在此僅介紹替代燃料的預燃燒技術和日本日揮株式會社的污泥燃料化系統(tǒng)見圖7。

  針對大顆粒和未處理物料，結合分解爐開發(fā)的預燃技術是一種有效的處理方式[2]。雖然該技術建造成本較高，但針對特定的廢棄物其可運行時間較長。如在德國Rüdersdorf水泥廠針對廢棄物處置建設的流化床熱解系統(tǒng)已投入使用數(shù)年，并取得了很好的效果。而由Polysius公司和FLS公司開發(fā)的“預燃室”技術和“熱盤”技術見圖8a，也在部分水泥企業(yè)投入使用。而由于該系統(tǒng)較為復雜，且投資較高，因此并沒有得到普及。針對上述系統(tǒng)缺點，Polysius公司開發(fā)了過程預燃技術見圖8b。其通過在分解爐或三次風管上集成預燃燒系統(tǒng)或熱解系統(tǒng)，實現(xiàn)對替代燃料的分布處理。較“預燃室”技術和“熱盤”技術，該技術處理量稍小，但過程簡單、有效而環(huán)保。面對未來替代燃料質量下降和成本升高，過程預燃技術前景較好。

  針對污水污泥，水泥窯協(xié)同處置的方式主要有以下兩種：

  (1)進廠污泥經(jīng)計量后，直接送入水泥回轉窯窯進行協(xié)同處置。

  (2)在水泥廠配套建設一個烘干預處理系統(tǒng)，利用預熱器廢氣余熱(溫度約280℃)將污泥(含水率約80%)烘干至含水率低于30%，對烘干所產(chǎn)生的大量廢氣進行再次處理；含水率低于30%的污泥經(jīng)輸送及喂料設備送入分解爐焚燒。方式(1)因處理量小且污水污泥直接入窯對窯操作有較大影響而不被推薦。針對方式(2)的處理方式，日揮株式會社開發(fā)了污泥燃料化系統(tǒng)，其包括蒸汽加熱器、直接接觸式多段干燥機、旋風筒、循環(huán)風機等見圖9。通過該系統(tǒng)處理，可獲得水分含量<10%，粒徑<50mm，熱值約16.75kJ/kg的干燥污泥。該系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

[Page]   (1)工藝簡單，運行容易。循環(huán)利用污泥的蒸發(fā)蒸汽，僅排出剩余蒸汽的簡單工藝。

  (2)對惡臭氣體容易采取相應措施。干燥機內為微負壓，不會有惡臭氣體漏出，惡臭氣體在熱源爐內可以得到分解。

  (3)干燥熱源的多樣化。蒸汽、空、低溫廢氣等熱源可以得到利用。已投入的污泥燃料化設備規(guī)格：處理能力62.5t/d，燃料產(chǎn)量13.2t/d，占地面積450m2。包括住友大阪水泥等公司均采用了該系統(tǒng)。

  2.3 其它方面

  除了工藝過程技術和替代燃料外，國際水泥行業(yè)在新型低碳水泥研發(fā)、降低水泥中熟料比例、CO₂捕集和貯存(CCS)技術、水泥水化基礎研究等方面也取得了諸多成就。如針對降低熟料系數(shù)，國際水泥行業(yè)在提高混合材活性、優(yōu)化水泥中顆粒的級配、開發(fā)高摻量混合材的新型水泥、研發(fā)各種用于提高水泥混凝土的外加劑與改性劑、開拓納米技術在水泥基建材中的研究應用等方面進行了廣泛研究。全球水泥行業(yè)熟料系數(shù)隨年份的變化見圖10。

  針對基礎研究工作，國際水泥行業(yè)也取得了諸多進展。如2002年成立的歐洲水泥基礎研究合作組織NANOCEM針對影響水泥宏觀性能的納米級或微米級現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的研究，如水泥水化過程、控制收縮的界面力、硅酸鈣水化物的納米級晶體結構、環(huán)境中水分等向混凝土內部的遷移過程等[6]，這為未來水泥行業(yè)持續(xù)的節(jié)能減排工作奠定了基礎。

  3 結 論

  面對日益嚴峻的氣候變化問題，水泥行業(yè)受到了廣泛關注。而各國、各地區(qū)，甚至部分水泥集團都做出了相應的減排部署或計劃。針對水泥生產(chǎn)過程中CO₂的主要排放源，國際水泥行業(yè)在工藝過程、替代燃料等方面均取得了一定進展。然而，作為全球最重要的基礎原材料產(chǎn)業(yè)之一，水泥的產(chǎn)量在短期內仍會以較高速度增長，因此降低單位產(chǎn)品CO₂排放量將會是未來工作的重點。而隨著水泥生產(chǎn)工藝的逐步優(yōu)化，傳統(tǒng)的能效提高技術、燃料替代技術和熟料替代技術等措施對降低單位產(chǎn)品CO₂排放量的作用將會逐漸降低，而新型低碳膠凝材料的開發(fā)和CO₂捕集和貯存技術將會扮演越來越重要的角色。

  參考文獻：

  [1]史偉。中國水泥工業(yè)低碳發(fā)展技術路線圖相關問題研究[D].北京：中國科學技術信息研究所，2011.

  [2] Rainer Nobis. 6th International VDZ Congress 2009 [C].Germany：Verlag Bau+Technik GmbH，2009：21-34.

  [3]Dr. Joachim Harder. Trends in cement kiln pyroprocessing[J].ZKG International，2012(2)：12-20.

  [4]Dr. Joachim Harder. Latest trends in clinker cooling[J]. ZKGInternational，2011(2)：25-31.

  [5]Thomas Schmitz. QUADROPOL RD-The world’s first verticalroller mill with driven rollers. 7th International VDZ Congress，2013，Germany.

  [6]Karen Scrivener. 10 years of Nanocem：Research Highlights.7th International VDZ Congress，2013，Germany.