鄧大鵬

（中國中材國際工程股份有限公司，江蘇南京，211100）

1 前言

“十一五”期間水泥行業(yè)節(jié)能減排成效顯著，“十二五”規(guī)劃又為水泥行業(yè)節(jié)能減排明確提出：加快科技進(jìn)步，提高水泥生產(chǎn)的能效水平；加快研發(fā)低碳技術(shù)，逐步降低單位二氧化碳排放強(qiáng)度等發(fā)展高能效的低碳水泥工業(yè)的更高的要求。對于面臨著“高能耗”、“高排放”、“高產(chǎn)能過?！钡乃喙I(yè)而言，發(fā)展高能效的低碳水泥工業(yè)刻不容緩。

2 加快科技進(jìn)步，提高水泥生產(chǎn)的能效水平

水泥生產(chǎn)的能效水平的提高主要集中在兩種途徑上：一是淘汰落后產(chǎn)能，用高效低能耗的新型干法生產(chǎn)線替代立窯等落后生產(chǎn)線；二是開發(fā)先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，如純低溫余熱發(fā)電技術(shù)等。

2.1 加快淘汰落后生產(chǎn)工藝，發(fā)展新型干法水泥

我國目前還有40%的水泥是由國際上業(yè)已淘汰的立窯等生產(chǎn)的，其單位能耗比新型干法要高約30～35kg標(biāo)煤／t水泥。就新型干法本身來說，和世界先進(jìn)水平相比，單位熟料熱耗高80kcal／kg左右，單位水泥電耗高12kW·h／t左右。按照水泥發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃確定的“十一五”期間淘汰2.5億噸目標(biāo)，每年需淘汰5000萬噸。從執(zhí)行的結(jié)果看，“十一五”淘汰2.5億噸落后水泥目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，且超額完成任務(wù)。按每年淘汰5000萬噸測算，可節(jié)電45億度，減少粉塵排放60萬噸，減少二氧化碳排放4000多萬噸，節(jié)煤700萬噸。這樣，淘汰2.5億噸，可節(jié)電225億度，減少粉塵排放300萬噸，減少二氧化碳排放2億多噸，節(jié)煤3500萬噸。淘汰落后水泥對節(jié)能降耗和減排效果明顯［1］。

新型干法水泥生產(chǎn)，就是以懸浮預(yù)熱和預(yù)分解技術(shù)為核心，把現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)最新成就，例如，原料礦山計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)化開采、原料預(yù)均化、生料均化、擠壓粉磨、IT技術(shù)，及新型耐熱、耐磨、耐火、隔熱材料等廣泛應(yīng)用于干法水泥生產(chǎn)全過程，使水泥生產(chǎn)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保和大型化、自動(dòng)化及科學(xué)管理等特征的現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)方法，因此，發(fā)展新型干法水泥是提高水泥生產(chǎn)的能效水平的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)［2］。

2.2 開發(fā)先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)

水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)在不增加任何熱源的情況下，利用水泥回轉(zhuǎn)窯的燒成系統(tǒng)窯頭熟料冷卻機(jī)和窯尾預(yù)熱器排掉的350℃以下的廢氣余熱（其熱量約占水泥熟料燒成系統(tǒng)總熱量的30%以上）產(chǎn)生0.8～2.5MPa低壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電的技術(shù)［3］。純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，一般情況下，生料磨僅用窯尾廢氣的70%，同時(shí)冷卻熟料產(chǎn)生的尾氣也可全部用于余熱發(fā)電。該技術(shù)能將水泥生產(chǎn)的綜合熱利用率從60%左右提高到90%以上，經(jīng)濟(jì)效益明顯［4］。

對于我國新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)目前的實(shí)際水平，文獻(xiàn)［5］對比了第一代和第二代余熱發(fā)電技術(shù)，并指出第一代余熱發(fā)電技術(shù)，只利用了水泥窯窯尾預(yù)熱器及窯頭熟料冷卻機(jī)排出的廢氣中的部分余熱，還存在很多技術(shù)問題；第二代余熱發(fā)電技術(shù)在具體技術(shù)細(xì)節(jié)上雖然解決了第一代余熱發(fā)電技術(shù)存在的絕大部分問題，但是窯筒體余熱、窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣收塵器排出的廢氣余熱還沒有回收利用，我國水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)與國際先進(jìn)水平還存在一定差距。

3 加快研發(fā)低碳技術(shù)，逐步降低單位二氧化碳排放強(qiáng)度

水泥行業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域中的二氧化碳排大戶，存在兩種直接產(chǎn)生二氧化碳的排放源。其中，一種排放來源于水泥生產(chǎn)過程中的碳酸鹽分解，屬于工藝過程排放；另一種排放則來源于化石燃料的燃燒，屬于能源燃燒引起的排放。研發(fā)低CO2排放的水泥新品種與碳捕集與碳貯存是降低CO2排放的主要措施。

3.1 研發(fā)低CO2排放的水泥新品種

在歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家，水泥等高能耗高排放工業(yè)面臨著“碳排放稅”政策的壓力。英國、法國、日本等國正在積極開發(fā)新的低能耗低排放熟料水泥。研發(fā)低CO2排放的水泥新品種必然成為水泥材料可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

由德國卡爾斯魯厄（Karlsruhe）理工學(xué)院（KIT）開發(fā)的環(huán)境相容的“綠色”水泥，二氧化碳排放量可以減半。此外，新型水泥具有資源低消耗的特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥，所需石灰石的量僅為原來的三分之一，它可完全不加石膏添加劑。新的生產(chǎn)過程中，在其主要生產(chǎn)階段，溫度只需約200℃，而傳統(tǒng)的水泥燒結(jié)需要1450℃，這也大大降低了燒結(jié)所需能耗。

美國斯坦福大學(xué)教授Brent Constante發(fā)明了一種新工藝，它利用了在生物環(huán)境中珊瑚礁的形成原理：珊瑚利用大氣中的CO2和海水中的鈣和鎂，在低溫低壓條件下生成碳酸鈣，最終成為珊瑚礁。Constante則利用火電廠煙氣中的CO2和海水中的鈣和鎂，生成碳酸鈣，最終生成綠色水泥。

英國環(huán)境工程師尼古拉斯.瓦拉索普魯斯最近研發(fā)了一種綠色的“負(fù)碳性水泥”［6］，將生產(chǎn)水泥的原料碳酸鈣替換成氧化鎂，結(jié)果每生產(chǎn)一噸這樣的水泥，不僅能中和生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳而且還能從空氣中吸收0.1噸的二氧化碳，實(shí)現(xiàn)了“負(fù)碳”！

我國是世界上唯一實(shí)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)的國家，也是唯一將其應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)工程中的國家［7］。相對于硅酸鹽水泥熟料，硫鋁酸鹽水泥熟料的低燒成溫度以及低碳排放的特點(diǎn)，受到世界各國水泥材料工作者的高度重視。

3.2 碳捕集與碳存儲(chǔ)

碳捕集與碳存儲(chǔ)的定義很多，目前被廣泛接受的定義是“一個(gè)從工業(yè)和能源相關(guān)的生產(chǎn)活動(dòng)中分離二氧化碳，運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)存地點(diǎn)，長期與大氣隔絕的過程”。通俗而言，就是在二氧化碳排放之前就對其捕捉，然后通過管線或船舶運(yùn)到封存地，最后壓縮注入地下，達(dá)到徹底減排的目的。

目前正在進(jìn)行試點(diǎn)的有三種捕集技術(shù)：燃燒前捕集，富氧燃燒和燃燒后捕集。Mauricio Naranjo等人［8］詳細(xì)闡述了CEMEX公司致力于研究在水泥工業(yè)中CO2的捕集和分離技術(shù)，燃燒前捕集技術(shù)更適合應(yīng)用于整合了氣化技術(shù)的新建水泥廠，用來生產(chǎn)合成氣體（H2、CO、H2O、和 CO2混合氣體），該方法的缺點(diǎn)是只有來自燃料中的CO2被捕集，煅燒石灰石過程中釋放的CO2并不能被捕集；燃燒后捕集卻能夠?qū)㈧褵^程和燃料燃燒中產(chǎn)生的CO2一并捕集；富氧燃燒技術(shù)利用空氣分離獲得的高純氧和部分再循環(huán)煙氣混合物代替空氣與燃料組織燃燒，從而提高了排煙中的CO2濃度。通過循環(huán)煙氣來調(diào)節(jié)燃燒溫度，同時(shí)循環(huán)煙氣又替代空氣中的N2來攜帶熱量以保證鍋爐的傳熱和鍋爐熱效率，但是富氧燃燒技術(shù)的發(fā)展主要受空氣分離氧氣能耗大、燃燒后尾氣污染物的產(chǎn)生和控制等一些技術(shù)問題的制約。綜合來看，燃燒后捕集技術(shù)適用性強(qiáng)，發(fā)展相對成熟。

在碳存儲(chǔ)方面，目前最適合儲(chǔ)存CO2的地點(diǎn)是枯竭的油氣田，現(xiàn)有的二氧化碳存儲(chǔ)技術(shù)中以CO2驅(qū)油的應(yīng)用項(xiàng)目最多，通過注CO2，將那些開采難度大的石油或天然氣“推向”生產(chǎn)井。二氧化碳是一種在油和水中溶解度都很高的氣體，當(dāng)它大量溶解于原油中，可以使原油體積膨脹、黏度下降，還可以降低油水之間的界面張力，故二氧化碳驅(qū)油適用范圍廣、驅(qū)油成本低、原油采收率高［9］。

4 結(jié)論

發(fā)展高能效的低碳水泥工業(yè)，要把提高能效水平和降低CO2排放兩項(xiàng)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。切實(shí)推進(jìn)水泥工業(yè)的節(jié)能減排工作，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］劉明.進(jìn)入新世紀(jì)水泥產(chǎn)業(yè)翻開新篇章［J］.中國水泥，2012，8：10－13.

［2］農(nóng)有碩.對新型干法水泥生產(chǎn)工藝的探討［J］.科學(xué)之友，2010.8：18－19.

［3］于靜，蔡正波.淺議純低溫余熱發(fā)電技術(shù)在水泥工業(yè)中的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2011，9：30－31.

［4］羅忠濤，等.水泥工業(yè)節(jié)能減排資源化綜合利用研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2011，6（25）：126－128.

［5］唐金泉.我國新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀［J］.中國水泥，2010，10：56－58.

［6］史春樹.綠色水泥：不是零碳而是負(fù)碳.環(huán)境與生活［J］.2012，2－3：69－72.

［7］張慶歡，徐永模.硫鋁酸鹽水泥：低碳水泥混凝土發(fā)展的重要領(lǐng)域［J］.混凝土世界，2010，15（9）：32－38.

［8］Mauricio Naranjo，Darrell T.Brownlow，Adolfo Garza.CO2 Capture and Sequestration in the Cement Indust［J］.Energy Procedia 4，2011，2716–2723.

［9］王鍵，楊劍，王中原，等.全球碳捕集與封存發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢［J］.2012，4（30）：118－120.