馬嬌媚，徐磊2，隋明潔

1 前言

2015年12月12日，聯(lián)合國氣候變化大會達成《巴黎協(xié)定》，設(shè)定了全球應對氣候變化的長期目標，提出了“在本世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體的凈零排放”的目標。2020年9月22日，國家主席習近平第七十五屆聯(lián)合國大會上提出了“努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標，為中國下一階段的能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展指明了方向，也展現(xiàn)了中國踐行《巴黎協(xié)定》氣候行動承諾的決心。

水泥是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)原材料，中國水泥總產(chǎn)能占世界總產(chǎn)能約60%。2020年，全國累計水泥產(chǎn)量23.77億噸，《中國建筑材料工業(yè)碳排放報告》中指出，中國建筑材料工業(yè)二氧化碳排放量為14.8億噸，水泥工業(yè)二氧化碳排放量為12.3億噸，其中，碳酸鹽分解和燃料燃燒碳排放占主要比例，電力消耗間接折算約合8 955萬噸二氧化碳當量[1]。受水泥產(chǎn)品及生產(chǎn)原料、工藝特點和資源消耗量影響，水泥工業(yè)碳減排的難度極大，時間也非常緊迫，水泥行業(yè)作為重點行業(yè)即將納入全國碳排放權(quán)交易，這將對我國水泥工業(yè)及其運行產(chǎn)生重大而深遠的影響。

本文分析了水泥生產(chǎn)過程中碳排放的影響因素，分析了碳減排的技術(shù)措施，以期為我國水泥技術(shù)工作者進行碳評估核查及節(jié)能減碳工作提供一定幫助。

2 水泥生產(chǎn)過程碳排放分析

2.1 按照水泥生產(chǎn)工藝過程計算碳排放

水泥制備過程可以概括為“兩磨一燒”，生產(chǎn)過程中的碳排放主要來自于生料碳酸鹽分解、燃料燃燒以及電力消耗間接產(chǎn)生的二氧化碳。熟料生產(chǎn)過程中的碳排放占水泥碳排放的90%以上，產(chǎn)生的CO2通過廢氣處理系統(tǒng)排入大氣中。水泥熟料生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 典型水泥熟料生產(chǎn)工藝框圖

水泥生產(chǎn)過程碳排放按照產(chǎn)生方式可以分為直接排放和間接排放。直接排放主要是生料分解、燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳的排放，還有少量的粉塵、窯灰、有機碳產(chǎn)生的一小部分二氧化碳，這部分在簡單計算時可以忽略。間接排放是指生料制備、熟料煅燒（含煤磨系統(tǒng)）、水泥制備及照明等輔助工藝消耗電能產(chǎn)生的間接二氧化碳排放。水泥生產(chǎn)過程碳排放的主要影響因素如圖2所示。余熱發(fā)電減少了外購電力，在計算間接碳排放時要予以扣減。如果有易燃的可再生能源和廢棄物利用量，一般認為不對環(huán)境產(chǎn)生額外的碳排放[2]，因此余熱發(fā)電和廢物處置對水泥生產(chǎn)過程碳減排有正向作用。

圖2 水泥生產(chǎn)過程碳排放的主要影響因素

按照生產(chǎn)過程分析，未采用電石渣等特殊配料的一般水泥熟料生產(chǎn)，其二氧化碳的直接排放可以按照式（1）進行簡單計算，再加上按照式（2）計算的二氧化碳的間接排放，即電力消耗乘以對應的排放因子，二者之和即為水泥熟料生產(chǎn)過程中的總碳排放量。

式中：

E1——直接排放，tCO2/t.cl

Ep——工藝排放，tCO2/t.cl

Efuel——燃料排放，tCO2/t.cl

CCaO——熟料中CaO質(zhì)量分數(shù)

CMgO——熟料中MgO質(zhì)量分數(shù)

Mfuel——單位熟料消耗第i種燃料的質(zhì)量

EFi——第i種燃料的碳排放因子

式中：

E2——間接排放，tCO2/t.cl

E購入——單位熟料凈購買電量，MW·h/t.cl

EF電——電力排放因子，tCO2/MW·h

Eclinker——熟料綜合電耗，MW·h/t.cl

E余熱——余熱發(fā)電電量，MW·h/t.cl

根據(jù)元素守恒，采用如下化學反應方程式計算Ep：

表1為典型水泥廠使用的生料和熟料化學成分分析，如表1所示，典型硅酸鹽水泥熟料礦物成分按照金屬氧化物換算計量，含氧化鈣65.20%、氧化鎂1.67%，忽略來自非碳酸鹽及煤灰產(chǎn)生的CaO、MgO，每生產(chǎn)1t水泥熟料，碳酸鹽分解產(chǎn)生0.530 7t二氧化碳。具體計算過程為：

表1 典型水泥廠使用的生料和熟料化學成分分析，%（重量）

表2為典型水泥廠使用煤樣工業(yè)分析和元素分析，以表2中的燃料為例，水泥廠用燃煤的發(fā)熱量為24 600kJ/kg，含63.60%的碳元素，化學反應方程式如下：

表2 典型水泥廠使用煤樣工業(yè)分析和元素分析

根據(jù)元素守恒，則生產(chǎn)消耗每噸實物煤產(chǎn)生2.332tCO2，消耗每噸標煤產(chǎn)生2.775tCO2，具體計算過程為：

依據(jù)現(xiàn)行國標GB 16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》，新建水泥企業(yè)按照熟料綜合煤耗準入值108kg標煤/t.cl、熟料綜合電耗60kW·h/t.cl、水泥綜合電耗36kW·h/t.cl進行計算，則生產(chǎn)每噸熟料，燃料燃燒產(chǎn)生的CO2直接排放量Efuel為：

Efuel=108×2.775/1 000=0.299 7tCO2/t.cl

余熱發(fā)電取33kW·h/t.cl，碳排放區(qū)域電網(wǎng)平均CO2排放因子取0.8，則電力產(chǎn)生的CO2間接排放量E2為：

與碳酸鹽分解產(chǎn)生的二氧化碳合計，則單位熟料CO2排放量E熟料為：

按照75%的熟料摻入系數(shù)、水泥工序電耗36kW·h/t水泥，則單位水泥CO2排放量E水泥為：

2.2 水泥碳排放的計算方法

表3 依據(jù)《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》準入值計算的碳排放

圖3 熟料、水泥碳排放所占比例示意圖（按照表3）

國內(nèi)外關(guān)于水泥工業(yè)碳排放研究的報道有很多[3，4]，國際政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）、世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會（WBCSD）水泥可持續(xù)發(fā)展自愿性協(xié)議（CSI）均發(fā)布了具有代表性的水泥生產(chǎn)CO2排放統(tǒng)計方法[5]。國內(nèi)有關(guān)水泥碳排放測算的國家標準正在完善過程中，相關(guān)的標準及文件主要包括GB/T 32151.8-2015《溫室氣體排放核算與報告要求第8部分：水泥生產(chǎn)企業(yè)》、《中國水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體核算方法與報告指南（試行）》（發(fā)改辦氣候[2013]2526號）等，本文對我國水泥行業(yè)二氧化碳排放的相關(guān)標準規(guī)范及文件進行了歸納，具體見表4。

表4 我國水泥行業(yè)二氧化碳排放相關(guān)標準規(guī)范及文件

表5列出了T/CBMF 41-2018《硅酸鹽水泥熟料單位產(chǎn)品碳排放限值》碳排放量等級與限值，提出Ⅰ級標準為0.845 0tCO2/t.cl。中國的水泥生產(chǎn)有其自身特點，不確定性因素也有很多[6，7]，主要集中在核算邊界的選取，原料、產(chǎn)量和能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，各項原材料或電力碳排放因子的選取等方面。目前的標準及文件中仍存在不統(tǒng)一的內(nèi)容，如發(fā)改委文件計入了“生料中非燃料碳含量”，單位為%，并規(guī)定“如缺少測量數(shù)據(jù)，可取0.1%～0.3%（干基），生料采用煤矸石、高碳粉煤灰等配料時取高值，否則取低值”；而在國標GB/T 32151.8-2015及中國建筑材料聯(lián)合會發(fā)布的《建筑材料工業(yè)二氧化碳排放核算方法》文件中未設(shè)置此項內(nèi)容。隨著碳排放計算方法學研究的深入，將會建立更完善的碳核查、碳計算標準體系。

表5 T/CBMF 41-2018《硅酸鹽水泥熟料單位產(chǎn)品碳排放限值》碳排放量等級及限值

對于沒有元素分析的煤炭，可以按照GB/T 32151.8-2015《溫室氣體排放核算與報告要求》給出的單位熱值含碳量（煙煤為26.1×10-3t碳/GJ）、燃料碳氧化率（窯爐取98%）計算。以表2中燃料為例，每噸實物煤產(chǎn)生的CO2為2.307t，計算過程見式（6），每噸標煤產(chǎn)生2.745tCO2，與此相比，式（5）計算結(jié)果的相對誤差為1%。

這些標準與通過生產(chǎn)過程采用元素守恒計算的原理基本一致，差別主要是數(shù)據(jù)的統(tǒng)計口徑不同，核算企業(yè)的年碳排放量，一般是以全年的產(chǎn)能、原材料消耗的發(fā)票數(shù)據(jù)、平均化學成分為依據(jù)，另外，燃料燃燒碳排放，是以單位熱值含碳量乘以碳氧化率計算得到的。一般的技術(shù)工作者不易拿到這些經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，單純從減碳技術(shù)進步的角度分析，采用上一節(jié)所給出的元素守恒計算碳排放因子，用以分析判斷可采取的減碳技術(shù)手段。

3 基于碳排放影響因素分析的碳減排技術(shù)措施

要解決水泥工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2帶來的環(huán)境問題，必須充分利用水泥生產(chǎn)工藝的特點，從直接排放和間接排放兩個方面著手，配套外圍的碳捕捉、碳利用、構(gòu)建低碳膠凝材料體系等技術(shù)措施，實現(xiàn)水泥行業(yè)“雙碳”目標。

3.1 節(jié)能技術(shù)裝備的研發(fā)與應用

水泥行業(yè)年消耗煤炭總量＞2億噸，化石能源消耗占綜合能耗的90%，節(jié)能減排是水泥工業(yè)生產(chǎn)永恒的主題?！笆濉逼陂g，水泥熟料單位產(chǎn)品平均綜合能耗由2015年的112kg標煤/t.cl降至108kg標煤/t.cl，河南孟電等多家水泥企業(yè)可比熟料綜合能耗均＜100kg標煤/t.cl。早期的回轉(zhuǎn)窯熱平衡效率一般在50%～55%，典型的應用第二代新型干法水泥技術(shù)裝備的生產(chǎn)線，回轉(zhuǎn)窯熱效率＞60%。以兩條河南孟電二代示范線為例，投產(chǎn)以來，相對于置換前，生產(chǎn)線的技術(shù)指標每年節(jié)約標煤5.82萬噸，節(jié)電7 040×104kW·h，CO2減排～15.8萬噸。

在此基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)升級的槐坎南方綠色低碳生產(chǎn)線，較減量置換前的同等規(guī)模生產(chǎn)線，每年節(jié)約標煤7.4萬噸，減排570t氮氧化物、20萬噸CO2。與新建水泥生產(chǎn)線能耗限額準入值相比，其化石燃料碳排放相對減少約15%，有效提高了能源利用效率，降低了生產(chǎn)過程碳排放約5%。

以某廠兩條生產(chǎn)線進行碳排放對比分析，一條為2004年投產(chǎn)的老線，一條為2019年投產(chǎn)、集成采用二代水泥技術(shù)裝備的新建生產(chǎn)線，分別采用全年統(tǒng)計的原燃料數(shù)據(jù)和采用元素守恒法進行碳排放計算，碳排放的計算對比見表6。其中，參考發(fā)改委文件，計入了“生料中非燃料碳含量”，此項數(shù)據(jù)新線和老線取一致，不影響其他項的對比分析。

由表6可見，采用全年統(tǒng)計法與采用元素守恒法計算出的結(jié)果基本一致，使用新技術(shù)建設(shè)的生產(chǎn)線化石燃料燃燒碳排放大幅度降低，相對于老線整體減少碳排放5.24%，對標表5中T/CBMF 41-2018硅酸鹽水泥熟料單位產(chǎn)品碳排放量等級及限值，新建生產(chǎn)線比Ⅰ級標準0.845 0tCO2/t.cl碳排放低5.21%，收到了較好的減碳效果。

表6 減量置換新線和原有老線的碳排放計算對比表

目前，我國水泥企業(yè)全部采用了新型干法生產(chǎn)技術(shù)，整體處于國際先進水平。通過大力推進低能耗綠色環(huán)保燒成技術(shù)，如高效低阻預熱器、梯度燃燒自脫硝分解爐、中置輥式破碎機的第四代篦冷機、新型節(jié)能耐火材料、高效料床粉磨、節(jié)能風機、智能控制等，可以有效提升系統(tǒng)的能源利用效率，進而減少燃料碳排放和電力碳排放。具體實現(xiàn)途徑有兩條，一條是集成應用新技術(shù)，淘汰老線，減量置換新建生產(chǎn)線；另一條是采用節(jié)能技術(shù)裝備，升級改造現(xiàn)有生產(chǎn)線。企業(yè)可根據(jù)自身情況選擇實施，減少燃料燃燒和外購電力產(chǎn)生的碳排放，同時減少氨水消耗，間接減少氨水制造過程中產(chǎn)生的碳排放，進一步推動水泥生產(chǎn)的減污降碳技術(shù)發(fā)展。

3.2 亟待開發(fā)的綠色環(huán)保技術(shù)

水泥工業(yè)協(xié)同處置技術(shù)可以大幅度減少碳排放，發(fā)改委《中國水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》文件中指出，水泥企業(yè)生產(chǎn)過程中，使用的替代燃料或協(xié)同處置的廢物中，可能含有生物質(zhì)燃料，“這些生物質(zhì)燃料燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳，被視為無氣候影響，不需進行核算和報告”；中國建筑材料聯(lián)合會《建筑材料工業(yè)二氧化碳排放的核算方法》中指出[2]，“易燃的可再生能源和廢棄物包括固態(tài)和液態(tài)的生物遺體、沼氣、工業(yè)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廢棄物碳排放視為零”，可見國家政策在積極鼓勵發(fā)揮水泥窯的環(huán)保功能。

圖4是國際能源署（IEA）發(fā)布的2018年水泥熟料能耗及替代燃料（AF）使用情況[8]，由圖4可以看出，中國水泥工業(yè)替代燃料的比例不到2%，而歐美等西方國家替代燃料的比例普遍較高，個別地區(qū)超過50%，未來中國水泥工業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展必然會加大替代燃料的比例。采用生物替代燃料、協(xié)同處置垃圾、電石渣替代石灰石等資源化綜合利用是今后中國實現(xiàn)碳減排的重要手段。

圖4 國際能源署（IEA）給出的水泥熟料能耗及替代燃燒（AF）使用情況（2018年）

3.3 其他碳減排及零碳技術(shù)展望

要實現(xiàn)水泥生產(chǎn)“碳中和”，必須從生產(chǎn)源頭開始考慮，實施碳減排、碳捕捉、碳利用三步驟，進行長遠布局。當下應從減少直接排放和間接排放兩個方面著手，減少碳酸鹽和化石能源的使用。2020年12月，《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書中提出，發(fā)揮科技創(chuàng)新第一動力作用，優(yōu)先發(fā)展非化石能源，推進能源革命，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。光伏發(fā)電、風力發(fā)電在國內(nèi)已有應用案例，氫能、太陽能光熱技術(shù)也是水泥技術(shù)研究熱點[9，10]，在發(fā)揮傳統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)勢的同時，發(fā)展新能源技術(shù)是進一步減少化石燃料燃燒碳排放和電力間接碳排放的重要途徑之一。

水泥生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈的碳減排、碳捕捉、碳利用是實現(xiàn)“碳中和”的三大熱點研究方向。除了研發(fā)綠色低碳技術(shù)裝備外，發(fā)展LC3、低碳水泥、CO2養(yǎng)護混凝土等可以重構(gòu)低碳膠凝材料體系[11]，減少碳酸鹽和化石燃料使用，進而減少碳排放；在減少碳排放到極致并提高廢氣二氧化碳濃度的基礎(chǔ)上，輔之以碳捕捉及碳利用[12，13]，可以進一步捕捉水泥廢氣中的二氧化碳并加以利用，進而實現(xiàn)水泥工業(yè)的“碳中和”[14，15]。

由此，提高能源效率、使用替代燃料、構(gòu)建低碳水泥材料體系，輔之以碳捕捉、碳利用[16，17]，實現(xiàn)多維度減污減碳組合方案，是未來實現(xiàn)水泥工業(yè)零碳排放的潛力技術(shù)路線。目前這些技術(shù)應用的障礙最主要的是技術(shù)經(jīng)濟性問題，隨著碳交易的展開、交叉學科技術(shù)的逐漸成熟，更多減污降碳技術(shù)將逐步走向市場應用，推進水泥工業(yè)實現(xiàn)零碳排放。

4 結(jié)語

本文從水泥生產(chǎn)的工藝過程分析出發(fā)，提出了采用元素守恒計算碳排放的簡易方法，分析了碳排放的影響因素。持續(xù)進行節(jié)能減排技術(shù)升級，提高能源效率、加大替代燃料比例是行之有效的碳減排技術(shù)措施。隨著技術(shù)的逐漸成熟及成本的逐步下降，新能源、新材料、碳捕捉、碳利用等新技術(shù)也將突破瓶頸，助力水泥行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標。