国际水泥工业co2排放计算及减排措施

地球变暖和极端气候事件频频出现，人类生存条件急剧恶化，温室气体特别是CO：的大量排放是气候变暖的主要因素，控制和减少CO：排放已成为人类社会面临的紧迫任务。工业生产是CO：排放的主要来源。统计资料表明，水泥工业排放的CO：约占全球人为CO：排放量的5%⋯。同时水泥生产也是一个高耗能的工艺过程(水泥工业耗能约占全球一次能源的2%、全球工业能耗的5%)。

在水泥生产过程中，为提供原料反应所必需的能量和温度，需要消耗一定的燃料，燃料的燃烧产生大量的CO：。水泥工业CO：的排放包括直接排放和间接排放两部分。直接排放来自于化石燃料燃烧和石灰石的分解，间接排放来自于生产过程中因使用火力发电所导致的CO：排放。水泥工业减排CO：对于缓解气候变暖具有深远影响[2】。因此，世界各国在考虑CO：减排时，都把水泥工业作为一个重要领域来对待。

本文介绍了国际水泥工业CO，的排放估算方法，以及国外各主要水泥工业大国CO：的减排措施，为我国水泥工业CO：减排的评价和今后发展提供参考。

1 国际水泥工业C02排放估算方法

目前，国外水泥工业计算CO：排放量主要是基于2006年政府间气侯变化专门委员会(IPCC)在《国家温室气体清单编制指南》中推荐的方法。这种方法是以单位熟料为基准，先确定各种排放源的排放系数，再根据水泥的产量和熟料系数求得排放总量。有的计算考虑间接排放，有的则不考虑。Sheinbaum等"’采用IPCC法就墨阿哥工业的能源使用对CO：排放的影响进行了分析评价。分析过程分3个阶段进行：首先，调查墨西哥各工业部门的能源强度和能源消费总量;其次，分析工业部门下属各行业燃料燃烧的最终能源消耗，计算墨西哥全部工业与能源消耗连带的CO：排放总量，分析能源消耗的变化情况;最后，根据全国上业一次燃料总量的变化和发电使用燃料总量的变化，计算CO，排放的总量。为了评估工业与能源消耗连带CO，排放的变化情况，采用式(1)对所有工业部门的CO2排放量进行计算：式中：TE为C02排放的总量，t;D为排放地区;S为排放源;Ss为排放部门;AL为活动水平;EC为排放系数。针对水泥行业，CO：排放源主要指：碳、油和天然气的燃烧;油和天然气的萃取、精炼和加工;碳的开采、水泥的公路和铁路运输。CO：排放部门主要指水泥的生产厂。通过该方法计算出了1998年印度水泥行业CO：的排放系数为0.5，即每生产1 t水泥所产生的C02为0.5 t。

为分析评价不同发展中国家水泥生产的能源使用效率和CO：减排潜能，Price等引入了能量效率指数(EEI)。Price以ffti雅图Ash Grove水泥厂的生产技术水平为基准(认为该厂的能量效率最佳，EEl为100%)，定义各个发展中国家的EEI为该国水泥工业的实际能量强度与所选基准的能量强度之比，并且以能量强度的差异分析CO：的减排潜能。分析指出：如果能达到所选基准，巴西、中国、印度和墨西哥水泥行业1995年的CO：排放量呵分别减少1.13，44.54，5.80，1.50 Mt，其中中国水泥工业1995年的C02排放量可降低37%。

目前，国际上主要采用生命周期评价(LCA)法‘5’61和动态体系(sD)法门’8】评价各因素对C02排放的影响，以确定减排方案。

1.1 LCA法

LCA法也叫生命循环过程模型(LCPA)法，是基于排放系数和能源消耗量按系统路径(“从摇篮到坟墓”或“从摇篮到fJj厂”)评价产品生产或工业过程CO：排放的一种系统方法。采用该方法对水泥丁业进行评价时，首先需确定研究目标及范围，即研究目的、研究结果使用者、研究对象、研究的边界条件;其次，确定编日，即T岂流程图绘制、数据收集、系统边界确定、数据处理;最后进行环境影响评估，即采用一定的换算模型将编目分析过程得到

的关于产品寿命周期的大量环境数据转换为叮比较的环境影响指标进行评估。采用LCA法对水泥工业进行评价所需的水泥寿命周期流程示意见图1。

1.2 SD法

SD法是按时间步长，动态模拟评价系统中各种因素对产品或工业行为影响的一种系统方法，具有宏观预测作用。采用SD法对水泥工业的CO，排放进行评估时，首先需确定影响水泥工业CO，排放的因素，即人口增长率、GDP增长速率、技术进步程度等;其次，绘制因果回路图，定性表示与水泥生产相关的一些交互作用和相应的CO：排放;第三，绘制流程图，展示SD模型中的物理信息流;最后，模拟、产生运行方案，模拟计算水泥工业的能耗、熟料量、产品结构和CO：排放量，在此基础上产生一个基本方案和多个改进方案。

水泥工业的SD模型因果回路量图中包括很多子系统流程图：表示人口数量、水泥需求量和总熟料使用量之间相瓦作用的子系统流程图;计算电能和热能消耗及CO：总排放量的子系统流程图;综合煤耗、粉煤灰生产量、生铁生产量和矿渣供应量的子系统流程图;计算原料(石灰石、原煤)由矿山运抵水泥厂过程中CO：排放量的子系统流程图;计算水泥由生产厂运抵市场过程排放CO：的子系统流程图。

2 国外水泥工业C02减排的技术措施

目前，国外水泥T业在CO：减排方面采取了各种有效措施，已取得显著进展。通过这些措施，能够减排CO：或将CO：分离，随后将其储存或处理，从而实现CO：的回收利用。

2.1 欧洲

欧洲国家主要通过以下途径实现水泥工业CO：减排：(1)采用先进的节能技术及工艺，提高水泥窑炉的能量利用率以减少CO：排放;(2)通过实施节电技术及采用节电设备降低电耗，减少与发电相关的CO：排放;(3)通过集约化、规模化生产减少CO：的排放;(4)使用替代原料作为生产熟料的原料;(5)使用磨细的矿渣、粉煤灰、天然火山灰或石灰石细粉来替代熟料，到2010年，西欧的熟料系数将从目前的0.77降至0.73一J，从而使CO：排放系

数降至0.62左右;(6)大量使用某些废弃物作为水泥窑炉的二次替代燃料，2005年欧盟成员国水泥工业二次燃料的平均替代率为12%，荷兰高达72%，瑞士、比利时、奥地利和法国的替代率为27%～3l%;(7)提高水泥的品质，延长水泥、混凝土的使用寿命，以减少水泥的用量。

英国除采取与大多欧洲国家相同的减排途径外，还进行了详细的规划。英国计划在2010年前，在水泥工业CO：减排新技术方面投资3.5亿英磅，措施包括扩大废弃物燃料的使用、降低填埋和焚烧过程中CO，的排放量等，预计替代燃料的使用将从1998年的6%增至2010年的15%。该国还规划深入研究碳捕获方案，规范低值热源利用装置的优化设计方案，掌握可持续发展水泥工业的关键问题，并努力在建筑过程中激发水泥和混凝土的潜在性能。

到2030年前，在评价体系方面，英国水泥工业协会将建立合理的评价体系，以便更好地反映由于窑效率改进、替代或升级到更高标准所取得的额外CO：减排量，并借助基于《京都议定书》进行的关于CO：减排项目联合行动，及水泥公司的清洁生产机制，使成本最小化。减排技术的努力方向包括：高效用电，减少间接排放;合理有效使用运输车队和选择高效节能设备，减少厂外运输排放;扩大混凝土中氢氧化钙晶体再碳化生成碳酸钙的效果;扩大使用可再生含氢量高的生物质燃料;试验新的建筑方案，提高混凝土的耐久性，减少水泥基胶凝材料的用量;进一步评估CO：减排目标，以反映通过改进窑效率和替代或升级到更高标准所取得的额外CO：减排量;2050年前，通过原创性技术的研发，例如使用非石灰石基的胶凝材料，减少在水泥制造过程中C02的排放;在水泥工业生产中应用CO：捕获和分离技术;推进节能建筑，最终使水泥工业成为～个低消耗基础材料的工业;生产适宜多气候变化环境的建筑所需的材料。

2.2 澳大利亚

早在1997年澳大利亚的水泥企业便与澳大利亚政府签订了自愿协议，开始实施温室气体减排计划。该计划要求企业每年都必须以工业发展草案的形式，向政府递交本年度温室气体排放报告——温室能量管理系统(GEMS)。2005年的调查结果显示，该协议已取得成效，减排效果达47%，优于1997年所签协议中规定的减排目标，同时每吨胶凝材料的CO：排放量减少21%。

上述成果得益于澳洲水泥企业采用了一些国际领先的技术成果，这些技术包括：(1)使用预分解窑生产熟料;(2)在粉磨设备上安装高效分级机;(3)在收尘器卜采用动力控制;(4)开始对余热回收利用;(5)采用低能耗传送系统输送设备材料;(6)使用温搴气体排放低的燃料替代煤;(7)使用温室气体排放低的原料替代石灰石;(8)使用工业废渣作为辅助材料替代混凝土中的水泥;(9)建立温室气体捕集体系。

2.3 日本

日本水泥工业在CO：减排方面主要采取的技术措施有：

(1)使用低温余热发电技术。该技术实施的前提条件是干式回转窑(PC窑)装置系统的大型化。

1995年日本的每吨熟料发电量就达35 kW·h左右，约有50%的水泥窑都配有余热发电装置，全国回收的电能约为水泥工业耗电的30%。2003年日本全国投产的水泥窑有64台，窑的平均生产能力为4 180 t/d，全部均为PC窑，多数为4级预热器窑，生产熟料80 300 kt，有近80%的水泥窑都有纯低温余热发电系统，全国平均每吨熟料发电量近40 kw·h，全国回收电能已达水泥工业电耗的48%，水泥工业近一半的电能为自供¨刚;

(2)使用辅助水泥材料。日本政府规定水泥工业每生产l t水泥应利用废弃物400 kg，目前包括太平洋水泥株式会社和三菱综合材料株式会社在内的大型水泥企业实际熟料利用量均已达300 kg/t⋯J;

(3)加大牛态水泥的研发力度。日本的小野田和太平洋水泥株式会社在日本政府的资助下，于20世纪80年代末，开始研发“生态水泥”生产线，采用城市垃圾焚烧灰和下水道淤泥为基本原料进行水泥生产。目前日本正着手进行生态水泥标准的制定工作‘1 2|。

2.4 美国

2001年，全球有超过150个国家生产水泥，美国水泥年产量为9.1×10 7 t，仅次于中国(6.61×10^8 t)和印度(1×10^8 t)。水泥种类主要为波特兰水泥和砌筑水泥，其中波特兰水泥占90%以上。

1970年到90年代初期，美国水泥工业能量消耗呈下降趋势。1992年至1993年，年平均增长率为4.5%。美国水泥T业能量消耗的下降归因于干法工艺对湿法工艺的逐步取代。美国水泥工业CO：减排主要通过以下技术途径：(1)采用干法工艺代替湿法工艺;(2)用低碳燃料取代高碳燃料;(3)用混合材料取代水泥熟料;(4)从烟气中捕获和储

藏CO：。

3 结语

自1985年起中国水泥产量已连续23年居世界第一。2007年中国水泥产量为1.36×109 t，占全球水泥总产量的50.37%，全球第二大水泥生产国印度仅占6%。对国际水泥工业CO：排放计算方法进行深入研究，可为正确、客观地评价我国水泥工业CO：排放提供参考;通过对国外各主要水泥生产区域和国家减排措施的总结，根据中国水泥工业发展的实际情况，可更为合理有效地利用各种资源。这些工作将对我国水泥工业顺利承担CO：减排任务具有积极意义。