再論中國水泥工業(yè)co_2的減排

1、 EXPERT FORUM 專家論壇再論 中國水泥工業(yè)CO 2的減排中國建筑材料科學(xué)研究總院 汪瀾個(gè)國家批準(zhǔn)了該公約, 即成為公約的締約方。1997 年 12 月公約隨著我國城鎮(zhèn)化, 工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快以及居民用能水平的不斷提高, 對能源的需求及相應(yīng)的CO2 等溫室氣體排放量都在快速增加中。2007 年全國的煤炭消耗約為 15.4 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤, 由于燃煤產(chǎn)生的 CO2 等溫室氣體排放量約為 40 億噸?？梢? 中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與 CO2 等溫室氣體減排的矛盾較為突出。 一、引言隨著人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步及工業(yè)化進(jìn)程的加速, CO2 等溫室氣體的排放量也在激劇增加中。據(jù)世界氣象組織報(bào)告 2006

2、年大氣層中CO2 的濃度已達(dá)到 381.2ppm , CO2 排放量比 1990 年高出 35% , 其中由于化石燃料燃燒產(chǎn)生的 CO2 就達(dá)到 84 億噸。CO2 等溫室氣體的大量排放會(huì)引起氣候變化, 導(dǎo)致氣溫增高, 海平面締約方又通過了議定書。在 議定書的第一承諾期中, 即從2008 年到 2012 年期間, 主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的 CO2 等溫室氣體排放量要在 1990 年 的 基 礎(chǔ) 上 平 均 減 少5.2% 。( 中國于 1998 年 5 月簽署并于 2002 年 8 月核準(zhǔn)了該議定書。2005 年 2 月 16 日,議定書正在中國重要的門中, 水泥工業(yè) CO2 的減排有著舉足輕重的作

3、用。在我國現(xiàn)有技術(shù)水平條件下, 每噸水泥生產(chǎn)的平均熱耗為0.15 噸標(biāo)準(zhǔn)煤, 平均電耗為110kWh; 水泥生 產(chǎn)還伴隨原料中碳酸鹽分解, 即 CO2式生效, 這是人類歷史上首次以法規(guī)的形式限制 CO2 等溫室氣體的排放。根據(jù)“共同但有區(qū)別的責(zé)任”原上升,天氣與氣候頻發(fā), 進(jìn)而對自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 為應(yīng)對全球氣候變暖給人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來的不利影響, 1992 年6 月在巴西里約熱內(nèi)盧舉行的環(huán)境與發(fā)展大會(huì)上, 150 多個(gè)國家制作為發(fā)展中國家的中國在 10 年則,內(nèi)沒有減排義務(wù)) 但中國政府已主動(dòng)采取了一系列政策措施, 推進(jìn)全社會(huì)的節(jié)能減排, 并取得了顯著成效。2007 年

4、 6 月中國國家發(fā)改委發(fā)布了 中國應(yīng)對氣候變化國家方案, 明確 提出了到2010 年中國應(yīng)對氣候變化 的具體目標(biāo)、基本原則、重點(diǎn)領(lǐng)域及其政策措施。 每生產(chǎn) 1 噸的排放。依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(水泥會(huì)產(chǎn)生直接 CO2 排放 0.815 噸, 其中0.390 噸是由于燃料燃燒產(chǎn)生的, 0.425 噸是由于原料中的碳酸鹽分解產(chǎn)生的) ; 由于電力消耗, 每生產(chǎn)1 噸水泥還會(huì)產(chǎn)生間接 CO2 排放約0.07 噸。預(yù)計(jì) 2007 年中國水泥產(chǎn)定了氣候變化框架公約, 并以將大氣中溫室氣體濃度穩(wěn)定在不對氣候系統(tǒng)造成的水平為最終 目標(biāo)。目前已有包括中國在內(nèi)的19136中國水泥 2008.2 量將接近 14 億噸,生產(chǎn)

5、CO2 排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法的國家標(biāo)準(zhǔn)制定, 并得到了有關(guān)政府部門和水泥生產(chǎn)企業(yè)的支持。 水泥生產(chǎn)有較為復(fù)雜的工藝過程, 包括原料開采及輸送、生料和燃料制備、水泥熟料煅燒、余熱發(fā)電或其他利用、水泥制備及發(fā)送、水泥生產(chǎn)輔助工藝過程、廠區(qū)外車輛運(yùn)輸、廠區(qū)內(nèi)車輸運(yùn)輸、生產(chǎn)管理等。所有這些工藝過程都需要消耗一定的能量, 進(jìn)而形成 CO2 排放單元。水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的 CO2 排放又可分為直接排放和間接排放。直接排放是生產(chǎn)企業(yè)擁有或控制的排放源的排放, 例如原料碳酸鹽的分解和燃料的燃燒產(chǎn)生的 CO2 排放為直接排放。間接排放是生產(chǎn)企業(yè)活動(dòng)所導(dǎo)致的排放, 而實(shí)際的直接排放則發(fā)生在其他企業(yè)擁有或控制的排放源; 例

6、如生產(chǎn)工藝過程消耗的外部電力產(chǎn)生的排放即為間接排放。水泥生產(chǎn) CO2 排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法就是要針對水泥生產(chǎn)所有工藝過程, 統(tǒng)計(jì)、計(jì)算各種直接排放和間接排放, 成為科學(xué)的、可行的 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。 分析表明, 水泥生產(chǎn)過程中CO2 排放源主要有: 原料中碳酸鹽分解、燃料的燃燒和各工藝設(shè)備的電力消耗。原料中碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2 排放量的計(jì)算相對較為簡單, 可以通過原料的用量及原料中碳酸鹽的含量進(jìn)行分析、計(jì)算, 也可以通過水泥熟料的產(chǎn)量和熟料中 CaO、MgO由水泥工業(yè)產(chǎn)生 的的 CO2 排放量也將達(dá)到 12.17億噸。因此, 實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè) CO2 的減排是中國應(yīng)對氣候變化的重要措施和基本內(nèi)容, 也是實(shí)

7、現(xiàn)中國水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。應(yīng)該指出的是實(shí)現(xiàn)CO2 的減排是水泥工業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整, 加強(qiáng)生產(chǎn)管理, 提高能源、資源利用效率的綜合體現(xiàn)。CO2 的減排不僅是中國水泥工業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn), 同時(shí)也是中國水泥實(shí)現(xiàn)技術(shù)水 平全面提升的重要機(jī)遇。 含量進(jìn)行分析、反求。但是, 用原料量為基準(zhǔn)分析, 計(jì)算工作量大; 用熟料量做基準(zhǔn), 又有一些不確定性。因此擬定的水泥生產(chǎn) CO2 排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法將以生料量為基準(zhǔn), 進(jìn)行碳酸鹽分解產(chǎn)生的 CO2 排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算。 燃料燃燒產(chǎn)生的 CO2 排放量的計(jì)算相對較為復(fù)雜。水泥生產(chǎn)過程中消耗的燃料包括多種燃煤,替代燃料和燃油等。在進(jìn)行CO2排放量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)

8、,不僅要準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)各種燃料用二、制定科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法,實(shí)行嚴(yán)格的排放管理 量,而且要確定各種燃料燃燒產(chǎn)生CO2 的排放因子。 對于燃煤, 確定排放因子一種直接的方法是分析燃煤中的有機(jī)碳含量, 然后再推算出單位燃料消耗 CO2 的排放量。另一種方法是, 依據(jù)燃煤中有機(jī)碳的含量與熱值的關(guān)系, 研究 確定排放因子。由于燃料的熱值是生 遵照“ 要建立科學(xué)、統(tǒng)一的節(jié)能降耗和污染減排統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系、監(jiān)測體系和考核體系”等指示精神, 國家主管部門正牽頭研究制定主要污染物總量減排統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測的考核辦法。中國應(yīng)對氣候變化國家方案也明確提出進(jìn)行應(yīng)對氣候變化能力 產(chǎn)中的常規(guī)檢測項(xiàng)目,因此擬定的 水泥生產(chǎn) CO2排放量統(tǒng)計(jì)

9、計(jì)算方建設(shè), 包括滿足溫室氣體編制 需求的統(tǒng)計(jì)體系,子所需的測試數(shù)據(jù),確定主要排放因 未來溫室氣體 法將采用后一種計(jì)算方法。 通過大量的基礎(chǔ)性研究, 中國建筑材料科學(xué)研究總院提出了依據(jù)熱值計(jì)算的燃煤排放因子, 見表1。應(yīng)該指出的是這些排放因子的最終確定還需要通過大量的研究驗(yàn)證。 對于燃油燃?xì)?CO2 排放因子及 排放預(yù)測方法,以及國家溫室氣體 數(shù)據(jù)庫等能力建設(shè)。 水泥工業(yè) CO2 排放占我國全社會(huì) CO2 總排放量的 20% 左右。在水泥工業(yè)率先制定科學(xué)的 CO2 排放統(tǒng)計(jì)方法, 實(shí)行嚴(yán)格的 CO2 排放管理有多方面的重要意義。 2005 年, 世界資源研究所等機(jī)構(gòu)聯(lián)合制定并發(fā)布了水泥行業(yè)二氧

10、化碳減排議定書 - 水泥行業(yè)二氧化碳排放統(tǒng)計(jì)與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)。該統(tǒng)計(jì)與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn) 已經(jīng)被世界多個(gè)國家采排放量計(jì)算,目前可采用一些國際研究機(jī)構(gòu)推薦的數(shù)值, 見表 2。 用, 并且得到氣候變化框架合約辦公室的認(rèn)可。近幾年來, 中國建筑材料科學(xué)研究總院與國際相關(guān)機(jī)構(gòu)通力合作, 依據(jù)中國水泥工業(yè)的基本現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn), 致力于水泥372008.2 CHINA CEMENT表2 燃油燃?xì)釩O2排放因子及排放量計(jì)算 燃油、燃?xì)?單位 CO2排放因子及排放量計(jì)算 汽油 kg/L2.346柴油 kg/L2.684天燃?xì)?kg/m31.933表1 煤炭燃料CO2排放因子及排放量計(jì)算 燃料 低位熱值( MJ /kg)CO2

11、 排放因子( kg/MJ)CO2 排放量( kg /kg)無煙煤 24.050.1093.62煙煤 24.290.0982.38次煙煤 18.800.1011.90褐煤 15.131.1031.57 EXPERT FORUM 專家論壇水泥生產(chǎn)電力消耗產(chǎn)生的 CO2 排放量的計(jì)算也需要準(zhǔn)確的排放因子確定。由于發(fā)電采用燃料的不同及電廠能源效率的不同, 國外研究機(jī)構(gòu) 推薦采用的排放因子也有較大的不 之一。這是一種新型合作機(jī)制, 即由發(fā)達(dá)國家提供資金和技術(shù), 在發(fā)展中國家境內(nèi)實(shí)施 CO2 等溫室氣體減排項(xiàng)目。清潔發(fā)展機(jī)制的目的一方面可以協(xié)助發(fā)展中國家實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展, 另一方面項(xiàng)目獲得的溫室氣

12、 體減排量( 可轉(zhuǎn)化為“排放許可權(quán)”) 可美元。余熱發(fā)電是目前中國水泥工業(yè)主要采用的項(xiàng)目類型。 水泥生料中碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2 排放占水泥生產(chǎn)全過程CO2 總排放的 50%以上。因此采用低碳酸0.80kgCO2/kWh同 , 主 要 在至鹽含量的原料有顯著的減排效果。目前可資源化利用的大宗原料有電 石渣等,可替代石灰石用于水泥的 生產(chǎn)。按年利用 60 萬噸電石渣計(jì), 每年即可減少 CO2 排放量達(dá) 26 萬噸, 排放交易年直接收益達(dá) 260 萬美元。 替代燃料如果得不到應(yīng)用, 會(huì)由于自燃等情況產(chǎn)生一定量的CO2 排放, 應(yīng)用到水泥生產(chǎn)中, 替代化石燃料, 則會(huì)產(chǎn)生 CO2 的直接減排。生物質(zhì)

13、燃料含有氫能, 燃燒釋放出的 CO2 會(huì)明顯降低。因此, 水泥工業(yè)采用替代燃料或生物質(zhì)燃料會(huì)獲得直接減排或間接減排的效果。歐美一些水泥公司化石料燃料的替代率已超過 60% , 國內(nèi)也有一些水泥 生產(chǎn)企業(yè)嘗試采用城市垃圾等作為 0.4kgCO2/kWh 之間。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 目前我國電力生產(chǎn)的平均能耗 幫助發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)議定書中減為 0.275kg 標(biāo)準(zhǔn)煤 /kWh,產(chǎn)生的 少溫室氣體排放的承諾?？梢? 清潔發(fā)展機(jī)制是一種能讓發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都能有所收獲的“雙贏”機(jī)制。對中國而言, 應(yīng)用清潔發(fā)展機(jī)制對能源工業(yè)和高耗能行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步, 可再生能源和清潔生產(chǎn)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生積極的影響。

14、CO2排放量為0.7kgCO2/kWh。這一排放系數(shù)還必須得到國家主管部門的確認(rèn)。 水泥生產(chǎn) CO2 排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法 的制定和實(shí)施為水泥生產(chǎn)企業(yè) CO2 排放管理提供必要條件, 是水泥工業(yè)建立節(jié)能減排統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測和考核三體系的基本內(nèi)容。企業(yè)還可以依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn), 編制環(huán)境績效、碳稅收、排放交易等技術(shù)報(bào)告。中國 建筑材料科學(xué)研究總院將在近期完 水泥工業(yè)是能源依賴型工業(yè),是CO2等溫室氣體減排的重點(diǎn)行業(yè); 水泥工業(yè)巨大的減排潛力也一直為各方面關(guān)注。 CDM 項(xiàng)目主管機(jī)構(gòu) 在成該標(biāo)準(zhǔn)的制定,以滿足國家和企 所頒布的 CDM項(xiàng)目開發(fā)方法學(xué)中,業(yè)開展減排工作的迫切需求。 一共包括四種與水泥生產(chǎn)有關(guān)的項(xiàng)目類

15、型:( 1) 利用水泥窯余熱進(jìn)行發(fā)電,三 、 應(yīng)用清潔發(fā)展機(jī)制替代燃料,并且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)計(jì)近期內(nèi)水泥工業(yè)中替代燃料和生物質(zhì)燃料的應(yīng)用比重會(huì)明顯增多,并為這一減排項(xiàng)目的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。 在目前已有的清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目類型中, 通過增加熟料中混合材的摻量具有最大的 CO2 減排潛力。以年( CDM) , 促進(jìn)CO 顯著減排 2減少從電網(wǎng)直接購電量,CO2 的間接排放。 進(jìn)而減少 氣候變化框架公約是( 2) 利用低 CO2 含量的原料代替高含量碳酸鹽的原料, 減少生料中碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2 的直接排放。 ( 3) 利用替代燃料或生物質(zhì)燃料代替水泥生產(chǎn)中采用的化石燃料, 減少燃料燃燒產(chǎn)生的C

16、O2 直接排放。 ( 4)通過在熟料中增加混合材 摻量, 以減少熟料的用量, 進(jìn)而減少水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的 CO2 排放。 余熱發(fā)電是將由水泥生產(chǎn)過程中由冷卻機(jī)、預(yù)熱器等主機(jī)設(shè)備排出的中低溫廢氣引入蒸汽鍋爐進(jìn)行發(fā)電。通常, 日產(chǎn) 5 000 噸的水泥生產(chǎn)線可配備 15MW 的余熱發(fā)電系統(tǒng),年 CO2 減排放量約為10 萬噸, 排放交易年直接收益也可達(dá)到約 100 萬 世界上第一個(gè)為全面控制 CO2 等溫室氣體排放, 以應(yīng)對全球氣候變暖給人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來不利影響的國際公約, 也是國際社會(huì)在對付全球氣候變化問題上進(jìn)行國際合作的一個(gè)基本框架。公約 各締約國通過的 議定書則具體規(guī)定了從 2008 年到 2

17、012 年期間, 主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的溫室氣體排放量要在 1990 年的基產(chǎn) 150萬噸水泥的生產(chǎn)企業(yè)為例, 將混合材年用量從 10 萬噸提高到30 萬即可產(chǎn)生 CO2的減排量 16 萬噸,噸?？梢? 在熟料中增加混合材摻量有著巨大的減排作用。 近幾年來中國建筑材料科學(xué)研究總院在科研工作的基礎(chǔ)上, 通過與國際著名機(jī)構(gòu)合作, 在推進(jìn)清潔發(fā)展機(jī)制應(yīng)用方面開展了多方面的工作,主要包括:( 1)針對水泥窯爐余熱發(fā)電技 礎(chǔ)上平均減少 5.2%。這就產(chǎn)生了主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家對 CO2 等溫室氣體排放許可權(quán)的需求, 因此在全世界范圍內(nèi)引入了溫室氣體排放許可權(quán)的交易。清潔發(fā)展機(jī)制( CDM) 是議定書中制定的三種

18、靈活減排放機(jī)制38中國水泥 2008.2 70%() 的條件下,保證水泥強(qiáng)度達(dá)到術(shù)的特點(diǎn), 制定項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件; 完成中長期專項(xiàng)規(guī)劃、水泥工業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃、水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策以指導(dǎo)水泥工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和科技發(fā)展。在我國, 以預(yù)分解窯為核心的新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展。采用預(yù)分解窯、新型粉磨等技術(shù)可使水泥生產(chǎn)熱耗和電耗比 傳統(tǒng)的工藝分別降低 50% 和 20% 以上, 生產(chǎn)過程中 CO2 的排放量也會(huì)降低約15% 。 水泥熟料煅燒技術(shù)仍在發(fā)展中, 包括新一代預(yù)分解窯技術(shù), 高固 - 氣比燃燒技術(shù)和熟料預(yù)燒成技術(shù)。通過研究分析國際上的短窯煅燒技術(shù)42.5MPa等級的要求。這些新型水泥項(xiàng)目

19、的國內(nèi)審批和注冊; 與國際買家簽訂減排額采購協(xié)議; 通過 CO2 等溫室氣體減排額的銷 售, 實(shí)施清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目。 的研發(fā)和生產(chǎn)會(huì)顯著地減少水泥生產(chǎn)CO2 的排放量。 盡管碳捕集和碳封存是減少 ( 2)料的應(yīng)用,CO2 排放量的后處理措施,結(jié)合電石渣替代石灰質(zhì)原 研究在國內(nèi)采用低碳酸鹽但已經(jīng) 得到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視?！?碳捕集和碳封存”即是將化石燃料燃燒產(chǎn)生的 CO2 捕集并長期封存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。捕集的方法有燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒, 具體的分離技術(shù)則包括化學(xué)吸收、物理吸收、吸附、膜分離和深泠分離。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可將大規(guī)模工業(yè)及替代原料方法學(xué)的可行性, 制定項(xiàng)目實(shí)施具體的路線圖

20、, 組織進(jìn)行項(xiàng)目的評審和申報(bào), 爭取早日將這一方法學(xué)在中國水泥工業(yè)中成功應(yīng)用。 ( 3)研究發(fā)展水泥生產(chǎn)替代燃料技術(shù), 研究制定相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 研究分析替代燃料的排放因子, 確定應(yīng)用替代燃料的減排潛力; 研究生物質(zhì)燃料在水泥生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性。 ( 4) 研究多種高性能水泥熟料 的生產(chǎn)技術(shù), 研究高性能水泥的施工、 結(jié)合國家 973 項(xiàng)目燃煤電廠的CO2 排放量降低 85%和沸騰煅燒技術(shù),“ 高性能水泥制備與應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”的大量研究成果, 中國建筑材料科學(xué)研究總院提出了“ 水泥熟料預(yù)燒成技術(shù)”這一重大、前沿研究課題?！?水泥熟料預(yù)燒成技術(shù)” 的關(guān)鍵是依據(jù)熟料形成過程的熱、動(dòng)力學(xué)特性提供

21、所需的外部能源, 進(jìn)而產(chǎn)生最大的能量利用效果。前期研究表明, 采用“水泥熟料預(yù)燒成技術(shù)”, 可使噸熟料 生產(chǎn)熱耗低于 2 800kJ/kg, 窯爐單位體積產(chǎn)量增加 35% , 窯爐 CO2 的排放也會(huì)降低約 15% 。提高水泥熟料的性能、增加水泥中混合材的摻量是實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。目前國內(nèi)的研究熱點(diǎn)有高性能硅酸鹽水泥、高性能硅酸鹽 - 硫鋁酸鹽復(fù)合水泥、高性能礦渣硅酸鹽水泥等。高性能硅酸鹽水泥的生產(chǎn)通過專利技術(shù)制備高強(qiáng)度水泥熟料并摻入大量的混合材。硅酸鹽 - 硫鋁酸鹽復(fù)合水泥是依據(jù)適宜的生料組分和熱工制度左右。 我國水泥工業(yè)的集中度正迅速發(fā)展, 有企業(yè)單一廠區(qū)內(nèi)的水泥年產(chǎn)量超過 500 萬噸, CO2 年排放量也超過 400 萬噸。因此, 在水泥工業(yè)中開展“ 碳捕集和碳封存”的研究具有重大的意義, 而“碳捕集和碳封存”技術(shù)的的研發(fā)和實(shí)施對水泥工業(yè) CO2 的 減排有非常顯著的