技术丨水泥生产二氧化碳排放分析和定量化探讨

0、前言

水泥工业是资源和能源消耗型工业， 水泥生产需要消耗大量的石灰石和煤碳原料及电力消耗，因此水泥工业是工业部门中排放CO2的大户， 在生产1t 普通硅酸盐水泥大约排放10t CO2， 如按2007 年水泥总产量为13.6 亿t 计算，则2007 年水泥工业排放13.6 亿t CO2。与电力、钢铁等其它部门相比，水泥工业温室气体排放的一个显著特点是它不仅排放燃料燃烧产生的CO2， 还排放原料中石灰石的主要成分碳酸钙分解产生的CO2以及原料中碳酸镁分解产生的CO2， 因此受到政府间气候变化专门委员会（IPCC）的特别关注，水泥工业也因此成为我国开发CDM 项目的主要工业部门。

国内水泥企业开发CDM 项目发展较快，截止到2008年9 月10 日， 经国家发改委批准的水泥企业CDM 项目有128 个，占总数量（1 551）的9%。在EB成功注册的水泥企业CDM 项目只有9 个，其年减排量只占年减排总量的0.48%，其减排类型单一，均为“节能和提高能效”方面，且局限于余热发电项目。其中获得执行理事会CERs 签发的项目只有一个。

国内对水泥企业开发和实施CDM 项目的研究和开发工作还处于初期阶段， 对水泥生产二氧化碳排放分析缺乏系统深入的分析， 排放分类和来源不够全面且缺乏定量化的计算分析。本文结合本人的研究和工作实际对水泥生产二氧化碳排放进行分析且作出定量化探讨，以供进行水泥企业CDM 项目研究和开发工作的单位和技术人员参考。

1、水泥生产二氧化碳排放的分类和来源

根据水泥生产工艺和技术，在参阅WBCSD（世界可持续发展商业理事会）编制的“水泥工业二氧化碳计算和报道标准”（缩写为CSI）的基础上，结合我国水泥生产工艺、生产设备、原料消费、燃料消耗、水泥产品结构和电力消耗等方面的实际情况， 将我国水泥生产的二氧化碳排放分为直接排放和间接排放， 根据二氧化碳排放来源对两类排放进行了范围的界定。直接排放的主要来源为本水泥工厂原料煅烧分解和原料燃烧以及燃料燃烧， 间接排放的来源是由其他工厂和实体拥有和控制的。

从水泥生产工艺过程可分析， 水泥厂中直接二氧化碳排放的主要来源有五个：

（1）含在原料中的碳酸盐的煅烧和有机碳的燃烧；

（2）传统化石烧成燃料的燃烧；

（3）可替代化石烧成燃料（也称为化石废弃物）的燃烧；

（4）生物质烧成燃料（包括生物质废弃物）的燃烧；

（5）非烧成燃料的燃烧。通过分析研究可得出直接二氧化碳排放的构成和参数表,如表1。

水泥生产间接CO2排放有不同的来源， 具体有四个：

（1） 水泥制造单位消耗的电力的外部发电；

（2）从其他制造单位购买熟料的生产和用自己单位产品建设的；

（3）第三方传统和可替代燃料的生产和处理；

（4）第三方提供的原燃料输入和水泥、熟料等输出产品的运输。其中前两个来源的间接排放是主要的。

2、水泥生产直接CO2 排放的分析和定量化探讨

2.1 从原料煅烧排放的CO2

原料煅烧二氧化碳排放是指原料在高温处理过程中碳酸盐（如碳酸钙和碳酸镁）分解释放的CO2，此部分CO2与熟料产品有直接关系。另外，从窑系统排出的窑灰和旁路粉尘的煅烧也是排放CO2的一个相关来源，这些窑灰和旁路粉尘可以直接销售、添加到水泥中或作为废弃物处置。

水泥厂原料煅烧排放的CO2有两种计算方法：

一是基于所消耗原料的碳酸盐含量来计算， 二是基于熟料和窑灰的化学成分来计算。这两种计算方法在理论上是相当的。本人认为采用第二种计算方法更加合理，如选用原料基计算方法，在计算总的排放量时， 则没有考虑到因窑灰的不完全煅烧引起计算量比实际排放量偏大。基于熟料和窑灰的化学成分来计算的方法分析如下。

（1）熟料：煅烧排放的CO2是基于熟料产量和每吨熟料的排放因子来计算的。排放因子取决于熟料中CaO 和MgO 的测定含量， 当由非碳酸盐原料生成的熟料时，相应的CaO 和MgO 的量需要修正，当硅酸钙和飞灰被当作原材料入窑就是典型例子。

在缺乏更好数据的情况下， 熟料排放因子可以采用缺省值527 kg/t。具体计算过程是在正常情况下，普通硅酸盐水泥熟料含氧化钙65%左右，根据化学反应方程式：CaCO3= CaO+CO2， 每生成1 份CaO 同时生成0.785 7 份CO2， 故每生产1 t 水泥熟料CO2排放量为：1×65%×0.785 7=0.511 t。另外，考虑熟料中典型的MgO 含量为1.5％左右， 根据化学反应方程式： MgCO3 = MgO + CO2，每生成1 份MgO 同时生成1.092 份CO2， 所以每生产1 t 水泥熟料CO2排放量为：1×1.5%×1.092=0.016 t。综合计算得煅烧熟料排放因子为527 kg/t。

（2）窑灰：从窑系统排出的窑灰（简称CKD）和旁路粉尘的煅烧排放的CO2可通过灰尘量和排放因子计算出来。计算时要取从窑系统排出的灰尘的总量，不论是直接卖出的、加到水泥中的还是当作废弃物处置的都要算进去。旁路粉尘通常是完全煅烧的，所以与旁路粉尘有关的排放可以采用熟料排放因子进行计算。CKD 与旁路粉尘不同，通常不完全煅烧，CKD 的排放因子取决于熟料排放因子和CKD 的煅烧率，具体参见如下公式：

式中：EFCKD—部分煅烧水泥熟料灰的排放因子；EFcli—熟料排放因子；d—CKD 煅烧率，即排放的CO2量占原料中碳酸盐的CO2总量的比例。

CKD 的煅烧率可采用水泥厂的测定数据，在缺乏此数据的情况下，缺省值可以设定为1。本人认为这个数据相对保守， 这在大多数情况下将较高估计了相关CKD 排放， 因为CKD 在通常情况下是不完全煅烧的，其实际煅烧率通常更接近于0 而不是1。

2.2 从原料中有机碳排放的二氧化碳

除了无机碳酸盐以外， 用于熟料生产的原材料中通常含有小部分有机碳， 其在生料高温处理过程中大部分转化成CO2，原料中总有机碳（简称TOC）的含量随着地点和使用原料类型的不同而改变。原料中TOC 的典型含量大约为0.1%～0.3% (干基)，这相当于每吨熟料有10 kg 的CO2排放， 这大约是原料煅烧和烧成燃料燃烧产生的CO2排放的1%。它们对整个排放的贡献是小的， 其排放计算的正常缺省值为：原料与熟料比为1.55，原料中总TOC 的含量为2 kg/t(干基，相当于0.2%)。没有必要深入分析这种排放，除非有机碳的排放对计算影响较大，这种有现实的例子。例如，当工厂消耗了页岩或飞灰等用作原料入窑，页岩或飞灰的TOC 含量较高。

2.3 从传统的烧成燃料排放的CO2

传统的烧成燃料是包括煤、焦碳、燃油和天然气等在内的化石燃料。计算传统烧成燃料排放CO2的首选方法是基于燃料消耗、燃料的低位热值和相应的燃料排放因子的计算。其中，燃料消耗和燃料的低位热值在工厂都是可以测定的。对于排放因子，工厂应尽量使用本厂和国内经计算的排放因子， 当很难得到相关数据时，也可以参考IPCC 和CSI 推荐的缺省值，各种化石燃料每GJ 低位热值的排放因子列表如表2。假设水泥厂用的燃料煤的低位热值为230000 kJ/kg，排放因子按照IPCC 的缺省值960kg/GJ计算，则可计算出每吨煤产生2.21 t 的CO2，再根据燃料消耗就可计算出该烧成燃料CO2的排放。

其次，当燃料成分有具体的变化，尤其是水含量计算进去的情况下，可以选取另一种计算方法，即基于燃料消耗（以吨计）和燃料碳含量（以质量分数计）的排放计算。通常情况下， 化石燃料存在不完全燃烧，对于水泥窑，此影响可以忽略不计，因为水泥窑具有很高的燃烧温度和长停留时间的特点， 在水泥窑中只能发现极少的残余碳。因此，在所有烧成燃料中的碳可以认为是完全氧化。假设水泥厂用的燃料煤的固定碳含量为65%， 根据化学反应方程式：C+O2=CO2，对于水泥窑，假定碳完全燃烧，则每吨煤产生2.38 t 的CO2，再根据燃料消耗也可计算出该烧成燃料CO2的排放。

2.4 从可替代烧成燃料排放的二氧化碳

水泥工业越来越多地使用各种可替代燃料（简称AF），这些燃料主要来源于废弃物。如果不用作可替代燃料，就必须采用其他处置方式，通常采用卫生填埋和焚烧两种方式。可替代燃料包括像废轮胎、废油、废塑料等化石燃料和像废木材和污泥等生物质燃料。可替代燃料可作为化石燃料的一种替代品。

2.4.1 从生物质燃料排放的二氧化碳

计算生物质燃料排放CO2的方法也是基于燃料消耗、燃料的低位热值和相应的燃料排放因子的计算。其中，燃料消耗和燃料的低位热值在工厂都是可以测定的。对于排放因子，可以参考IPCC 和CSI 推荐的缺省值，各种生物质燃料每GJ 低位热值的排放因子列表如表3。因生物质燃料自身的特殊性，从生物质燃料（包括生物质废物）燃烧直接排放的CO2不计入排放总量中。

2.4.2 从可替代化石燃料排放的二氧化碳

计算可替代化石燃料排放CO2的方法也是基于燃料消耗、燃料的低位热值和相应的燃料排放因子的计算。其中，燃料消耗和燃料的低位热值在工厂都是可以测定的。对于排放因子，可以参考CSI 推荐的缺省值，各种生物质燃料每GJ 低位热值的排放因子列表如表4。

从可替代化石燃料燃烧直接排放的CO2应计入直接CO2排放总量中，CO2排放因子主要取决于可替代化石燃料的类型， 因此各工厂可以建立自己的燃料排放因子清单。当工厂缺乏这些数据时，可以使用以上表格提供的缺省排放因子， 这些是CSI 通过测量和估算再汇总出来的。对于一些如用过的轮胎和锯灰等可替代化石燃料, 他们既含有化石碳又含有生物质碳，在计算合理的排放因子时，应考虑化石碳在燃料中整个碳含量的份额比例。然而，这个份额的测量非常困难且昂贵， 因为一些燃料是经常变化的。因此，在计算时，可采用保守的方法，即假设这些燃料中，化石碳占100%。

2.5 从非烧成燃料排放的二氧化碳

非烧成燃料包括热处理设备（例如烘干机）、自己发电、工厂和采石场的交通工具、房间供热等使用的燃料。这些燃料在水泥厂现场的燃烧会排放CO2。

从非烧成燃料排放的CO2可以根据应用类型分别记录。主要应用类型为：

（1） 设备和现场交通工具；

（2） 房间供热和制冷；

（3） 原料烘干，包括烘干黏土、铁粉、煤、矿渣等；

（4） 工厂现场发电。非烧成燃料可假定为完全氧化， 在烟或灰中碳的残余量忽略不计。高估排放的结果误差经常比较小，大约为1%。对于使用固定的燃料也可以按照不完全燃烧来计算。

2.5.1 原料烘干用燃料排放的二氧化碳

水泥生产过程中，黏土、铁粉、矿渣等原料因水分超过正常指标需要进行烘干， 烘干用燃料的多少与对余热的利用程度和原燃料的自然水分有关，如不考虑烘干物料对余热的利用， 按原燃料的自然水分为18%， 按生产1 t 熟料需烘干0.5 t 左右原燃料计算，烘干用煤约为0.02t。煤的低位热值按230000kJ/kg 计算。下面按两种计算方法计算CO2排放。

（1）基于燃料消耗和燃料碳含量计算CO2排放。假设水泥厂烘干原料用的煤的固定碳含量为65%，根据化学反应方程式：C+O2=CO2，对于烘干机，假定碳完全燃烧，则每吨煤产生2.38 t 的CO2。则每生产1 t 水泥熟料，烘干原料用燃料煤因燃烧产生的CO2为0.02×2.38=0.048 t。

（2）基于燃料消耗、燃料低位热值和排放因子计算CO2排放。假设水泥厂用的燃料煤的低位热值为230000 kJ/kg， 煤排放因子按照IPCC 的缺省值960kg/GJ 计算，则生产1 t 水泥熟料，烘干原料用燃料煤因燃烧产生的CO2为0.02×23 000×96=0.044 t。

2.5.2 因交通运输排放的二氧化碳

和其他制造业生产过程一样， 水泥生产需要运输以提供原料和燃料， 还需要运输发送熟料和水泥等产品。在某些情况下，熟料需要输送到其他地方进行粉磨。输送方式包括输送带、铁路、水路和公路。如果输送是由独立的第三方执行， 相关的排放被认定为间接的排放。具体与水泥生产有关的运输详细分类见表5。通过对现场自己运输（包括出租的交通工具）的能量消耗分析可计算出相关的排放，主要包括交通工具的燃料消耗和输送带的电力消耗。另外，关系到电力消耗的排放认定为间接排放， 自己公司发电的除外。

对于与以下类型的运输相关的排放， 可以不计入工厂边界内的排放。（1）由第三方实施的现场运输（即交通工具不被工厂主体拥有）；（2）所有厂外运输（例如燃料、半成品和成品等），不管运输是否由第三方或公司自己船队来执行。这种例外主要是因为相关的排放与窑排放相比较较小。

3、水泥生产间接CO2 排放的分析和定量化探讨

3.1 由外部电力生产产生的间接二氧化碳排放

由外部电力生产产生的二氧化碳可基于测量的电力消耗、优先从电力供应者获得的CO2排放因子为基础进行计算。也可以采用各国家的平均排放因子，此排放因子覆盖所有用于发电的燃料，如煤、油和天然气等。测量电力消耗时可不考虑传输和分配损失。根据国家公布的火电标准煤耗356 g/kWh计算，即发电1 kWh 需要消耗标准煤0.356 kg，按1 t煤产生2.38 t 的CO2计算， 则发电1 kWh 排放二氧化碳0.847 kg。

3.2 由购买熟料生产产生的间接二氧化碳排放

由购买熟料的生产产生的间接二氧化碳排放可基于购买的净熟料量、熟料的CO2排放因子进行计算。其缺省的CO2排放因子为862 kg/t。对于某个公司有多个工厂时，为确保公司整体利益，内部各工厂之间经常互相调剂熟料量，为避免重复计算，对各个工厂均应该填报熟料流量表， 购买的净熟料量等于购买量减去卖出量。对于单纯从其他厂家购买熟料，购买的净熟料量就是购买总量。

4、结语

（1）结合我国水泥生产工艺、生产设备、原料消费、燃料消耗、水泥产品结构和电力消耗等方面的实际情况， 水泥生产的二氧化碳排放可分为直接排放和间接排放，水泥厂直接二氧化碳排放有五个来源，间接二氧化碳排放有四个来源。

（2）根据水泥生产二氧化碳排放分类和来源，从原料煅烧、原料中有机碳、传统烧成燃料、可替代烧成燃料和非烧成燃料五个方面分析研究了水泥生产直接二氧化碳排放的计算方法， 并进行了定量化探讨。

（3）根据水泥工厂实际运行情况，水泥厂间接二氧化碳排放有两个主要来源， 从外部电力生产和购买熟料的生产两个方面产生的二氧化碳排放可以进行定量分析和计算。

（4）以水泥生产二氧化碳排放分析和计算为基础， 可以对二氧化碳的减排方法和效果进行更深入地研究，可以研究得到更多更优的减排方法，可有效促进水泥企业CDM 项目的研究和开发实施。

作者：何红涛

出处：中国水泥备件网微信公众号（关注查询更多资讯）

欢迎投稿，投稿邮箱：tougao#cement365.com（#替换为@）

（本文来源网络，若涉及版权问题，请作者来电或来函联系！）