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蒋明麟:水泥行业实现“双碳目标”的路径与措施

2022/08/02 10:08 来源:国务院参事室原副主任、原国家建材局副局长蒋明麟 手机看文章 阅读量:8,514

与此同时,水泥行业也是各个工业门类中的CO2排放大户。由于我国水泥产量占到全球水泥产量的近60%,这就导致我国水泥行业碳排放量巨大。......

2020年5月20日习近平主席在75届联合国大会一般性辩论会上提出:中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,CO2排放力争2030年前达到峰值,努力争取在2060年前实现碳中和。(即所谓“双碳目标”和“3060目标”。)

这是我国在“巴黎协定”中坚持“共同而有区别”的原则的基础上,积极主动提出的完成碳达峰碳中和的时间表,体现了我国作为世界最大发展中国家和世界第二大经济体是一个负责任的大国形象,做出了建立世界命运共同体的大国担当。

水泥行业是国民经济重要的基础原材料行业,是国家的基本建设、国防建设、城乡居民住房建设、基础设施建设等方面的重要建筑材料。

我国自1985年起就成为世界第一水泥生产和消费大国。进入新世纪,随着国民经济与社会的发展,水泥产量也随之增长,到2014年达到24.9亿吨的高峰值,随后在国家控制总量,调节结构和国民经济进入新常态的历史新的高质量发展阶段,水泥产量也逐步降低。2020年我国水泥产量23.8亿吨,占全球水泥产量的60%以上。

与此同时,水泥行业也是各个工业门类中的CO2排放大户。由于我国水泥产量占到全球水泥产量的近60%,这就导致我国水泥行业碳排放量巨大。据介绍,2019年全球二氧化碳排放量达347.1亿吨,其中中国碳排放总量达98.3亿吨,其中建材行业排放量约占全国排放量的16%。水泥行业碳排放占建材行业的80%以上,也就是说水泥行业碳排放量占全国碳排放量的12%。有资料显示,水泥工业在全球工业排放中占12%,在全球人为CO2排放中占7%左右。可见水泥工业在重化工业中确实是CO2排放的大户。因而,对于如何促进水泥工业的碳减排、碳达峰、碳中和将成为实现我国提出的“双碳目标”的重要工作。

与其他重化工行业碳排放不同,在于目前生产水泥产品的过程中,除了与其他重化工行业一样,通过燃烧化石类燃料(煤炭、重油、天然气等)排放CO2气体(称之为直接排放)和消耗电能(称之间接排放)外,还因为生产水泥过程中,使用碳酸盐类原料(碳酸钙、碳酸镁等原材料:如石灰石、白垩土等)在高温下分解过程排放CO2气体和生成CaO、MgO等物质。

由此,我们可以得出水泥产品的碳排放由三个部分组成。

燃烧直接排放:目前,我国生产水泥熟料主要燃料仍然以煤炭为主。由于每种煤的C含量均不相同,因此若通过检测煤的C含量进行计算,则非常麻烦。为此,IPCC(政府间气候变化专门委员会)提出采用排放因子的计算方法。其中,2006年提出的燃料煤碳排放因子为 94.6 kgCO2/GJ,折算下来就是:燃烧1kg标煤CO2排放量为2.77 kgCO2。如果不追求准确,保守计算可以用每Kg标准煤燃烧排放3KgCO2

以当前平均先进水平,当吨熟料标煤耗为105 kg时,因化石燃料燃烧产生的CO2排放量为:105 kg/t熟料× 2.77 kgCO2/kg标煤= 291kgCO2/t熟料。也可近似用300KgCO2/t熟料来计算。

用电间接排放:电力消耗属于间接排放的范畴。与化石燃料碳排放类似,在计算电力消耗产生的CO2排放量时,也是采用电力碳排放因子的计算方法。

不过,由于不同时间、不同省区的电力碳排放因子各不相同,这主要是因为不同时间、地区的电力来源、燃煤发电效率等各不相同,造成其CO2排放因子也不相同。与火电相比,水力发电、核电等清洁能源的发电的CO2排放因子显然会更低。

为了计算简便,我们选择0.68 kgCO2/kWh作为电力CO2排放因子。按照当前平均先进水平,单位熟料电耗为60 kWh/tcl,则其CO2排放量为40.8 kgCO2/t熟料。为了计算方便也可按40KgCO2/t熟料考虑。

原料分解排放:由于生产原料配料不同,生产的水泥熟料的标号和成分也不同。以单位熟料计,熟料中CaO含量也不相同。为说明问题,以CaO含量为65%计,MgO含量从1%-4%不等,平均取2%。碳酸盐分解产生的CO2排放量为:

650 g/1kgcl / 56 g/mol × 44 g/mol + 20 g/1kgcl / 40 g/mol × 44 g/mol = 533 g/kgcl = 533KgCO2/t熟料

为了计算方便,可按原料分解排放为540KgCO2/t熟料。

由此,我们可以得出生产一吨水泥熟料的CO2的排放量为300KgCO2/t熟料+40KgCO2/t熟料+540KgCO2/t熟料=880KgCO2/t熟料

由此,可以得出燃料燃烧直接排放CO2占34.1%,用电间接排放占4.5%,原料分解排放占61.4%。

至于按每吨水泥计算CO2的排放量,由于不同水泥品种和不同水泥标号所掺入的混合材的数量和种类也不同。因此,每吨水泥的CO2排放量是各不相同的。由水泥熟料加入缓凝剂(石膏)和各类不同数量和种类的混合材生产不同品种和标号的水泥产品,在生产过程主要的消耗电能也不相同。

有资料显示:我国32.5水泥CO2排放量为520KgCO2/t.c; 42.5水泥为624KgCO2/t.c; 52.5水泥为744KgCO2/t.c 。因为现今我国32.5水泥的占比较高,大致为总产量的55%左右,因此熟料系数CF也较低为0.65左右。因此,可以得出我国每吨水泥CO2排放量大致为580KgCO2/t.c。(32.5、42.5、52.5三种标号水泥用量比例按55、35、10考虑)

在分析了生产水泥过程碳排放的各种主要因素,我们据此可以提出今后水泥工业减排的路径和措施。

2021年2月中国建材联合会向全行业发出《推进建材行业碳达峰碳中和行动倡议书》,并在《倡议书》中明确水泥行业要在2023年前全面实现碳达峰。据前面分析,我国水泥产量在2014年水泥产量已达到高峰(24.9亿吨)之后,逐年波动式下降。从我国经济发展原动力的调整和变革的发展趋势看,今后,我国水泥年产量不会高于24.9亿吨的产量。因此,水泥行业到2023年达到碳达峰应当是可以实现的。问题是,到2023年我们将以怎样的CO2排放总量确定碳达峰。笔者认为应当继续加大水泥行业节能减排的工作力度,以一个尽可能低的CO2排放量达到碳达峰,为今后碳中和创造较好的条件。

为此,我们应当进一步采取有效措施,加大水泥生产的节能减排工作。

主要措施有:

降低水泥熟料热耗。对标同类型水泥熟料生产线的国内、国际先进热耗指标,改进和优化工艺设备和优化控制运行操作软件,引入人工智能专家系统。

熟料热耗除了为生成水泥熟料所必须的理论热能外,其余热能消耗:1.熟料从篦冷机排除时带走的热能;2.从篦冷机经收尘器排出的废气中的热能;3.窑尾1级预热器排除的废气中的热能;4.从整个烧成系统各个设备散发的热能;

第2和3项的热能,目前国内水泥企业绝大部分均已采用水泥窑纯余热发电设施,及时转化为电能加以回收和利用。取得了良好的经济效益和社会效益。今后要进一步优化余热发电的热力循环系统,提高发电效率。第3项的热能的一部分,目前绝大部分水泥生产线还用于生料粉磨的烘干热能,使这部分热能得到充分利用。第1项热能的减少,需要采用回收热能更高热效率的篦冷机设备和优化操作。如:将辊式破碎机放在篦冷机中段,优化篦冷机各段风机的风压风量控制等,降低水泥熟料从篦冷机排除时的温度与废气温度,加大进入分解炉的三次风温和进入回转窑头的二次风温的措施,提高热能有效利用,降低热耗。第4项热能的减少,需要加强回转窑窑头和窑尾密封装置的性能,减少漏风;改进整个烧成系统每个设备的隔热材料和方式,积极探索采用微晶玻璃等新型隔热保温材料作为预热器、分解炉、大型风管、窑尾斜坡、篦冷机外壳的隔热材料。从而提高隔热和耐冲击、耐磨的性能,达到减少热损耗和提高系统运转周期。

目前水泥熟料生产主要以化石燃料为主,为了降低CO2排放,要积极探索新的燃料替代,如氢气作燃料。

目前,水泥熟料煅烧煤炭,空气作为助燃气体。应开发富氧做为煤炭的燃烧剂,减少气体流量。从而减低生产水泥熟料的热耗和风机的电耗。

有关媒体报道,关于大幅度提高利用工业废弃物和生活垃圾制成的替代燃料(RDF),降低生产水泥熟料时的CO2排放量,可能还需要进一步商榷。

但提高生产水泥熟料时的化石燃料的热量替代率(TSR),对于节约资源,提高废弃物资源利用率,改善环境,具有显著的环境效益和社会效益。对于水泥企业也会有良好的经济效益。值得大力推广此项技术。

降低水泥产品电耗。与降低水泥产品热耗一样,应当对标国内、国际同规模、同品种的水泥生产线的先进指标,改进工艺设备和运转操作水平,进一步降低水泥产品的电耗。

水泥产品的电耗主要发生在原料粉磨、水泥成品粉磨、煤粉制备。大约占水泥产品电耗的70%左右。为此,要突出重点,进一步采取有效措施减低这三种粉磨的电耗。一是采用先进的料层挤压粉磨装置,如:具有烘干功能辊式磨、辊压机、用于水泥熟料粉磨的辊式磨。二是采用高效选粉设备。三是优化粉磨工艺流程和优化操作控制软件。四是采用性能先进的各类收尘设施。五是对于系统中各种设备(辊式磨、辊压机、球磨机)壳体、风管和下料管的耐磨、耐冲击的内衬,采用更加耐久效果更好的材料如:微晶玻璃等,以提高系统的运转率,减少系统停车和启动次数,降低水泥产品的电耗。

预分解水泥生产系统中使用了大量的风机和泵类产品。为了调节流体的压力和流量,配备了许多调节阀门。为了降低电耗,应当为这些风机配备变频电机和软启动装置,以减低系统电耗和启动时对供电系统的冲击。

水泥产品生产过程中,将配置大量的物料运输设备。为了节约电耗,我们应当尽可能采用机械输送装置替代耗费电能的空气输送装置。

至于系统的电气系统的设计、装置的配备和优化系统运行降低电耗的措施,专业性较强,在此不再详述。但,这部分的工作绝不可忽视。

降低原料分解排放。如前所述,不同水泥品种和标号,CO2排放量是不同的。

我们应当积极推广应用熟料含量较低的水泥品种,少用高标号水泥,降低水泥的熟料系数CF值。从而降低熟料热耗,减少CO2燃料燃烧排放和原料分解排放。众所周知,水泥仅仅是一个工业半成品,其最终作为混凝土的成分加入混凝土,才能在建筑物和构筑物发挥其功能。因此,我们要从提高混凝土的性能的角度,来分析采用何种水泥品种和标号。我们不能简单地认为水泥高标号就是高质量的唯一性能指标。

我们可以通过混合材的深加工和当前混凝土产业的技术研发成果,特别是各种性能的混凝土外加剂的研发,使得混凝土的性能对于各种气候环境、施工条件和混凝土性能要求都有了显著的改善和提高,完全可以实现上述的水泥产品的CO2的减排目标。

为了减少水泥生产中的CO2排放,应当研发并推广各种低碳含量的胶凝材料。如:铁铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、低碳高贝利特水泥、低碳Aether水泥、碱激发地矿胶凝材料,等等。

采取综合措施减少水泥消费量。

首先,做好城乡建设发展规划。让规划具有严肃的法律权威,一张兰图,一代接一代干到底,避免规划随意更改,造成城乡现有建筑物的“大拆大建”;

努力提高建筑物构筑物的使用寿命。从其全寿命周期考虑提高质量的措施,如:设计工作采用BIM系统,施工采用装配式建筑施工方法,加强建筑物和构筑物运行的维护和保养,寿命终结时的建筑废弃物的回收和再利用等等。这些措施将相应地得到减少水泥的消费量的效果,取得良好的经济效益和环境效益。

适度推进钢结构建筑体系,在工业和民用建筑领域的应用。充分发挥钢结构在施工进度快、适应的建筑物类型多,建筑物寿命终止时,钢结构便于回收再利用等优点。

关于水泥行业碳中和的策略与技术路线。笔者认为目前最重要的任务仍是水泥产品的CO2减排。只有把水泥产品的CO2的排放进一步降低,才能为水泥行业的碳中和创造有力的条件。

积极研发先进实用具有推广应用的碳捕集利用CCS/U技术。因为它所承担水泥产品CO2减排任务是要占到水泥产品CO2减排任务较大比重(目前约占50%左右,待到单位水泥产品CO2排放量进一步减少,可使其所占比重降为25%——20%左右)。我国在这方面起步较晚,但也取得了实质性进展,已有实际在水泥工业中的应用的范例。目前从水泥生产过程中捕集的CO2气体的用途大致有三种:其一,通过净化、压缩和化工处理成为工业级和食品级CO2产品;其二,通过净化和化工处理,作为水质酸碱度调节剂,使水质达到螺旋藻的养殖的要求,养殖用途广泛的螺旋藻。以螺旋藻为原料进一步发展保健品产业和食品工业;目前也在积极探索利用捕集的CO2气体改变水质,养殖其他类型的藻类,作为后备的能源的研究试验。其三,就是将水泥生产过程的排放的CO2气体经过处置后,在适当的地质结构的条件下进行地下封存。

未来水泥行业的碳中和工作仅仅依靠水泥行业本身的工作还是不够的,必须与其它行业联手如:化工行业、林业等)共同努力才能通过CCS/U技术和增加森林碳汇,完成水泥行业的碳中和任务。

实现水泥行业的“双碳目标”,任务艰巨、时间紧迫,需要加强顶层设计,认真制定路线图和时间表,做好降低CO2排放的各项基础性工作,充分发挥运用政府“有形的手”和市场“无形的手”的手的作用,以时不我待的精神,脚踏实地落实水泥行业的降低CO2排放的各项措施,积极研发先进适用的碳捕集和利用技术,增加森林碳汇的能力。只有综合改变国家和行业发展理念,以新发展理念为指导、创造新发展格局、继续扩大改革开放,广泛开展国际合作,主动承担碳达峰碳中和的行业责任,为我国“双碳目标”的实现,做出水泥行业应有的贡献!

编辑:梁爱光

监督:0571-85871667

投稿:0571-85871513 news@ccement.com

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