水泥低碳生產(chǎn)技術(shù)評(píng)述
低碳經(jīng)濟(jì)是以低排放、低消耗、低污染為特征的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，是從傳統(tǒng)的高排放、高能耗、資源依賴型（“兩高一資”）的發(fā)展模式轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)就是要在科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，通過技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、新能源開發(fā)及政策保障體系的完善等多種方法和手段，努力減少天然化石燃料消耗，大幅度提高社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的能效水平，顯著降低生產(chǎn)產(chǎn)品單位溫室氣體排放強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)全面進(jìn)步，提高應(yīng)對(duì)氣候變化的能力。
水泥是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要材料，水泥工業(yè)也是國民經(jīng)濟(jì)的重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。水泥工業(yè)的快速發(fā)展有力支撐了國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)。然而，作為傳統(tǒng)的工業(yè)部門，水泥工業(yè)有著顯著的“兩高一資”生產(chǎn)工藝特性。水泥工業(yè)傳統(tǒng)的發(fā)展和生產(chǎn)模式，使得資源、能源都難以為續(xù)，對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了極為不利的影響。低碳經(jīng)濟(jì)是水泥工業(yè)發(fā)展的必由之路；推動(dòng)水泥工業(yè)低碳生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，促進(jìn)水泥工業(yè)大幅度節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)先進(jìn)、綠色制造，是水泥工業(yè)發(fā)展面臨的緊迫任務(wù)。
1.水泥生產(chǎn)CO2的排放
水泥生產(chǎn)包括原料開采、生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，使用多種輸送、破碎、粉磨、煅燒工藝設(shè)備及電機(jī)、風(fēng)機(jī)等，需要消耗一定量的電力。各工藝過程的單位電力消耗如表一所示?？梢?，每生產(chǎn)1噸水泥，需要消耗電力約110kWh。
水泥熟料煅燒包括原料礦物分解、固相反應(yīng)、液相燒結(jié)、熟料冷卻等一系列物理、化學(xué)過程、需要消耗大量的熱量。目前大多使用的煅燒工藝為預(yù)分解窯爐，燃煤由噴煤管分別送入分解爐和回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行燃燒。水泥熟料形成反應(yīng)的理論熱耗約為1700kJ/kg。由于窯爐筒體表面散熱、燃燒煙氣帶出熱量及出窯熟料帶出熱量，實(shí)際的水泥熟料燒成熱耗約為3200kJ/kg，即噸熟料綜合煤耗約為110kg標(biāo)準(zhǔn)煤。
水泥生產(chǎn)電力消耗可產(chǎn)生間接CO2排放，即直接CO2排放由發(fā)電廠燃料燃燒產(chǎn)生。根據(jù)國家主管部門發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國電力消耗CO2排放因子平均約為0.86TCO2/MWh，由此也可以推算出噸水泥生產(chǎn)電力消耗產(chǎn)生的間接CO2排放量約為94.6千克。水泥生產(chǎn)燃料消耗會(huì)產(chǎn)生直接CO2排放。可根據(jù)燃料中有機(jī)碳含量進(jìn)行換算，計(jì)算出CO2排放量，但采用標(biāo)準(zhǔn)煤換算更為方便、快捷。根據(jù)中國建筑材料科學(xué)研究總院的初步研究，燃煤的CO2排放因子介于2.31—2.55千克CO2每千克標(biāo)準(zhǔn)煤，而國家發(fā)改委能源所推薦的排放因子為2.46千克CO2每千克標(biāo)準(zhǔn)煤。由此，可以計(jì)算出生產(chǎn)每噸水泥熟料、由燃煤燃燒產(chǎn)生的直接CO2排放量約為295千克。水泥生產(chǎn)采用石灰質(zhì)原料，經(jīng)煅燒后石灰質(zhì)原料中的碳酸鹽礦物會(huì)分解，釋放出大量的CO2。通常，生產(chǎn)1噸水泥熟料需要消耗1.55噸生料，即產(chǎn)生的直接CO2排放量約為550千克。按水泥中的熟料系數(shù)為0.75計(jì)，可計(jì)算出生產(chǎn)單位水泥CO2總排放量約為728千克/噸。
2.水泥生產(chǎn)的過程CO2減排
水泥生產(chǎn)的過程CO2排放指的是能源消耗之外的生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO2排放，即主要是石灰質(zhì)原料中碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO2排放。采用低CO2含量的替代原料或生產(chǎn)低鈣水泥都可以減少相應(yīng)的過程CO2排放。
電石渣是電石法生產(chǎn)乙炔產(chǎn)生的工業(yè)廢渣。我國電石渣的年排放量已達(dá)到2000萬噸，歷年存積的電石渣量也超過1億噸。電石渣（干基）的主要成分是Ca(OH)2、達(dá)70%以上。采用電石渣完全替代石灰質(zhì)原料生產(chǎn)1噸水泥熟料，即可減少約550千克過程CO2排放，而全國年排放電石渣的完全利用，則可減少CO2排放約1100萬噸。目前，由合肥水泥研究設(shè)計(jì)院等科研機(jī)構(gòu)承擔(dān)有國家科技支撐計(jì)劃課題“電石渣制水泥規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)及裝備研究”，以實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)天然石灰質(zhì)原料的完全替代及生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平的整體提升。
一些大宗工業(yè)廢棄物，包括鋼渣、粉煤灰、煤矸石等，含有一定量的氧化鈣，作為替代原料，也可以獲得一定量的過程CO2減排。例如，一些種類鋼渣中CaO含量達(dá)45%，若替代50%的石灰質(zhì)原料，則生產(chǎn)每噸水泥熟料可減少約275千克的過程CO2排放。一些種類粉煤灰中CaO含量也超過10%，通過配比可替代約2%的石灰質(zhì)原料，生產(chǎn)每噸水泥熟料也可減少約11千克的過程CO2排放。
水泥熟料的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3、 Fe2O3、CaO，并且用飽和系數(shù)（KH）、硅酸率（SM）、鋁氧率（IM）來調(diào)整和控制。飽和系數(shù)的簡單計(jì)算公式為：KH = CaO - 1.65Al2O3 - 0.35Fe2O3/2.8SiO2，表示熟料中硅酸三鈣與硅酸二鈣的比例關(guān)系。事實(shí)上飽和系數(shù)可以在一定范圍內(nèi)變化，而且基本不影響水泥熟料的性能，因此也可以通過優(yōu)化控制參數(shù)，適當(dāng)降低水泥熟料飽和系數(shù)。計(jì)算表明，若飽和系數(shù)由0.95降低至0.88，水泥熟料中CaO的含量就由68%降低至64%，生產(chǎn)每噸水泥熟料產(chǎn)生的過程CO2排放也會(huì)減少約30千克。
為降低水泥熟料石灰飽和系數(shù)、提高水泥熟料的物理、力學(xué)特性，中國建筑材料科學(xué)研究總院（以下簡稱是建材總院）研究開發(fā)了硫鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥。這種水泥熟料中CaO含量低于64%，熟料的煅燒溫度約為1300℃，在礦渣摻量達(dá)50%時(shí)，可穩(wěn)定生產(chǎn)42.5MPa強(qiáng)度等級(jí)的水泥。對(duì)比于硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥生產(chǎn)的過程CO2排放可減少約5%；由于燒成溫度降低和混合材摻量增加，水泥生產(chǎn)的單位CO2排放也有顯著的下降。
水泥熟料生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生較多的過程CO2排放，減少水泥中熟料的含量就會(huì)顯著地減少過程排放，但這必須以保證水泥的性能為前題。水泥中熟料系數(shù)平均約為0.75，即含有約75%的熟料，另有25%的石膏和混合材。水泥熟料28d強(qiáng)度約為60Mpa，配制成水泥后可達(dá)到42.5MMa的強(qiáng)度等級(jí)。通過提高水泥強(qiáng)度或是增加混合材活性，就可以在保證水泥性能的同時(shí)，增加水泥中混合材的摻量。通常提高水泥熟料強(qiáng)度1個(gè)Mpa，就可以增加混合材摻量約2%，進(jìn)而獲得近似2%的CO2減排。建材總院研究開發(fā)的高性能水泥熟料煅燒技術(shù)，可提高熟料強(qiáng)度5MPa至10MPa。這一技術(shù)的推廣應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和CO2減排?