國(guó)際水泥行業(yè)如何進(jìn)行二氧化碳排放控制及減排？

  氣候變化問題已引起了全球關(guān)注。為了應(yīng)對(duì)該問題，國(guó)際社會(huì)做出了諸多努力，如歷年召開的聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)達(dá)成了諸多協(xié)議，各個(gè)國(guó)家也承諾一定的溫室氣體減排量。

  而作為基礎(chǔ)原材料工業(yè)，水泥工業(yè)對(duì)于全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用，但同時(shí)產(chǎn)生了巨大的CO₂排放量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泥工業(yè)是世界第三大能源消耗工業(yè)，并產(chǎn)生了第二大的工業(yè)部門CO₂排放量，加重了全球氣候變化問題的嚴(yán)重性。因此，水泥行業(yè)CO₂的排放控制對(duì)全球氣候變化問題有重要影響。

  本文就國(guó)際水泥行業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，并從政策層面和國(guó)家層面對(duì)國(guó)際水泥行業(yè)CO₂排放控制進(jìn)行簡(jiǎn)述，在此基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)際水泥行業(yè)CO₂減排技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。

  1 國(guó)際水泥行業(yè)CO₂排放控制

  2001年全球水泥產(chǎn)量為17.5億t，而到2012年增加至約38億t，10年間平均增速約7.5%見圖1。按各地區(qū)劃分的水泥產(chǎn)量變化見圖2，其中各地區(qū)均以2001年為基準(zhǔn)100。

  10年間亞洲、非洲和獨(dú)聯(lián)體國(guó)家的水泥產(chǎn)量均有顯著增長(zhǎng)，較2001年分別增長(zhǎng)近2.5、2.2和2.0倍；而大洋洲、美洲、歐洲水泥協(xié)會(huì)成員國(guó)和歐盟的產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢，甚至有所下降。而據(jù)世界水泥可持續(xù)發(fā)展倡議行動(dòng)組織(CSI)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)際熟料CO₂排放系數(shù)平均值為853kg/tcl，單位水泥CO₂的排放系數(shù)約為0.55~0.95kg/t。

  面對(duì)巨大的水泥產(chǎn)量及CO₂排放量，各個(gè)國(guó)家或地區(qū)采取了諸多措施來(lái)緩解水泥行業(yè)CO₂排放量的持續(xù)增長(zhǎng)。在此以美國(guó)和歐洲為例進(jìn)行簡(jiǎn)述。

  在水泥標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)現(xiàn)行ASTM標(biāo)準(zhǔn)允許一定條件下在水泥中摻加部分混合材，而之前的標(biāo)準(zhǔn)一直不允許混合材摻入。除此，由加州大氣資源委員會(huì)(California AirResources Board)提出了加州地區(qū)的低碳水泥標(biāo)準(zhǔn)，旨在2020年實(shí)現(xiàn)噸水泥CO2排放量達(dá)到0.69t，并實(shí)現(xiàn)CO₂減排24%。其提出的具體措施包括提高能源利用效率、增加石灰石混合水泥比例和使用低碳燃料等見表1。

  除上述標(biāo)準(zhǔn)外，美國(guó)環(huán)保署(E PA)和美國(guó)能源部(DOE)于1992年啟動(dòng)的“美國(guó)能源之星計(jì)劃”對(duì)提高水泥行業(yè)能源效率，降低單位產(chǎn)品CO₂排放量具有顯著促進(jìn)作用。該計(jì)劃為包括水泥行業(yè)在內(nèi)的特定工業(yè)部門建立了企業(yè)能源性能指標(biāo)—EPI，并為企業(yè)提供免費(fèi)測(cè)試。EPI取值位于0~100分。環(huán)保署定義行業(yè)內(nèi)全國(guó)平均得分為50分，而能源效率更好的工廠得分75。2013年8月，美國(guó)第五大水泥生產(chǎn)商-意大利西麥斯公司宣布，EPA和DOE判定其在美國(guó)的5個(gè)水泥工廠具有優(yōu)良的能源性能，并已獲得“能源之星”的稱號(hào)。

  歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)將通用水泥分為5大類，并規(guī)定了每類水泥中混合材的最大摻量。圖3表示了從2000年到2010年歐洲水泥品種的變化情況，可知允許混合材摻量<5%的CEM I類水泥有明顯下降，而這對(duì)減低單位水泥CO₂排放量有促進(jìn)作用。

  除此，成立于2 0 0 5年的歐盟排放交易體系(E UETS)是京都機(jī)制下最重要、最成熟的碳交易市場(chǎng)，也是目前全球最大的碳交易體系。EU-ETS涉及到了包括水泥行業(yè)在內(nèi)的主要工業(yè)部門，并為每個(gè)部門制定了完整的溫室氣體監(jiān)測(cè)與報(bào)告協(xié)議。要求每年3月31日前報(bào)告上一年度的排放數(shù)據(jù)，并由政府指定的獨(dú)立第三方來(lái)核查。經(jīng)過核查的上年排放量如果超過發(fā)放的配額(EUA)，則必須到市場(chǎng)上購(gòu)買超出的數(shù)量。2008年，EU-ETS市場(chǎng)總共交易CO₂ 31億t，交易額919億美元。

  除交易系統(tǒng)外，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)部門就積極采取自愿協(xié)議的方式來(lái)降低溫室氣體排放，隨后又不斷對(duì)其進(jìn)行修訂和強(qiáng)化。自愿協(xié)議主要分為完全自愿、采用法規(guī)及能源稅或碳稅作為推動(dòng)、將能源稅或碳稅和嚴(yán)格法規(guī)相結(jié)合三種方式。在現(xiàn)有的自愿協(xié)議中，比較成功的是英國(guó)氣候變化協(xié)(ClimateCha nge Ag reements)、丹麥的能源效率協(xié)議(Energ yEfficiency Agreements)以及荷蘭的長(zhǎng)期協(xié)議(Long-TermAgreements)。上述措施對(duì)間接降低水泥行業(yè)CO₂排放量均有顯著促進(jìn)作用。

  除各個(gè)國(guó)家或地區(qū)針對(duì)水泥行業(yè)所采取的CO₂減排措施外，國(guó)際大型水泥集團(tuán)也采取了相關(guān)碳減排措施見表2[1]。

  2 國(guó)際水泥行業(yè)CO₂減排技術(shù)

  水泥行業(yè)CO₂主要來(lái)源于鈣質(zhì)原料分解、燃料燃燒和電力消耗，而國(guó)際水泥行業(yè)CO₂減排技術(shù)主要集中在以下方面：優(yōu)化水泥制備工藝，減少煅燒熱耗和生產(chǎn)電耗；應(yīng)用替代燃料，減少燃料燃燒CO₂排放量；減小單位水泥中熟料的比例，降低整體CO₂排放水平等。

  2.1 工藝過程技術(shù)

  據(jù)CSI對(duì)約占世界水泥總產(chǎn)量25%的967個(gè)水泥企業(yè)的統(tǒng)計(jì)，2011年全球水泥行業(yè)噸熟料熱耗為3560MJ，而考慮熟料理論熱耗和烘干原料用熱耗，水泥窯爐熱效率已達(dá)70%以上，能效進(jìn)一步提高幅度并不大。然而，針對(duì)工藝過程技術(shù)，國(guó)際水泥行業(yè)依然做了諸多工作。

  “筒-管-爐-窯-機(jī)”是熟料煅燒的核心設(shè)備，近年來(lái)國(guó)際上圍繞上述核心設(shè)備的技術(shù)研究和開發(fā)工作包括新型低壓損旋風(fēng)筒、適用于二次燃料使用的分解爐、兩檔短窯和旋轉(zhuǎn)盤式冷卻機(jī)。

  旋風(fēng)筒內(nèi)筒是“渦流探管”，它可以處理旋轉(zhuǎn)的攜帶固體的氣流，并引出旋風(fēng)筒。但最新研究表明這種氣流常造成不利的流動(dòng)狀態(tài)，其反映就是內(nèi)筒具有很高的壓損，最高可達(dá)旋風(fēng)筒總壓損的90%。而A TEC公司研發(fā)的置于內(nèi)筒中的導(dǎo)流葉片可以減小壓損，其可“困”住旋轉(zhuǎn)氣流，并在旋風(fēng)筒中心形成穩(wěn)定的渦流管，使其壓損降低30%見圖4a[2]。

[Page]   針對(duì)水泥行業(yè)二次燃料處置種類的增多和處理量的增加，國(guó)際水泥行業(yè)針對(duì)傳統(tǒng)分解爐進(jìn)行了諸多改造。通過應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)相關(guān)軟件對(duì)分解爐進(jìn)行模擬分析，有助于詳細(xì)了解分解爐內(nèi)部的工藝過程，實(shí)現(xiàn)分解爐的高效運(yùn)行見圖4b。同時(shí)，對(duì)應(yīng)用二次燃料的分解爐進(jìn)行模擬研究可確定二次燃料最佳喂入位置、喂入量等參數(shù)。與傳統(tǒng)長(zhǎng)徑比為15的三檔窯相比，長(zhǎng)徑比為10~13的兩檔窯具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備重量降低約10%左右，運(yùn)行平穩(wěn)，安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便等。除此，現(xiàn)有新型干法技術(shù)中入窯生料分解率多在95%，回轉(zhuǎn)窯熱負(fù)荷已大大減輕，長(zhǎng)徑比更小的二檔窯完全能夠滿足熟料煅燒的功能，同時(shí)窯筒體表面散熱量也更低。自上世紀(jì)80年代初第一臺(tái)L/D<11的二檔窯在歐洲投產(chǎn)以來(lái)，二檔窯得到了快速發(fā)展；進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)際上新建生產(chǎn)線投入的二檔窯數(shù)量已超過三檔窯。如2004年以來(lái)，洪堡公司出售的窯中，兩檔窯占53%，三檔窯占47%見圖4c[3]。

  與傳統(tǒng)的單筒或多筒冷卻機(jī)相比，第三代固定篦板式冷卻機(jī)在冷卻效率、自動(dòng)化程度等方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。而面對(duì)單機(jī)窯產(chǎn)量提高、替代原燃料大規(guī)模應(yīng)用所導(dǎo)致粉狀熟料量增多的情況，第三代篦冷機(jī)存在冷風(fēng)難于透過粉狀熟料料層，導(dǎo)致未冷卻的熟料量增多，冷卻效率低等缺點(diǎn)。針對(duì)其缺點(diǎn)，20世紀(jì)90年代末期，F(xiàn)LSmidth公司推出了第四代推動(dòng)棒式冷卻機(jī)，其篦床完全固定，并在篦床下安裝了機(jī)械空氣流量控制閥調(diào)整充氣和熟料層的風(fēng)量分配，配置了獨(dú)立的推料單元。而第五代冷卻機(jī)—旋轉(zhuǎn)盤式(RDC)冷卻機(jī)見圖4d是根據(jù)“旋轉(zhuǎn)盤”原理進(jìn)行操作，在該熟料冷卻機(jī)中，活動(dòng)篦板由旋轉(zhuǎn)盤取而代之，該圓盤轉(zhuǎn)一圈用時(shí)30min，輸送效率達(dá)到了100%。冷卻機(jī)進(jìn)口安裝了固定篦床，與窯出口成90°角，這就消除了由窯和熟料冷卻機(jī)不同中心線引起的熟料顆粒離析的問題[4]。

  除熟料煅燒外，粉磨工序也消耗了大量能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，粉磨工序電耗占水泥生產(chǎn)總能耗的60%以上。因此，新型高效粉磨技術(shù)始終是國(guó)際水泥行業(yè)研究熱點(diǎn)。除OK磨機(jī)、非凡MVR立磨外，作為世界第一臺(tái)磨輥驅(qū)動(dòng)式磨機(jī)，TKRT公司開發(fā)的Quadropol RD立磨見圖5a，吸引了全球目光。與傳統(tǒng)磨盤驅(qū)動(dòng)式磨機(jī)相比，Quadropl RD磨機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]：

  (1)更強(qiáng)的喂料粉磨能力。傳統(tǒng)的磨盤驅(qū)動(dòng)，磨輥運(yùn)動(dòng)靠物料的摩擦，因此磨輥較磨盤運(yùn)動(dòng)慢，導(dǎo)致在磨輥前容易形成物料的堆積，影響粉磨；而使用磨輥驅(qū)動(dòng)可以使磨輥運(yùn)動(dòng)速度較磨盤快，從而使物料以更統(tǒng)一的方式進(jìn)入粉磨間隙，提高粉磨效率。

  (2)低功率和低齒輪扭矩。磨輥驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力可以根據(jù)磨輥的數(shù)量得以分散，單個(gè)磨輥驅(qū)動(dòng)功率降低；同時(shí)由于磨輥較磨盤運(yùn)動(dòng)速度快(大約為后者的兩倍)，使其傳送的扭矩也減半，這對(duì)于粉磨量較大的磨機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

  (3)高運(yùn)行穩(wěn)定性。由于是磨輥驅(qū)動(dòng)，即使一個(gè)磨輥驅(qū)動(dòng)發(fā)生故障，也不會(huì)對(duì)磨機(jī)的使用產(chǎn)生很大影響。世界第一臺(tái)Quadropol RD立磨見圖5b，于2012年年底在墨西哥的C r u z A z u l實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)功率為3×1 550kW，用于生產(chǎn)CPC 30RS水泥(熟料大約占75%，火山灰和石灰石大約占25%)，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為175t/h，細(xì)度為45μm篩余3%。運(yùn)行表明，在預(yù)期粉磨細(xì)度內(nèi)其產(chǎn)量可達(dá)180~200t/h。同時(shí)，該立磨實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)啟動(dòng)，即只需按一個(gè)按鈕，即可在10min內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。

  2.2 替代燃料技術(shù)

  根據(jù)CSI調(diào)查數(shù)據(jù)，2011年，全球水泥行業(yè)用燃料中(以能量為基準(zhǔn))，傳統(tǒng)化石燃料占86.71%，生物質(zhì)燃料占4.04%，替代化石燃料占9.25%。而大部分替代燃料的CO₂排放因子較傳統(tǒng)燃料要低，因此替代燃料技術(shù)可以降低單位熟料CO₂排放量?？紤]不同國(guó)家燃料儲(chǔ)量和種類的巨大差異，應(yīng)用于水泥行業(yè)的燃料也有較大差別見圖6。

  替代燃料的應(yīng)用包括以下步驟：廢棄物鑒別和相關(guān)特性分析、處置方式的確定、廢棄物儲(chǔ)存、預(yù)處理、燃燒、燃燒后監(jiān)測(cè)等。針對(duì)不同廢棄物類型、熱值、水分、表面積等，處置技術(shù)有較大差異。在此僅介紹替代燃料的預(yù)燃燒技術(shù)和日本日揮株式會(huì)社的污泥燃料化系統(tǒng)見圖7。

  針對(duì)大顆粒和未處理物料，結(jié)合分解爐開發(fā)的預(yù)燃技術(shù)是一種有效的處理方式[2]。雖然該技術(shù)建造成本較高，但針對(duì)特定的廢棄物其可運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。如在德國(guó)Rüdersdorf水泥廠針對(duì)廢棄物處置建設(shè)的流化床熱解系統(tǒng)已投入使用數(shù)年，并取得了很好的效果。而由Polysius公司和FLS公司開發(fā)的“預(yù)燃室”技術(shù)和“熱盤”技術(shù)見圖8a，也在部分水泥企業(yè)投入使用。而由于該系統(tǒng)較為復(fù)雜，且投資較高，因此并沒有得到普及。針對(duì)上述系統(tǒng)缺點(diǎn)，Polysius公司開發(fā)了過程預(yù)燃技術(shù)見圖8b。其通過在分解爐或三次風(fēng)管上集成預(yù)燃燒系統(tǒng)或熱解系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)替代燃料的分布處理。較“預(yù)燃室”技術(shù)和“熱盤”技術(shù)，該技術(shù)處理量稍小，但過程簡(jiǎn)單、有效而環(huán)保。面對(duì)未來(lái)替代燃料質(zhì)量下降和成本升高，過程預(yù)燃技術(shù)前景較好。

  針對(duì)污水污泥，水泥窯協(xié)同處置的方式主要有以下兩種：

  (1)進(jìn)廠污泥經(jīng)計(jì)量后，直接送入水泥回轉(zhuǎn)窯窯進(jìn)行協(xié)同處置。

  (2)在水泥廠配套建設(shè)一個(gè)烘干預(yù)處理系統(tǒng)，利用預(yù)熱器廢氣余熱(溫度約280℃)將污泥(含水率約80%)烘干至含水率低于30%，對(duì)烘干所產(chǎn)生的大量廢氣進(jìn)行再次處理；含水率低于30%的污泥經(jīng)輸送及喂料設(shè)備送入分解爐焚燒。方式(1)因處理量小且污水污泥直接入窯對(duì)窯操作有較大影響而不被推薦。針對(duì)方式(2)的處理方式，日揮株式會(huì)社開發(fā)了污泥燃料化系統(tǒng)，其包括蒸汽加熱器、直接接觸式多段干燥機(jī)、旋風(fēng)筒、循環(huán)風(fēng)機(jī)等見圖9。通過該系統(tǒng)處理，可獲得水分含量<10%，粒徑<50mm，熱值約16.75kJ/kg的干燥污泥。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

[Page]   (1)工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行容易。循環(huán)利用污泥的蒸發(fā)蒸汽，僅排出剩余蒸汽的簡(jiǎn)單工藝。

  (2)對(duì)惡臭氣體容易采取相應(yīng)措施。干燥機(jī)內(nèi)為微負(fù)壓，不會(huì)有惡臭氣體漏出，惡臭氣體在熱源爐內(nèi)可以得到分解。

  (3)干燥熱源的多樣化。蒸汽、空、低溫廢氣等熱源可以得到利用。已投入的污泥燃料化設(shè)備規(guī)格：處理能力62.5t/d，燃料產(chǎn)量13.2t/d，占地面積450m2。包括住友大阪水泥等公司均采用了該系統(tǒng)。

  2.3 其它方面

  除了工藝過程技術(shù)和替代燃料外，國(guó)際水泥行業(yè)在新型低碳水泥研發(fā)、降低水泥中熟料比例、CO₂捕集和貯存(CCS)技術(shù)、水泥水化基礎(chǔ)研究等方面也取得了諸多成就。如針對(duì)降低熟料系數(shù)，國(guó)際水泥行業(yè)在提高混合材活性、優(yōu)化水泥中顆粒的級(jí)配、開發(fā)高摻量混合材的新型水泥、研發(fā)各種用于提高水泥混凝土的外加劑與改性劑、開拓納米技術(shù)在水泥基建材中的研究應(yīng)用等方面進(jìn)行了廣泛研究。全球水泥行業(yè)熟料系數(shù)隨年份的變化見圖10。

  針對(duì)基礎(chǔ)研究工作，國(guó)際水泥行業(yè)也取得了諸多進(jìn)展。如2002年成立的歐洲水泥基礎(chǔ)研究合作組織NANOCEM針對(duì)影響水泥宏觀性能的納米級(jí)或微米級(jí)現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，如水泥水化過程、控制收縮的界面力、硅酸鈣水化物的納米級(jí)晶體結(jié)構(gòu)、環(huán)境中水分等向混凝土內(nèi)部的遷移過程等[6]，這為未來(lái)水泥行業(yè)持續(xù)的節(jié)能減排工作奠定了基礎(chǔ)。

  3 結(jié) 論

  面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候變化問題，水泥行業(yè)受到了廣泛關(guān)注。而各國(guó)、各地區(qū)，甚至部分水泥集團(tuán)都做出了相應(yīng)的減排部署或計(jì)劃。針對(duì)水泥生產(chǎn)過程中CO₂的主要排放源，國(guó)際水泥行業(yè)在工藝過程、替代燃料等方面均取得了一定進(jìn)展。然而，作為全球最重要的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)之一，水泥的產(chǎn)量在短期內(nèi)仍會(huì)以較高速度增長(zhǎng)，因此降低單位產(chǎn)品CO₂排放量將會(huì)是未來(lái)工作的重點(diǎn)。而隨著水泥生產(chǎn)工藝的逐步優(yōu)化，傳統(tǒng)的能效提高技術(shù)、燃料替代技術(shù)和熟料替代技術(shù)等措施對(duì)降低單位產(chǎn)品CO₂排放量的作用將會(huì)逐漸降低，而新型低碳膠凝材料的開發(fā)和CO₂捕集和貯存技術(shù)將會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色。

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