龔秀美　劉　燚　孫崇文　周聰聰　何鵬濤　沈衛(wèi)國

1. 湖北省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 4300702. 武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢　430070

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中國水泥工業(yè)CO2排放量的定量分析

龔秀美1劉燚2孫崇文1周聰聰2何鵬濤2沈衛(wèi)國2

1. 湖北省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070
2. 武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430070

我國水泥產(chǎn)量占全球60%左右，水泥工業(yè)碳排放長期以來被國際社會嚴(yán)重高估，采用LCA方法對我國2011年碳排放進(jìn)行了定量計算，中國水泥平均CO2直接排放系數(shù)和平均CO2排放生產(chǎn)系數(shù)分別是0.477 8 t/ t和0.545 0 t/t，2011年中國的水泥工業(yè)直接排放的CO2和生產(chǎn)排放CO2量分別是9.983億t和11.364億t；而水泥生命周期碳排放量和直接碳排放量分別是8.553億t和6.386億t。RMCO2、FDCO2、EDCO2、TDCO2和CSCO2的比例為53.8%、28.3%、7.94%、0.86%和-29.64%，與發(fā)達(dá)國家相比，我國水泥工業(yè)碳排放指數(shù)較低。

水泥工行業(yè)碳排放LCA碳排放指數(shù)

0　引言

水泥生產(chǎn)排放CO2是全球人為排放CO2的一個主要組成部分，占全球人為碳排放量的7%，占工業(yè)碳排放的26%[1]。近年來中國水泥工業(yè)技術(shù)得到顯著的提高，資源能源利用率顯著提高，但是由于缺乏準(zhǔn)確的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國水泥行業(yè)的碳排放水平在國際上長期被高估[2]。本文采用生命周期評價方法對中國水泥工業(yè)的碳足跡進(jìn)行了定量評估，從水泥工業(yè)碳排放的六種來源進(jìn)行計算，從四個方面對碳排放進(jìn)行評估，希望能建立對我國水泥工業(yè)的真實(shí)碳排放的正確認(rèn)識，并從全壽命周期的視角提出水泥工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型路徑。

1　研究方法

我國水泥行業(yè)的CO2排放量是由生命周期評估（LCA）測定，其中包括原材料、熟料煅燒、水泥生產(chǎn)、混凝土制備、運(yùn)輸、建筑、應(yīng)用、拆除與再生利用和填埋[3]。水泥生命周期中碳排放量的評估，研究了六個獨(dú)立的碳來源：原材料的CO2（RMCO2）[4]、能源CO2（FDCO2）、電力CO2（EDCO2）、運(yùn)輸?shù)腃O2（TDCO2）、混凝土生命周期的CO2（LCCO2）和混凝土碳沉淀（CSCO2）。水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2包括RMCO2、FDCO2、EDCO2和部分TDCO2，直接碳排放包括RMCO2、FDCO2，因?yàn)殡娏ρ苌腃O2和交通運(yùn)輸產(chǎn)生的CO2是能源燃燒和交通運(yùn)輸直接排放的，凈碳排放包括RMCO2、FDCO2和CSCO2。

1.1原材料CO2

原材料碳排放（RMCO）的計算公式：

其中MCaO和MMgO是熟料中CaO和MgO的質(zhì)量，RCaCO3和RMgCO3是碳酸鈣和碳酸鎂中鈣和鎂的質(zhì)量。波特蘭水泥熟料中MCaO和MMgO通常是65%和1.8%[5]。由于各種固體廢物，例如電石、粉煤灰和用作鈣原料的鋼渣，RCaCO3被設(shè)定為95%。這些鈣原料在燒結(jié)過程中不會產(chǎn)生CO2。由于鈣原料中的Mg大多數(shù)來自白云石，黏土中的鎂主要來自水鎂石，RMgCO3被設(shè)定為75%。從公式（1）可知，生產(chǎn)每噸熟料可產(chǎn)生0.500 t的CO2。在2001年，據(jù)評估在全球范圍內(nèi)每噸熟料也可產(chǎn)生0.500 t的CO2[6]。在中國生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥（其占水泥生產(chǎn)中的0.8%）需要更少的石灰石和磷石膏。因此，中國水泥工業(yè)的RMCO2平均值應(yīng)小于0.500 t/t熟料。

1.2燃料燃燒排放的CO2

FDCO2是用于生產(chǎn)水泥熟料和機(jī)械的燃料燃燒排放的CO2（不含原材料運(yùn)輸所需的燃料，這一部分燃料算在TDCO2中），可以按公式（2）進(jìn)行計算:

其中FDCO2是燃料中的碳排放量，P是熟料系統(tǒng)中消耗的熱能，包括回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器和分解爐中每噸水泥熟料消耗的熱能。Vdiesel是水泥生產(chǎn)過程中機(jī)器所使用的柴油量。EFcoal和EFdiesel是標(biāo)準(zhǔn)煤和柴油的碳排放系數(shù)。每噸標(biāo)準(zhǔn)煤EFcoal排放2.456 7 t CO2[7]，而每升柴油EFdiesel排放2.764 kg CO2[8]。

熟料煅燒過程所需的熱能是原料吸熱反應(yīng)所需的能量，形成穩(wěn)定的水泥熟料所需溫度為1 450 ℃。因此每噸水泥熟料若完成這個工序[9]，在理論上需要熱能為1.65～1.80 GJ。水泥熟料燒結(jié)過程中消耗大量能量。水泥熟料需要的額外能量取決于原料中的水分含量，每噸水泥熟料需要的額外能量約為0.2～1.0 GJ（對應(yīng)于3%～15%的水分含量），一些輸入的能量通過高溫?zé)煔狻⒗鋮s器及窯殼[10]散失。能量損失還依賴于回轉(zhuǎn)窯[10]的類型和回轉(zhuǎn)窯的大小。分解爐及大型窯都具有較高的熱效率，燃料排放的CO2主要是來自水泥熟料的燒結(jié)。

2005年，預(yù)分解窯生產(chǎn)的水泥份額僅為45%左右[11]，2011年通過這一新型干法工藝生產(chǎn)的熟料為86.83%和水泥為89%。有10個7 200 t/d以上的熟料窯（其中7個窯日產(chǎn)10 000 t熟料），超過一半的水泥生產(chǎn)窯的日生產(chǎn)能力超過4 000 t。一個最新設(shè)計的窯爐每生產(chǎn)一噸熟料需消耗的熱能約為2.95 GJ，2011年有人估算過在中國生產(chǎn)每噸熟料平均熱耗為3.10 GJ（見表1）。由于對于機(jī)械產(chǎn)生的碳排放并沒有正式的記錄數(shù)據(jù)，所以這些數(shù)據(jù)用來推導(dǎo)出不同水泥生產(chǎn)窯生產(chǎn)水泥的產(chǎn)量。

1.3電力產(chǎn)生排放的CO2

EDCO2是水泥生產(chǎn)過程中電力消耗產(chǎn)生的碳排放量，包括露天采石、原料粉碎、生料研磨、熟料煅燒、熟料研磨和水泥包裝。

表1　2011年中國水泥工業(yè)窯容量份額和熱能消耗

其中Mi是生產(chǎn)過程中生產(chǎn)1 t熟料需要原料的質(zhì)量，Eli是生產(chǎn)過程中使用的電力，EFelectricity是每消耗一度電排放的二氧化碳系數(shù)，單位為kg /kWh。2011年根據(jù)國際能源署（IEA）公布的數(shù)據(jù)，中國這一系數(shù)是0.974 6[12]。用于生料研磨和熟料粉磨的電力分別是12～22 kWh/t和28～55 kWh/t[13]。

自2000年以來，節(jié)能立式輥磨和輥壓機(jī)已被廣泛使用。生料研磨和熟料粉磨的平均電力消耗分別是18 kWh/t和32 kWh/t。中國平均有80%的窯采用中低溫余熱發(fā)電技術(shù)來回收窯的廢熱。統(tǒng)計顯示，可通過采用該技術(shù)[5]生產(chǎn)約60%的熟料，生產(chǎn)每噸熟料可平均節(jié)約24 kWh的電。

1.4交通運(yùn)輸產(chǎn)生的CO2

交通運(yùn)輸產(chǎn)生的二氧化碳TDCO2可以寫為：

其中FC是運(yùn)輸中消耗的能源（2011年在中國每運(yùn)輸10萬t約消耗6.03升的能源），Di是運(yùn)輸距離，該膠凝材料可以通過公路、鐵路或船舶運(yùn)輸。各種膠凝材料平均運(yùn)輸距離Di分別是原料10，石膏和煤300，礦物摻合料20，廢礦物摻合料50，水泥運(yùn)輸80～120，新拌混凝土及拆除混凝土運(yùn)輸分別是30～50和50。燃料消耗目前高于其它發(fā)達(dá)國家，但是最近改善公路系統(tǒng)和大型專業(yè)車輛的使用將減少運(yùn)輸成本。通過分別考慮水泥和混凝土的生命周期計算所述的TDCO2。表2列出了中國2011年熟料、波特蘭水泥及普通水泥平均運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量。

1.5混凝土生命周期中的CO2排放

為了簡化計算過程，本文沒有計算其他相關(guān)粒料的碳排放量。水可確保混凝土的和易性、水泥水化反應(yīng)及混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，需在混凝土生命排放周期中合理地估算水的排放量。因此，在混凝土生命周期中的水泥的物料流是水泥漿體的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)：在混凝土的拌合、澆筑、拆除過程中產(chǎn)生的二氧化碳量分別為：0.000 4 kgCO2/ kg、0.002 5 kgCO2/kg、0.000 538 kgCO2/kg[8]。在中國常規(guī)混凝土28 d的平均強(qiáng)度為30 MPa。鑒于在每立方混凝土中平均要用320 kg的水泥，其水灰比為0.45。1.45 t的水泥和水被用來計算普通水泥在混凝土生命周期中排放的二氧化碳量。用于制備高強(qiáng)度混凝土的波特蘭水泥28 d平均強(qiáng)度為60 MPa。然而通常每立方混凝土需要450 kg的波特蘭水泥，其水灰比為0.35。1.35 t的水泥和水被用來計算波特蘭水泥在混凝土生命周期中排放的二氧化碳量。

表2　計算運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量

1.6碳化作用的碳沉淀

為了計算混凝土使用壽命期內(nèi)或填埋后通過碳化作用產(chǎn)生的碳沉淀，瑞典科學(xué)家估計原料脫碳產(chǎn)生的50%～57%的二氧化碳在100年內(nèi)碳化。本文中在混凝土使用壽命期內(nèi)或拆除后100年，每噸熟料可碳沉淀275 t二氧化碳。

本文中對水泥生產(chǎn)直接碳排放、水泥生產(chǎn)過程碳排放、水泥生產(chǎn)凈碳排放及水泥生命周期碳排放進(jìn)行了評估，運(yùn)用方程5～8計算碳排放量：

水泥生產(chǎn)過程排放CO2=RMCO2+FDCO2+EDCO2+

水泥生產(chǎn)凈排放CO2= RMCO2+FDCO2+EDCO2+

水泥生命周期排放

2　碳足跡評價

2.1水泥生命周期CO2平均排放

水泥CO2的排放評估應(yīng)該包括整個水泥生命周期過程，從原材料到混凝土被拆除。表3介紹了生產(chǎn)每噸波特蘭水泥熟料和每噸普通水泥熟料過程中每步工藝的物料流、能源強(qiáng)度及二氧化碳排放。波特蘭水泥模型是由95%的水泥熟料和5%的石膏混合而成，普通水泥是5%的石膏和62.7%的熟料。圖1介紹了水泥生產(chǎn)過程的物料流，圖2介紹了熟料、波特蘭水泥、普通水泥的物料流。

圖1　1 t水泥熟料在生命周期中的物料流

圖2　1 t水泥產(chǎn)品的物料流

近年來中國國家發(fā)展和改革委員會（NDRC）已經(jīng)制定了一些新的政策。為了較少能源和電力的消耗，水泥工業(yè)已經(jīng)禁止使用落后的生產(chǎn)設(shè)施，包括立窯、長干法窯、濕法窯及小型的預(yù)熱預(yù)分解窯，這些能耗和排放標(biāo)準(zhǔn)比以前也要低得多。激烈的市場競爭和扶持政策鼓勵節(jié)能環(huán)保，使得有較大規(guī)模的工廠取代了落后產(chǎn)能的工廠。中低溫?zé)犭娂夹g(shù)被廣泛用于窯的余熱回收，在水泥生產(chǎn)中大量的固體廢物被用于生產(chǎn)混合水泥和減少熟料強(qiáng)度[14]。圖3介紹了中國在2005～2011年間水泥熟料的生產(chǎn)和熟料的強(qiáng)度，大規(guī)模窯生產(chǎn)的水泥熟料的強(qiáng)度高于老窯，制備強(qiáng)度等級相同的水泥時可以加入更多的礦物摻合量。注意：在2011年，熟料強(qiáng)度僅為62.8%，這比2050全球范圍內(nèi)發(fā)展藍(lán)圖目標(biāo)的71%要低，這是因?yàn)榇蟛糠值牡V物摻合料具有較高的水化活性。在中國運(yùn)用高爐礦渣和粉煤灰是大幅削減二氧化碳排放來生產(chǎn)具有較高的礦物質(zhì)含量復(fù)合水泥[15]的有效途徑。

圖3　2005～2011年中國水泥和熟料的產(chǎn)量

2.2中國水泥工業(yè)CO2排放因素

通過采用圖1、2中相關(guān)的物料流，在表3中列出了能量消耗、排放系數(shù)和熟料、波特蘭水泥、普通水泥的碳排放。表4列出了熟料、波特蘭水泥、普通水泥的碳排放系數(shù)。熟料生產(chǎn)直接碳排放系數(shù)為0.762 8 tCO2/t，熟料生產(chǎn)碳排放系數(shù)為0.814 2 t CO2/t。波特蘭水泥生產(chǎn)碳排放系數(shù)為0.807 7 t CO2/t，普通水泥生產(chǎn)直接碳排放系數(shù)為0.478 8 t CO2/t。由于加入了高礦物摻合料和改進(jìn)設(shè)備，使得普通水泥生產(chǎn)直接碳排放系數(shù)比1995年的0.787 t減少了0.308 t CO2，比2005年的0.592 t減少了0.113 t CO2[14]。熟料的強(qiáng)度從2005年的72.9%減少到2011年的62.7%，減少熟料的份額（最高強(qiáng)度的CO2排放）導(dǎo)致CO2的排放顯著減少。生產(chǎn)總排放系數(shù)為0.545 t CO2/t，比2009 年[14]以來減少了0.138 t CO2/t，是由于減少了立法窯、濕法窯的容量份額和使用余熱回收的貢獻(xiàn)。凈二氧化碳排放為0.306 3 t CO2/t，這類似于水泥的RMCO2排放。普通水泥的生命周期中的碳排放系數(shù)為0.410 2 t CO2/t。

2.3中國水泥行業(yè)的碳排放

表5介紹了中國水泥行業(yè)的碳排放量，其中直接碳排放總量為9.983億t，占2011年IEA[15]統(tǒng)計的全球碳排放總量89.6億t的11.1%，低于國際能源署估計的15%。大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)估算中國的碳排放量是基于2005年到2007年中國水泥年鑒上的能源消耗數(shù)據(jù)[16]。中國水泥工業(yè)的技術(shù)和設(shè)備發(fā)展快速[14]，2011年水泥生命周期中CO2排放量為8.53億t，在水泥生產(chǎn)中的碳排放量包括電力產(chǎn)生的CO2和運(yùn)輸產(chǎn)生的CO2總共為11.36億t，這與2009年Jing Ke[17]估算的碳排放量11.364億噸的數(shù)據(jù)相近。在2009～2011年間，盡管中國水泥產(chǎn)量增加了26.5%，但二氧化碳的排放量幾乎沒變，這主要是實(shí)施了相關(guān)政策，廢除陳舊的水泥產(chǎn)量設(shè)備和使用大型預(yù)分解窯、大型立磨、輥壓機(jī)和余熱回收技術(shù)。

表3　2011年中國普通水泥的碳排放

表4　2011年水泥產(chǎn)品的CO2排放系數(shù)

表5　2011年中國水泥工業(yè)碳排放量

圖4　2011年中國普通水泥不同碳排放比重

圖5 水泥工業(yè)低碳排放原理示意圖

圖4提供了2011年中國水泥工業(yè)碳排放的六種來源的比重，第一，原料中的RMCO2占的比重最高，為53.8%，第二，燃料中FDCO2占的比重為28.3%，電力產(chǎn)生的 EDCO2和運(yùn)輸產(chǎn)生的TDCO2所占的比重相近，在混凝土澆鑄成型后的100年間，通過碳化作用碳沉淀的CO2為29.64%。圖5為水泥工業(yè)低碳排放原理示意圖。

3　結(jié)束語

鑒于水泥產(chǎn)量高和缺乏對中國水泥行業(yè)的碳排放量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文水泥生命周期評估是用來評估其CO2排放量，探討了減少碳排放的方法，并得出以下結(jié)論：

（1）中國生產(chǎn)的水泥占全球的60%，中國人均水泥產(chǎn)量為1.55 t，是世界平均水平的三倍，每使用286 g水泥就會產(chǎn)生一美元的GDP，這是世界平均水平的5.7倍，大型水泥的生產(chǎn)確保了中國的快速城市化。

（2）水泥CO2直接排放系數(shù)為0.478 8 t，二氧化碳排放量比1995年減少了0.308 t，比2005年減少了0.113 t。每噸水泥CO2計算排放總量為0.545 t，比2009年每噸水泥減少排放了0.138 t CO2。

（3）2011年水泥生產(chǎn)直接碳排放總量為9.983億t，這占國家碳排放總量的11.1%，且比以前的排放要低得多。在2009～2011年間，盡管中國水泥產(chǎn)量增加了26.5%，但CO2的排放量幾乎沒變。

（4）在2011年水泥工業(yè)的碳排放量中，原料中的RMCO2占的比重為53.8%，燃料中FDCO2占的比重為28.3%，電力產(chǎn)生的 EDCO2和運(yùn)輸產(chǎn)生的TDCO2所占的比重分別為7.94% 和0.86%，在混凝土澆鑄成型后的100年內(nèi)，通過碳化作用碳沉淀的CO2量為29.64%。

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TQ172.687

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1008-0473(2016)03-0001-07DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.03.001