李承洋 龔先政 周麗瑋 丁晴

（1 北京工業(yè)大學(xué)材料與工程學(xué)院工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2 中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)，北京100044；3 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100191）

0 引言

我國(guó)水泥產(chǎn)量自1985年以來(lái)一直穩(wěn)居世界第一， 2017年水泥產(chǎn)量達(dá)到23.16 億噸[1]，約占世界總產(chǎn)量的60%，由于水泥工業(yè)的高能耗和高排放特征，其成為我國(guó)實(shí)施節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)之一。2015年我國(guó)能源消耗總量43 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，水泥行業(yè)能耗約為1.75 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國(guó)總能耗的4.07%；CO2排放約為14.91 億噸，約占全國(guó)總排放的10%～12%；SO2排放約為300 萬(wàn)噸，約占全國(guó)SO2總排放量的6%～7%[2]。

SO2會(huì)導(dǎo)致酸雨、硫酸霧等災(zāi)害性天氣，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重的威脅；CO2是全球變暖的元兇之一。NOx通過(guò)呼吸進(jìn)入人體肺的深部，可引起支氣管炎等危害。而化石燃料的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量SO2、CO2、NOx排放。其中，煤炭相對(duì)于石油等能源，更容易產(chǎn)生SO2等大氣污染物。使得以煤作為主要燃料的水泥工業(yè)倍受關(guān)注?？紤]到水泥行業(yè)在能耗和排放中的重要影響，對(duì)中國(guó)水泥行業(yè)未來(lái)的產(chǎn)量趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，并評(píng)估不同節(jié)能減排措施下的節(jié)能減排潛力顯得尤為重要。

1 水泥行業(yè)能源消耗及排放計(jì)算

隨著近幾年水泥行業(yè)的快速發(fā)展，2017年新型干法生產(chǎn)的水泥熟料占總量的比例已經(jīng)超過(guò)99%。因此本文計(jì)算只考慮新型干法生產(chǎn)線。中國(guó)水泥行業(yè)的能源使用效率在近十年取得顯著進(jìn)步，但整體水平仍然落后于國(guó)際先進(jìn)水平，因此，節(jié)能減排依然是水泥行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)[3]。

1.1 水泥能耗計(jì)算

水泥工業(yè)是最典型的窯爐工業(yè)，其生產(chǎn)工藝的核心部分是原料到熟料的煅燒，主要能耗是原材料烘干及熟料煅燒熱量（熱）、原燃材料運(yùn)輸和生料、水泥粉磨所需要的動(dòng)力（如電力消耗）[4，5]。水泥行業(yè)能源消耗量計(jì)算公式如（1）

其中：En為第n年水泥行業(yè)的能耗（kg）；Qn為第n年的水泥產(chǎn)量（t）；en為第n年水泥綜合能耗（kgce/t）。

1.2 水泥生產(chǎn)CO2、SO2、NOx 排放計(jì)算

水泥生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳的排放主要來(lái)自三個(gè)過(guò)程，即：①燃料燃燒排放；②碳酸鹽分解產(chǎn)生的過(guò)程排放；③電力消耗所產(chǎn)生的電力排放[6，7]。前面兩者屬于直接排放，電力排放屬于間接排放。其CO2排放根據(jù)公式（2）計(jì)算

其中：Fg、Fr、Fd分別代表CO2過(guò)程排放因子、燃料排放因子、電力排放因子；em代表噸水泥熟料綜合煤耗（kg標(biāo)煤/t 熟料）；β 代表熟料產(chǎn)量占水泥產(chǎn)量的比例（%）；ed代表噸水泥綜合電耗（kWh/t）。

水泥工業(yè)的SO2、NOx排放來(lái)自于直接排放和間接排放，其中直接排放源主要是由原料及燃料燃燒產(chǎn)生；間接排放是由電力生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生。其計(jì)算方程式如（3）、（4）。

其中：Sn代表第n年SO2排放總量；ZS代表噸熟料SO2直接排污系數(shù)（kg SO2/t 熟料）；JS代表電力排放SO2（kg SO2/kWh）。ZN代表噸熟料NOx直排系數(shù)（kg NOx/t 熟料）；JN代表電力排放NOx（kg NOx/kWh）。

2 中國(guó)水泥產(chǎn)量的預(yù)測(cè)

在進(jìn)行水泥工業(yè)節(jié)能減排潛力分析，必不可少的要對(duì)水泥產(chǎn)量的未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)人均累計(jì)消費(fèi)量達(dá)到20-25 噸時(shí)，水泥消費(fèi)量達(dá)到飽和。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的峰值約出現(xiàn)在20 噸，而日本為23.5 噸，中國(guó)臺(tái)灣為25.8 噸。中國(guó)，截止2017年水泥的累計(jì)消費(fèi)量已經(jīng)達(dá)到26 噸之多。圖1為人均水泥消費(fèi)量與水泥產(chǎn)量趨勢(shì)圖，2000-2014年，我國(guó)人均水泥產(chǎn)量增速明顯，2014年達(dá)到高點(diǎn)1822kg/人，之后逐漸回落[10]。1998-2017年我國(guó)水泥產(chǎn)銷率始終保持在95%～98%之間，從全國(guó)范圍來(lái)看，我國(guó)水泥的消費(fèi)量可以近似等于水泥產(chǎn)量。因此，水泥產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度和消費(fèi)量的增長(zhǎng)速度基本一致，兩者之間存在長(zhǎng)期協(xié)調(diào)關(guān)系。人均水泥消費(fèi)變量可以很好地解釋水泥產(chǎn)量變化。

圖1 人均水泥消費(fèi)量與水泥產(chǎn)量趨勢(shì)圖

參照國(guó)際上不同國(guó)家的發(fā)展情況，建立了如下三種水泥發(fā)展趨勢(shì)如圖2（人口數(shù)據(jù)來(lái)源于《國(guó)家人口發(fā)展規(guī)劃（2016-2030年）》）：

1）基準(zhǔn)情景：簡(jiǎn)稱“M”，水泥工業(yè)“十三五”規(guī)劃中指出到2020年去掉4 億噸水泥熟料產(chǎn)能，熟料產(chǎn)能利用率達(dá)到80%。到2020年，熟料產(chǎn)量應(yīng)該達(dá)到12.768噸，以2015年熟料與水泥比56.86%， 2020年水泥產(chǎn)量預(yù)計(jì)22.455 噸，人均水泥消費(fèi)1633 kg。到2025年，進(jìn)一步假設(shè)人均水泥消費(fèi)量穩(wěn)步下降到1167kg，并在2030穩(wěn)定在750 kg。

2）低位需求預(yù)估：簡(jiǎn)稱“L”，參照美國(guó)等水泥行業(yè)較發(fā)達(dá)國(guó)家的水泥消費(fèi)長(zhǎng)期趨勢(shì)。假設(shè)水泥產(chǎn)量峰值出現(xiàn)在2014年，對(duì)應(yīng)人均水泥年消費(fèi)量為1811kg。2020 之后，達(dá)到1500kg（參考日本、德國(guó)），然后在2025年穩(wěn)步下降到1050kg。之后，由于飽和效應(yīng)，人均水泥消費(fèi)量進(jìn)入穩(wěn)定期穩(wěn)定在600kg 水平。

3）高位需求預(yù)估：簡(jiǎn)稱“H”，由于中國(guó)達(dá)到飽和時(shí)，人均水泥累計(jì)消費(fèi)量同韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣的相似，所以可以作為參考。人均水泥消費(fèi)量在2020年緩慢下降到1700 kg，進(jìn)一步到2025年1275 kg 。

圖2 中國(guó)水泥產(chǎn)量預(yù)測(cè)

3 水泥能耗及排放預(yù)測(cè)

首先基于方程（1）、（2）、（3）定義當(dāng)前技術(shù)水平下的基準(zhǔn)情景，然后通過(guò)逐步實(shí)施各種節(jié)能減排技術(shù)達(dá)到最佳技術(shù)水平見表1，從而定義其他情景：

1）情景1：即當(dāng)前技術(shù)情景，參照2015年技術(shù)水平。未來(lái)的能耗及排放隨水泥產(chǎn)量的變化而變化。

2）情景2：能耗改進(jìn)情景，即熟料綜合能耗，水泥綜合電耗在2040年之前逐步到最佳技術(shù)水平。參考《全國(guó)工業(yè)能效指南》中標(biāo)桿企業(yè)單位產(chǎn)品能耗及電耗水平。其他技術(shù)參數(shù)保持2015年技術(shù)水平不變。

表1 中國(guó)水泥工業(yè)的目前與最佳技術(shù)水平

3）情景3：替代改進(jìn)情景，替代原燃料比例的提升，電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整。SO2、CO2、NOx排放因子和水泥熟料比例逐漸達(dá)到最佳技術(shù)水平。其他技術(shù)參數(shù)保持不變。

4）情景4：理想情景：所有技術(shù)水平都在2040年之前逐步達(dá)到了最佳技術(shù)水平。

本文在預(yù)測(cè)水泥能耗方面，只考慮在理想情景下。

4 結(jié)果分析及討論

4.1 不同技術(shù)情景下水泥工業(yè)2015年-2040年能耗及排放趨勢(shì)

圖3分別代表不同水泥產(chǎn)量、技術(shù)背景下中國(guó)2015年到2040年能耗及排放量趨勢(shì)圖。由圖分析，較高的水泥產(chǎn)量通常對(duì)應(yīng)較高的能源消耗和排放，說(shuō)明未來(lái)水泥行業(yè)的能耗及排放將受到水泥產(chǎn)量的直接影響。2015年-2030年，能源消耗及排放顯著下降，2030年-2040年緩慢下降。因?yàn)?，?030年之前，由于我國(guó)水泥工業(yè)產(chǎn)量達(dá)到飽和，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，加之單位產(chǎn)品能耗、碳捕捉技術(shù)、SO2系數(shù)技術(shù)、替代原燃料應(yīng)用等具有較高的發(fā)展?jié)摿?，這就使得在2030年之前，呈現(xiàn)較快下降趨勢(shì)；2030年之后，技術(shù)發(fā)展達(dá)到瓶頸，水泥產(chǎn)量趨于穩(wěn)定，這就使得2030年之后，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。

圖3 不同技術(shù)情景下2015年到2040年水泥行業(yè)能耗及排放預(yù)測(cè)（a）CO2；（b）SO2；（c）NOx；（d）能耗

4.2 累積節(jié)能量及CO2、SO2 減排量

將圖4理想情景與基準(zhǔn)情景的累積能耗量進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，節(jié)約潛力約為11.73%～12.68%，并累積帶來(lái)約4.22 億噸標(biāo)煤的節(jié)約量。

圖4 在基準(zhǔn)情景和理想情景下2015-2040年的累積能源消費(fèi)量

表2是在不同情景下CO2累積減排量，即將逐年的減排量加起來(lái)的總和。在替代改進(jìn)情景下，CO2的減排潛力約9%～10%，電力排放下降幅度最大。在效率改進(jìn)情景下，潛力約3.8%～6%；在理想情景下，潛力約12%～13.3%，能源效率提升帶來(lái)減排潛力較小。根據(jù)不同產(chǎn)量預(yù)估，在理想情景下，將帶來(lái)平均26.53 億噸的CO2累積減排量。并從三種排放過(guò)程來(lái)看，燃料排放的減排潛力最大，累積減排量可達(dá)11.13 億噸，電力排放的潛力次之，平均累積減排量8.1 億噸，過(guò)程排放的累積減排量約7.2 億噸。在替代改進(jìn)情景中，過(guò)程排放的減排貢獻(xiàn)最大，為36.61%，其次是燃料、電力減排貢獻(xiàn)度分別為32.14%、31.25%；在能效改進(jìn)情景中，燃料排放的減排貢獻(xiàn)最大；在理想情景下，過(guò)程排放、燃料排放、電力排放的減排貢獻(xiàn)分別是27.33%、42%、30.67%。

表3列出了不同情景下SO2、NOx的累積減排量，在替代改進(jìn)中，SO2、NOx的減排潛力分別為28%～31%、29% ～31.9%；在 效 率 改 進(jìn) 中，SO2、NOx減排潛力分別為7%～8%、2.5%～2.7%；在理想情景中，SO2、NOx的減排潛力分別為31%～35%、29%～33%。值得注意的是能源利用效率的提升對(duì)SO2、NOx直接排放貢獻(xiàn)小，而替代改進(jìn)情景下對(duì)直接和間接排放都有較大的貢獻(xiàn)。說(shuō)明電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，替代性原料、燃料占比上升，對(duì)水泥工業(yè)SO2、NOx減排起著重要的作用。

根據(jù)不同產(chǎn)量預(yù)估，效率改進(jìn)情景中，SO2、NOx累積減排量分別約為350 萬(wàn)噸、105 萬(wàn)噸；而在替代改進(jìn)情景中，SO2、NOx累積減排量約分別為1466.5 萬(wàn)噸、1200 萬(wàn)噸，在理想情景中，SO2、NOx累積減排量分別約為1637.5 萬(wàn)噸、1260 萬(wàn)噸。原燃料的替代以及技術(shù)改進(jìn)帶來(lái)排放系數(shù)下降等措施帶來(lái)減排貢獻(xiàn)整體都大于能源效率提高所產(chǎn)生的減排貢獻(xiàn)。

表2 在不同情景下2015-2040年CO2 的累積減排量

表3 在不同情景下2015-2040年SO2、NOx 的累積減排量

5 結(jié)語(yǔ)

1）從各種節(jié)能減排技術(shù)來(lái)看，技術(shù)的普及產(chǎn)生了很好的節(jié)能減排效益。但是，由于我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)仍處于中高速發(fā)展時(shí)期，水泥需求在短時(shí)期內(nèi)不會(huì)有很大的下降幅度。我國(guó)原燃料的替代比例相對(duì)較低，碳捕捉技術(shù)以及先進(jìn)的脫硫技術(shù)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，所以今后我國(guó)水泥工業(yè)節(jié)能減排可以從以上幾點(diǎn)開展。

2）通過(guò)研究，考察不同節(jié)能減排措施下中國(guó)水泥工業(yè)的節(jié)能以及CO2、SO2、NOx減排潛力。結(jié)果顯示中國(guó)水泥行業(yè)無(wú)論是能源消耗還是CO2、SO2、NOx排放都具有很大的潛力，它們潛力分別具是11.73%～12.68%、12%～13.3%、31%～35%、29%～33%，并累積帶來(lái)約4.22 億噸標(biāo)煤的節(jié)約量、約26.53 億噸CO2減排量、約1648 萬(wàn)噸SO2減排量、約1260 萬(wàn)噸NOx減排量。