水泥工业温室气体CO2的排放及其减排技术路线研究

环境污染与防治网络版第2期2004年4月·1·水泥工业温室气体CO2的排放及其减排技术路线研究*马保国1曹晓润高小建董荣珍李相国(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，武汉430070)摘要分析研究了温室气体CO2的排放现状、趋势及温室效应加剧对环境产生的危害性，着重探讨了我国水泥工业CO2的排放现状，并从材料学、热学和环境学等交叉学科入手研究了水泥工业温室气体CO2排放的控制技术，为水泥工业可持续发展以及解决CO2引起的温室效应提供了新的技术路线。关键词温室气体CO2排放温室效应水泥工业CO2减排技术路线StudyonthegreenhousegasCO2emissioninthecementindustryandCO2reductiontechnologyrouteMaBaoguo，CaoXiaorun，GaoXiaojian，etal.LaboratoryforSilicateMaterialsEngineering,WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070Abstract：ThecurrentsituationandtrendofgreenhousegasCO2emissionwasintroducedandmany-facedeffectsonenvironmentsuchasclimate,ecologicalenvironmentwhichareduetothestrengtheningofgreenhouseeffectwasanalyzed.AcomparativelydetailedexpatiationaboutCO2emissionstatusquointhecementindustryofChinawasmade,andthecontroltechnologyofCO2emissionintheCementIndustrywasstudiedintermsofmaterialscience,thermionicsandenvironmentscience.Finally,somefeasibletechnologyroutesofCO2reductionforthecontinuousdevelopmentofthecementindustrywereoffered.Keywords：GreenhousegasCarbon-dioxideemissionGreenhouseeffectCementindustryCO2reductionTechnologyroutes随着科技的飞速发展，人类的生活质量得到了极大提高，但同时也造成了各种生态环境问题。资源枯竭、人口膨胀、环境恶化是当今社会可持续发展面临的三大危机。目前，世界上最受关注的环境问题有全球变暖、臭氧层衰竭、酸雨范围扩大、丧失生物多样性(野生动物种类减少)和环境污染。全球变暖是首要的环境问题，因为经济发展使得人类对化石燃料的需求量不断增加，导致CO2的排放量日趋增大，造成越来越严重的地球升温。《京都议定书》中规定了6种主要的温室气体：CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs、SF6。其中CO2对增强温室效应的作用大约占70%。因此，降低大气中的CO2体积分数是解决温室效应的最关键问题。本文分析与研究了温室效应气体CO2的排放现状、趋势及其对环境产生的危害性，着重探讨了我国水泥工业CO2的排放现状，并从材料学、热学和环境学等交叉学科入手研究了水泥工业温室气体CO2排放的控制技术，为水泥工业可持续发展以及解决CO2排放引起的温室效应提供了一些新的技术路线。1温室效应气体CO2的排放现状及趋势CO2是环境代价最高的“温室气体”。目前，人类每年因能源的利用而向大气排放的CO21第一作者：马保国，男，1957年出生，教授，博导，从事无机非金属材料的教学与研究。*国家“863”计划项目资助（2002AA335050）环境污染与防治网络版第2期2004年4月·2·约220×108t(以碳元素质量计，约为60×108t)，而工业革命前只有0.4×108t[1]，在400年间，CO2的排放量增加了近15倍。空气中CO2的体积浓度随时间变化曲线如图1所示[2,3]。资料表明[3]，如果不采取合理措施加以控制，在未来的100年内仅因工业温室效应气体的排放就能使地球平均气温将上升3℃，届时海平面可能上升80cm，大部分沿海发达地区将被淹没。表1列出了1995年世界几个重要国家CO2排放量，可见，1995年中国CO2年排放总量为30.1×108t，占全球CO2年排放总量的13.6%，是CO2排放第二大国，预计到2015年可能达到65.3×108t，届时将是世界上最大的CO2排放国。中国自20世纪90年代，每年生产和消费能源折算为标准煤12×108～14×108t，其中煤占很大比例，核能、水能等清洁能源较少。对CO2体积分数增加的预测有多种数学模型，一般基于化石燃料的消耗和碳循环模型。据预测，到2030年全球化石燃料的消耗为17×1012～21×1012W，（而1987年的消耗量为8×1012W），届时全球的燃料构成将从以石图1二氧化碳体积浓度变化曲线25027029031033035037039017001800190020002100时间（年）二氧化碳体积浓度（PPm)表１1995年世界CO2排放量统计[1]国家CO2/106t占排放总量百分数/%美国5228.5223.7中国3006.7713.6俄罗斯1547.897.0日本1150.945.2德国884.414.0印度803.003.6环境污染与防治网络版第2期2004年4月·3·油为主转变为以煤为主，CO2的排放量将有较大增加，地球可能温升1.5～4.5℃，这将给人类的生存带来灾难[4]。2温室效应对环境产生的危害2.1对沿海地区的影响温室效应增强，海水将会由于水温升高而膨胀，促使海平面上升。据统计[3,4]，近百年来全球气温升高大约0.8℃，海平面大约上升了10~15cm。如果对CO2的排放不采取有效控制，到2050年大气中CO2的浓度将增加一倍，地球升温1.5~4.5℃。综合考虑海水膨胀、南北极和高山冰雪融化，海平面将上升30~50cm[5]。届时沿海低地将被淹没、海滩和海崖遭受侵蚀、农田土地盐碱性恶化、海水倒灌与洪水加剧、港口设备和海岸建筑遭损坏等。2.2对人类健康与生态的影响全球气温变暖后，某些传染病的流行范围将扩大，导致物种的多样性进一步减少。降水带移动、气候变化，森林所占面积比例减少，荒漠扩展。并且由于气温升高，农作物的种植区域会向高纬度扩展，冷型温带森林或温带草原将代替目前的北方森林，而亚热带森林将由热带森林所代替，植被带北移。另外，气候变暖将影响渔场的分布和渔业生产活动。总之，在未来的30~40年间，如果全球气温因温室气体的大量排放而上升1.5~4.5℃，这将使水资源，农牧业，森林木材等受到影响；海平面上升后会淹没许多沿海城市和低地；气候变化会使某些地区变得干燥，沙漠化加剧；有些地区降水量会增加，水土流失将加剧。为此，采取有效措施减少温室气体的排放刻不容缓。3中国水泥工业CO2排放现状与分析在改革开放之初的1978年，我国水泥产量仅0.65亿t，1985年产量达1.46亿t，首次居世界第一，2002年增至7.05亿t，平均年增0.25亿t，年平均增长率为10%以上。水泥工业排放的温室气体99%以上为CO2[6]，水泥工业CO2产生主要是由水泥熟料烧成过程中燃料（主要是煤）燃烧和碳酸盐分解所致，即：C+O2→CO2↑CaCO3→CaO+CO2↑计算表明：每生产1t水泥熟料，按消耗1.2t生料计，水泥原料CaCO3和MgCO3分解释放CO2近0.55t，熟料煅烧燃料释放CO2约0.4t，再加上运输用电力、燃料等方面的二氧化碳排放，约1t左右[2]。从图2可以看出，水泥工业的CO2总排放量随着水泥产量的增加从1992年的1.5亿t逐年上升到2002年的5.4亿t。估计到2010年水泥年产量为9亿t，CO2排放量将达6.84亿t，2020年将达8.74亿t。另据统计，水泥工业排放的CO2占总排放量的比重则从1992年的5.68%逐年上升为环境污染与防治网络版第2期2004年4月·4·2002年的7%～8%。可见，如果不对水泥工业CO2的排放加以有效控制，将给人类生存的环境带来不可估量的损失。4水泥工业CO2减排设计原则与技术路线4.1降低熟料烧成煤耗一般，每千克水泥生料的CO2生成量约为0.346kg；每千克煤粉燃烧生产的CO2量约为2.42kg[7]。可见，降低熟料烧成煤耗是减少水泥工业CO2生成量及排放量的关键。4.1.1提高生料易烧性排除燃料品质和种类的影响，各种燃料用量是由所用的原料性质和所需的熟料性能即熟料的率值决定的，选择合理的率值，提高生料细度，适量加入矿化剂或复合矿化剂及合理利用微量元素，可以改善生料易烧性或加速熟料烧成，从而降低熟料热耗，减少熟料烧成煤耗。4.1.2利用可燃性废弃物可作为水泥代用燃料的有废轮胎、废橡胶、废塑料、废油、活性炭污泥、废白土、造纸污泥、焦碳等。利用可燃性废弃物代替部分或大部分燃煤和燃油，既处置了废料，又节约了能源，同时也减少了CO2等有害气体排放量。国外自70年代初开始研究用可燃性废料作为替代燃料应用于水泥生产。首次试验于1974年在加拿大的Lawrence水泥厂进行[8,9]，结果表明含聚氯苯基等化工废料在回转窑中焚烧是安全的。随后美国的10多家水泥厂先后进行了试验，证明水泥窑焚烧可燃性废物图2水泥工业二氧化碳排放曲线0123456199219941996199820002002时间（年）二氧化碳排放量（亿吨）环境污染与防治网络版第2期2004年4月·5·不仅节约能源，对环境、水泥质量均无不良影响。目前美国的大部分水泥厂都使用液体的可燃废弃物，替代量达到25%～65%。但从废料市场的情况、工厂经济效益及新技术的发展情况看，正逐步趋向于使用污泥物及固体废料。4.1.3提高燃烧器效率燃烧器的主要功能就是将燃料和空气导入炉膛和回转窑中，并根据气固两相流理论加以充分的混合使其有利于燃烧。目前，水泥窑燃烧器效率偏低，随着新型高效低污染燃烧器的研制开发，燃烧器效率在不断提高，煤耗也相应降低，这将使CO2等有害气体排放量减少。计算表明，如果燃烧器能减少煤耗10%，若按煤含碳量为50%计算，CO2气体排放量至少减少2.0%，会对因CO2的排放而引起的温室效应有直接影响。4.2减少生料消耗量、降低碳酸质原料用量水泥工业CO2产生50%以上是碳酸盐原料分解所致，减少碳酸质原料在水泥生产中的用量或大量使用非碳酸质原料是减少CO2排放最有效的措施。理论上，所有富含氧化钙的物质均能用于水泥生产。从水泥煅烧的热量平衡计算可以看出，煅烧过程中碳酸盐分解所吸收的热量占水泥熟料热耗的46%左右，因此，使用非碳酸质原料不仅能有效减少CO2排放，而且能提高生料的易烧性，从而降低熟料的热耗（煤耗），进而有效地降低燃煤产生的CO2。随着水泥生产技术的不断发展，作为水泥代用原料的范围越来越广。下水道焚烧灰、造纸焚烧灰、河道污泥、粉煤灰、高炉矿渣、钢渣、建筑废弃物、氟化钙污泥、硅藻土、煤矸石、废石膏等可作为水泥的代用原料。现在，日本秩父小野田公司利用下水道污泥及城市垃圾焚烧灰渣为原料生产出高强度水泥，这种水泥的原料60%为废弃物（城市垃圾灰占20%~30%），烧成温度1000~1300℃，燃料用量与CO2排放量，都比生产普通水泥少得多，对保护生态体系，维护环境协调有重要意义。4.3提高熟料质量以便增加水泥或混凝土中工业废渣的掺入量虽然我国水泥基本符合国家标准，但是普遍感到质量不高。在保证相同性能的前提下，熟料质量越好，可以掺入较多混合材，水泥用量减少，并且提高结构物的耐久性，增加水泥基材料使用寿命，使单位时间的环境影响减少，间接地降低了CO2排放量。4.4调整水泥制造业的产业结构，大力发展新型干法生产线水泥工业存在大量落后生产能力，据2002